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cours electricité

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Lois de l’électricité
Séquence 7 : Circuits électrique
Lois
de
l'électricité
1
Généralité sur les circuits électriques
• Notion de circuit électrique
Un circuit électrique est un ensemble comprenant un générateur, un ou
plusieurs récepteurs reliés par des fils conducteurs et parcouru par un
courant électrique.
Lois
de
l'électricité
2
Le générateur repéré G est la source
d’énergie. Il crée l’énergie en établissant
une différence de potentiel dans le circuit
électrique.
Il s’agit par exemple d’une pile ou d’une
batterie.
L’interrupteur repéré S permet ou non le
passage du courant dans le circuit
Généralité sur les circuits électriques
Les récepteurs transforment l’énergie électrique transportée par le courant
• En énergie thermique pour la lampe
• En énergie chimique pour l’électrolyse
• En énergie mécanique pour l’aiguille aimantée
Lois
de
l'électricité
3
Lorsque l’interrupteur S est ouvert, le courant
électrique ne circule pas, aucun phénomène
ne se passe. L’énergie n’est pas transportée.
Lorsque l’interrupteur S est fermé, le courant
électrique transporte l’énergie dans le circuit
de la borne positive vers la borne négative du
générateur
Généralité sur les circuits électriques
• Le courant électrique continu
Le courant électrique résulte d’un déplacement d’électron de charge négative. Le sens
conventionnel du courant est le sens opposé au déplacement des électrons. Les électrons
de charge négative se déplacent de la borne – vers la borne + du générateur.
Le courant électrique continu défini positif circule de la borne + vers la borne – du
générateur.
Il est représenté sur le circuit par une flèche qui indique le sens positif du courant.
Lois
de
l'électricité
4
En régime établi, le courant électrique est constant.
L’intensité du courant électrique se note I et s’exprime en
ampère. C’est la quantité d’électricité transportée par unité
de temps :
I =
𝑞
𝑡
I en Ampère (A)
q en Coulombs (C)
t en seconde (s)
André-Marie Ampère
(1775-1836)
Généralité sur les circuits électriques
• Une quantité d’électricité de 1 coulomb correspond au passage de 1 A
pendant 1 s
• Un courant électrique de 1 A pendant 1 heure donne :
q = 1 Ah = 3600C
• Pour information : la quantité d’électricité transportée par un électron est
de 1.6*10−19
C
Lois
de
l'électricité
5
Généralité sur les circuits électriques
• La différence de potentiel
Si un courant électrique circule entre deux points d’un circuit, il existe entre ces
deux points une différence de potentiel électrique. Cette différence de potentiel
est appelée tension électrique
La tension électrique se note U et s’exprime en Volt. C’est l’énergie transportée
par la quantité d’électricité déplacée.
Lois
de
l'électricité
6
U =
E
q
U en volt (V)
E en joule (J)
q en coulomb (C)
Alessandro Volta (1745-1827)
• La tension entre les points A et B d’un circuit c’est la différence de
potentiel entre le points A et le point B. Elle est représentée sur un circuit
par une flèche qui indique le potentiel le plus élevé:
𝐔𝐀𝐁 = 𝐕𝐀 − 𝐕𝐁
U en Volt
Analogie avec l’eau : l’eau (le courant) circule entre deux points d’un
circuit s’il existe entre ces deux points une différence de hauteur
(potentiel) appelée pression (tension).
La quantité d’eau (électricité) déplacée par unité de temps est le débit
(intensité)
Lois
de
l'électricité
7
Généralité sur les circuits électriques
Lois
de
l'électricité
8
Notion de nœud, branche et maille
• Dans le circuit ci-dessous R1, R2 et R3 représentent 3 récepteurs
quelconques
Lois
de
l'électricité
9
• On appelle nœud une connexion où sont reliés
plus de deux dipôles. Dans le circuit ci contre il
y a deux nœuds qui sont les points A et B
• On appelle branche une partie du circuit entre
deux nœuds consécutifs. Dans le circuit si
contre il y a 3 branches entre les points A et B
• On appelle maille une boucle dans le circuit.
Dans le circuit ci contre il y a trois mailles :
• Une maille de G vers A, R1, B puis G
• Une maille de G vers A, R2, R3, B puis G
• Une maille de A vers R2, R3, B, R1 puis A
Notion de nœud, branche et maille
• Loi des nœuds :
• Au point A, on peut écrire : I= I1+ I2
• De même au point B on a : I1 + I3 = I
Lois
de
l'électricité
10
Sur un nœud, la somme des
courants rentrants est égale à la
somme des courants sortants
Notion de nœud, branche et maille
• Loi des branches:
• Dans la branche A, R2, R3, B on a
𝐕𝐀𝐁 = 𝐕𝐀𝐂 + 𝐕𝐂𝐁
Lois
de
l'électricité
11
Dans une branche la tension totale
est la somme des tensions prises
aux bornes de chaque dipôle
Notion des nœuds, branches et mailles
• Loi des mailles:
• A condition de bien respecter l’orientation
des flèches, dans la maille A vers R2, R3,
B, R1 puis A nous pouvons écrire
𝐕𝐀𝐂 + 𝐕𝐂𝐁 − 𝐕𝐀𝐁 = 𝟎
Ou, en sens inverse
−𝐕𝐀𝐁 + 𝐕𝐂𝐁 + 𝐕𝐀𝑪 = 𝟎
Lois
de
l'électricité
12
Dans une maille, la somme des
tensions prises aux bornes de
chaque dipôles en série est nulle
Notion de nœud, branche et maille
Lois
de
l'électricité
13
Notion de nœud, branche et maille
Lois
de
l'électricité
14
Etude thermique d’un circuit électrique
• L’énergie électrique*
Nous avons vu qu’un circuit électrique est composé d’un ou plusieurs générateurs
et d’un ou plusieurs récepteurs reliés par des fils.
