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1. Avant de commencer
 
12/01/2017, mis à jour le 17/01/2017
L'arme noble d'une époque civilisée......

Sans doute la meilleure définition d'un sabre laser, l'arme emblématique de tout bon Jedi ou Sith. Et souvent le cosplayer se heurte à un petit souci, l'éclairage de sa lame ! 

En effet, la luminosité de la lame ne doit pas être une succession de Led de peur de ressembler à une guirlande de Noël, et elle ne doit pas être trop faiblement éclairée, car dans ce cas là, votre lame ressemblera à un bête tube de plexi ! Et comme je suis moi-même une bille en électricité (je suis plus tricot, voyez vous), et que nous avons dans notre équipe un vrai astromécano de la physique, d'ailleurs il a un acronyme d'astromecano : CRL ! ;  autant vous faire partager ses savoirs !

Avant de rentrer dans le vif du sujet, nous allons vous proposer un petit récapitulatif de l'électronique, ça permettra à certains de s'endormir mois bêtes ce soir, à d'autre de réviser et enfin encore à d'autres de dire "Eh je le savais !". J'invite d'ailleurs ces derniers à zapper la première partie !
2. Base en électricité
 
12/01/2017, mis à jour le 17/01/2017

Comme évoqué en amont, nous allons reprendre ici les différentes bases en électricité, car la base de l'électronique, qui servira à votre sabre laser, c'est... l'électricité, merci à ceux qui suivent ! CRL c'est à toi !! Dans cette première partie, je vais essayer de répondre aux questions suivantes :

- Concernant les Lois fondamentales en électronique :
- et enfin : Qu'est-ce qu'une Résistance ?


L’électricité

En électronique on manipule des grandeurs physiques, principalement :

  1. le courant
  2. La tension
  3. la puissance

On verra par la suite à quoi correspondent ces grandeurs physiques et à quoi on peut les "comparer" pour simplifier la visualisation.
Il faut bien que vous compreniez ce qu'est l’électricité avant de pouvoir comprendre parfaitement les notions qu'on vous explique sur les autres sujets/topics du forum et par exemple, sur les manuels des cartes sons.

Comme il s'agit d'une chose que l'on ne voit pas, l'électricité étant invisible, je vais essayer de vous décrire les principes des grandeurs physiques qui la composent par un comparatif avec les fluides.
(Ce n'est pas tout à fait exact, mais ça s'en approche beaucoup)

Voici un exemple de comparaison :
Un moulin à eau avec un circuit fermé d'eau. ( l'eau est ici notre "carburant" pour faire tourner le moulin)


Comparaison avec un fluide

La source d'énergie :

Le générateur :
C'est le système qui fournit l'énergie. Dans notre exemple comparatif, ça représenterait l'ensemble : pompe + le carburant (l'eau et le réservoir).

En électricité il n'y a pas de pompe ou de carburant, mais des sources qui produisent des grandeurs physiques (piles, batteries, accumulateurs, secteur électrique, etc.).

Le récepteur :
C'est le système qui reçoit l'énergie. Dans ce même exemple, ça représenterait le moulin (le moteur).

Si on étudie l'exemple, le "moteur" reçoit le "carburant" provenant de la pompe, et l'utilise pour fonctionner.

En électricité, c'est plus ou moins identique (à ce schéma) les récepteurs n'absorbent pas de carburant, mais utilisent les Grandeurs Physiques.

A titre d'exemple, voici des récepteurs que vous connaissez bien : téléphone, grille pain, ordinateur, comlink, Blaster etc.

Pour simplifier : un récepteur électronique correspond à tout objet qui fonctionne avec de l’électricité.


Qu'est-ce que le Courant ?

Dans l'exemple précédent, dès que l'on met en route notre moulin, la pompe va fonctionner et envoyer l'eau dans le moulin. En faisant circuler l'eau (via les tuyaux/drains etc.) la pompre crée un courant. On dit que la pompe débite un courant.

Pour simplifier le courant c'est le déplacement de l'eau.

En électronique le courant c'est le déplacement des charges électriques.


L'intensité du courant :

Un courant qui circule peut déplacer plus ou moins d'eau, dans l'exemple de la pompe, on va appeler ça un débit. C'est la quantité d'eau déplacée en 1 seconde pour faire tourner le moulin.
En électronique, on va déplacer un grand nombre de charges électriques.

Ce débit de charge c'est l'intensité du courant.

Pour rappel : le courant c'est le déplacement de particules, l'intensité c'est le débit auquel on déplace ces particules.

Unité:
La grandeur électrique "Courant" est notée de la lettre I ("i" majuscule).
L'unité du courant est l'ampère (A) qui vient de son inventeur André-Marie Ampère.

