Se familiariser avec les bases de l'électronique signifie comprendre les circuits, leur fonctionnement et comment calculer des éléments tels que la résistance totale autour de différents types de circuits. Les circuits du monde réel peuvent devenir compliqués, mais vous pouvez les comprendre avec les connaissances de base que vous apprenez à partir de circuits plus simples et idéalisés.
Les deux principaux types de circuits sont en série et en parallèle. Dans un circuit en série, tous les composants (tels que les résistances) sont disposés en ligne, avec une seule boucle de fil constituant le circuit. Un circuit parallèle se divise en plusieurs chemins avec un ou plusieurs composants sur chacun. Le calcul des circuits en série est facile, mais il est important de comprendre les différences et comment travailler avec les deux types.
Les bases des circuits électriques
L'électricité ne circule que dans des circuits. En d'autres termes, il faut une boucle complète pour que quelque chose fonctionne. Si vous rompez cette boucle avec un interrupteur, le courant cesse de circuler et votre lumière (par exemple) s'éteint. Une définition de circuit simple est une boucle fermée d'un conducteur autour duquel les électrons peuvent se déplacer, généralement constitué d'un source (une batterie, par exemple) et un composant ou appareil électrique (comme une résistance ou une ampoule) et un fil conducteur.
Vous devrez vous familiariser avec une terminologie de base pour comprendre le fonctionnement des circuits, mais vous serez familiarisé avec la plupart des termes de la vie de tous les jours.
Une « différence de tension » est un terme désignant la différence d'énergie potentielle électrique entre deux endroits, par unité de charge. Les batteries fonctionnent en créant une différence de potentiel entre leurs deux bornes, ce qui permet à un courant de passer de l'une à l'autre lorsqu'elles sont connectées dans un circuit. Le potentiel à un moment donné est techniquement la tension, mais les différences de tension sont la chose importante dans la pratique. Une batterie de 5 volts a une différence de potentiel de 5 volts entre les deux bornes, et 1 volt = 1 joule par coulomb.
La connexion d'un conducteur (tel qu'un fil) aux deux bornes d'une batterie crée un circuit, entouré d'un courant électrique. Le courant est mesuré en ampères, ce qui signifie coulombs (de charge) par seconde.
Tout conducteur aura une "résistance" électrique, ce qui signifie l'opposition du matériau au passage du courant. La résistance est mesurée en ohms (Ω), et un conducteur avec 1 ohm de résistance connecté à travers une tension de 1 volt permettrait à un courant de 1 ampère de circuler.
La relation entre ceux-ci est encapsulée par la loi d'Ohm :
V=IR
En d'autres termes, « la tension est égale au courant multiplié par la résistance ».
Série contre Circuits parallèles
Les deux principaux types de circuits se distinguent par la façon dont les composants y sont disposés.
Une simple définition de circuit en série est « Un circuit dont les composants sont disposés en ligne droite, de sorte que tout le courant traverse chaque composant à tour de rôle. » Si vous avez fait un circuit de boucle de base avec une batterie connectée à deux résistances, puis avez une connexion qui revient à la batterie, les deux résistances seraient en séries. Ainsi, le courant viendrait de la borne positive de la batterie (par convention, vous traitez le courant comme s'il sort de l'extrémité positive) à la première résistance, de celle à la deuxième résistance puis de nouveau à la la batterie.
Un circuit parallèle est différent. Un circuit avec deux résistances en parallèle se diviserait en deux pistes, avec une résistance sur chacune. Lorsque le courant atteint une jonction, la même quantité de courant qui pénètre dans la jonction doit également quitter la jonction. C'est ce qu'on appelle la conservation de la charge, ou plus précisément pour l'électronique, la loi actuelle de Kirchhoff. Si les deux chemins ont une résistance égale, un courant égal les traversera, donc si 6 ampères de courant atteignent une jonction avec une résistance égale sur les deux chemins, 3 ampères couleront chacun. Les chemins se rejoignent ensuite avant de se reconnecter à la batterie pour boucler le circuit.
Calcul de la résistance pour un circuit en série
Le calcul de la résistance totale de plusieurs résistances met l'accent sur la distinction entre série vs. circuits parallèles. Pour un circuit en série, la résistance totale (Rle total) est juste la somme des résistances individuelles, donc :
R_{total}=R_1 + R_2 + R_3 + ...
Le fait qu'il s'agisse d'un circuit en série signifie que la résistance totale sur le chemin n'est que la somme des résistances individuelles sur celui-ci.
Pour un problème pratique, imaginez un circuit en série avec trois résistances :R1 = 2 Ω, R2 = 4 etR3 = 6 Ω. Calculer la résistance totale dans le circuit.