Lois
de
l'électricité
15
Le ou les générateurs électriques
créent une différence de potentiel
et fournissent l’énergie électrique
nécessaire aux récepteurs
Le ou les récepteurs électriques,
absorbent le courant électrique et
transforment l’énergie électrique
selon la nécessité de l’utilisateur
Cela n’est vrai que pendant le temps ou le courant transporte l’énergie électrique
Etude thermique d’un circuit électrique
Par conséquent, l’énergie électrique notée W est
proportionnelle
• A la différence de potentiel fournie au circuit notée
V en volt
• Au courant électrique absorbée par le récepteur
noté I en ampères
• Au temps nécessaire au courant pour le transport
noté t en seconde
Lois
de
l'électricité
16
W = U x I x T
L’unité de l’énergie électrique est le joule
1 Joule est l’énergie électrique transportée en 1 seconde par un courant de
1 A sous une tension de 1V.
On utilise plus communément le WattHeure (Wh)
1Wh = 3600J
Etude thermique d’un circuit électrique
• La puissance électrique
L’énergie peut se présenter sous plusieurs formes : l’énergie thermique, mécanique,
chimiques…
Quelque soit l’énergie produite par le générateur ou consommée par le récepteur, en un
temps donné, cette quantité d’énergie dépend de la puissance de l’appareil.
Lois
de
l'électricité
17
Plus un appareil est puissant, plus il produit d’énergie en un temps
donné et inversement.
D’où la relation donnant la puissance P d’un appareil en fonction de
l’énergie produite ou consommée par cet appareil en un temps
donnée
La puissance se note P et s’exprime en Watts
P =
W
t
P en Watts (W)
W en joules (J)
t en secondes (s)
Etude thermique d’un circuit électrique
• La puissance électrique d’un appareil est égale
à l’énergie électrique produite ou consommée
par cet appareil en un temps donné :
• La puissance électrique d’un appareil parcouru
par un courant continu est égale au produit de
la tension à ses bornes par l’intensité du
courant continu qui le traverse :
Lois
de
l'électricité
18
P=UxI
P en Watts (W)
U en volt (V)
I en ampère (A)
Etude thermique d’un circuit électrique
• Le résistor ou résistance
Nous avons vu que les récepteurs transforment l’énergie électrique.
D’après le principe de la conservation de l’énergie, toute l’énergie produite
est transformée. Quelque soit l’énergie produite, la transformation de
l’énergie crée toujours un échauffement.
Cet échauffement peut être désiré lorsque l’on veut produire de l’énergie
thermique ou indésirable lorsque l’on produit de l’énergie mécanique ou
chimique car c’est alors une perte d’énergie
Lois
de
l'électricité
19
Etude thermique d’un circuit électrique
Le déplacement des charges électriques dans un matériau donné est plus
ou moins facile.
C’est ainsi que nous pouvons considérer plusieurs types de matériaux :
des conducteurs ou des isolants.
• Les matériaux isolants s’opposent au passage du courant électrique
• Les matériaux conducteurs laissent passer plus ou moins facilement le
courant électrique
Lois
de
l'électricité
20
Les résistances
• On appelle résistance électrique d’un conducteur sa capacité à
s’opposer au passage du courant électrique. La résistance électrique
provoque un échauffement: c’est l’effet Joule
• Un récepteur dont le seul but est de s’opposer au passage du courant
d’appelle un résistor
Lois
de
l'électricité
21
Le résistor ne produit rien. Il consomme de
l’énergie électrique et la transforme
intégralement en énergie thermique. On dit
que c’est un dipôle passif. De plus les deux
bornes d’un résistor ne sont pas repérées, on
peut le brancher indifféremment dans un sens
ou dans l’autre : il est non polarisé
Les résistances
• La résistance peut être comparée au
frottement d’un liquide dans une conduite ou
d’un projectile dans l’air.
• Le résistor transforme toute l’énergie
électrique en chaleur.
• Le résistor est notée R et la résistance
s’exprime en ohms : Ω
• Symbole d’un récepteur purement résistif :
L’inverse de la résistance est la conductance.
Elle est notée G et s’exprime en siemens : (S)
Lois
de
l'électricité
22
James Prescott Joule
1818 - 1889
Etude thermique d’un circuit électrique
• La loi de Joule
Nous avons vu que la résistance électrique en s’opposant au passage du
courant électrique provoque un échauffement appelé Effet Joule
L’énergie thermique est égale :
La puissance dissipée en chaleur est égale à
Lois
de
l'électricité
23
W = R x I² x t
P = R x I²
La loi d’Ohm
• Pour un récepteur électrique de résistance R sous une tension U et
parcouru par un courant I pendant un temps donnée nous donne :
Lois
de
l'électricité
24
Association de résistances
Branchement de résistances en série
Lorsque des résistances sont branchées en série, elles sont traversées par
le même courant d’intensité I.
Lois
de
l'électricité
25
Dans un branchement en série , la
résistance équivalente Réq est la
somme des résistances
𝑹𝒆𝒒 =
𝒊=𝟏
𝒏
𝑹𝒊
𝑹𝒆𝒒 = 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 + ⋯ + 𝑹𝒊
Association de résistances
Branchement de résistances en parallèle
Lorsque des résistances sont branchées en parallèle, elles sont alimentée
par la même tension V.
Lois
de
l'électricité
26
Dans un branchement en parallèle, l’inverse de la
résistance équivalente Réq est la somme des
inverses de chacune des résistances
Calcul de la résistance équivalente :
𝑹𝒆𝒒 =
𝒊=𝟏
𝒏
𝟏
𝑹𝒊
𝑹𝒆𝒒 =
𝟏
𝑹𝟏
+
𝟏
𝑹𝟐
+ ⋯ +
𝟏
𝑹𝒊
Le pont diviseur de tension
Présentation
Le montage Pont diviseur de tension est le moyen plus simple d’abaisser
une tension continue. Il est constitué de deux résistances de base en série.
Pour appliquer la « règle du pont diviseur de tension », il faut absolument
que le courant traversant le résistor R1 soit identique au courant traversant
le résistor R2.
