Compétences
Analyse les composants d’automatisation du bâtiment (composants ADB) jusqu’à 230 volts sur la base de la documentation et tire des conclusions sur le traitement ultérieur (raccordement, extension, élimination).
Raccorde les composants ADB conformément aux normes en vigueur et aux règles reconnues de la technique. Ce module constitue la base de l’autorisation conformément à l’article 15, paragraphe 4, de l’Ordonnance sur les installations à basse tension OIBT.
Objectifs opérationnels
- Analyse les composants ADB jusqu’à 230 volts en ce qui concerne leurs caractéristiques électrotechniques et tire des conclusions sur le traitement ultérieur.
- Catégorise les composants ADB existants sur la base de la documentation existante.
- Sélectionne un composant ADB sur la base de critères normalisés et raccorde le composant ADB jusqu’à 230 volts conformément aux règles reconnues de la technique.
- Evalue un composant ADB en ce qui concerne sa réutilisation ou son élimination appropriée.
Domaine de compétence
Composants ADB jusqu’à 230 volts dans de nouvelles installations d’une simple com-mande de maison (par ex. maison individuelle). Composants ADB jusqu’à 230 volts dans des installations existantes d’un système ACM (par ex. armoire de distribution, boîte d’intérieur). Composants ADB possibles, actionneur de lumière avec une sortie de 230 volts, actionneur d’ombrage avec une sortie de 230 volts, entrée binaire avec entrée de 230 volts.
Table des matières
- Composition de la Matière
- Pile
- Champ électrique
- Magnétisme
- Guerre des courants
- Composants
- Alimentation
- Installation réseaux
- Compatibilité électromagnétique
Champs électriques et magnétiques
A la fin de cette unité d’apprentissage, vous pourrez….
…décrire le champ électrique et magnétique.
…décrire les fonctions de base du condensateur et de la bobine.
…de décrire les propriétés de charge et de décharge de la bobine et du condensateur.
Composition de la matière
Depuis le savant grec de l’antiquité Démocrite, il y a l’idée qu’un corps simple de matière (par ex: carbone, oxygène, silicium, or, argent, chlore, uranium, hydrogène, helium, fluor, fer, cobalt, etc…) ne peut pas être coupé jusqu’à l’infini. On va forcément à un moment donné tomber sur une sorte de “pixel” insécable. En grec “qu’on ne peut pas couper” se dit “Atome“.
Le tableau périodique des éléments nous renseigne sur la centaine d’atomes qui composent notre réalité matérielle.
En fait on a découvert qu’on peut quand même casser les atomes…
(mais on a plus des corps simples)
Les atomes sont composés de protons, d’électrons et de neutrons.
Chaque atome a un noyau qui est composé de protons et parfois de neutrons. (c’est là l’origine du mot “nucléaire” = relatif au noyau)
Puis un certain nombre d’électrons “gravitent” autour des noyaux.
Les protons déterminent le numéro atomique (Z). On part avec l’Hydrogène tout en haut à gauche qui n’a qu’un seul proton dans son noyau et un électron. Puis on continue en ajoutant des protons (et des neutrons) au noyau. Plus on avance dans le tableau, plus les éléments sont denses, lourds et instables.
Les éléments les plus instables sont trop lourds et se désintègrent tout seuls. C’est ça la radio-activité.
Forces élémentaires de l’univers
Les interactions entre les éléments de la matière se font via 4 forces fondamentales. Ce sont l’interaction nucléaire forte, l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction gravitationnelle.
Ces forces agissent sont caractérisées par leur distances d’action et leur intensité.
- La force nucléaire tient ensemble les noyaux, elle est très forte, mais agit à courte distance. 2,5 × 10−15 m
- La force électromagnétique (unification électrofaible), est responsable de la cohésion des molécules. Elle agit à notre échelle. C’est elle qui nous permet d’avoir la sensation de toucher du concret et de ne pas passer à travers une chaise quand on s’assied.
- La force de gravitation maintient ensemble les grandes masses, les planètes, les étoiles. Elle agit très loin, mais de façon plus faible que les forces précédente.
Ainsi la force principale qui concerne notre échelle de perception de l’univers, c’est la force électromagnétique. C’est le domaine de la chimie.
Les propriétés chimiques des éléments sont déterminés par les électrons et surtout la dernière couche d’électrons qui va avoir tendance à favoriser les associations ou non avec d’autres éléments pour former des molécules.
La dernière couche électronique qu’on appelle la couche de valence, a potentiellement 8 places pour des électrons. Si la couche est incomplète elle va cherche à en donner ou en partager avec d’autres pour trouver un bon équilibre.
On utilise le modèle de Lewis, un modèle simplifié pour observer les combinaisons possibles.
Voici un exemple avec de liaisons chimique qui se fait avec la molécule de CO2
Charge électrique
Quelle est la force qui fait tenir ensemble touts ces particules ?
Une des principales propriété de particules qui compose les atomes est leur charge électrique.
Les protons ont une charge électrique positive, alors que les électrons ont une charge électrique négative. (et les neutrons sont… neutres !)
A l’images des hommes et des femmes, les charges de signes opposés ont tendance à s’attirer.
La charge électrique élémentaire e ≈ 1,602 × 10−19 Coulombs [C]
Un atome équilibré est globalement neutre électriquement. Les charges s’annulent. Mais parfois, il y a des associations qui créent des déséquilibres, des atomes ou molécules ne sont pas neutres électriquement. On appelle ceci des ions. (anion – et cation +)
Par exemples une molécule d’eau H2O qui a un atome d’Hydrogène supplémentaire devient un ion hydronium. H3O+
Electricité statique …. et courant électrique
On a tous fait l’expérience de descendre d’une voiture et de se faire secouer avec une grosse étincelle quand on ferme la porte.
Ou alors en marchant sur une moquette, on peut se charger en électricité et en touchant une autre personne ça peut être le coup de foudre !
L’électricité statique (aussi appelée triboélectricité) nous montre qu’il est possible de charger et de décharger des objets avec de l’électricité. Il y a des tensions parfois très grandes qui se créent. En marchant sur une moquette je peux me charger à 25000 Volts.
Ce phénomène est connu depuis l’antiquité. On le pratiquait en frottant un bâton d’ambre avec une peau de chat. C’est d’ailleurs le nom grec de l’ambre, ἤλεκτρον / ḗlektron, qui est à l’origine du mot “électron” et donc “électricité”.
Après la charge, vient la décharge.
La décharge est capable de créer un arc électrique. C’est un rééquilibrage. C’est le principe de la foudre.
Ici on observe qu’une différence de potentiel électrique peut mettre en mouvement des électrons.
Ce mouvement d’électrons dans un corps conducteur s’appelle un courant électrique !
On peut imager ceci par l’énergie potentielle qu’on peut stocker dans en déplaçant des masses en hauteur. C’est le principe du barrage qui stocke de l’eau. J’ai un potentiel qui peut me créer un courant d’eau dans ma rivière entre le haut de la montagne et la mer. C’est un rééquilibrage.
La magie de l’électricité
Au 18ème siècle les nobles jouaient avec l’électricité statique.
L’abbé Nollet a conçu des espèces de tours de magie pour attirer des objets quand on est chargé électriquement.
Voici la machine de Wimshurst qui permet de créer des arcs électriques grâces aux frottements.
On peut aller plus loin en stockant l’énergie électrique.
Il est par exemple possible de charger une bouteille de Leyde avec un générateur électrique à friction, puis de jouer à électrocuter ses voisins, ou faire dresser les cheveux sur la tête !
La bouteille de Leyde et les éclateurs à étincelles ont servi de base pour les premier émetteur radio à étincelles.
