2. Base d'électricité et électronique
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1 Rappels en électricité - 2. Le réseau électrique - 3. Les alimentations - 4. Composants électroniques passifs - 5. Composants actifs
Le réseau électrique standard utilise une tension de 230 Volts en alternatif (seul quelques pays anglo-saxons utilisent du 110 volts). Voilà déjà deux notions à expliquer.
Une tension électrique peut-être continue ou alternative. En continu, elle reste positive (ou négative) par rapport à une tension de référence qui est de 0 volts (la masse). En alternatif, la tension passe à tour de rôle en positif puis en négatif et ainsi de suite par rapport à cette tension de référence.
La tension est exprimée par la loi d'ohm: I=V/R. Dans cette formule valable en courant continu mais adaptable pour les tensions alternatives, on retrouve I (le courant exprimé en Ampère), V (la tension exprimée en Volt) et R la résistance du montage exprimée en Ohm. En tension alternative, la formule est la même sauf que la résistance est remplacée par l'impédance qui tient en plus compte du type de charge connectée. Selon l'appareil connecté, on a en plus des déphasages entre le courant et la tension. Dans la suite, nous partirons du principe que le déphasage est nul en alternatif pour faciliter la compréhension.
La deuxième formule définit la puissance consommée par le circuit: P=I²R ou P=V²/R ou P=I*V. Cette puissance peut être dissipée sous forme de chaleur (chauffage électrique) ou utilisée comme puissance mécanique (un moteur).
Dans beaucoup de montage domestique, la tension alternative est convertie en continue de plus faible niveau. Cette opération est effectuée par un équipement électronique qu'on appelle une alimentation. Au contraire, pour transporter l'électricité entre les villes, on utilise des tensions plus haute qui réduisent l'effet de Joule (la perte de puissance) sur les longues distances.
Et en dernier, on parle de tensions monophasées et triphasées. Les appareils qui nécessitent plus de puissance vont utiliser 3 ou 4 fils au lieu de deux (plus un fils le raccordement à la terre qui est obligatoire): c'est du triphasé. Deux types de tensions sont utilisées dans ce cas à l'arrivée chez vous: le 230 volts et le 400 volts. En 230 Volts (3 fils + terre), la tension entre chaque fils est de 230 Volts, ce qui permet de faire fonctionner les appareils courants comme les ordinateurs
Le réseau électrique d'une habitation est de 230 Volts Alternatif. L'électricité peut être envoyée en monophasé (2 fils) ou en triphasé. En triphasé, deux solutions sont possibles. La première utilise 3 fils avec entre chaque paire une tension de 230 Volts. L'autre solution utilise 4 fils (3 conducteurs plus neutre). La tension entre deux des 3 fils est de 400 Volts. Celle entre chaque conducteur et le neutre est de 230 volts . De toute façon, la tension utilisée pour alimenter les appareils standards doit toujours être 230 Volts.
Des tolérances sont autorisées pour les distributeurs, +/- 10 %. Les appareils actuels acceptent ces tolérances mais ... ceux alimentés en 250 Volts vont rapidement fatiguer. Des régulateurs de tensions peuvent être utilisés mais sont réservés à des applications professionnelles (relativement chères). Ils sont en gros constitué d'un auto-transformateur mis en série avec un transformateur. C'est le seul type d'équipement avec les onduleurs qui peut réellement réguler et stabiliser une tension alternative.
La terre ... est un troisième fils relié à un piquet (ou plus) dans le sol du jardin. Pour comprendre son intérêt, analysons la manière dont l'électricité est transmise sur les deux fils. Le courant (via des électrons) part de la centrale électrique sur un fils et revient sur l'autre fils (en Europe, sauf Angleterre). Le raccordement à la terre va simplement faire passer les défauts électriques du réseau vers la terre, empêchant que le courant passe directement par l'utilisateur (y compris le technicien). C'est une première protection qui doit obligatoirement être connectée dans les prises.