On retrouve ce montage dans la plupart des schémas électriques. C'est
donc un des montages les plus importants. Il faut absolument pouvoir le
reconnaitre et savoir les formules théoriques de ce montage par cœur.
Lois
de
l'électricité
27
Le pont diviseur de tension
• Principe
• Dans un montage pont diviseur de tension, la tension de sortie aux
bornes d'un des résistors est égale au produit de la tension d'entrée
multipliée par la valeur du résistor ou est mesurée cette tension et divisée
par la somme des valeurs des deux résistors du montage
Lois
de
l'électricité
28
𝑼𝟏 = 𝑼 ×
𝑹𝟏
𝑹𝟏 + 𝑹𝟐
𝑼𝟐 = 𝑼 ×
𝑹𝟐
𝑹𝟏 + 𝑹𝟐
Le pont diviseur de tension
• De nombreux capteurs (LDR ou thermistance) ont une résistance qui varie en fonction
du paramètre à mesure (lumière dans le cas de la LDR ou température pour la
thermistance. Dans un montage avec un microcontrôleur (de type Arduino ou Picaxe) Il
faut donc pouvoir mesurer la valeur de la résistance. Pour ce faire on utilise un pont
diviseur de tension : la mesure de la tension aux bornes du capteur nous permet de
connaitre la valeur de la résistance.
Lois
de
l'électricité
29
Le pont diviseur de tension
Lois
de
l'électricité
30
Exemple n°1 :
𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟓 ×
𝟏𝟎𝟎𝟎
𝟏𝟎𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎
= 𝟐, 𝟓𝑽
Exemple n°2 :
𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟓 ×
𝟒𝟎𝟎𝟎
𝟏𝟎𝟎𝟎 + 𝟒𝟎𝟎𝟎
= 𝟒𝑽
déterminer la valeur de sa résistance.
• Introduction
• Le plus souvent, la résistance se présente avec des bagues de couleurs
(anneaux) autour de celle-ci. Chaque couleur correspond à un chiffre. La
correspondance entre les chiffres et les couleurs des anneaux constitue
ce qu'on appelle le code des couleurs et permet de déterminer la valeur
d'une résistance ainsi que sa tolérance.
Lois
de
l'électricité
31
déterminer la valeur de sa résistance.
Méthode pour déchiffrer
ll faut tout d'abord placer la résistance dans le bon sens. En général, la résistance possède un anneau doré ou argenté, qu'il f aut placer à droite. Dans d'autres
cas, c'est l'anneau le plus large qu'il faut placer à droite.
Il existe trois types de résistances : les résistances à 4, 5 et 6 anneaux.
Résistances à 4 anneaux
• Les deux premiers anneaux donnent les chiffres significatifs (le premier donne la dizaine et le second l'unité).
• Le troisième donne le multiplicateur (la puissance de 10 qu'il faut multiplier avec les chiffres significatifs).
• Le quatrième la tolérance (les incertitudes sur la valeur réelle de la résistance donnée par le constructeur).
Résistances à 5 anneaux
• Les trois premiers anneaux donnent les chiffres significatifs.
• Le quatrième donne le multiplicateur (la puissance de 10 qu'il faut multiplier avec les chiffres significatifs).
• Le cinquième la tolérance (les incertitudes sur la valeur réelle de la résistance donnée par le constructeur).
Résistances à 6 anneaux
• Les quatres premiers anneaux ont la même signification que les résistances à 5 anneaux
• Le sixième est un coefficient de temperature (variation de la conductivité électrique avec la température)
Lois
de
l'électricité
32
déterminer la valeur de sa résistance.
Lois
de
l'électricité
33
Déterminer la valeur de sa résistance.
Lois
de
l'électricité
34
Moyen mnémotechnique :
Ne Mangez Rien Ou Jeûnez
Voilà Bien Votre Grande Bêtise
Les composants électriques
Séquence 7 : Circuits électrique
Les
composants
électroniques
35
La résistance
• Une résistance est un composant électronique
dont la principale caractéristique est
d'opposer une plus ou moins grande
résistance (mesurée en ohms) à la circulation
du courant électrique.
• Les anneaux de couleur sur la résistance
permettent , grâce à l'utilisation d'un code
universel, de connaitre sa valeur en Ohms.
Les
composants
électroniques
36
Symbole européen Symbole américain
Quelques résistances particulières:
Les
composants
électroniques
37
Potentiomètre Thermistance Photorésistance
Résistance dont la valeur
change en fonction de la
position d’un curseur (il peut
être rotatif ou linéaire).
Résistance dont la valeur
change en fonction de la
température ambiante à la
thermistance
Résistance dont la valeur
change en fonction de la
luminosité
La diode
• Une diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant
que dans un sens. Le courant passe de l’anode à la cathode mais ne
peut pas passer de la cathode vers anode.
Les
composants
électroniques
38
La diode
• Exemple d’utilisation:
• Lorsque le générateur délivre un signal sinusoïdal:
• L'utilisation d'une diode permet d'obtenir, aux
bornes de la résistance, le signal suivant:
Les
composants
électroniques
39
La diode
• L'utilisation d'un pont de diodes, permet d'obtenir un signal redressé
double alternance:
Les
composants
électroniques
40
La diode
• Une LED émet de la lumière lorsqu'elle est parcourue par un
courant.
• Une diode infrarouge émet un faiseau lumineux invisible pour
l'oeil humain. On peut les trouver dans certaines télécommande et
dans certains capteurs.
• Une photodiode permet de détecter un rayonnement lumineux et de
le convertir en signal électrique.
• Une photodiode peut être sensible à la lumière ambiante et servir de
capteur d'intensité lumineuse.
• Certaines photodiodes vont détecter plus spécifiquement la lumière
infrarouge ou certaines longueurs d'ondes.