La vidéo de cette expérience:
En créant des arcs électriques avec une machine de Wimshurst on va créer des ondes électromagnétiques. Celles-ci viennent perturber le beamer. L’image saute à chaque coup de foudre. Hors vidéo, nous avons même eu une interruption totale de l’image: écran bleu !
Plus loin nous étudierons la nature des ondes électromagnétiques.
Pile électrique de Volta
En 1800 Alessandro Volta invente la pile électrique. C’est une manière de créer un courant électrique.
Le nom de la pile, vient directement de l’invention de Volta qui est une pile d’éléments de cuivre et de zinc séparés par du feutre imbibé d’eau salée (ou acide).
En vrai, voilà ce que ça donne.
L’électricité, c’est le mouvement d’électron libre (porteur de charge électrique) dans un corps conducteur.
L’astuce de mise en mouvement d’électron consiste plonger les deux métaux de nos électrode dans un liquide nommé électrolyte (composé d’ions, donc d’atome non neutre, donc électriquement conducteur).
Dans ce liquide, le zinc s’oxyde et perd des électrons. Tandis que le cuivre réduit l’eau en lui piquant des électrons. (l’hydrogène restant de la molécule d’eau réduite se dégaze)
On a donc ici globalement une réaction d’oxydoréduction.
Ce passage d’électrons de l’anode (Zn) à la cathode (Cu) via l’électrolyte va déséquilibrer électriquement les électrodes. Ainsi il suffit de placer un conducteur entre ces deux électrodes pour permettre un rééquilibrage. Il y a un courant électrique qui va circuler aux bornes de notre pile électrique.
Ce processus va continuer jusqu’à ce que l’anode de zinc se désagrège complètement sous l’action de l’oxydation.
Et en vidéo voici quelques expériences pour fabriquer une pile de volta.
Tension électrique
Ce dispositif de pile permet de générer une force qui va mettre en mouvement des électrons. On parle de “force électro-motrice“.
Dans le langage courant, on appelle cette force la “tension électrique“.
La tension se mesure en Volt. C’est l’unité de mesure que l’on a nommée ici en l’honneur d’Alessandro Volta.
(Parfois il y a des gens qui parlent de “voltage” c’est une forme d’anglicisme)
Plus il y a d’éléments en série, plus la tension est grande
Le principe générateur de tension fonctionne avec un seul élément cuivre + zinc séparé par du feutre imbibé d’eau salée.
Mais la force électromotrice générée est petite. On a une tension de l’ordre de 1V.
Si l’on veut augmenter la tension on va empiler des éléments, les ajouter en série. Donc avec 20 éléments on peut obtenir 20 Volts.
Evolution de la pile
La pile n’est pas une forme pratique, car elle sèche facilement. Donc il y’a d’autres formes qui sont inventées. Comme par exemple la pile Leclanché.
Pile chez les grands anciens
Habituellement on date l’invention de la pile électrique vers 1800.
Mais l’archéologie découvre que la pile pourrait être plus ancienne.
Il existe un artefact controversé, la pile de Bagdad.
Cette pile fonctionne. Mais il y a toujours débat sur l’idée avoir de l’électricité il y a 2000 ans !
Une des utilisations possible peut être la galvanoplastie. Dans la bijouterie on peut plaquer une fine couche de métal sur des objets.
En Inde aussi on a des traces anciennes de piles électriques.
Les piles c’est pas sorcier….
Voici un support de cours pour toutes les bases de l’électricité. Le chapitre 6.2 aborde particulièrement les piles électriques.
Champ électrique
Le but de ma pile, c’est de créer une différence de potentiel électrique. Aussi nommé la tension U dont l’unité de mesure est le Volt.
On va ici reprendre la théorie pour bien comprendre de quoi on parle. Voici une analogie montagnarde.
La différence d’altitude d’un point sur ma montagne est potentiellement une source de force qui peut mettre en mouvement des objets.
Si je cartographie chaque point de ma montagne, je peux lui associer une valeur de potentiel (à l’image de courbe de niveau sur une carte). Puis je peux même lui associer une flèche de direction dans le sens où une masse va se diriger si je la pose à cet endroit. (Par exemple si je verse un seau d’eau dans un pâturage de montagne, dans quelle direction l’eau va couler.)
Pour la météo c’est le même principe. Il y a des hautes pressions atmosphériques (anticyclone) et des basses pressions. Les molécules cherchent à se rééquilibrer. Il y a du vent qui se crée entre les hautes et basse pressions.
On représente aussi ce genre de phénomène sur des cartes météo isobariques.
Un champ électrique est le même principe. Pour chaque point de l’espace ont définit un potentiel électrique et une direction. En physique on parle de champ vectoriel.
Ce champ est est la représentation spatiale de l’influence des charges électriques pour chaque point de l’espace.
On exprime la valeur d’un point du champ électrique en Volts par mètre. [v/m]
On peut aussi le définir à l’aide d’une force par unité de charge électrique donc en Newton par Coulomb [N/C].
Pour introduire la suite, si l’on met en mouvement les charges d’un champ électrique, on crée un champ magnétique !
Et un champ magnétique va induire un champ électrique… et hop on recommence….
On appelle ceci une onde électromagnétique !
Donc on va s’intéresser maintenant au magnétisme.
Magnétisme
Champ magnétique d’aimant permanent
Il existe des matières qui sont naturellement magnétique. On parle d’aimants.
Historiquement les premiers aimant sont souvent en magnétite, une roche de fer oxydées.
Les aimants peuvent s’attirer et se repousser selon leur polarité. Un aimant est toujours bi-polaire. Il a un pôle Nord rouge et un pôle Sud vert .
Si on coupe un aimant en 2, on aura deux aimants avec chacun un pôle nord et sud. Il est impossible de séparer ces pôles.
Si l’on place des matériaux magnétiques autour d’un aimant (comme de la limaille de fer), on peut observer des lignes de champs. On voit que les lignes sortent du pôle Nord rouge pour rejoindre le pôle Sud vert .
Champ magnétique terrestre
La Terre a un champ magnétique: la magnétosphère.
La Terre joue le rôle d’une grande dynamo ce qui provoque un champ magnétique.
Ce champ magnétique protège la Terre contre les vents solaires issus des éruptions solaire. Cependant, les pôles sont moins protégés, ainsi le rayonnements parvient mieux à s’y infiltrer, ionise l’atmosphère ce qui provoque des émissions de lumières: des aurores boréales.
Les aurores boréales sont même venues jusqu’en Suisse.
Mouvement du Pôle nord magnétique
La boussole est un instrument de navigation qui indique le nord. Son utilisation est attestée depuis des siècles.
Le Nord magnétique (qui est en fait le pôle sud vu qu’il attire le nord des la boussole !) se déplace. Son mouvement s’est accéléré ces dernières années sans que l’on sache pourquoi. Il a bougé autant ces 20 dernières années que durant le siècle précédent.
Il y a un décalage entre le vrai nord géographique et le nord magnétique qu’une boussole suit. Ainsi il faut corriger ce décalage. Ces dernières années c’est devenu compliqué. On peut voir l’historique du déplacement du pôle nord grâce à cette application…
Il y a une modélisation des données pour ces prochaines années…
Les pôles magnétiques de la Terre se sont déjà inversé plus de 300 fois durant ces 200 derniers millions d’années. La dernière inversion date d’il y a 780 000 ans. On ne sait pas quand sera la prochaine inversion.
Champ magnétique: 2 définitions mathématique !