Et le tableau électrique ... A l'arrivée dans l'habitation (ou l'entreprise), le courant passe d'abord par un compteur (facturation) avant d'arriver à un tableau électrique qui reprend différentes parties. Ce compteur utilise un interrupteur général pour couper tout le réseau électrique dans l'habitation. En arrivant, le courant passe par un différentiel (aussi appelé disjoncteur différentiel). Celui-ci vérifie si le courant entrant est le même que le courant sortant. Si ce n'est pas le cas, c'est tout simplement qu'il y a une perte électrique dans l'installation (appareil défectueux, humidité dans un appareil, isolation des fils endommagée, ...), cette différence de courant est envoyée à la terre. A partir d'un seuil (par exemple 300 milliampères pour le général), le disjoncteur va déclancher. Cette perte peut être temporaire (une ampoule qui brûle) mais le plus souvent l'appareil qui fait déclancher le différentiel doit être débranché. Le tableau électrique va ensuite servir de répartiteur vers les différentes lignes électriques. Chaque ligne va être protégée par un fusible (actuellement des disjoncteurs magnéto-thermiques bipolaires qui protègent les deux phases contre les surconsommations de courants.
Ces disjoncteurs - fusibles ont un courant maximum qui ne peut (en théorie) être dépassé sans qu'il déclenche et coupe le passage de l'électricité. En pratique, c'est un peu plus compliqué. Au démarrage, la majorité des appareils électriques consomment plus pendant quelques instants pour retomber à sa consommation normale ensuite. Les fusibles et disjoncteurs permettent de laisser passer plus de courants que leur valeur nominale pendant quelques fractions de secondes, cette partie va être prise en charge par la partie thermique qui déclanche à l'échauffement d'une lamelle de métal. Par contre, cette lamelle va déclancher si la consommation est légèrement inférieure à celle maximum mais pendant une longue durée. Prenons un exemple avec un disjoncteur de 15 Ampères. Au démarrage de l'installation, il va accepter pendant une courte période (quelques secondes maximum) une consommation de 20 Ampères mais peut déclancher par la suite si la consommation reste à 12 Ampères. La deuxième partie de ces disjoncteurs et magnétique et coupe net le circuit pour des valeurs de courant importantes liées à un court-circuit par exemple.
Mais encore. Dans la réglementation actuelle, certaines lignes doivent également être protégée par un disjoncteurs différentiel: les prises de la salle de bain, machine à laver, séchoir, .... avec une valeur de 30 milliampères ou même 10 pour les prises à proximité des éviers.
Et nos installations informatiques ... Un ordinateur de bureau standard avec écran consomme dans les 200 Watts, soit en reprenant la formule de puissance électrique P=V * I, un courant moyen de I=P/V: moins de 1 ampère. Le nombre maximum d'ordinateur à brancher sur une prise est finalement inférieur à 12 (sans compter imprimantes, lampes de bureau, ...). Finalement, le nombre maximum est à peine de 7 ou 8: au dessus, risques de coupures aléatoires. Le déclanchement de l'interrupteur global ou d'un fusible peut être lié à une surconsommation, une consommation en dessous de la valeur maximum longue ou d'un court-circuit (appareil défectueux). Par contre, celle d'un disjoncteur différentiel peut être lié à une panne d'appareil mais aussi à une mauvaise installation électrique. L'humidité globale accentue également les problèmes de disjonction.
Un technicien en informatique n'est pas électricien professionnel.
Seul réel problème, le réseau électriques fournit des tensions alternatives et les appareils utilisent des tensions continues. La transformation se fait à l'aide d'alimentations qui sont soit intégrées dans l'appareil, soit externe (qu'on appelle souvent à tord transformateur). Ces alimentations vont d'abord réduire la tension puis la redresser. Deux types sont utilisées: par ponts redresseurs de diode et à découpage.
Pour les alimentations externes (la plus courante est le chargeur utilisé dans les ordinateurs portables), elles doivent d'abord utiliser la même tension de sortie (en continu) que l'appareil (pour un PC portable, généralement 19,5 volts mais d'autres sont utilisées suivant les appareils), ensuite une puissance maximum en rapport avec l'équipement (par exemple 300 Watts) et en dernier respecter les mêmes connecteurs de branchements. Si je vous dis qu'en plus les européens n'utilisent pas les mêmes tensions que les américains et que l'informatique suit les habitudes techniques américaines ... ça complique encore le remplacement.
Et en interne ... les tensions utilisées par les ordinateurs bureautiques sont normalisées. Du 5 et du 12 volts sont les plus courants mais d'autres spécifiques sont utilisées par le processeur et la carte mère comme nous le verrons dans un chapitre ultérieur sur les alimentations des ordinateurs.
On les appelle passif parce qu'ils n'amplifient ou ne réduisent pas les tensions et puissances, juste modifie la forme dans certains cas.
Ce
composant est utilisé pour réduire le courant dans un montage. Il est
souvent assimilé à une charge.
