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Notions fondamentales d'électronique

Cette formation, en utilisant le prétexte d'ajouter un système d'éclairage sur un vélo, permet de découvrir ce qu'est l'électricité et l'électronique, en se penchant sur les notions fondamentales. Les outils indispensables sont également abordés.

Informations pratiques

• Durée: 4h
• Public visé: tous les membres souhaitant mieux comprendre ces notions fondamentales

Formations liées

• Prérequis: culture générale
• Formations suivantes: un grand nombre de possibilités offertes!

Matériel requis

Ce que nous allons utiliser pour la partie mise en pratique:

• bidules liés à l'éclairage vélo: câbles, boite pile, leds (blanches, rouges, oranges), résistances, interrupteurs, pièces mécaniques pour montage des éléments sur le vélo.
• éventuellement, plaquette d'essai si on veut tester avec de vraies résistances, interrupteurs... sans passer par le projet vélo
• multimètre, alimentation stable

A noter que le lab dispose de tout le matériel nécessaire. Si vous voulez équiper votre propre vélo à l'issu de la formation, vous trouverez tous les éléments requis au lab, sous forme de kit.

Ressources additionnelles

Supports externes/doc (à creuser/faire du ménage) :

• ajouter liens pertinents, notamment... wikipedia.
• https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/electronics-toc
• des trucs marrants ici:https://www.youtube.com/playlist?list=PL2EB473ED87C5561D
• https://fr.wikiversity.org/wiki/D%C3%A9partement:%C3%89lectromagn%C3%A9tisme_et_%C3%A9lectricit%C3%A9

Contenu détaillé

Cette formation est prévue pour être animée au lab. Il est envisageable de suivre le plan en autoformation.

Le slide-pack est en cours de création et sera mis à disposition ici ultérieurement.

Il est prévu que les parties "théoriques" (en particulier le 1er chapitre) soit lu au calme avant la séance, et que la session de formation soit réservée aux questions et manipulations pratiques.

Question: est-ce qu'il faut modifier le plan pour la rendre beaucoup, beaucoup plus "pratique" et orientée Arduino? Eg, l'électronique "autour d'un Arduino" plutôt que fondamentale.

Introduction

Cette formation a pour objectif de rendre l'électricité et les concepts associés compréhensibles et utilisables.

Le déroulé est le suivant:

• C'est quoi au juste l'électricité ?
  • historique de sa découverte, et phénomènes physiques
  • la théorie: charge électrique et électromagnétisme
  • quel intérêt? quels usages?

• Notions fondamentales:
  • courant/tension
  • circuit électrique, composants et schéma
  • caractéristique d'un composant et loi d'Ohm
  • outils: multimètre et alimentation stabilisée

• Schémas usuels:
  • montage parallèle et série
  • lois de Kirshoff (loi des mailles, loi des nœuds)
  • pont diviseur de tension?
  • aspects puissance, thermique, énergie et ordres de grandeurs
  • diodes et caractéristiques non linéaires

Pour la partie mise en pratique, on va concevoir (et potentiellement réaliser) un système d'éclairage de vélo : phares et veilleuse, allumage feux arrières lors de freinages. Les clignotants sont un peu au delà de ce qu'on saura faire à la fin, mais de pas grand chose.

Pourquoi cette formation

L'électricité et par extension l'électronique sont omniprésentes aujourd'hui. En particulier, une majorité de projets au lab nécessitent une forme de compréhension de ces notions. Même si à peu près tout le monde sait vaguement de quoi on parle, il n'est pas facile d'aborder avec précision ces sujets, tout en restant accessible à tous.

Chapitre 1 : C'est quoi l'électricité ?

En utilisant l'angle des phénomènes physiques associés puis de la théorie la plus stricte, on va tenter de mieux comprendre ce qu'est l'électricité, comment elle se comporte et à quoi elle peut servir:

• historique, et comment on l'observe
• en théorie, c'est quoi
• quel intérêt? quels usages?