Deux champs vectoriels apparentés1 servent en physique à décrire les phénomènes magnétiques et peuvent de ce fait prétendre au nom générique de « champ magnétique » :
- l’un, noté B →
, décrit la « densité de flux magnétique » dans l’espace, qui est à l’origine des effets à distance du magnétisme, et notamment de l’« induction électromagnétique »1. Il s’exprime en teslas ;
- l’autre, noté H →
, qui est en pratique plutôt utilisé dans l’étude de l’électromagnétisme des milieux continus, décrit au niveau local l’« aimantation » propre de la matière, ou son « excitation magnétique »1 sous l’effet d’un champ électromagnétique externe (dont l’effet global confère en particulier à un corps donné un moment magnétique d’ensemble). Il s’exprime en ampères par mètre (de symbole A/m ou A m−1)b.
Lorsqu’il est nécessaire de faire la différence entre les deux, le champ B →
Encore une autre remarque sur la terminologie.
Selon les auteurs et les sources, le champ magnétique est désigné par H → 
Flux: Ensemble des lignes de champ
Le flux d’induction magnétique Φ c’est l’ensemble des lignes de champ. Il se mesure en weber [Wb]
Le champ d’induction magnétique B, c’est le flux par unité de surface perpendiculaire son unité c’est le Tesla.
Notion de champ et de vecteur
En physique, un champ, c’est l’indication de la valeur d’une grandeur physique pour chaque point de l’espace temps. C’est un peu la valeur des pixels de notre univers.
Ainsi on peut faire un champ de température. Chaque point indique sa température.
Un champ magnétique est un champ vectoriel. Il ne contient pas qu’une seule valeur (comme le champ de température), mais aussi une direction, une flèche. On appelle ceci un vecteur.
Un aimant est capable de modifier, de structurer un champ magnétique. Comme si je creuse un canal sur une montagne, l’eau va avoir tendance à couler vers mon canal. Dans mon canal j’aurai une grande concentration d’eau.
Mon champ d’induction magnétique B est une sorte de canal magnétique dans lequel je mesure la densité des lignes de force par unité de surface perpendiculaire.
Electromagnétisme
Le magnétisme est lié au mouvement de charges électriques.
Donc on a toujours un lien dans un sens ou un autre entre trois grandeurs:
- mouvement
- électricité
- magnétisme
Electro-aimant
Au lieu d’avoir une matière magnétique, (comme le fer, le cobalt, etc..) je peux utiliser un phénomène électrique pour créer un aimant.
L’électricité c’est un flux d’électron libre dans un corps conducteur. Cette mise en mouvement des charges électriques des électrons va créer un champ magnétique qui tourne autour dans le sens horaire. On utilise la règle du tire bouchon pour se souvenir du sens.
Si je veux augmenter la taille du champ magnétique, je peu créer une bobine avec de nombreuses spires. Pour renforcer encore la canalisation de ce champ magnétique, je peux ajouter un coeur en fer doux.
C’est le principe de l’électro-aimant.
A l’inverse si je
Effet moteur…
L’effet générateur.
Grâce au mouvement et au magnétisme on peut crée des flux d’électron dans un corps conducteur. Donc un courant électrique.
C’est le début des générateurs électriques.
Le moteur à courant continu est composé d’un stator (la partie statique à l’extérieur). C’est un aimant permanent qui crée un champ magnétique.
A l’intérieur du moteur nous avons un rotor (en rotation). Le rotor est un électro-aiment. On le voit avec les bobines.
Le rotor va cherches à s’équilibrer dans le stator. Les parties qui s’attirent s’approchent et les parties qui se repoussent s’éloignent. Le moteur bouge... un petit peu.
Puis on atteint une position d’équilibre. L’astuce c’est de changer la polarité du courant et donc de l’électro aimant pour relancer une nouvelle phase d’équilibre dans l’autre sens.
Pour changer la polarité du courant, on utilise une bague autour de l’axe du rotor. On va faire un contact électrique à l’aide de charbons qui frottent sur le rotor. (avec un fil on serait ennuyé, il serait vite emmêlé !)
La bague centrale est coupée en deux parties. On ajuste le moment où on change le sens pour donner un mouvement de rotation. Et hop c’est partie… ça tourne.
On peut améliorer le démarrage en ajoutant un plus grand nombre de bobines.
Les aimants permanent peuvent être remplacés des électro-aimant. Dans le cas d’un moteur ça va bien. Dans le cas d’un générateur d’électricité, il ne faut utiliser un petit peu d’électricité pour en produire. Donc les électriciens doivent bien gérer leur installation pour toujours garder une réserve afin d’alimenter leur générateur. Si ils coupent tout, il ne redémarrent plus !
Avec toutes les variantes on a plusieurs sortes de machines électromagnétiques. La machine à courant continu, la machine synchrone et la machine asynchrone, qui elles fonctionnent au courant alternatif et se synchronisent sur la fréquence du réseau électrique.
On résume en vidéo…
Transformateur
Le transformateur est une machine qui ne bouge pas physiquement.
Induction statique
En bonus, le magnétisme est en fait un phénomène du à la relativité d’Einstein… un point de vue un peu différent de celui qu’on à l’habitude à notre échelle.
Construire des machines
Ok, voilà, on a l’électricité statique, puis si elle est en mouvement on obtient un courant électrique, quand il est en mouvement il génère un champ magnétique, qui lui même quand il varie peut induire un champ électrique… et la boucle est bouclée ! (en plus on a une émission d’ondes électromagnétiques)
Il est temps de cogiter à la création de machines qui utilisent ses propriétés.
Il y existe deux formes principales de courant électrique, alternatif et continu.
Dans une prise électrique d’une maison, nous avons du courant alternatif.
Pourquoi est-ce que l’on utilise du courant alternatif et pas du courant continu ?
La guerre des courants, entre Tesla (avec Westinghouse) et Edison va nous donner la réponse.
Courant continu
Le courant continu est très pratique, car c’est celui qui est utilisé dans nos appareils électroniques, nos ordinateurs. Il est simple à comprendre.
Historiquement il est produit avec une pile ou de façon industrielle à l’aide d’une dynamo, comme celle de Zénobe Gramme. (attention la dynamo de vélo, n’est en fait pas une dynamo ! .. mais un alternateur à courant alternatif !)
De nos jours, la principale source de courant continu est celle des panneaux photovoltaiques.
Le principal soucis du courant continu, c’est la perte en ligne. La tension chute avec la distance.
La puissance transmise correspond à la formule: P = U*I
Si la tension chute à cause de la résistance de la ligne, alors la puissance disponibles chute aussi.
Le courant continu nécessite d’avoir la bonne tension, ainsi il y avait potentiellement plusieurs fils avec des tensions différentes pour différents appareils.
Courant alternatif
Voir la page wikipedia à propos du courant alternatif sinusoïdal.
Grâce à l’invention du transformateur, il a été possible de facilement changer la tension et l’adapter à l’appareil sans multiplier les lignes.
Le transformateur est une machine magnétique qui ne nécessite pas de pièce mobile. Cependant il faut un courant alternatif pour que la transformation se fasse.
Ainsi les générateurs électriques alternatifs sont utiles.
Il est ainsi possible de réduire les pertes en lignes.
La puissance dissipée dans la lignes correspond à la formule: P = R* I^2
Ainsi le courant est un facteur important vu qu’il est au carré. Donc si l’on veut diminuer les pertes en lignes, diminuer le courant semble une bonne idée.
Vu que la puissance délivrée vaut P = U*I. Il est possible d’obtenir la même puissance en diminuant le courant, mais en augmentant la tension.
Le transformateur est donc l’outil idéal. On va transporter l’énergie via du courant alternatif sinusoïdal à haute tension.