C'est simplement la somme des résistances individuelles, donc la solution est :
\begin{aligned} R_{total}&=R_1 + R_2 + R_3 \\ &=2 \; \Oméga \; + 4 \; \Oméga \; +6 \; \Oméga \\ &=12 \; \Omega \end{aligné}
Calcul de la résistance pour un circuit parallèle
Pour les circuits parallèles, le calcul deRle total est un peu plus compliqué. La formule est :
{1 \au-dessus{2pt}R_{total}} = {1 \au-dessus{2pt}R_1} + {1 \au-dessus{2pt}R_2} + {1 \au-dessus{2pt}R_3}
N'oubliez pas que cette formule vous donne l'inverse de la résistance (c'est-à-dire un divisé par la résistance). Vous devez donc diviser un par la réponse pour obtenir la résistance totale.
Imaginez que ces trois mêmes résistances d'avant soient disposées en parallèle à la place. La résistance totale serait donnée par :
\begin{aligned} {1 \above{2pt}R_{total}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \above{2pt}2 \; Ω} + {1 \above{2pt}4 \; Ω} + {1 \above{2pt}6\; Ω}\\ &= {6 \above{2pt}12 \; Ω} + {3 \above{2pt}12 \; Ω} + {2 \above{2pt}12 \; Ω}\\ &= {11 \above{2pt}12Ω}\\ &= 0.917 \; Ω^{-1} \end{aligné}
Mais c'est 1/Rle total, donc la réponse est :
\begin{aligned} \ R_{total} &= {1 \above{2pt}0.917 \; Ω^{-1}}\\ &= 1.09 \; \Omega \end{aligné}
Comment résoudre un circuit combiné série et parallèle
Vous pouvez décomposer tous les circuits en combinaisons de circuits en série et en parallèle. Une branche d'un circuit parallèle peut avoir trois composants en série, et un circuit peut être composé d'une série de trois sections parallèles de branchement dans une rangée.
Résoudre des problèmes comme celui-ci signifie simplement décomposer le circuit en sections et les résoudre à tour de rôle. Prenons un exemple simple, où il y a trois branches sur un circuit parallèle, mais l'une de ces branches a une série de trois résistances attachées.
L'astuce pour résoudre le problème consiste à incorporer le calcul de résistance série dans le plus grand pour l'ensemble du circuit. Pour un circuit parallèle, il faut utiliser l'expression :
{1 \au-dessus{2pt}R_{total}} = {1 \au-dessus{2pt}R_1} + {1 \au-dessus{2pt}R_2} + {1 \au-dessus{2pt}R_3}
Mais la première branche,R1, est en fait constitué de trois résistances différentes en série. Donc, si vous vous concentrez sur cela en premier, vous savez que :
R_1=R_4 + R_5 + R_6
Imagine çaR4 = 12 Ω, R5 = 5 etR6 = 3 Ω. La résistance totale est :
\begin{aligné} R_1&=R_4 + R_5 + R_6 \\ &= 12 \; \Oméga \; + 5 \; \Oméga \; + 3 \; \Oméga \\ &= 20 \; \Omega \end{aligné}
Avec ce résultat pour la première branche, vous pouvez passer au problème principal. Avec une seule résistance sur chacun des chemins restants, disons queR2 = 40 etR3 = 10 Ω. Vous pouvez maintenant calculer :
\begin{aligned} {1 \above{2pt}R_{total}} &= {1 \above{2pt}R_1} + {1 \above{2pt}R_2} + {1 \above{2pt}R_3}\\ &= {1 \above{2pt}20 \; } + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {1 \above{2pt}10\; Ω}\\ &= {2 \above{2pt}40 \; } + {1 \above{2pt}40 \; Ω} + {4 \above{2pt}40 \; Ω}\\ &= {7 \above{2pt}40 \; Ω}\\ &= 0.175 \; Ω^{-1} \end{aligné}
Donc ça signifie:
\begin{aligned} \ R_{total} &= {1 \above{2pt}0.175 \; Ω^{-1}}\\ &= 5.7 \; \Omega \end{aligné}
Autres calculs
La résistance est beaucoup plus facile à calculer sur un circuit série qu'un circuit parallèle, mais ce n'est pas toujours le cas. Les équations de la capacité (C) dans les circuits en série et en parallèle fonctionnent essentiellement dans le sens inverse. Pour un circuit en série, vous avez une équation pour l'inverse de la capacité, vous calculez donc la capacité totale (Cle total) avec:
{1 \above{2pt}C_{total}} = {1 \above{2pt}C_1} + {1 \above{2pt}C_2} + {1 \above{2pt}C_3} + ...
Et puis vous devez diviser un par ce résultat pour trouverCle total.
Pour un circuit parallèle, vous avez une équation plus simple :
C_{total} = C_1 + C_2 + C_3 + ...
Cependant, l'approche de base pour résoudre les problèmes avec les séries vs. circuits parallèles est le même.