Représentation du courant :
je doute qu'on le voit souvent ici, mais généralement on met une flèche marquée d'un "i".
Sans entrer dans le débat ni même dans les détails, on partira, ici, du principe que le courant part de la borne "+" du générateur jusqu'à la borne "-" de celui-ci (c'est le sens conventionnel).


Conservation de l'électricité :


Antoine Lavoisier a écrit : Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme !
Tarkin aurait dit la même chose avant de détruire Alderaan....

La somme des charges électriques sortant du générateur sont égales à la somme des charges revenues à l'entrée du générateur.
Pour simplifier : aucune charge n'a disparu.
(dans notre exemple, ça reviendrait à dire que la quantité d'eau dans le circuit est toujours équivalente)


Qu'est-ce que la tension ?

En reprenant l'exemple, la pompe va créer un courant dans le circuit, en poussant l'eau pour la faire circuler. On appelle ça la pression. Sans pression, il n'y a pas de courant.
En électronique c'est assez semblable. Quelque chose va déplacer les charges électriques partout dans le circuit, on appelle ça la tension.


Unité:
Cette grandeur électrique est notée de la lettre V, U, E ou e. En France on utilise la lettre U.
L'unité de la tension est le volt (V) qui vient de son inventeur Alessandro Volta.


Qu'est-ce que la Puissance ?

c'est l'énergie consommée par un système (sous forme lumineuse, mécanique, ou de chaleur). C'est aussi l'énergie maximale qui peut être fournie par un système.


L'Effet Joule :
En électronique, il y a souvent ce problème qui survient.
Lorsqu'un conducteur (ou semi-conducteur) est traversé par un courant, il chauffe. En fait, une partie de l'énergie électrique est transformée en chaleur. C'est ce qu'on appelle l'effet joule.

La pompe (qui est un moteur) produit une énergie mécanique (rotation d'un axe) et thérmique (chaleur). la pompe a besoin d'électricité pour fonctionner, et transforme cette électricité en énergie mécanique (logique non ?). Une partie de cette énergie mécanique se transformera en énergie thermique à cause des frottements (de l'air et des pièces mécaniques). Malheureusement, sur terre, on y peut rien.

La puissance est donc la quantité d'énergie que peut fournir un système à un autre durant un temps donné.

En électronique la puissance est définie suivant la relation (partiellement vraie) suivante :
P = U.I

Unité:
Cette grandeur électrique est notée de la lettre P.
L'unité de la puissance est le watt (W) qui vient de son inventeur James Watt.

 

Un Watt est égale à un joule par seconde. (soit la quantité d'énergie par seconde)
1W = 1J/s

Vocabulaire :

Les composants :

  • Le générateur, un dipôle qui fournit de l'énergie électrique dans un circuit
  • le récepteur qui reçoit l'énergie.
  • le dipôle, un élément du circuit qui possède....(roulement de tambour)... 2 bornes. En général, les dipôles sont des récepteurs.

Les fils et les liaisons :

  • un nœud est une connexion qui relie au moins 3 fils
  • une branche est une portion de circuit (fil) compris entre deux nœuds consécutifs.
  • une maille est un chemin fermé, formé d'un ou plusieurs fils (ou branche) et de dipôles dans un circuit.

Les connexions de dipôles :

  • deux dipôles sont en série lorsqu'ils appartiennent à la même branche.
  • deux dipôles sont en dérivation ( ou en parallèle ) lorsqu'ils forment une maille.

voici un schéma qui représente le vocabulaire sus-mentionné :

Schéma de cablage

LES LOIS FONDAMENTALES

 

La loi d'Ohm :

C'est une loi incontournable, et à retenir.
Elle a permis une grande révolution dans la compréhension de l'électricité.

Cette loi permet de connaître l'intensité du courant qui traverse une charge (on va prendre une résistance pour exemple) lorsqu'elle est soumise à une différence de potentiel (c'est la tension, dite DDP).

On peut aussi connaître la DDP à appliquer à une charge pour qu'elle soit parcourue par une certaine intenisté de courant.

Voici les 3 paramètres à retenir :

  • R : la résistance. Son unité est l'ohm du nom de son inventeur Georg Simon Ohm, notée Ω
  • U : la différence de potentiel entre les deux bornes de la résistance. Son unité est le volt, notée V
  • I : le courant traversant la résistance. Son unité est l'ampère, noté A.

La loi d'Ohm nous donne :
U = R.I

On peut donc en déduire
R = U/I et I = U/R


La Loi des mailles :

Avant de vous en apprendre d'avantage sur cette loi, il faut comprendre que la tension, et le courant ont un sens.

