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Apprendre l’électronique en partant de zéro Niveau 1 Ce pictogramme mérite une explica- des achats de livres et de revues, tion. Son objet est d’alerter le lec- au point que la possibilité même, teur sur la menace que représente pour les auteurs, de créer des pour l’avenir de l’écrit, particulière- œuvres nouvelles et de les faire ment dans le domaine de l’édition éditer correctement est aujourd’hui technique et universitaire, le dévelop- menacée. pement massif du photocopillage. Nous rappelons donc que toute Le Code de la propriété intellec- reproduction, partielle ou totale, de tuelle du 1er juillet 1992 interdit en la présente publication est interdite effet expressément la photocopie sans autorisation écrite de l’auteur à usage collectif sans autorisation ou de ses ayants droit ou ayants des ayants droit. Or, cette pratique cause. Déroger à cette autorisation s’est généralisée dans les éta- constituerait donc une contrefaçon blissements d’enseignement supé- sanctionnée par les articles425 et rieur, provoquant une baisse brutale suivants du Code pénal. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les «copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective», et, d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, «toute reproduction intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite» (alinéa 1er de l’article 40).Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal. Apprendre l’électronique en partant de zéro Niveau 1 Cet ouvrage est une compilation du Cours d’Électronique en Partant de Zéro parus dans les numéros 1 à 28 de la revue ELECTRONIQUE et Loisirs magazine. 1 LE COURS ° N N O Ç E AApppprreennddrree L ll’’éélleeccttrroonniiqquuee eenn ppaarrttaanntt ddee zzéérroo Dispenser, dans une revue, un cours d’électronique est toujours une gageure. En guise d’introduction D’abord, si l’on ne veut faire aucune impasse, il faut du temps. Du temps, cela Si vous considérez qu’il n’est pos- signifie aussi de nombreux mois de publication. sible d’apprendre l’électronique qu’en fréquentant un Lycée Technique, vous Ensuite, il faut que le cours soit simple mais précis, efficace mais sans découvrirez en suivant ce cours qu’il complexité. est aussi possible de l’apprendre Le cours que nous vous proposons à partir de ce numéro1 d’ELECTRONIQUE chez soi, à n’importe quel âge, car c’est très loin d’être aussi difficile et Loisirs magazine est certainement le meilleur qu’il nous ait été donné de que beaucoup le prétendent encore. voir depuis que nous nous sommes découvert une passion pour l’électronique, Tout d’abord, nous parlerons des c’est-à-dire depuis 38 ans! Son auteur, Giuseppe MONTUSCHI est un autodi- concepts de base de l’électricité, dacte. A plus de 70 ans, chaque mois, sur son ordinateur, il écrit lui-même la puis nous apprendrons à reconnaître plupart des articles qui sont publiés dans la revue NUOVA ELETTRONICA qu’il tous les composants électroniques, édite depuis plus de 30 ans. Nous tenons à le remercier de nous avoir confié à déchiffrer les symboles utilisés ce cours et donné l’autorisation de le publier pour vous. Nous sommes convain- dans les schémas électriques, et avec des exercices pratiques simples cus qu’un jour prochain, grâce à lui, vous réaliserez votre rêve, faire de l’élec- et amusants, nous vous ferons en- tronique votre passion. trer dans le monde fascinant de J.P. l’électronique. Nous sommes certains que ce cours sera très apprécié des jeunes auto- Le courant électrique didactes, des étudiants ainsi que des Les électrons négatifs sont maintenus enseignants, qui découvriront que Chaque jour, nous profitons des bien- en orbite par les protons positifs com- l’électronique peut aussi s’expliquer faits du courant électrique. Le secteur me le montre la figure2. de façon compréhensible, avec un 220 volts fournit le courant nécessai- Chaque atome, selon l’élément auquel langage plus simple que celui utilisé re pour allumer les lampes de la mai- il appartient, possède un nombre bien dans les livres scolaires. son, faire fonctionner le