Fréquence – Période
Un courant alternatif est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). La fréquence correspond au nombre de période du signal en une seconde (une oscillation = une période). Un courant alternatif de 50 Hz effectue cinquante oscillations par seconde, c’est-à-dire qu’il change cent fois de sens par seconde.
Valeurs efficace, de crête, moyenne, instantanée, crête
La valeur efficace est la valeur équivalente à un courant continu qui produit le même effet (dissipation thermique dans une résistance). (En anglais on parle de valeur RMS)
Quand on parle de 230V dans une prise, c’est une valeur efficace.
La valeur de crête, c’est la valeur maximale de la sinusoïdale. Elle est √2 fois plus grande que la valeur efficace. (parfois on parle de Umax)
Ainsi une tension alternative sinusoïdale de 230V efficace a une tension de crête de 230 *√2 = 325V.
La sinusoïdale ayant une valeur de crête positive et une valeur négative. On peut mesurer une tension de crête à crête qui vaut 2 fois la tension de crête soit ici 650V.
La fréquence:
Composants
Condensateur
A l’aide d’un champ électrique entre deux plaques on peut créer un composant qu’on appelle un condensateur.
Un condensateur est une sorte de réservoir de charge électrique. Quand le courant passe dans un condensateur, il va se charger. La tension à ses bornes augmente. Quand le condensateur est chargé au maximum de sa capacité. Le courant s’arrête.
L’ancêtre du condensateur est la bouteille de Leyde. C’est une bouteille en verre (isolant) qui est remplie de métal conducteur (parfois des feuilles d’or). L’extérieur de la bouteilles est aussi recouverte d’un métal conducteur. (généralement une feuille d’étain).
La bouteille est chargée avec un courant électrique par une machine à frottement d’électricité statique. Puis une décharge peu se produire quand on touche les deux pôles. C’était une phénomène de foire au 18ème siècle.
- Q est la charge stockée sur sa borne positive, qui s’exprime en [coulombs]
- C la capacité électrique du condensateur [farads]
- U la tension aux bornes du composant [volts].
Simulation de la charge du condensateur…
Voici une playlist youtube avec les 26 épisodes de voyage en électricité….
Bobine – auto-inductance – self-inductance
A l’aide d’une bobine de fil enroulé, on crée un champ magnétique quand le courant passe dans le fil. Ce champ magnétique aura pour effet de s’opposer à la variation. C’est une sorte d’inertie.
Quand on veut faire passer un courant dans la bobine, elle ne veut pas. Quand on coupe le courant dans la bobine elle ne veut pas.
On appelle ce composant une inductance. On désigne cette grandeur L qui a pour unité le Henry.
Simulation de charge et décharge d’une inductance (bobine ) (variation du courant dans l’inductance)
Donc l’ouverture d’un circuit qui contient une bobine (avec un interrupteur par exemple) a pour effet de générer une surtension qui s’oppose à cette ouverture. Ça a pour effet visible de créer parfois des étincelles !!
On peut éviter ce phénomène avec une diode en roule libre.
Simulation de la bobine avec une diode de roue libre (qui protège contre une surtension si l’on ouvre le circuit)
Filtre RLC
Le condensateur et Inductance (bobine) on pour effet de réagir dans les variations du courants. Ainsi on les utilises dans les applications où la fréquence du signal change.
On peut utiliser des condensateurs et inductance dans la création de filtres.
Pour un signal audio, pour des modulations pour des transmissions en télécommunication comme de l’ADSL, etc…
- Simulation de Filtre passe bas avec Bode
- Simulation de Filtre passe haut avec Bode
- Simulation du filtre passe-bande
- filtre RC
Todo: poser la grille des filtres avec leur équivalent en interrupteur.
Voici les comportements des composants LC et leur assemblage en série ou parallèle pour 3 fréquences caractéristiques.
| Fréquence | Bobine L | Condensateur C | L+C série | C // L parallèle |
| f = 0 | fil | interrupteur ouvert | interrupteur ouvert | fil |
| f = ∞ | interrupteur ouvert | fil | interrupteur ouvert | fil |
| f0 (résonance) | pas possible | pas possible | fil | interrupteur ouvert |
La fréquence de résonance est une fréquence propre à chaque circuit oscillant. Donc il faut au moins une bobine et un condensateur. Ça n’a pas de sens juste avec un seul composant.
Le phénomène de résonance est décrit un peu plus loin ci-dessous.
Loi d’Ohm en alternatif
Pour rappel, la loi d’Ohm en courant continu exprime la relation:
- U la tension aux bornes de la résistance en [volt]
- I l’intensité du courant qui circule à travers la résistance en [Ampère]
- R la valeur de la résistance, en [Ohm]
En courant continu, les comportements sont simples. En courant alternatif, il y a des variations qui vont complexifier la loi d’Ohm dans des composants qui sont sensibles aux variations du courant que sont les inductances (bobines) et les condensateurs.
Voici une introduction au sujet en vidéo:
Après cette introduction, en suivant les recommandations de la vidéo, voyons avec notre professeur préféré, le formalisme mathématique que l’on utilise pour décrire le comportement des condensateurs et résistance en alternatif.
Ainsi la loi d’Ohm se généralise ainsi:
où Z est l’impédance complexe du dipôle considéré. Ce composant “boite noire” peut être constitué d’un ou plusieurs autres dipôles linéaires (résistances, condensateurs et inductances).
Il y a un décalage dans le temps entre le courant I et la tension U aux bornes des bobines et condensateurs.
Donc pour tenir compte de ce décalage, on va différentier les types de résistances qu’on trouve dans un circuit électrique.
- R est la résistance au passage du courant, sans être sensible à la fréquence. En [Ω]
- XL est la réactance d’une Inductance (bobine). En [Ω]
- Xc est la réactance d’un condensateur. En [Ω]
- Z est l’impédance, donc la “résistance” globale du circuit qui est la résultante des 3 autres types de manière de résister au passage du courant électrique. En [Ω]
Pour une bobine, quand la fréquence augmente, le réactance XL augmente et le courant est en retard (déphasé) de 90° par rapport à la tension.
Pour un condensateur, quand la fréquence augmente, le réactance XC diminue et le courant est en avance (déphasé) de 90° par rapport à la tension.
Mais attention ces grandeurs ne sont plus des nombres simples, mais des nombres complexes. Le nombre n’est plus posé sur une simple ligne, mais il est sur une surface, sur un plan.
On peut donc représenter un nombre complexe par un vecteur (les flèches de M. Fresnel).
Du point de vue de la trigo, un vecteur peut se représenter par une longueur et un angle. Mais on peu aussi exprimer ce vecteur en donnant ses coordonnées sur chacun des axes.
Comme on peut le voir sur le dessins ci-dessus, les nombres complexes forment aussi un triangle rectangle. Donc le théorème de Pythagore peut être utilisé pour calculer les relations entre les différents côtés et ainsi décomposer l’impédance complexe Z en une partie composée de résistance R et une partie de réactance X.
- Le vecteur bleu représente l’impédance Z. C’est un nombre complexe.
- La projection sur l’axe x (la coordonnée sur cet axe) représente la partie purement résistive R de l’impédance Z.
- La projection sur l’axe y (la coordonnée sur cet axe) représente la partie de réactance X.
Petite subtilité, si la réactance est celle d’une Inductance, donc XL c’est une valeur positive (qui monte) sur l’axe y. Alors qu’au contraire si la réactance est celle d’un condensateur, donc Xc alors on a une valeur négative (qui descend) sur l’axe y.
On représente ces nombres complexes avec la représentation en diagramme de Fresnel.