Les
composants
électroniques
41
Le condensateur
• En fonction des applications, le condensateur peut avoir un rôle
 De Filtrage
 De stockage de l’énergie (supercondensateur)
 De lissage
 De mémoire
• Le condensateur se charge d'une quantité d'électricité (Q) lorsqu'il est
soumis à une tension. Cette charge Q dépend de la tension et de la durée
pendant laquelle il a été soumis à cette tension. L'énergie emmagasinée
sera restituée lors de la décharge du condensateur.
Les
composants
électroniques
42
Symbole européen Symbole américain
Le condensateur
• Le condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux
armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un
isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker
des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges
est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.
• Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et
tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique
d'un condensateur idéal est :
Les
composants
électroniques
43
𝑖 = 𝐶
𝑑𝑢
𝑑𝑡
• i est l'intensité du courant qui passe par le composant,
exprimée en ampères (symbole : A) ;
• u est la tension aux bornes du composant, exprimée
en volts (symbole : V) ;
• C est la capacité électrique du condensateur, exprimée
en farads (symbole : F) ;
• du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps
Le condensateur
• Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou «
armatures », très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou « diélectrique ».
• La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension
appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement
caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension.
• La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la
géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante
est souvent utilisée pour estimer sa valeur :
Les
composants
électroniques
44
𝐶 = ε
𝑆
𝑒
• S : surface des armatures en regard (en mètre carré (m2)),
• e distance entre les armatures (en mètre (m))
• ε la permittivité du diélectrique (en Farad/Mètre (Fm-1)).
Le condensateur
Les
composants
électroniques
45
Courbe de charge et de décharge d'un
condensateur: évolution de la tension U (V) en
fonction du temps
Lissage d'une tension redressée
Le condensateur
Les
composants
électroniques
46
La bobine
• Une bobine, ou solénoïde, inductance, self est constituée d’un
enroulement de fil conducteur, éventuellement autour d’un noyau en
matériau ferromagnétique
Les
composants
électroniques
47
La bobine
La bobine s'oppose à la variation du courant I dans ses spires
Un champ magnétique est créé par le passage d'un courant
dans une bobine
En fonction du contexte, on peut utiliser des bobines pour :
• Filtrer un signal
• Limiter les pics de courants dans un circuit
• Générer une force (moteurs électriques)
Les modèles les plus simples et les plus fréquemment utilisés sont ceux
correspondant à l'association d'une bobine d'inductance et
d'une résistance :
Les
composants
électroniques
48
La bobine
Les
composants
électroniques
49
La bobine
• La tension 𝑢𝐵 aux bornes de la bobine et l’intensité i du courant sont
reliés par l’équation différentielle :
Ou:
• L est l’inductance de la bobine
• R sa résistance propre (dans le cas d’une bobine parfaite r = 0 )
Les
composants
électroniques
50
𝑢𝐵 = 𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
+ 𝑟𝑖
La bobine
• Exemple d’utilisation : les relais
• Un relais est un interrupteur commandé par le passage d'un courant
électrique dans une bobine.
Les
composants
électroniques
51
Photo Schéma
La bobine
• Principe de fonctionnement
• Une bobine traversée par un courant génère un champ magnétique. Elle
devient donc un aimant. Le relais se sert de cette propriété :
• lorsque aucun courant n'est appliqué à la bobine, la palette (voir ci-
dessus) est libre, les connecteurs ne sont pas en contact et aucun
courant, ni aucune puissance, n'y circulent : c'est un interrupteur ouvert.
• lorsqu'un courant est appliqué à la bobine, la palette est attirée vers la
bobine, et pousse, par un jeu de levier le connecteur de gauche sur celui
de droite. Il y a contact : c'est un interrupteur fermé
Les
composants
électroniques
52
La bobine
Intérêts
• Les relais peuvent être utilisés pour différentes applications.
• Il est par exemple possible de commander avec un circuit de faible
puissance (circuit de la bobine) un circuit de forte puissance (celui des
connecteurs).
• Par ailleurs, un relai peut être commandé numériquement (avec des 0 ou
des 1 logiques) pour laisser passer (ou non) un signal analogique
(comme un signal audio).
Les
composants
électroniques
53
Le transistor
• Le transistor est un composant électronique qui est utilisé dans la plupart
des circuits électroniques (circuits logiques, amplificateur, stabilisateur de
tension, modulation de signal, etc.) aussi bien en basse qu'en haute
tension.
• Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives,
qui permet de contrôler un courant ou une tension sur l'électrode de sortie
(le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet
de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor
bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ).
Les
composants
électroniques
54
Le transistor
Les
composants
électroniques
55
Transistor bipolaire Transistor à effet de champ
Grille
Drain
Source
Le transistor
Applications:
Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux
besoins de l'électronique :
 analogique,
 numérique,
 de puissance
La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique
de puissance.
Les technologies à effet de champ sont principalement utilisées en
électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Les transistors
à effet de champ sont aussi utilisés pour faire des commandes de
puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile).