réfrigérateur, défini de protons et d’électrons. la télévision ou l’ordinateur. Les piles Par exemple, l’atome d’hydrogène pos- En suivant nos indications, vous au- nous fournissent le courant nécessai- sède un seul proton et un seul électron rez la grande satisfaction de consta- re pour écouter notre baladeur ou pour ter que, même en partant de zéro, téléphoner avec notre portable. vous réussirez à monter des amplifi- Le courant électrique ne s’obtient qu’en cateurs hi-fi, des alimentations sta- mettant en mouvement les électrons. bilisés, des horloges digitales, des Pour comprendre ce phénomène il faut instruments de mesure mais aussi nécessairement parler de l’atome. des émetteurs qui fonctionneront par- faitement, comme s’ils avaient été L’atome, pour celui qui l’ignorerait en- montés par des techniciens profes- core, est constitué d’un noyau consti- sionnels. tué de protons (de charge positive) et Aux jeunes et aux moins jeunes qui de neutrons (de charge neutre). Autour démarrent à zéro, nous souhaitons de ce noyau tournent, à la vitesse de que l’électronique devienne, dans un la lumière (c’est-à-dire à 300000 km futur proche, leur principale activité, par seconde) des électrons (de charge notre objectif étant de faire de vous négative). La figure1 est explicite. de vrais experts sans trop vous en- On pourrait comparer l’atome à un sys- nuyer, mais au contraire, en vous di- tème planétaire miniaturisé avec au Fig.1: L’atome est constitué d’un vertissant. centre le soleil (noyau de protons) et noyau central de charge positive et autour de nombreuses planètes (élec- d’électrons de charge négative qui Giuseppe MONTUSCHI sont en orbite autour de lui. trons) qui seraient en orbite. 6 ELECTRONIQUE et Loisirs magazine Cours d’Electronique – Premier niveau LE COURS électrons libres car on réussit sans dif- ficulté à les soustraire à leurs orbites pour les insérer dans un autre atome. Ce déplacement d’électrons d’un atome à un autre peut s’obtenir avec un mouvement mécanique (dynamo - alternateur) ou avec une réaction chi- mique (piles - accumulateurs). Si on retire des électrons à un atome, celui-ci prend une polarité positive, car le nombre de protons devient plus important que le nombre d’électrons (voir figure7). Fig.2: Les électrons sont Si on introduit des électrons libres dans maintenus en orbite par le noyau. un atome, celui-ci prend une polarité Les électrons les plus éloignés négative car le nombre d’électrons de- Fig.9: Deux atomes de charge peuvent facilement se soustraire à positive ou de charge négative se vient plus important que le nombre de leur noyau. repoussent tandis que deux atomes protons (voir figure8). de charge opposée s’attirent. Deux bornes dépassent toujours d’une (figure3). L’atome de bore possède 5 pile, l’une marquée d’un signe positif protons et 5 électrons (figure4), l’ato- (excès de protons) et l’autre marquée me de cuivre possède 29 protons et d’un signe négatif (excès d’électrons). 29 électrons, tandis que l’atome d’ar- Si on relie ces deux bornes avec un fil gent possède 47 protons et 47 élec- conducteur (par exemple le cuivre), les trons. électrons seront attirés par les protons Plus le nombre d’électrons présents et ce mouvement d’électrons génére- dans un atome est grand, plus le ra un courant électrique (voir figure10) nombre d’orbites qui tournent autour qui ne cessera que lorsqu’un parfait de son noyau est important. équilibre entre protons et électrons se Les électrons qui tournent très près du sera rétabli dans les atomes. noyau sont appelés électrons liés car Nombreux sont ceux qui considèrent ils sont difficiles à arracher de leur or- que le flux du courant électrique va du bite. positif vers le négatif. 