Avec cette histoire de sens des flèches, parfois Xc et XL se compensent. Il est même possible de s’arranger pour avoir la même valeur et ainsi obtenir une impédance Z qui est purement résistive comme une simple résistance R.
Mais on a là un autre phénomène qui apparait. La résonance.
Résonance
La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques (électriques, mécaniques…) sont sensibles à certaines fréquences. Un système résonant peut accumuler une énergie, si celle-ci est appliquée sous forme périodique, et proche d’une fréquence dite « fréquence de résonance ».
L’exemple de résonance le plus simple c’est la balançoire. On a une énergie potentielle qui se transforme en énergie cinétique qui elle même se transforme en énergie potentielle. On a ainsi un oscillateur.
Voici un exemple de résonance dans des ressors:
On a un circuit en résonance quand on a:
On a donc une fréquence particulière à laquelle ce phénomène arrive. On la nomme fréquence de résonance f0 et elle vaut :
Résonance entre bobine et condensateur:
- Circuit résonnant LC série
- Circuit résonnant LC parallèle
Plein de simulations de circuits…
Puissances
Puissance apparente
S = U * I [Volt-ampère]
La puissance apparente nous permet de dimensionner la section des fils. Elle nous montre le courant maximum.
Puissance réactive
Q = UI * sin phi [volts-ampères réactifs]
La puissance réactive est due aux condensateurs et bobine.
Puissance active
La puissance active est la puissance réelle utilisé par l’appareil (effet joule) C’est celle que l’on nous facture. C’est la puissance dissipée en [watt]
Amélioration du facteur de puissance
Le “cos phi” est appelé facteur de puissance. Quand une charge est composée de moteur avec des gros bobinage, la charge est souvent très inductive. La puissance réactive Q va être grande et de par se fait faire aussi augmenter la puissance apparente S.
On peut donc ajouter des condensateurs dans le circuit et ainsi contrebalancer la réactance inductive par de la réactance capacitive et ainsi diminuer le cos phi, le facteur de puissance.
Les gestionnaires des réseaux électriques sont ainsi content car on diminue le courant dans la ligne et comme déjà vu plus haut. L’effet joule, la puissance dissipée sur la ligne vaut:
L’intensité du courant est un facteur très important étant au carré. Donc on évite de chauffer les oiseaux si on diminue le courant.
En ce qui vous concerne, c’est plutôt pour l’achat d’une alimentation sans coupure (UPS) qu’il vous est utile de connaitre la notion de puissance apparente S qui s’expriment en Volt Ampère [VA].
La puissance est indiquée en Volt Ampère, mais aussi en Watt. La différence entre les deux. C’est le facteur de puissance, le fameux cos phi.
Donc quand je choisi un UPS, je dois savoir ce que je branche dessus. Le facteur de puissance vaut 1 pour une charge purement résistive (une bouilloire). Mais si j’ai un moteur, des machines avec bobinage et/ou condensateur la valeur du cos phi est différente.
Si j’ai un cos phi qui vaut 0,6, j’ai une puissance apparente qui vaut 60% de plus que la puissance active. (juste résistive)
Je dois tenir compte de la puissance apparente pour dimensionner mes câbles si je veux éviter l’incendie.
Résistance linéaire et non linéaire
Jusqu’ici nous avons vu des résistances linéaires. Si l’on dessine la caractéristique de la résistance et sa relation entre le courant et la tension. Nous avons une droite.
Donc on ne dessine jamais la caractéristique de ce composant, vu qu’il nous suffit d’appliquer la loi d’ohm:
Il existe d’autres types de résistances qui n’ont pas de caractéristique linéaire.
Voici donc plusieurs composants qui vont nous servir de capteurs d’information sur le monde physique.
Un électricien a pour métier de capter, transporter et mettre à disposition de l’énergie électrique. L’électronicien va utiliser cette énergie dans des circuits basés sur des composants électriques/électroniques, afin de capter des informations physiques et de gérer de l’information.
Puis l’électronicien invente la machine universelle programmable: l’ordinateur et l’on entre dans le monde de l’informatique.
L’informaticien du bâtiment est à cheval sur toutes ces professions.
Ici nous étudions les principaux composants électroniques.
Les composants ont une apparence physique. Ils sont dans une boitier avec des pattes. Quand on les utilise, il faut savoir les reconnaître.
Quand on calcule un circuit électronique, on représente les composants sur un schéma. Chacun composant a un symbole (plus ou moins normalisé). Il est donc nécessaire de connaitre les symboles.
Quand on dimensionne un composant, on va se baser sur sa caractéristique. C’est très souvent un graphe avec une courbe qui met en relation les grandeurs physiques auxquelles le composants est sensibles. (température, courant, tension, lumière, etc..)
On va se référer à la datasheet fournie par le fabriquant.
Les thermistances
La thermistance est une résistance dont la valeur R [Ohm] change en fonction de la température.
Il est ainsi possible de créer des circuits qui agissent en fonction de la température. (thermostats, etc..)
Il y a deux types de thermistance NTC et PTC.
Il y a la thermistance qui a sa résistance qui augmentent dans le même sens que la température (si la température augmente, la résistance augmente). C’est la PTC (Positive Temperature Coefficient).
Et à l’inverse il y a la NTC (Negative Temperature Coefficient) qui a une résistance qui diminue quand la température augmente.
Les symboles indiquent une résistance variable avec une barre en travers et la grandeur qui la fait varier. (un petit “t” comme “température” avec le sens indiqué par un + ou un -). (il y a aussi la variante avec la lettre grecque thêta et des flèches dans le même sens ou en opposition )
NTC
PTC
LDR – Light Dependant Resistor
La LDR a une résistance qui varie en fonction de la lumière. On a ainsi un moyen de savoir à quel moment allumer un éclairage public ou de vérifier que le brûleur d’une chaudière est allumé.
VDR – Voltage Dependant Resistor
La VDR est sensible à la tension (Voltage). Elle a des seuils dans sa caractéristiques. C’est ainsi un composant utile comme parasurtenseur. Un moyen de se protéger contre les sur-tensions. (par ex: foudre).
Semi conducteurs
Diode, diode Zener, transistor, thyristors, l’électronique repose sur plein de semi-conducteurs…
Les semi-conducteurs sont des éléments qui ont 4 électrons sur leur couche périphérique. Comme leur nom l’indique ils sont parfois conducteurs et parfois non. C’est surtout la température qui va déterminer leur conduction.
C’est principalement le Silicium et le germanium qui sont utilisés en électronique.
On peut les doper pour créer une jonction, une zone frontière avec des effets très intéressants, notamment le fait de pouvoir contrôler si le semi-conducteur conduit ou non en fonction de sa polarisation dans un circuit électrique.
Il existe deux types de dopage :
- le dopage de type N, qui consiste à insérer des atomes de type donneur d’électrons afin d’obtenir une plus forte densité d’électrons libres, qui sont négativement chargés ;
- le dopage de type P, qui consiste à insérer des atomes de type accepteur d’électrons afin d’obtenir une plus faible densité d’électrons libres, donc un excès de trous, considérés comme positivement chargés.
Les schémas suivants présentent des exemples de dopage du silicium respectivement par du phosphore (dopage N) et du bore (dopage P). Dans le cas du phosphore (à droite), un électron supplémentaire est amené. Dans le cas du bore (à gauche), il manque un électron ; c’est donc un trou d’électron qui est amené.
La création d’un cristal de silicium ainsi dopé en deux zones – une jonction – nous donne un composant électronique: la diode.
Diode
La diode, c’est juste une jonction. Elle laisse passer le courant électrique dans un sens, mais pas dans l’autre. C’est une valve anti-retour électronique.