Dans la convention générateur, la tension et le courant sont dans le même sens. (voir illustration ci-dessous)
Dans la convention récepteur, c'est l'inverse, la tension et le courant sont dans le sens contraire, car le récepteur "reçoit" du courant. Cependant la tension ne se flèche pas dans le sens inverse. (voir illustration ci-dessous)

Pour le branchement en série, il n'existe qu'un seul passage pour le courant, donc il reste égal tout du long. (voir illustration ci-dessous)
Pour le branchement en parallèle c'est un peu plus compliqué car il y a deux chemins possibles.
Le courant ne "choisit" pas une branche ou une autre, mais les deux. il va donc se diviser dans chacune des branches (chemins) et se "rassembler" à la fins des deux branches.

 

Il y a alors 3 mailles dans le circuit.
(voir illustration précédente pour voir les mailles [en pointillés]).

 

Voici une illustration de ce que je viens de vous expliquer.

Image

Donc, revenons à notre loi des mailles :

La loi des mailles nous dit que la somme des tensions dans une maille fermée est égale à 0.

Σ des tensions d'une maille fermée = 0
Σ ,dit Sigma, est une lettre grecque utilisée en mathématique pour dire "somme de".

Dans l'exemple précédent, en branchement en série, la tension part du générateur, et passe dans les résistances R1 et R2.
Donc U2 et U3 étant dans l'autre sens que U1, la valeur sera donc négative. (inversement, si U1 est négatif, U2 et U3 seront positif )

 

U1 + (-U2) + (-U3) = 0
soit:
U1 - U2 - U3 = 0
(inversement -U1 + U2 + U3 = 0)

 

Comme il s'agit d'un branchement en série, on sait que le courant est le même.

Avec la loi d'Ohm on peut dire : I=U/R

 

I = U2/R1 = U3/R2

 

On vient de voir pour un câblage en série.

 

Pour un branchement en parallèle, c'est l'intensité qui est divisée, contrairement à la tension qui est la même.

On va donc voir ça.


La Loi des nœuds :

Voilà ce que nous dit la loi :
∑ courants entrants dans un noeud = ∑ courants sortants du noeud.

 

Explication schématique :


Image

et voilà une application réelle :


Image

On a donc à la fois des branchements séries, et en dérivation.
On a 4 Nœuds (A, B, C et D)

 

Au nœud A, le courant se divise en 2 (I1 et I2) puis se retrouve au nœud B ( I3).
Au nœud C, le courant se re-divise en 2 (I4 et I5) puis se retrouve au nœud D ( I6).

 

D'après la loi des nœuds:
au Nœud A
I = I1 + I2
au Nœud B
I1 + I2 = I3
au Nœud C
I3 = I4 + I5
au Nœud D
I4 + I5 = I6

 

Donc I = I1+I2 = I3 = I4+I5 = I6
et donc :
I = I6, le courant d'entrée est égal au courant de sortie.

 

Et la tension dans tout ça ?

Comme je l'ai expliqué plus tôt, en parallèle, le courant est divisé, mais pas la tension.
donc U2 = U3 et U5 = U6.

 

Donc d'après la loi des mailles on a :
U = U1 + U2 (ou U3) + U4 + U5 (ou U6)

 

Pour résumer tout ça :

 

La Loi d'Ohm : U=R×I
La Loi des Mailles : ∑ des tensions dans une maille fermée = 0
La Loi des Nœuds : ∑ courants entrants dans un noeud = ∑ courants sortants du noeud


C'était simple ?
Allez - hop, j'enchaîne avec la résistance (n'hésitez pas à me Mp pour un doliprane !) :

Qu'est-ce qu'une résistance ?

Avant d'aller plus loin je vais vous expliquer la différence qu'il peut y avoir dans les récepteurs.

Ils sont de deux catégories :
Les récepteurs actifs, ou passifs.

Les récepteurs passifs sont ceux qui ne permettent aucune amplification du signal d'entrée.
et les récepteurs actifs ? Et bien c'est l'inverse (mais je ne traiterai pas de ceux-là ici, car on en aura pas besoin... on dit merci qui ?)

 

Il y a également 4 autres type de composants :

  • Les symétriques
  • ou les...non-symétriques (surprenant non ? )

Un composant symétrique est un composant qui ne possède pas de polarité, qui n'a donc pas de pôle "+" ou "-", c'est un composant qu'on peut brancher dans n'importe quel sens.
Ce sont les plus facile à installer !

 

  • Et lescomposants linéaires
  • ou non-linéaires (là encore fallait trouver)

 

Le composant linéaire ne déforme pas le signal qu'il a en entrée, mais certains paramètres de ce signal peuvent être modifiés (l'amplitude par exemple). En gros ça revient à multiplier la valeur du signal ou le décaler, mais pas plus.