4,5 V Les électrons qui tournent dans les or- Au contraire, le flux du courant élec- bites les plus éloignées sont appelés trique va toujours du négatif vers le Fig.10: Les électrons sont attirés par les protons donc le flux du courant électrique va du négatif vers le positif. positif car ce sont les protons qui attirent les électrons pour équilibrer leurs atomes et non l’inverse. Pour comprendre le mouvement de ce flux d’électrons, on peut se servir de deux éléments très connus : l’eau et l’air. On peut associer les électrons néga- Fig.3: L’atome Fig.4: L’atome de bore Fig.5: L’atome de tifs à l’eau et les protons positifs à l’air. d’hydrogène a 1 a 5 protons et 5 sodium a 11 protons et Si on prend deux récipients pleins d’air proton et 1 électron. électrons. 11 électrons. (charge positive) et si on les relie entre eux avec un tube, il n’y aura aucun flux car dans chacun de ces récipients il manquera l’élément opposé, c’est-à- dire l’eau (voir figure11). Même si on relie entre-eux deux réci- pients pleins d’eau (charge négative), il n’y aura aucun flux dans le tube car il n’existe pas de déséquilibre eau/air (voir figure12). Si, par contre, on relie un récipient plein d’air (polarité positive) à un autre plein Fig.6: Lorsque le Fig.7: Si on retire à un Fig.8: Si on ajoute à un d’eau (polarité négative), on obtiendra nombre d’électrons atome des électrons, il atome des électrons, il un flux d’eau du récipient plein vers le est égal au nombre devient une charge devient une charge vide (voir figure13) qui ne cessera que de protons, la charge électrique positive. électrique négative. lorsque les deux récipients auront at- est neutre. teint le même niveau (voir figure14). 7 ELECTRONIQUE et Loisirs magazine Cours d’Electronique – Premier niveau LE COURS Le mouvement des électrons peut être fois que chaque atome aura équilibré En alimentant une ampoule avec une utilisé pour produire de la chaleur en ses protons avec les électrons man- tension continue fournie par une pile les faisant passer à travers une résis- quants, il n’y aura plus aucun courant ou un accumulateur (voir figure19), on tance (radiateurs électriques, fer à sou- électrique. aura un fil de polarité négative et un fil der, etc.), pour produire de la lumière de polarité positive. Les électrons cir- en le faisant passer à travers le fila- culeront donc toujours dans une seu- LA TENSION ment d’une ampoule ou encore, pour le direction, c’est-à-dire, du pôle négatif unité de mesure VOLT réaliser des électro-aimants en le fai- vers le pôle positif avec une tension sant passer dans une bobine enroulée N’importe quelle pile a une électrode constante. sur un morceau de fer (relais, télérup- positive et une électrode négative car teurs). à l’intérieur de son corps il existe un déséquilibre d’électrons. Pour conclure, on peut affirmer que le Ce déséquilibre de charges positives courant électrique est un mouvement et négatives génère une tension qui se d’électrons attirés par des protons. Une mesure en volt. 1,5 V. Une pile de 9 volts a un déséquilibre d’électrons 6 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt, en effet, en multipliant 1,5 x 6 on obtient 9 volts 1,5 V. 1,5 V. (voir figures15 et16). Une pile de 12 volts aura un déséqui- libre d’électrons 8 fois plus important qu’une pile de 1,5 volt. Pour vous expliquer l’importance de Fig.11: Si on compare l’air à une cette différence, nous utiliserons en- Fig.15: Une pile de 3 volts a un «charge positive» et l’eau à une core les éléments eau - air. déséquilibre d’électrons double par «charge négative», en reliant entre Une pile de 1,5 volt peut être compa- rapport à une pile de 1,5 volt. eux deux récipients pleins d’air, il rée à deux récipients peu profonds : n’y aura aucun flux. l’un plein d’eau (négatif) et l’autre plein d’air (positif). Si on les relie entre eux, on aura un flux d’eau très modeste parce que la différence de potentiel s’avère toute 1,5 V aussi réduite (voir figure13). Une pile de 9 volts est comparable à un récipient dont la profondeur s’avè- re être 6 fois plus grande que celle du Fig.12: De même que, si on relie récipient de 1,5 volt, par conséquent, 1,5 V deux récipients pleins d’eau entre si l’on relie entre eux le récipient né- eux, il n’y aura aucun flux parce qu’il gatif et le récipient positif on aura un n’existe pas de déséquilibre entre la flux d’eau supérieur en raison d’une charge positive et la charge négative. différence de potentiel plus impor- tante. 