Si l’on branche une telle jonction aux bornes d’une pile électrique on peut avoir deux comportements différents selon le sens de branchement.
Le sens direct:
Le côté positif est branché sur le côté positif de la pile.
Le côté négatif est branché sur le côté négatif de la pile.
Une fois le seuil de tension (0,7v) de la jonction atteint, la diode conduit.
Le sens inverse:
Le côté positif est branché sur le côté négatif de la pile.
Le côté négatif est branché sur le côté positif de la pile.
Les charges de signes opposés s’attirent, chacun part de son côté. La jonction grandit et la diode ne conduit pas.
Tout sur la diode:
La création de la jonction en vidéo:
Diode en sens inverse que se passe-t-il ?
Cours sur les diodes par les PTT:
Exercice :
Questions :
- Quelle est la tension de seuil d’une diode au silicium ?
- Pour calculer les valeur dans un circuit (avec des résistances, des diodes, etc) je peux remplacer une diode par une pile ayant une tension de 0,7V ? Vrai ou faux ?
Réponses
Une diode au silicium a une tension de seuil proche de 0,7V. Si elle n’a pas cette tension à ses bornes (en sens direct) elle ne conduit pas. On a donc toujours 0,7V de chute de tension aux bornes d’une diode.
On utilise cette information pour calculer un circuit, car la loi d’Ohm ne fonctionne pas avec les diodes, ce n’est pas un composant linéaire. On doit s’en référé à sa caractéristique données dans la datasheet. (P=U*I fonctionne)
Vrai, pour les calculs et uniquement pour les calculs, je peux remplacer une diode par une source de tension de 0,7V qu simule la tension de seuil.
LED
La LED, c’est une diode qui émet de la lumière.
Depuis 1962, il existe des LED rouge, puis jaune, puis verte. Dix ans plus tard en 1972, la LED bleue arrive, mais toute faible.
C’est dans les années 1990 qu’une révolution arrive la LED bleue a forte luminosité est créée. En lui superposant une jonction qui émet du jaune, la LED blanche arrive et remet en cause toute la manière de s’éclairer au quotidien.
Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues.
Redresseur
La prise électrique nous fourni du courant alternatif. Alors que la plupart de nos appareils électroniques utilisent du courant continu. Il nous faut donc transformer ce courant alternatif en courant continu. Comment faire ?
Il y a un composant très intéressant que nous avons vu plus haut: la diode.
Une diode permet de laisser passer le courant dans un sens, mais pas dans l’autre.
“Redresseur” mono-alternance
Ainsi il suffit d’ajouter une diode en série avec ma charge, et voilà je n’ai plus de courant alternatif. Je n’ai qu’une seule alternance vu que je coupe l’autre.
C’est ce qui est utilisé comme principe sur des appareils bon marché. On appelle ceci le “redressement” mono-alternance.
J’ai vu ceci sur une lampe de poche avec une pile bouton qui se recharge directement en mettant la lampe dans la prise 230V. La pile est directement branchée en alternatif !… du coup il faut couper une des alternances. Une diode suffit.
Mais le rendement est catastrophique. On se coupe de la moité de l’énergie transportée jusque là.
Redresseur – transfo à point milieu
Il existe des transformateurs dit “à point milieu”. A l’aide de ceux-ci et de 2 diodes, on peut récupérer la bonne alternance et éviter de perdre la moitié de l’énergie.
Simulation du redresseur transfo à point milieu.
Mais ce genre de montage est rare. Le transformateur est en voie de disparition. Il est lourd, il est cher. Alors qu’un chargeur de smartphone c’est tout léger !
Le Pont de Graetz
Le pont de Graetz est un circuit à 4 diodes qui permet non plus de couper l’alternance non désirée, mais il la redresse. C’est pour ça qu’on parle de montage redresseur.
Il existe différentes manières de représenter le pont de Graetz.
Pour s’y retrouver l’idée c’est de se souvenir que:
- ma sortie + est l’endroit où l’on trouve deux “têtes” de diode reliées. (les cathodes)
- ma sortie – est l’endroit où l’on trouve deux “culs” de diode reliées. (les anodes)
=> Voici un document pdf d’aide mémoire…
Le composant en vrai
Dans un montage réel, le pont de Graetz est réalisé parfois avec des diodes discrètes, parfois avec un même composant qui intègre les différentes diodes.
Quand la puissance est grande, on va aussi fixer les diodes sur un radiateur.
A la sortie d’un pont de Graetz on obtient un signal “pulsé”. Moi je dis qu’on est passé du dromadaire à une bosse au chameau à deux bosses.
Le signal pulsé c’est bien. Mais c’est pas encore idéal. Nous on a besoin de courant continu. On a pas envie d’une tension qui retombe à zéro à chaque alternance !
Il nous faut encore perfectionner notre alimentation.
Filtrage
On va utiliser les propriétés du condensateur. C’est un réservoir de tension. Donc il va se remplir pendant les alternances positives.
Puis quand ma tension retombe à zéro, là c’est lui qui assure la transition.
Ainsi ma tension subit une petite ondulation au lieu d’une grande. Elle ne repasse plus par 0. On a presque un courant continu idéal.
Simulations
- Simulation du redresseur transfo à point milieu
- Simulation du redresseur double-alternances à pont de graetz
- Simulation du redresseur double-alternance avec filtre
Aide mémoire du redresseur et de la diode, ainsi que des exercices de branchement de pont de Graetz:
Il est temps de faire un exercice de branchement des composants d’une alimentation filtrée, ainsi que calcul des valeurs des signaux:
Alimentation stabilisée
On peut encore améliorer notre alimentation en courant continu. On va garantir le niveau de tension de sortie à une valeur fixe.
On va utiliser une diode d’un type un peu spécial, une diode Zener.
Diode Zener
La diode Zener est une diode spéciale qu’on utilise dans la zone où normalement une diode est détruite. On l’utilise en sens inverse. L’avantage c’est que la tension de seuil (en inverse) est fixe peu importe le courant.
Nous avons donc une référence de tension fixe dans tous les cas.
Voici un document de cours avec également des exercices:
Finalement la diode Zener en parallèle avec la charge ça permet de garantir la tension. Mais il faut ajouter une résistance pour limiter le courant dans la diode. Cette résistance est directement en série avec la charge, et donc limite beaucoup le rendement !
On va donc modifier le schéma et introduire un nouveau composant pour améliorer notre rendement. On va utiliser un transistor pour la stabilisation-régulation de notre tension d’alimentation.
Le transistor
En très bref, un transistor, c’est un “interrupteur” commandé.
En analogie hydraulique, un transistor, c’est une grosse vanne de conduite forcée qu’on peut ouvrir ou fermer plus ou moins. Ceci commandé par un petit filet d’eau qui coule dans un tuyau d’arrosage.
Le transistor est un composant semi-conducteur composé de 2 jonctions.
Selon l’agencement des jonctions on a:
- un transistor NPN
- un transistor PNP
Le transistor est le composant qui a tout révolutionné dans l’électronique grâce à sa miniaturisation. En 2020, Nvidia est capable de mettre 28 milliards de transistors sur une puce de 628 mm2 pour réaliser une carte graphique.
Le transistor a été inventé en 1947. Il permet de remplacer les tubes électroniques dans de nombreuses applications.
Il y a 3 utilisations principales du transistor:
- l’amplificateur
- l’interrupteur (saturation-blocage, 0 ou 1 la base de l’informatique)
- la régulation
Transistor en mode amplificateur
Quand on a un composant qui permet à l’aide d’un petit courant de piloter un grand, on a de quoi amplifier un petit signal pour en faire un grand.