Vous êtes un peu perdu ?
voilà un exemple concret de composants linéaires : résistance, ampoule, bobine, condensateurs.

Le composant non linéaire est quand à lui capable de déformer (toute proportion gardée) le signal d'entée.
C'est uniquement le cas de la diode.

Il y a aussi quelques rares exceptions, qui sont à la fois linéaires et non linéaires. (mais je n'aborderai pas non plus ces composants)
on peut donc citer le transistor pour l'exemple.

 

 

Donc on en revient à la Résistance

Il peut s'agir de plusieurs choses :

  • La propriété physique d'un conducteur à s'opposer au passage du courant, elle est notée R est son unité est l'Ohm
  • le composant électronique qui applique la loi d'Ohm. (c'est ce qu'on va voir ici)

 

Pour différencier les deux je mettrai entre guillemets le mot "résistance" pour parler de la propriété physique. (ça sera plus simple)

Je vous donne également la formule pour calculer la "résistance" d'un fil (bien que ça ne soit pas très intéressant pour de petits montages, mais vous pourrez faire le kéké si ça vous amuse)
R = ρ . l/s
Facile et très compréhenssible, non ?

voilà de quoi vous expliquer la formule :
R : la "résistance" (Ω)
ρ : (rho) la "résistance" en ohm/m du matériaux conducteur (celui du fil) (Ω/m)
l : la longueur du fil en mètre (m)
s : la section du fil en mètre carré (m²)

mais comme vous vous en doutez, la "résistance" des fils en électronique est tellement faible qu'on n'en tient pas compte dans nos calculs, il faudrait plus de 100m de câble pour avoir un peu moins de 2 Ω de "résistance".
Ce n'est pas avec ça qu'on va pouvoir limiter le courant dans un circuit.... dommage

 

La Résistance :

 

La résistance est un composant électronique, un dipôle, passif, linéaire et symétrique.

 

Qu'est-ce qu'une résistance ?
En fait on pourrait simplifier ce composant par une enveloppe contenant un matériaux qui présente une opposition au passage du courant.
Pour faire simple, c'est un mauvais conducteur.


Image

(source wikipedia - modifiée pour le topic)

 

On voit bien, sur le schéma, que la céramique prend beaucoup de place dans la résistance, c'est parce que la céramique est un isolant électrique et thermique, et va donc empêcher que la résistance ne surchauffe en interne lors du passage du courant.

 

Ce qui "produit" la "résistance" c'est la couche de carbone qui entour la céramique, plus celle-ci est fine, plus la "résistance" au courant sera importante.

 

Une résistance traversée par un courant doit pouvoir supporter une certaine puissance.
La relation P = U.I entraîne une "perte" de puissance électrique, qui est transformée en chaleur par l'effet de joule. (voir un peu plus haut)
donc la résistance doit-être en mesure de dissiper cette chaleur.

 

Exemple : Une résistance est alimentée par une tension de 3.7V et un courant de 0.95A

P = U . I
P = 3,7 x 0.95
P = 3.33 W

 

la résistance devra pouvoir supporter 3.33W de puissance.

 

Les résistances en associations (rien à voir avec la loi 1901...)

 

Association série
Lorsque les dipôles sont montés les uns derrière les autres (à la queue leu-leu), on dit que c'est une association série.
Cette association vérifie la loi des Mailles, le courant est le même dans toute la branche.


Image

à quoi ça sert ?
Vous disposer de plusieurs résistances possédant des valeurs que vous n'avez pas besoin, mais il est possible des les associer pour obtenir une valeur que vous souhaitez.

 

Pour l'exemple, on admet que :
R1 = 1 KΩ, que R2 = 22 Ω et que R3 = 470 Ω.
et qu'il vous faut une résistance de 1,492 KΩ (comme par magie !)

 

Voilà la formule de la Résistance Équivalente pour une association série :
RÉq. = ΣRésistance_de_la_branche
RÉq. = R1 + R2 + ... + Rn

 

Donc pour l'exemple :
RÉq. = R1+ R2 + R3
RÉq. = 1000 + 22 + 470 = 1492 Ω

 

Association en dérivation
Lorsque les résistances sont montées en dérivation, parfois appelées "en parallèle", la "résistance" globale diminue.


Image

La formule pour trouver la Résistance équivalente s'en trouve changée :

Image

RÉq. = 1 / (1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn)

Lorsqu'il n'y a que 2 résistances on peux simplifier l'équation par celle-ci :

( R1 * R2 ) / ( R1 + R2 )

 

Plus simple encore : Lorsque les deux résistances ont la même valeur, on peut diviser par 2 la valeur de "résistance".
Ainsi, lorsque 2 résistances de 2 Ω sont branchées en parallèle, la Résistance équivalente à cette association est de 1Ω.

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