Les
composants
électroniques
56
Le transistor
• Caractéristiques
Les
composants
électroniques
57
Le transistor
Ib = courant de base
Ic = courant de collecteur
Ie = courant dans l’émetteur
RB et RC = résistances de limitation
des courants Ic et Ib
Loi des nœuds : Ie = Ib + Ic
Relation dans un transistor : 𝐼𝑐 = 𝛽 × 𝐼𝑏
β est le gain en courant du transistor, 30 < β < 300
Les
composants
électroniques
58
Le transistor
Le transistor en régime de commutation
Le transistor est alors considéré comme un relais statique : Il s’agit d’un
interrupteur piloté. On a alors deux modes de fonctionnement :
Les
composants
électroniques
59
Transistor « BLOQUE »
Si Ib = 0 on a Ic = 0
(Donc équivalent à un
interrupteur ouvert entre
collecteur et émetteur)
Le transistor
Les
composants
électroniques
60
Transistor « SATURE » ou « PASSANT »
Si Ib  0 on a Ic  0
(Donc équivalent à un
interrupteur ouvert entre
collecteur et émetteur)
Le transistor
• Application du transistor : montage DARLINGTON
Les
composants
électroniques
61
Le transistor
Les
composants
électroniques
62
Le montage dit
DARLINGTON permet
d’avoir un gain important

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  • 1. Lois de l’électricité Séquence 7 : Circuits électrique Lois de l'électricité 1
  • 2. Généralité sur les circuits électriques • Notion de circuit électrique Un circuit électrique est un ensemble comprenant un générateur, un ou plusieurs récepteurs reliés par des fils conducteurs et parcouru par un courant électrique. Lois de l'électricité 2 Le générateur repéré G est la source d’énergie. Il crée l’énergie en établissant une différence de potentiel dans le circuit électrique. Il s’agit par exemple d’une pile ou d’une batterie. L’interrupteur repéré S permet ou non le passage du courant dans le circuit
  • 3. Généralité sur les circuits électriques Les récepteurs transforment l’énergie électrique transportée par le courant • En énergie thermique pour la lampe • En énergie chimique pour l’électrolyse • En énergie mécanique pour l’aiguille aimantée Lois de l'électricité 3 Lorsque l’interrupteur S est ouvert, le courant électrique ne circule pas, aucun phénomène ne se passe. L’énergie n’est pas transportée. Lorsque l’interrupteur S est fermé, le courant électrique transporte l’énergie dans le circuit de la borne positive vers la borne négative du générateur
  • 4. Généralité sur les circuits électriques • Le courant électrique continu Le courant électrique résulte d’un déplacement d’électron de charge négative. Le sens conventionnel du courant est le sens opposé au déplacement des électrons. Les électrons de charge négative se déplacent de la borne – vers la borne + du générateur. Le courant électrique continu défini positif circule de la borne + vers la borne – du générateur. Il est représenté sur le circuit par une flèche qui indique le sens positif du courant. Lois de l'électricité 4 En régime établi, le courant électrique est constant. L’intensité du courant électrique se note I et s’exprime en ampère. C’est la quantité d’électricité transportée par unité de temps : I = 𝑞 𝑡 I en Ampère (A) q en Coulombs (C) t en seconde (s) André-Marie Ampère (1775-1836)
  • 5. Généralité sur les circuits électriques • Une quantité d’électricité de 1 coulomb correspond au passage de 1 A pendant 1 s • Un courant électrique de 1 A pendant 1 heure donne : q = 1 Ah = 3600C • Pour information : la quantité d’électricité transportée par un électron est de 1.6*10−19 C Lois de l'électricité 5
  • 6. Généralité sur les circuits électriques • La différence de potentiel Si un courant électrique circule entre deux points d’un circuit, il existe entre ces deux points une différence de potentiel électrique. Cette différence de potentiel est appelée tension électrique La tension électrique se note U et s’exprime en Volt. C’est l’énergie transportée par la quantité d’électricité déplacée. Lois de l'électricité 6 U = E q U en volt (V) E en joule (J) q en coulomb (C) Alessandro Volta (1745-1827)
  • 7. • La tension entre les points A et B d’un circuit c’est la différence de potentiel entre le points A et le point B. Elle est représentée sur un circuit par une flèche qui indique le potentiel le plus élevé: 𝐔𝐀𝐁 = 𝐕𝐀 − 𝐕𝐁 U en Volt Analogie avec l’eau : l’eau (le courant) circule entre deux points d’un circuit s’il existe entre ces deux points une différence de hauteur (potentiel) appelée pression (tension). La quantité d’eau (électricité) déplacée par unité de temps est le débit (intensité) Lois de l'électricité 7
  • 8. Généralité sur les circuits électriques Lois de l'électricité 8
  • 9. Notion de nœud, branche et maille • Dans le circuit ci-dessous R1, R2 et R3 représentent 3 récepteurs quelconques Lois de l'électricité 9 • On appelle nœud une connexion où sont reliés plus de deux dipôles. Dans le circuit ci contre il y a deux nœuds qui sont les points A et B • On appelle branche une partie du circuit entre deux nœuds consécutifs. Dans le circuit si contre il y a 3 branches entre les points A et B • On appelle maille une boucle dans le circuit. Dans le circuit ci contre il y a trois mailles : • Une maille de G vers A, R1, B puis G • Une maille de G vers A, R2, R3, B puis G • Une maille de A vers R2, R3, B, R1 puis A
  • 10. Notion de nœud, branche et maille • Loi des nœuds : • Au point A, on peut écrire : I= I1+ I2 • De même au point B on a : I1 + I3 = I Lois de l'électricité 10 Sur un nœud, la somme des courants rentrants est égale à la somme des courants sortants
  • 11. Notion de nœud, branche et maille • Loi des branches: • Dans la branche A, R2, R3, B on a 𝐕𝐀𝐁 = 𝐕𝐀𝐂 + 𝐕𝐂𝐁 Lois de l'électricité 11 Dans une branche la tension totale est la somme des tensions prises aux bornes de chaque dipôle
  • 12. Notion des nœuds, branches et mailles • Loi des mailles: • A condition de bien respecter l’orientation des flèches, dans la maille A vers R2, R3, B, R1 puis A nous pouvons écrire 𝐕𝐀𝐂 + 𝐕𝐂𝐁 − 𝐕𝐀𝐁 = 𝟎 Ou, en sens inverse −𝐕𝐀𝐁 + 𝐕𝐂𝐁 + 𝐕𝐀𝑪 = 𝟎 Lois de l'électricité 12 Dans une maille, la somme des tensions prises aux bornes de chaque dipôles en série est nulle
  • 13. Notion de nœud, branche et maille Lois de l'électricité 13
  • 14. Notion de nœud, branche et maille Lois de l'électricité 14
  • 15. Etude thermique d’un circuit électrique • L’énergie électrique* Nous avons vu qu’un circuit électrique est composé d’un ou plusieurs générateurs et d’un ou plusieurs récepteurs reliés par des fils. Lois de l'électricité 15 Le ou les générateurs électriques créent une différence de potentiel et fournissent l’énergie électrique nécessaire aux récepteurs Le ou les récepteurs électriques, absorbent le courant électrique et transforment l’énergie électrique selon la nécessité de l’utilisateur Cela n’est vrai que pendant le temps ou le courant transporte l’énergie électrique