Phénomènes physiques observables et tâtonnements historiques

Approche historique pour présenter les choses, c'est à dire comment on a découvert l’électricité & les atomes. Les phénomènes physiques observables:

• éclairs
• électricité statique
• électromagnétisme
• réactions chimiques

La théorie

Après de nombreux tâtonnements historiques, reprenons à la base, en fonction de l'état actuel des connaissances: l'électricité, c'est le déplacement de charges.

• notion fondamentale de charge électrique : https://fr.wikipedia.org/wiki/Charge_%C3%A9lectrique
• potentiel électrique: https://fr.wikipedia.org/wiki/Potentiel_%C3%A9lectrique
• particule vecteur de charge la plus connue: l'électron. https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectron Rapports avec la structure atomique. Autres vecteurs de charge: les ions.
• Au final, l'étude de tout cela forme la branche de la physique qu'on appelle électromagnétisme: https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectromagn%C3%A9tisme ; champ et force électrique: https://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectrique champ et force magnétique https://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_magn%C3%A9tique

Pas facile à visualiser... on peut utiliser une analogie qui compare la charge avec la masse.

• Dans un cours d'eau: goutte d'eau a une masse, à une altitude donnée.
• Dans un courant électrique: chaque porteur de charge a une charge, à un potentiel donné.

Quel intérêt ? quels usages ?

Tout l'intérêt de l'électricité est dans ses interactions avec d'autres forces physiques, et en particulier l'énergie mécanique. L'électricité a l'avantage d'être un vecteur d'énergie très pratique : on peut stocker et transporter l'électricité beaucoup plus facilement que l'énergie mécanique.

Comment on crée/stocke/transporte de l'électricité:

• phénomènes chimiques, statiques, électromagnétiques => batterie, foudre, moteur
• conducteurs électriques (fils, ...) et réseau secteur électrique

Habituellement, ce qui nous intéresse dans l'électricité, c'est le déplacement de charges, plutôt qu'une accumulation de charges.

=> courant/tension ; effets électromagnétiques (moteurs)

On se sert de l'électricité pour faire tout un tas de conversions:

• transformation d'énergie mécanique en énergie électrique dans une centrale, distribution dans un réseau électrique, puis utilisation pour faire tourner un moteur électrique (conversion dans l'autre sens)
• apport d'énergie électrique pour modifier l'état chimique d'une pile lors de son rechargement, puis modification de l'état chimique d'une pile lorsqu'on en tire de l'énergie électrique pendant sa décharge. A noter que lorsqu'on charge la pile, on utilise au départ de l'énergie mécanique (à travers le réseau de distribution secteur), et souvent, on utilise à nouveau de l'énergie mécanique à la fin (moteur électrique).

Il est primordial de bien comprendre la différence entre la puissance électrique (exprimée en Watts) et l'énergie (exprimée en Watts heure, même si ce n'est pas l'unité 'rigoureuse'). Exemple: un moteur de compresseur de frigo consomme lorsqu'il fonctionne 150W. S'il est en marche pendant une heure, il aura consommé 150Wh d'énergie. A noter qu'on convertit donc 150Wh d'énergie électrique (issue du réseau électrique) en énergie mécanique (compression du gaz dans le frigo pour le mécanisme de refroidissement).

On fait parfois la distinction entre électricité et électronique: l'électronique est l'exploitation de l'électricité pour effectuer un transfert d'informations. L'électricité est le phénomène général, et parfois compris par opposition à l'électronique : lorsque l'électricité n'est utile que par le transfert d'énergie et pas d'information.

En effet, l'électricité, au delà du transport d'énergie/de puissance, peut servir au transport d'informations. Deux grands modes de fonctionnement sont utilisés: information numérique (présence ou absence d'électricité) ou analogique (niveau de tension ou de courant). On parle dans un cas d'électronique numérique (ou digitale, par anglicisme), et d'électronique analogique de l'autre. Il existe encore d'autres subdivisions de l'électronique : électronique de puissance et électrotechnique (forte puissance, conversions d'énergie), électronique HF (hautes fréquences) ou RF (radio fréquences), microélectronique (miniaturisation de composants électronique), ... chacun de ces domaines emploie les même phénomènes physiques et repose sur les même règles fondamentales, que nous allons voir dans les chapitres suivants.