1,5 V Comme pour les mesures de poids, qui peuvent être exprimées en kilogrammes - quintaux - tonnes et en hectogrammes - grammes - milligrammes, l’unité de 1,5 V 1,5 V mesure volt peut aussi être exprimée avec ses multiples appelés: Fig.13: En reliant entre eux un -kilovolt récipient plein d’eau et un plein -mégavolt d’air, on obtiendra un flux d’eau de ou bien alors avec ses sous-multiples ce récipient vers l’autre, car il existe appelés: 1,5 V 1,5 V un déséquilibre. -millivolt -microvolt -nanovolt Vous avez probablement souvent en- 1,5 V 1,5 V tendu parler de tensions continues et de tensions alternatives, mais avant de vous expliquer ce qui les différen- cie l’une de l’autre, il faut savoir que: Fig.14: Le flux d’eau cessera - la tension continue est fournie par: Fig.16: Une pile de 9 volts a un lorsqu’on aura atteint un parfait des piles - des accumulateurs - des cel- déséquilibre d’électrons «six» fois équilibre eau/air. Une pile est lules solaires plus grand qu’une pile de 1,5 volt et déchargée quand les électrons sont - la tension alternative est fournie par: «deux» fois plus grand qu’une pile au même nombre que les protons. de 4,5 volts. des alternateurs - des transformateurs 8 ELECTRONIQUE et Loisirs magazine Cours d’Electronique – Premier niveau LE COURS Les mesures de tension les plus utilisées Une fois de plus, nous allons vous ex- dans le domaine de l'électronique sont : pliquer la différence qui existe entre 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 une tension «continue» et une tension VOLTS mV « alternative », avec un exemple hy- kV = kilovolt draulique et pour ce faire, nous utili- V = volt serons nos récipients, l’un plein d’eau mV = millivolt (pôle négatif) et l’autre plein d’air (pôle µV = microvolt positif). Dans le tableau 1 nous reportons les facteurs de division et de multiplication pour convertir Pour simuler la tension continue on re- une tension en ses multiples et sous-multiples : lie les deux récipients comme sur la fi- gure21. TABLEAU 1 CONVERSION VOLT L’eau s’écoulera vers le récipient vide, volt x 1 000 = kilovolt volt : 1 000 = millivolt et lorsqu’elle aura atteint le même ni- volt : 1 000 000= microvolt veau dans les deux récipients, le dé- millivolt x 1 000 = volt placement de l’eau cessera. millivolt : 1 000 = microvolt De la même façon, dans une pile ou microvolt x 1 000 = millivolt dans un accumulateur, les électrons microvolt x 1 000 000= volt négatifs en excès afflueront toujours vers le pôle positif, et lorsque sera atteint un parfait équilibre entre les En alimentant une ampoule avec une Cela signifie que la valeur d’une ten- charges positives et les charges né- tension alternative de 12 volts, fournie sion alternative commence à une va- gatives, ce flux cessera. par un alternateur ou un transforma- leur de 0 volt pour augmenter pro- Une fois que cet équilibre est atteint, teur (voir figure 20), ce n’est plus un gressivement à 1, 2, 3, etc. volts il n’y a plus de déplacement d’élec- fil négatif et un fil positif que nous au- positifs jusqu’à atteindre son maximum trons, la pile ne réussissant plus à four- rons mais alternativement l’un ou positif de 12 volts, puis elle commen- nir de courant électrique. Elle est alors l’autre car la polarité changera conti- ce à redescendre à 11, 10, 9, etc. volts considérée comme déchargée. nuellement. Cela revient à dire que, positifs jusqu’à revenir à la valeur ini- Quand une pile est déchargée on la jet- successivement (alternativement) cir- tiale de 0 volt. te (pas n’importe où mais dans les ré- culera dans chaque fil une tension né- cipients prévus à cet effet!), à la dif- gative qui deviendra positive pour re- A ce point, sa polarité s’inverse et, tou- férence d’un accumulateur qui, lorsqu’il devenir négative, puis à nouveau jours de façon progressive, augmente est déchargé, peut être rechargé en positive, etc. Donc, les électrons cir- à 1, 2, 3, etc. volts négatifs jusqu’à at- étant relié à un générateur de tension culeront tantôt dans un sens, tantôt teindre son maximum négatif de 12 dans le sens opposé. L’inversion de volts, puis elle commence à redes- polarité sur les deux fils n’intervient cendre à 11, 10, 9, etc. volts négatifs, pas brusquement — c’est-à-dire qu’il jusqu’à retourner à la valeur de départ n’y a pas une inversion soudaine de de 0 volt (voir figure26). polarité de 12 volts positifs à 12 volts négatifs ou vice-versa — mais de fa- Ce cycle du positif au négatif se répè- çon progressive. te à l’infini. 