  • 16. Etude thermique d’un circuit électrique Par conséquent, l’énergie électrique notée W est proportionnelle • A la différence de potentiel fournie au circuit notée V en volt • Au courant électrique absorbée par le récepteur noté I en ampères • Au temps nécessaire au courant pour le transport noté t en seconde Lois de l'électricité 16 W = U x I x T L’unité de l’énergie électrique est le joule 1 Joule est l’énergie électrique transportée en 1 seconde par un courant de 1 A sous une tension de 1V. On utilise plus communément le WattHeure (Wh) 1Wh = 3600J
  • 17. Etude thermique d’un circuit électrique • La puissance électrique L’énergie peut se présenter sous plusieurs formes : l’énergie thermique, mécanique, chimiques… Quelque soit l’énergie produite par le générateur ou consommée par le récepteur, en un temps donné, cette quantité d’énergie dépend de la puissance de l’appareil. Lois de l'électricité 17 Plus un appareil est puissant, plus il produit d’énergie en un temps donné et inversement. D’où la relation donnant la puissance P d’un appareil en fonction de l’énergie produite ou consommée par cet appareil en un temps donnée La puissance se note P et s’exprime en Watts P = W t P en Watts (W) W en joules (J) t en secondes (s)
  • 18. Etude thermique d’un circuit électrique • La puissance électrique d’un appareil est égale à l’énergie électrique produite ou consommée par cet appareil en un temps donné : • La puissance électrique d’un appareil parcouru par un courant continu est égale au produit de la tension à ses bornes par l’intensité du courant continu qui le traverse : Lois de l'électricité 18 P=UxI P en Watts (W) U en volt (V) I en ampère (A)
  • 19. Etude thermique d’un circuit électrique • Le résistor ou résistance Nous avons vu que les récepteurs transforment l’énergie électrique. D’après le principe de la conservation de l’énergie, toute l’énergie produite est transformée. Quelque soit l’énergie produite, la transformation de l’énergie crée toujours un échauffement. Cet échauffement peut être désiré lorsque l’on veut produire de l’énergie thermique ou indésirable lorsque l’on produit de l’énergie mécanique ou chimique car c’est alors une perte d’énergie Lois de l'électricité 19
  • 20. Etude thermique d’un circuit électrique Le déplacement des charges électriques dans un matériau donné est plus ou moins facile. C’est ainsi que nous pouvons considérer plusieurs types de matériaux : des conducteurs ou des isolants. • Les matériaux isolants s’opposent au passage du courant électrique • Les matériaux conducteurs laissent passer plus ou moins facilement le courant électrique Lois de l'électricité 20
  • 21. Les résistances • On appelle résistance électrique d’un conducteur sa capacité à s’opposer au passage du courant électrique. La résistance électrique provoque un échauffement: c’est l’effet Joule • Un récepteur dont le seul but est de s’opposer au passage du courant d’appelle un résistor Lois de l'électricité 21 Le résistor ne produit rien. Il consomme de l’énergie électrique et la transforme intégralement en énergie thermique. On dit que c’est un dipôle passif. De plus les deux bornes d’un résistor ne sont pas repérées, on peut le brancher indifféremment dans un sens ou dans l’autre : il est non polarisé
  • 22. Les résistances • La résistance peut être comparée au frottement d’un liquide dans une conduite ou d’un projectile dans l’air. • Le résistor transforme toute l’énergie électrique en chaleur. • Le résistor est notée R et la résistance s’exprime en ohms : Ω • Symbole d’un récepteur purement résistif : L’inverse de la résistance est la conductance. Elle est notée G et s’exprime en siemens : (S) Lois de l'électricité 22 James Prescott Joule 1818 - 1889
  • 23. Etude thermique d’un circuit électrique • La loi de Joule Nous avons vu que la résistance électrique en s’opposant au passage du courant électrique provoque un échauffement appelé Effet Joule L’énergie thermique est égale : La puissance dissipée en chaleur est égale à Lois de l'électricité 23 W = R x I² x t P = R x I²
  • 24. La loi d’Ohm • Pour un récepteur électrique de résistance R sous une tension U et parcouru par un courant I pendant un temps donnée nous donne : Lois de l'électricité 24
  • 25. Association de résistances Branchement de résistances en série Lorsque des résistances sont branchées en série, elles sont traversées par le même courant d’intensité I. Lois de l'électricité 25 Dans un branchement en série , la résistance équivalente Réq est la somme des résistances 𝑹𝒆𝒒 = 𝒊=𝟏 𝒏 𝑹𝒊 𝑹𝒆𝒒 = 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 + ⋯ + 𝑹𝒊
  • 26. Association de résistances Branchement de résistances en parallèle Lorsque des résistances sont branchées en parallèle, elles sont alimentée par la même tension V. Lois de l'électricité 26 Dans un branchement en parallèle, l’inverse de la résistance équivalente Réq est la somme des inverses de chacune des résistances Calcul de la résistance équivalente : 𝑹𝒆𝒒 = 𝒊=𝟏 𝒏 𝟏 𝑹𝒊 𝑹𝒆𝒒 = 𝟏 𝑹𝟏 + 𝟏 𝑹𝟐 + ⋯ + 𝟏 𝑹𝒊
  • 27. Le pont diviseur de tension Présentation Le montage Pont diviseur de tension est le moyen plus simple d’abaisser une tension continue. Il est constitué de deux résistances de base en série. Pour appliquer la « règle du pont diviseur de tension », il faut absolument que le courant traversant le résistor R1 soit identique au courant traversant le résistor R2. On retrouve ce montage dans la plupart des schémas électriques. C'est donc un des montages les plus importants. Il faut absolument pouvoir le reconnaitre et savoir les formules théoriques de ce montage par cœur. Lois de l'électricité 27
  • 28. Le pont diviseur de tension • Principe • Dans un montage pont diviseur de tension, la tension de sortie aux bornes d'un des résistors est égale au produit de la tension d'entrée multipliée par la valeur du résistor ou est mesurée cette tension et divisée par la somme des valeurs des deux résistors du montage Lois de l'électricité 28 𝑼𝟏 = 𝑼 × 𝑹𝟏 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 𝑼𝟐 = 𝑼 × 𝑹𝟐 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐
  • 29. Le pont diviseur de tension • De nombreux capteurs (LDR ou thermistance) ont une résistance qui varie en fonction du paramètre à mesure (lumière dans le cas de la LDR ou température pour la thermistance. Dans un montage avec un microcontrôleur (de type Arduino ou Picaxe) Il faut donc pouvoir mesurer la valeur de la résistance. Pour ce faire on utilise un pont diviseur de tension : la mesure de la tension aux bornes du capteur nous permet de connaitre la valeur de la résistance. Lois de l'électricité 29
  • 30. Le pont diviseur de tension Lois de l'électricité 30 Exemple n°1 : 𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟓 × 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟏𝟎𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎 = 𝟐, 𝟓𝑽 Exemple n°2 : 𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟓 × 𝟒𝟎𝟎𝟎 𝟏𝟎𝟎𝟎 + 𝟒𝟎𝟎𝟎 = 𝟒𝑽
  • 31. déterminer la valeur de sa résistance. • Introduction • Le plus souvent, la résistance se présente avec des bagues de couleurs (anneaux) autour de celle-ci. Chaque couleur correspond à un chiffre. La correspondance entre les chiffres et les couleurs des anneaux constitue ce qu'on appelle le code des couleurs et permet de déterminer la valeur d'une résistance ainsi que sa tolérance. Lois de l'électricité 31
  • 32. déterminer la valeur de sa résistance. Méthode pour déchiffrer ll faut tout d'abord placer la résistance dans le bon sens. En général, la résistance possède un anneau doré ou argenté, qu'il f aut placer à droite. Dans d'autres cas, c'est l'anneau le plus large qu'il faut placer à droite. Il existe trois types de résistances : les résistances à 4, 5 et 6 anneaux. Résistances à 4 anneaux • Les deux premiers anneaux donnent les chiffres significatifs (le premier donne la dizaine et le second l'unité). • Le troisième donne le multiplicateur (la puissance de 10 qu'il faut multiplier avec les chiffres significatifs). • Le quatrième la tolérance (les incertitudes sur la valeur réelle de la résistance donnée par le constructeur). Résistances à 5 anneaux • Les trois premiers anneaux donnent les chiffres significatifs. • Le quatrième donne le multiplicateur (la puissance de 10 qu'il faut multiplier avec les chiffres significatifs). • Le cinquième la tolérance (les incertitudes sur la valeur réelle de la résistance donnée par le constructeur). Résistances à 6 anneaux • Les quatres premiers anneaux ont la même signification que les résistances à 5 anneaux • Le sixième est un coefficient de temperature (variation de la conductivité électrique avec la température) Lois de l'électricité 32
  • 33. déterminer la valeur de sa résistance. Lois de l'électricité 33
  • 34. Déterminer la valeur de sa résistance. Lois de l'électricité 34 Moyen mnémotechnique : Ne Mangez Rien Ou Jeûnez Voilà Bien Votre Grande Bêtise
  • 35. Les composants électriques Séquence 7 : Circuits électrique Les composants électroniques 35
  • 36. La résistance • Une résistance est un composant électronique dont la principale caractéristique est d'opposer une plus ou moins grande résistance (mesurée en ohms) à la circulation du courant électrique. • Les anneaux de couleur sur la résistance permettent , grâce à l'utilisation d'un code universel, de connaitre sa valeur en Ohms. Les composants électroniques 36 Symbole européen Symbole américain
  • 37. Quelques résistances particulières: Les composants électroniques 37 Potentiomètre Thermistance Photorésistance Résistance dont la valeur change en fonction de la position d’un curseur (il peut être rotatif ou linéaire). Résistance dont la valeur change en fonction de la température ambiante à la thermistance Résistance dont la valeur change en fonction de la luminosité
  • 38. La diode • Une diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Le courant passe de l’anode à la cathode mais ne peut pas passer de la cathode vers anode. Les composants électroniques 38
  • 39. La diode • Exemple d’utilisation: • Lorsque le générateur délivre un signal sinusoïdal: • L'utilisation d'une diode permet d'obtenir, aux bornes de la résistance, le signal suivant: Les composants électroniques 39
  • 40. La diode • L'utilisation d'un pont de diodes, permet d'obtenir un signal redressé double alternance: Les composants électroniques 40
  • 41. La diode • Une LED émet de la lumière lorsqu'elle est parcourue par un courant. • Une diode infrarouge émet un faiseau lumineux invisible pour l'oeil humain. On peut les trouver dans certaines télécommande et dans certains capteurs. • Une photodiode permet de détecter un rayonnement lumineux et de le convertir en signal électrique. • Une photodiode peut être sensible à la lumière ambiante et servir de capteur d'intensité lumineuse. • Certaines photodiodes vont détecter plus spécifiquement la lumière infrarouge ou certaines longueurs d'ondes. Les composants électroniques 41
  • 42. Le condensateur • En fonction des applications, le condensateur peut avoir un rôle  De Filtrage  De stockage de l’énergie (supercondensateur)  De lissage  De mémoire • Le condensateur se charge d'une quantité d'électricité (Q) lorsqu'il est soumis à une tension. Cette charge Q dépend de la tension et de la durée pendant laquelle il a été soumis à cette tension. L'énergie emmagasinée sera restituée lors de la décharge du condensateur. Les composants électroniques 42 Symbole européen Symbole américain
  • 43. Le condensateur • Le condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. • Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est : Les composants électroniques 43 𝑖 = 𝐶 𝑑𝑢 𝑑𝑡 • i est l'intensité du courant qui passe par le composant, exprimée en ampères (symbole : A) ; • u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volts (symbole : V) ; • C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads (symbole : F) ; • du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps
  • 44. Le condensateur • Un condensateur est constitué fondamentalement de deux conducteurs électriques, ou « armatures », très proches l'un de l'autre, mais séparés par un isolant, ou « diélectrique ». • La charge électrique emmagasinée par un condensateur est proportionnelle à la tension appliquée entre ses deux armatures. Aussi, un tel composant est-il principalement caractérisé par sa capacité, rapport entre sa charge et la tension. • La capacité électrique d'un condensateur se détermine essentiellement en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants ; la formule simplifiée suivante est souvent utilisée pour estimer sa valeur : Les composants électroniques 44 𝐶 = ε 𝑆 𝑒 • S : surface des armatures en regard (en mètre carré (m2)), • e distance entre les armatures (en mètre (m)) • ε la permittivité du diélectrique (en Farad/Mètre (Fm-1)).