C’est exactement le comportement qu’on a besoin en audio pour partir d’un petit signal enregistré et finir avec un haut parleur qui crache une grande puissance.
Il existe de nombreux schémas d’amplificateurs électroniques. On peut les chainer en cascade et filtrer le signal pour éviter toute distorsion.
Transistor en mode interrupteur
En mode interrupteur notre transistor est vraiment une vanne complètement ouverte ou totalement fermée.
C’est du tout ou rien, du binaire. La base de l’informatique. Donc toutes les portes logiques, les processeurs, les mémoires sont faites selon ce principe.
Transistor régulation
Petit rappel de ce qu’est la régulation. James Watt qui a donné son nom à l’unité de mesure de la puissance est connu pour avoir inventé le premier régulateur de machine à vapeur.
Qui a inventé la machine à vapeur ? ….
Comme quoi c’est peut être plus important d’avoir inventé le régulateur que la machine !
La régulation sert à stabiliser un fonctionnement autour d’une valeur normale. On évite les emballements qui risquent de tout casser.
Si une machine à vapeur donne trop de pression, on ouvre une soupape et la pression diminue. Si la pression diminue, la soupape se ferme et la pression augmente.. etc..
On utilise le principe de rétroaction, on branche l’état de sortie d’un système comme variable d’entrée.
Pour revenir à notre alimentation, on va garantir le niveau de tension peu importe le courant qui est tiré.
Dans notre alimentation régulée, on couple un transistor avec une diode Zener et on obtient un régulateur de tension. La tension de sortie est garantie stable.
Voici le schéma d’un régulateur série. On a toutes les pièces du puzzle pour se faire une alimentation stabilisée.
Exercice pratique – Alimentation
Il est temps de réaliser un exercice pratique avec une planche de test pour monter une alimentation stabilisée en courant continu.
C’est l’occasion de se familiariser avec l’oscilloscope pour mesurer le signal à chaque étape.
Au besoin le manuel de l’oscilloscope est ici en pdf…
Quelles sont les formes et valeurs des signaux:
- à l’entrée du pont de Graetz: points A et B
- à la sortie du pont de Graetz: points C et D => sans le condensateur
- Aux bornes du condensateur de filtrage: points C et D.
- Aux bornes de la diode Zener: points E et D
- Aux bornes de notre charge: point G et D
Effectuez les mesures à l’oscilloscope et faites un croquis des signaux.
Aperçu de quelques mesures
Mesure du signal pulsé à la sortie du pont de Graetz, sans condensateur de filtrage.
Signal redressé, puis filtré à l’aide d’un condensateur:
Alimentation à découpage
Maintenant que l’on a ce qu’il faut. Il est temps de tout chambouler. Encore une fois c’est pas tout à fait ce qu’on trouve dans nos appareils de tous les jours !
De plus en plus on trouve des alimentations à découpage.
Si vous observez bien l’alimentation que nous avons réalisée. Elle traversée en permanence par un courant. Le transistor dissipe de l’énergie pour rien, il y a des pertes. Ainsi on va avoir un rendement catastrophique.
L’idée de l’alimentation à découpage c’est de découper des tranches d’alimentation à haute fréquence et de recomposer un signal qui en moyenne donne l’énergie qu’on a besoin de transmettre.
On peut faire une analogie avec la machine à café qui maintient de l’eau chaude. Elle est en fait “allumée” seulement pendant 30 secondes toutes les 5 minutes avec un corps de chauffe à 2kW. En moyenne sur les 5 minutes l’eau reste chaude.
Dans une alimentation à découpage on utilise des circuits avec des bobines et condensateurs pour stocker de l’énergie et lisser le découpage.
Voilà, le principe très général. Pour en savoir plus avec beaucoup plus de détails, voici une bonne explication complète du fonctionnement d’une alimentation à découpage…
Alimentation USB
De plus en plus les alimentations d’appareils électroniques et informatique se font via le port USB.
Le port USB-C a été imposé par l’Union Européenne comme alimentation standard pour les smartphones.
Nous avons vu que les raspberry pi 4 sont alimenté via une alimentation USB-C.
Quels sont les caractéristiques de ses alimentations.
USB
Le port USB traditionnel permet à l’origine de fournir une alimentation électrique de 5 V pour un maximum de 500 mA.
Puis la norme a évoluée et avec l’USB 3.1 pour parvenir dans certains cas à 7.5 W (5 V, 1.5 A)
USB-C
Le nouveau connecteur type de l’USB est accompagné d’une nouvelle norme USB Power Delivery qui augment les capacités d’alimentation des ports USB.
On trouve plusieurs profils:
- profil 1 : 5 V et 2 A, soit 10 W
- profil 2 : 5 V et 2 A, et 12 V et 1,5 A, soit 18 W
- profil 3 : 5 V et 2 A, et 12 V et 3 A, soit 36 W
- profil 4 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 3 A, soit 60 W
- profil 5 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 5 A, soit 100 W
Depuis mai 2021, il y a la norme USB Power Delivery 3.1 qui augmente encore la puissance:
- 28 V et 5 A, soit 140 W
- 36 V et 5 A, soit 180 W
- 48 V et 5 A, soit 240 W
Mais il faut la norme de câbles USB EPR (pour « Extended Power Range »), selon laquelle les câbles pouvant supporter 240 W devront être certifiés pour une tension de 50 V pour un courant de 5 A. Les câbles fabriqués sous les anciennes exigences de 100 W maximum sont maintenant des câbles SPR (pour « Standard Power Range »)
Voir le tableau sur wikipedia pour plus de détail…
L’USB-C devient donc vraiment un moyen d’alimentation électrique Universel. Il comporte une grande plage de tensions et puissances possibles pour couvrir tout types d’appareil électronique.
Cependant, il faut bien vérifier que les alimentations choisies soient compatibles avec la bonne norme USB Power Delivery, ainsi que le budget de puissance à disposition soit suffisant pour alimenter le nombre d’appareil voulus simultanément.
Voici par exemple un chargeur USB à brancher sur la prise allume cigare d’une voiture. On voit la mention de la norme: USB-C PD 3.0 et le budget 119W
Test – kahoot
Voici un test sur la partie électronique
https://create.kahoot.it/details/ef5bcdf0-61be-4229-bb97-90aa21fecbb0
Réseau électrique: schéma de liaison à la Terre
La production d’énergie électrique se pratique couramment en triphasé. Il y a 3 phases, 3 câbles de 230V qui sont disponibles en parallèle.
Comme vous le savez, un circuit électrique est toujours un circuit. Il y a un chemin d’aller et un chemin de retour jusqu’au générateur.
On a donc ici trois phases, donc trois chemins d’allée. Mais nous avons un seul chemin de retour commun à tous que l’on appelle le “neutre”.
Dans l’alimentation électrique d’un appartement, généralement on réparti les différents consommateurs sur plusieurs phases. Généralement on raccorde une partie des prises et lampe des pièces sur une phase, puis une autre partie sur les autres phases.
Vous avez peut être déjà observé que si “les plombs sautent” il n’y a généralement qu’une partie de l’appartement qui n’a plus d’électricité.
Enfin, on raccorde les gros consommateurs, comme le four, sur une alimentation triphasée. Au lieu d’avoir une tension (efficace) de 230V, entre une phase et le neutre, on a une tension de 400V entre deux phases.
La Terre
Si vous regardez bien une prise électrique (et la fiche qui correspond), il y a 3 trous. On a la phase (à droite dans la prise), le neutre (à gauche) et en bas au milieu, la terre.
La terre n’est pas absolument nécessaire au fonctionnement d’un appareil, mais c’est un système de sécurité indispensable.