4,5 V Fig.19: En tension «continue» on aura toujours un fil de polarité négative et un de polarité positive. 4,5 V. Fig.17: TENSIONS CONTINUES - On prélève la tension «continue» des batteries rechargeables, des piles et des cellules solaires. Fig.20: En tension «alternative» les deux fils n’ont pas de polarité, PRISE 220 V parce qu’alternativement, les Fig.18: TENSIONS ALTERNATIVES - On prélève la tension «alternative» des électrons vont dans un sens puis alternateurs, des transformateurs et du secteur 220 volts. dans le sens opposé. 9 ELECTRONIQUE et Loisirs magazine Cours d’Electronique – Premier niveau LE COURS externe, qui se chargera de créer à nou- d’abord dans un sens, puis dans le veau le déséquilibre initial entre élec- sens opposé. trons et protons. Pour simuler la tension alternative, on utilise toujours les deux récipients, que LA FREQUENCE l’on place, cette fois, sur un plan en unité de mesure bascule (voir figure22). le HERTZ Une main invisible placera celui plein Fig.21: En tension «continue» d’eau (polarité négative) en position Dans la figure26 nous montrons le gra- l’eau s’écoule vers le récipient plein d’air jusqu’à ce que s’opère un surélevée par rapport à l’autre qui est phique d’une période de la tension al- parfait équilibre entre les deux vide (polarité positive). ternative qui, comme vous pouvez le éléments. Tout d’abord, l’eau s’écoulera vers le voir, représente une sinusoïde compo- récipient vide et lorsque le flux cesse- sée d’une alternance positive et d’une ra, on aura le récipient de gauche vide alternance négative. (polarité positive), et celui de droite plein d’eau (polarité négative). On appelle fréquence, le nombre des A ce point, la « main invisible » soulè- sinusoïdes qui se répètent en l’espa- vera le récipient de droite en faisant ce d’une seconde. On l’exprime avec écouler l’eau dans le sens inverse jus- le symbole Hz, qui signifie Hertz. qu’à remplir le récipient de gauche, et Si vous observez l’étiquette qui figure une fois qu’il se sera rempli, cette sur le compteur de votre habitation, même main le soulèvera encore pour vous y trouverez l’indication 50Hz. inverser à nouveau le flux de l’eau (voir Ce nombre sert à indiquer que la ten- figure25). sion que nous utilisons pour allumer De cette façon, l’eau s’écoulera dans nos lampes change de polarité 50 fois Fig.22: En tension «alternative» le tube reliant les deux récipients, en 1 seconde. l’eau s’écoule vers le récipient vide. Les mesures de fréquence les plus utilisées dans le domaine de l'électronique sont : Hz = hertz kHz = kilohertz Dans le tableau 2 nous reportons les facteurs MHz= mégahertz de division et de multiplication pour convertir GHz= gigahertz une fréquence en ses multiples et sous-multiples : Fig.23: Quand celui-ci s’est rempli, TABLEAU 2 CONVERSION HERTZ il devient de polarité opposée, hertz x 1 000 = kilohertz c’est-à-dire négative. hertz x 1 000 000= mégahertz kilohertz x 1 000 = mégahertz kilohertz x 1 000 000= gigahertz mégahertz x 1 000 = gigahertz kilohertz : 1 000 = hertz mégahertz : 1 000 = kilohertz mégahertz : 1 000 000= hertz gigahertz : 1 000 = mégahertz gigahertz : 1 000 000= kilohertz Fig.24: A ce point, le récipient plein se lève et l’eau s’écoule en sens inverse. 1 seconde CC = tension VOLT MAX continue AC = tension ALTERNANCE POSITIVE alternative 0 VOLT ALTERNANCE NEGATIVE VOLT MAX FFiigg..2255:: QQuuaanndd llee rréécciippiieenntt ddee ggaauucchhee eesstt pplleeiinn,, iill ssee llèèvvee ppoouurr Fig.26: On appelle «fréquence» le nombre des sinusoïdes qui se répètent en iinnvveerrsseerr llee fflluuxx.. «1 seconde». La fréquence se mesure en Hertz. 10 ELECTRONIQUE et Loisirs magazine Cours d’Electronique – Premier niveau