  • 45. Le condensateur Les composants électroniques 45 Courbe de charge et de décharge d'un condensateur: évolution de la tension U (V) en fonction du temps Lissage d'une tension redressée
  • 47. La bobine • Une bobine, ou solénoïde, inductance, self est constituée d’un enroulement de fil conducteur, éventuellement autour d’un noyau en matériau ferromagnétique Les composants électroniques 47
  • 48. La bobine La bobine s'oppose à la variation du courant I dans ses spires Un champ magnétique est créé par le passage d'un courant dans une bobine En fonction du contexte, on peut utiliser des bobines pour : • Filtrer un signal • Limiter les pics de courants dans un circuit • Générer une force (moteurs électriques) Les modèles les plus simples et les plus fréquemment utilisés sont ceux correspondant à l'association d'une bobine d'inductance et d'une résistance : Les composants électroniques 48
  • 50. La bobine • La tension 𝑢𝐵 aux bornes de la bobine et l’intensité i du courant sont reliés par l’équation différentielle : Ou: • L est l’inductance de la bobine • R sa résistance propre (dans le cas d’une bobine parfaite r = 0 ) Les composants électroniques 50 𝑢𝐵 = 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 + 𝑟𝑖
  • 51. La bobine • Exemple d’utilisation : les relais • Un relais est un interrupteur commandé par le passage d'un courant électrique dans une bobine. Les composants électroniques 51 Photo Schéma
  • 52. La bobine • Principe de fonctionnement • Une bobine traversée par un courant génère un champ magnétique. Elle devient donc un aimant. Le relais se sert de cette propriété : • lorsque aucun courant n'est appliqué à la bobine, la palette (voir ci- dessus) est libre, les connecteurs ne sont pas en contact et aucun courant, ni aucune puissance, n'y circulent : c'est un interrupteur ouvert. • lorsqu'un courant est appliqué à la bobine, la palette est attirée vers la bobine, et pousse, par un jeu de levier le connecteur de gauche sur celui de droite. Il y a contact : c'est un interrupteur fermé Les composants électroniques 52
  • 53. La bobine Intérêts • Les relais peuvent être utilisés pour différentes applications. • Il est par exemple possible de commander avec un circuit de faible puissance (circuit de la bobine) un circuit de forte puissance (celui des connecteurs). • Par ailleurs, un relai peut être commandé numériquement (avec des 0 ou des 1 logiques) pour laisser passer (ou non) un signal analogique (comme un signal audio). Les composants électroniques 53
  • 54. Le transistor • Le transistor est un composant électronique qui est utilisé dans la plupart des circuits électroniques (circuits logiques, amplificateur, stabilisateur de tension, modulation de signal, etc.) aussi bien en basse qu'en haute tension. • Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois électrodes actives, qui permet de contrôler un courant ou une tension sur l'électrode de sortie (le collecteur pour le transistor bipolaire et le drain sur un transistor à effet de champ) grâce à une électrode d'entrée (la base sur un transistor bipolaire et la grille pour un transistor à effet de champ). Les composants électroniques 54
  • 55. Le transistor Les composants électroniques 55 Transistor bipolaire Transistor à effet de champ Grille Drain Source
  • 56. Le transistor Applications: Les deux principaux types de transistors permettent de répondre aux besoins de l'électronique :  analogique,  numérique,  de puissance La technologie bipolaire est plutôt utilisée en analogique et en électronique de puissance. Les technologies à effet de champ sont principalement utilisées en électronique numérique (réalisation d'opérations logiques). Les transistors à effet de champ sont aussi utilisés pour faire des commandes de puissance (moteurs) et pour l'électronique haute tension (automobile). Les composants électroniques 56
  • 58. Le transistor Ib = courant de base Ic = courant de collecteur Ie = courant dans l’émetteur RB et RC = résistances de limitation des courants Ic et Ib Loi des nœuds : Ie = Ib + Ic Relation dans un transistor : 𝐼𝑐 = 𝛽 × 𝐼𝑏 β est le gain en courant du transistor, 30 < β < 300 Les composants électroniques 58
  • 59. Le transistor Le transistor en régime de commutation Le transistor est alors considéré comme un relais statique : Il s’agit d’un interrupteur piloté. On a alors deux modes de fonctionnement : Les composants électroniques 59 Transistor « BLOQUE » Si Ib = 0 on a Ic = 0 (Donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur)
  • 60. Le transistor Les composants électroniques 60 Transistor « SATURE » ou « PASSANT » Si Ib  0 on a Ic  0 (Donc équivalent à un interrupteur ouvert entre collecteur et émetteur)
  • 61. Le transistor • Application du transistor : montage DARLINGTON Les composants électroniques 61
  • 62. Le transistor Les composants électroniques 62 Le montage dit DARLINGTON permet d’avoir un gain important