Un condensateur peut être vu comme une sorte de réservoir d'énergie. Au démarrage, il va se charger jusqu'à la atteindre entre ses bornes la tension d'alimentation. En cas de baisse, il va renvoyer une partie de l'énergie accumulée entre ses bornes pour lisser la tension en atténuant la diminution. Deux types sont utilisés: les électrolytiques polarisés (bornes + et -) et standards (avec des capacités plus petites). Ils se branchent entre les deux bornes de l'alimentations.
Ce
composant permet lui aussi de lisser la forme du signal en tension mais se met
en série sur le montage. Par rapport aux condensateurs, elle ne n'emmagasine
et ne restitue pas d'énergie mais est plus rapide, supprimant également une
partie des signaux parasites. Le passage d'un courant continu à travers une
self ne modifie pas le signal, elle est complètement transparente.
Ces trois composants sont couramment utilisés dans les montages analogiques, mais pratiquement que dans les alimentations pour l'informatique.
C'est
un diviseur (ou un multiplicateur) de tension alternative. Il est couramment
utilisé en début de montage d'alimentation (sauf à découpage). pour
réduire la tension (par exemple de 230 volts à 18 volts), différentes
sorties pour des tensions différentes peuvent être utilisée suivant la
construction. Il permet également de séparer deux parties de montages en
séparant galvaniquement (le noyau est en ferrite) la partie entrée de la
partie sortie (utilisé en médecine).
Un transformateur ne gère que des tensions alternatives. Le passage d'un courant continu dans le primaire n'induit pas de courant dans le secondaire.
La
diode est un composant électronique avec deux broches, Dans un sens (dit)
passant (tension à l'anode supérieure à celle de la cathode, elle laisse
passer la tension (et le courant). Connectée dans l'autre sens (dite
inverse), elle va bloquer la tension. Ce composant est utilisé couramment
dans un montage redresseur appelé pont de Graetz (représenté ci-contre). A
la sortie, la tension électrique est simplement redressée, on ajoute au
moins un condensateur entre le plus et le moins pour stabiliser la tension.
La LED est une diode qui émet de la lumière lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique dans le sens passant (anode-cathode) et, comme une diode standard, bloque dans le sens inverse.
On parle d'actif lorsque un composant va utiliser l'alimentation pour augmenter le signal. On retrouve les transistors et circuits intégrés.
Plusieurs
technologies sont utilisées. La première et la plus ancienne est le
bipolaire: c'est le plus rapide mais aussi le plus consommateur (d'où des
échauffements importants). Elle n'est plus utilisée qu'en analogique. Deux
types sont utilisés, les PNP et NPN suivant la méthode de gestion de la base
(l' injection d'une tension dans la base fait passer le courant du collecteur
(relié à l'alimentation) en PNP tandis que c'est la mise à la masse qui
fait passer le courant en NPN.
La technologie CMOS, moins rapide que la première, consomme nettement moins mais en plus permet d'intégrer plus de transistors dans le même chipset (boîtier): c'est la technologie utilisée par la majorité des composants électroniques de l'informatique. La dernière principale est le BICMOS, plus rapide que la précédente mais moins intégrable en grand nombre dans le même boîtier, cette technologie est utilisée par exemple pour les composants réseaux sans fils.
Les transistors sont utilisés comme amplificateurs dans les montages analogiques et uniquement comme interrupteur (tout ou rien) en numérique. Mais le but de cette formation n'étant pas de faire des électroniciens, ....
Ces circuits sont similaires aux transistors mais travaillent sur des tensions alternatives en découpant des parties du signal. Ils sont par exemple utilisés dans les variateurs d'éclairage mais aussi dans les trams et trains électriques.
Si vous avez déjà programmé, vous connaissez les fonctions logiques (ET, NON, OU, NON-OU, ....). Différentes circuits électroniques basés sur les transistors permettent de recréer les fonctions de ces portes comme les séries 74 (en utilisant différentes technologies de transistors).
Différents circuits sont utilisés à la sortie des ponts de Graetz comme régulateurs de tension fixes ou ajustables.
C'est bien là l'utilisation que nous allons faire des composants électroniques. Ils sont tous composés de transistors, résistances, ... Le reste des chapitres suivants leurs sont consacrés. Ces composants sont distribus en format standard où les pattes des composants s'enfichent dans un connecteur (le processeur est le plus courant) ou en SMD (Surface monting device) utilisée sur la carte mère sur laquelle ils sont collés par un bain d'étaing.
La suite du cours matériels informatiques PC: > 3. Fonctionnement d'un montage numérique
La formation matériel première (PC et périphériques).