Peut être avez vous déjà fait ce genre d’expérience, si l’on branche un macBook avec un boitier en alu, donc conducteur à une alimentation qui n’est pas reliée à la terre, il est possible parfois de sentir un fourmillement quand on touche le boitier de l’appareil !
C’est qu’il y a une différence de potentiel – une tension – entre vous et le boitier de l’ordinateur…. donc un petit courant vous traverses !!!
Traditionnellement on utilisait un tournevis testeur, pour détecter la présence de la mise sous tension d’une prise. Le principe est simple. Il y a un tube néon et une grosse résistance dans le tournevis, et l’humain bien mis à terre sert de conducteur !
Si la phase est alimentée, il y a une différence de potentiel entre la phase et la terre et le tube néon s’allume. Si l’on teste le neutre, rien ne s’allume le neutre étant au même potentiel que la terre.
Le norme de sécurité actuelles déconseillent d’utiliser ce type d’outil pour détecte la présence de courant. Il est préférable d’utiliser un outil de détection du courant alternatif sans contact.
Autre expérience. Comment fonctionne le télégraphe du temps du Far West ?
La bande dessinée de Lucky Luke intitulée: Le fil qui chante, montre bien que le télégraphe qui transporte les impulsions électrique du code morse sur plusieurs milliers de km ne comportait qu’un seul et unique fil !!
Comment est-ce possible ? Plus haut on vit de dire que tout circuit électrique est un circuit avec un fil d’aller et un fil de retour.
Impossible de contourner les lois de la physique. Il y a bien un “fil” de retour. Il s’agit de la Terre !
On plante une sardine dans la terre, et hop on a notre fil de retour. Tout le monde qui a les pieds sur terre est au même potentiel électrique. (ou presque)
Ainsi toutes les maisons sont mises à terre directement lors de la construction des fondations. Lors de la pose du radier tous les éléments métalliques sont mis à terre. Toutes les canalisation d’eau et des chauffages sont également reliées à cette mise à terre.
Bon finalement, pour le téléphone on a deux fils ! C’est que ça doit mieux fonctionner !
En électricité, la mise à terre est surtout un moyen de protéger les humains en cas de défaillance d’un appareil. Si il y a un court-circuit, si deux fils se touchent, si la carcasse de votre frigo est sous tension, il y a un risque que si vous la touchez vous faites le conducteurs de mise à terre et ça peut faire mal !
Donc on va s’arranger pour que le boitier, la carcasse métallique de votre frigo soit mise à terre. Ainsi en cas de défaillance de l’appareil, si on le touche on ne risque rien, car on est déjà au même potentiel.
Tout est relatif. Ce qui crée un courant électrique, c’est une différence de potentiel. C’est pour cette raison qu’un oiseau peut se poser sur UN fil d’une ligne à haute tension et ne rien sentir. Alors que si vous avez les pieds sur terre et que votre cerf volant se prend une ligne à haute tension, il y a un risque d’avoir un énorme différence de potentiel de 100 000V entre vos pieds et vos mains !
Dans une maison, on va donc s’assurer d’avoir une liaison équipotentielle entre tous les conducteurs métalliques, et de correctement les relier à la Terre.
Ensuite on va relier le fil de neutre à la terre pour fixer la référence du potentiel de notre alimentation électrique.
Il y a plusieurs manières de faire un schéma de liaison à la Terre.
En électricité, un schéma de liaison à la terre, ou SLT définit le mode de raccordement à la terre du point neutre d’un transformateur de distribution (aussi appelé régime de neutre) et des masses côté utilisateur.
Le schéma qui nous intéresse c’est le schéma TN-S.
Dans le TN-S, le conducteur de protection et le conducteur neutre sont reliés uniquement au poste de distribution et à aucun autre point.
Le TN-S est obligatoire pour les réseaux ayant des conducteurs avec une section inférieure à 10 mm2 en Cuivre ou une section inférieure à 16 mm2 en Aluminium.
En Schéma TN-S et TT, la protection du conducteur neutre n’est pas nécessaire sauf si :
- Le conducteur Neutre est chargé (voir le taux d’harmoniques).
- La section du conducteur de neutre est inférieure à celle des conducteurs de phases.
- Il s’agit de la liaison entre la source (Groupe électrogène, Transformateur) et le Tableau Général Basse Tension (TGBT).
Le principe du schéma de liaison TN-S est de n’avoir qu’un seul circuit possible d’entrée sortie dans la maison. On ne va pas bricoler un neutre à partir d’une terre, ou inversement….
Ainsi on pourra avoir un point unique qui mesure tout le courant qui entre et celui qui sort. Si il y a une fuite quelque part. C’est qu’on a un soucis. On va en reparler plus loin avec le disjoncteur différentiel.
Ce qui nous introduit les différents systèmes de protections.
Système de protection
Le fusible
Le fusible fond pour sa patrie…..
Le disjoncteur thermique
C’est le disjoncteur qui saute quand on branche trop de fours à raclette sur la même phase !
Ce type de disjoncteur se déclenche quand un courant excessif traverse un bilame, créant un échauffement par effet Joule et provoquant sa déformation.
Ce bilame déclenche mécaniquement un contact, qui ouvre le circuit électrique protégé.
Ce système électromécanique est assez simple et robuste mais n’est pas très précis et son temps de réaction est relativement lent. Il permet donc d’éviter de mettre le circuit en surintensité prolongée.
La protection thermique a pour principale fonction la protection des conducteurs contre les échauffements excessifs pouvant générer des risques d’incendies, dus aux surcharges prolongées de l’installation électrique.
Il remplit la même fonction qu’un fusible, mais n’a pas besoin d’être remplacé à chaque fois.
Les disjoncteurs thermique sont souvent présents sur les enrouleurs. Car il ne faut toujours dérouler TOUT le câble d’un enrouleur quand on l’utilise. Sinon le câble à l’intérieur peut chauffe plus fortement.
Le disjoncteur différentiel
Le DDR, le disjoncteur Différentiel (Dispositif de protection à courant Différentiel Résiduel) vérifie que tous les courants qui entrent dans le circuit de la maison, va aussi sortir. Si il y a une différence, il coupe tout. Ainsi on évite les problèmes lié à une fuite de courant.
Fonctionnement
Si les courants I1 et I2 sont différents du fait de la présence d’un courant de fuite If, un courant prend naissance dans l’enroulement K1.
K1 alimente le relais K2 (normalement fermé par accrochage mécanique lors de l’armement) et provoque la coupure de l’alimentation.
Le relais K2 restera dans cet état jusqu’au prochain réarmement, lequel ne sera possible que si le courant de défaut If a disparu, c’est-à-dire si le défaut d’isolement l’occasionnant a été trouvé et réparé.
Lire les inscriptions sur le DDR
- Caractéristique de déclenchement de type C du disjoncteur
- Courant nominal
- Courant de défaut maximal avant déclenchement
- Fonctionne avec un courant de défaut pulsé et alternatif
Lire le schéma du DDR
- Transformateur de courant totalisateur
- Déclencheur magnétique
- Verrou
- Touche d’essais
Encore une fois les shadoks nous expliquent bien la chose…
Pour aller plus loin, voici la documentation fournie par l’entreprise Hager à propos des principes de protection:
Maintenant on appelle aussi ceci un RDC…
Pour aller plus loin, il existe un petit aide mémoire de poche à acheter….
3.3 Dimensionnement des lignes
3.4 Compatibilité électromagnétique
Compatibilité électromagnétique.
4 Recyclage et élimination de déchets
Les pictogrammes de recyclage des déchets.