Voir électronique niveau 2: analogique, électronique niveau 2: numérique, et autres formations.

Chapitre 2 : notions fondamentales

• Notions fondamentales:
  • détails sur courant/tension
  • circuit électrique, composant et schéma
  • caractéristique d'un composant et loi d'Ohm

• Outil: le multimètre (pour mesurer la tension et le courant)
• Outil: l'alimentation stabilisée.
• Pratique: mesure de caractéristique d'une R.
• Pratique: circuit d'allumage du phare avant et veilleuses. Circuit de feu arrière de freinage.

courant/tension

• déplacement de charges (additivité, conservation). Phénomènes physiques intéressants liés au déplacement de charge: electromag, information.
• analogie avec l'eau: débit et pression.
• courant/tension: unités, ordres de grandeur
• continu/alternatif.

Pratique: le multimètre

circuit électrique et schéma

• Mouvements d'électrons: notion de circuit (rappel: cause ddp générée par electromag ou chimique, ou statique).
• Notion de modèle/schématique.
• qu'est ce qui "impose" le déplacement des charges et donc tension/courant? comprendre et prévoir.

Pratique: alimentation stabilisée

caractéristique d'un composant et loi d'Ohm

Notion de composant/dipole/quadripole ; modélisation pour réfléchir/choisir le comportement, anticiper ce qu'il va se passer. Relations entre tensions et courant pour différents bidules.

Exemple: une résistance.

Pratique: caractéristique d'une résistance

Chapitre 3 : circuits usuels

La plupart des schéma/circuits ne sont pas des boucles simples, mettent en oeuvre différents composants, aux caractéristiques parfois complexes.

• Schémas usuels:
  • montage parallèle et série
  • lois de Kirshoff (loi des mailles, loi des nœuds)
  • pont diviseur de tension
  • aspects puissance, thermique, énergie et ordres de grandeurs
  • diodes et caractéristiques non linéaires

Parallèle et série

Résistances... avec manip.

Lois de Kirshoff

Lois de Kirshoff (loi des mailles, loi des noeuds). Thévenin/Norton: bof. Superposition: out.

Exemples d'associations de résistances, calculs sur des circuits simples. Avec manip également ! => aspect prédictif de ces lois, et modèle satisfaisant pour réfléchir à ce qui se passe vs ce qu'on veut.

Puissance, thermique, etc

Pour aller plus loins/limites: d'autres cas pourris/ou les modeles simplistes ne marchent pas/ne suffisent pas: considérations de puissance et thermique, de résistance interne batterie, etc...

diodes et caractéristique non linéaire

Autre exemples: diodes et caractéristiques non linéaires ; autres composants avec des comportements phunkys (et donc intéressants) : bobines, condensateurs, transistors... y compris quand on en met plusieurs (circuit intégré genre NE555), voire PLEIN : électronique numérique. Autres sujets, renvois vers formations correspondantes.

Manip: carac LED (courbe points de fonctionnement U/I)

Cas pratique: application au vélo!

Velo: batterie, switchs, résistances, leds

• ajouter des leds et faire les veilleuses/eclairages genre phares
• ajouter un circuit pour allumer feu arrière lors du freinage
• clignotants: on est un peu embêtés... faut le faire à la mano (ou aller à la formation lvl2)

velo: logique de clignotants (à la main.... mode volta :P) avec branche avant/arriere ; logique veilleuse/feu (eg phare avant, ou frein/veilleuse sur arriere) => switchs, parallèle, série, intensités (eg plus fort quand freine ou appel de phare... sur le meme truc!).

Conclusion

Cette formation a permis:

• de mieux comprendre ce qu'est l'électricité
• d'aborder les notions fondamentales
• d'examiner les circuits simples

... et de faire un système d'éclairage vélo basique mais fonctionnel.

La suite (par exemple) :

• Animer vous même cette formation!
• Autres formations: électronique numérique, analogique (lvl2: NE555, ampli op), puissance (transistors? moteurs?)
• Ajouter des fonctions à l'éclairage du vélo

=> Critiquez la formation, appropriez vous le contenu.

A vous la parole (links pour feedback)