Un circuit électrique, les circuits électroniques, c'est quoi exactement ?

Introduction

Un circuit électrique, quel que soit simple ou complexe, est un ensemble de composants électriques connectés entre eux à travers des fils conducteurs, parcouru par un courant électrique. Le circuit le plus simple, que nous connaissons tous, est celui de la lampe que nous avons chez nous. Il est constitué de 3 composants simples et indispensables; un interrupteur, une lampe, une source d'énergie et des fils conducteurs comme le montre le schéma ci-dessous :

• La pile ou le générateur: c'est notre source d'énergie qui permet d’alimenter les autres composants.
• La lampe : la source de lumière qui nous éclaire sur une distance plus ou moins longue.
• L’interrupteur: le module de contrôle du circuit qui nous permet d'allumer et d'éteindre la lampe (interrupteur ouvert ou fermé).

Aujourd’hui, ces circuits électriques, simples ou complexes, sont présents dans nos maisons (éclairage, smartphone, tablette, ordinateur, etc), dans tous nos équipements domotiques (four, télévision, sèche-cheveux, etc) afin de faciliter notre vie quotidienne. Tout élément de ces circuits est un composant électrique et le plus petit, qui mesure quelques millimètres, intégré dans une carte électronique, s'appelle composant électronique. 

C'est quoi la domotique ? La domotique est tirée du mot d’origine latin domus, qui signifie « maison». Elle désigne l'ensemble des techniques et technologies permettant d'automatiser et de contrôler les équipements électriques et électroniques afin  d'améliorer notre quotidien. Ce domaine peut également jouer sur le confort, la sécurité et l'efficacité énergétique de nos logements. Ce domaine de compétences vise à rendre nos maisons intelligentes en intégrant différents systèmes connectés pilotables localement ou à distance via des interfaces d'interconnexion telles que le Bluetooth, le Wi-Fi, etc., à l'aide d'applications mobiles, d'assistants vocaux ou de capteurs.

Les composants électriques

Un composant, appelé aussi un dipôle électrique, est un élément destiné à être assemblé avec d'autres composants afin de réaliser une ou plusieurs fonctions électroniques. Peu importe sa taille, cet élément nous permet de contrôler, transformer, régler, etc. de l'énergie électrique. Pour vous expliquer cela, cet élément, petit ou de taille, joue un rôle essentiel dans le bon fonctionnement des systèmes électroniques et nous permet de réaliser l'objectif final voulu.

Pour mieux comprendre cette définition, nous vous proposons quelques exemples ci-dessous :

• Une  lampe transforme l'énergie électrique en une lumière pour nous éclaircir.
• Dans un radiateur électrique, l'énergie électrique est transformée en chaleur pour chauffer une pièce.
• L’énergie électrique est utilisée par les moteurs électriques pour produire un mouvement mécanique dans divers systèmes, tels que les ventilateurs, les équipements électroménagers, les véhicules électriques, les machines industrielles,
• Dans un ordinateur, l'électricité est modulée en un signal sous une forme de deux états soit un 0 ou un 1 pour stocker, calculer, analyser, etc des informations numériques.
• La bobine électrique transforme le courant électrique en une force électromagnétique. La photo ci-dessous montre l'intérieur d'un moteur électrique proposée par Troy Winther sur Unsplash
• etc.

Grâce à ces quelques exemples, vous pouvez constater clairement qu'un composant peut être utilisé dans différents domaines d'application.

Ainsi, s’agissant d'application élémentaire comme l’éclairage, le chauffage, etc (photo ci-dessous par Jakub Żerdzicki sur Unsplash), ou tous autres applications qui nécessitent des procédures de régulation de contrôle, de stockage d'énergie, etc, ces composants électriques jouent un rôle crucial dans le fonctionnement de tous appareils électriques, tout en permettant l'utilisation efficace et précise de l'énergie électrique.

Les composants électroniques

Imaginez vous souhaitez concevoir ou installer une solution domestique, créer votre propre solution de mesures de température ambiante, ou concevoir votre premier robot amateur, vous devez assembler ensemble ces petits éléments appelés; composants (photo ci-dessous par Chris Ried sur Unsplash). Ces différentes pièces, assemblées ensemble comme un puzzle et dans un ordre particulier seront la pièce moteur de votre carte électronique et joueront un rôle essentiel dans son fonctionnement. Ils faciliteront la régulation, la transformation, l'amplification ou le traitement des signaux électriques dans un seul objectif : répondre à un besoin particulier.

Pour encore comprendre cette philosophie, nous détaillons dans le tableau ci-dessous la liste des composants que nous pouvons les trouver dans la plupart des cartes électriques avec une description de la fonction de base de chacun:

En utilisant ces composants, nos cartes peuvent effectuer un nombre important de fonctions possibles, allant de l'éclairage de nos salons aux systèmes de communication les plus complexes intercontinentaux ou aux équipements médicaux.

Ainsi, la fonctionnalité et la fiabilité de notre montage sont déterminées par la question suivante : Quels éléments nous sont nécessaires et comment doivent-ils être interconnectés entre eux pour réaliser notre projet ?

L'électricité et les électrons

L'électricité consiste principalement à déplacer les électrons dans la matière dans un sens unique. Un électron est le tout petit élément portant une charge électrique négative qui gravite autour d'un noyau d’un atome. Pour produire de l'électricité dans un générateur, les électrons se déplacent ensemble d'un atome à un autre dans la matière conductrice et dans un même sens, soit du pôle négatif vers le pôle positif.

Les grandeurs de mesures

L'intensité et la tension

Les deux principales unités de mesures dans un circuit électrique sont :

• L'intensité I de courant exprimée en Ampère (A), est mesurée à l'aide d'un appareil appelé Ampèremètre. Cette grandeur est mesurée toujours en série avec le dipôle que nous cherchons à connaître son courant I.
• La tension U, appelée également la différence de potentiel. Elle est exprimée en Volt (V) et elle est mesurée toujours entre deux points A et B à l'aide d'un appareil appelé Voltmètre, comme suit : \[ V_{AB}=V_{B} - V_{A} \] La tension peut être également exprimée en un seul point si nous prenons le deuxème point le point de référence V = 0; soit le point de référence dans notre schéma électrique dont le potentiel est fixé à 0V. 

En effet, un courant I ne peut circuler entre deux points A et B que si V_A est différente de V_B ce qui explique la différence de potentiel (soit le point A et le point B n'ont pas la même valeur de potentiel dans notre circuit).

A ces deux unités, nous pouvons ajouter une troisième : le Watt

Et les Watt en électricité, c'est quoi ?

Le Watt (W) mesure la quantité d'énergie consommée ou produite par un composant électrique, un dipôle, un système, une machine, ... pendant un temps donné. En général, pour connaître la puissance consommée ou nécessaire pour le bon fonctionnement des appareils électroménagers, des moteurs, des systèmes électriques, ... nous devons lire la valeur de la puissance requise en Watt sur notre système. Pour déterminer cette valeur, nous pouvons calculer cette puissance à partir de la formule suivante: \[ P =U \times I \]

Avec:

• U : la valeur de la tension électrique mesurée aux bornes de notre composant exprimée en Volt (V)
• I : la valeur de l'intensité électrique qui traverse notre composant exprimé en Ampère (A)
• P : la valeur de la puissance électrique exprimée en Watt (W)

En hommage à James Watt et à ses recherches, le Watt; l'unité de mesure de la quantité d'énergie transférée pendant une seule unité de temps soit 1 seconde. Son symbole est le W. Il a été accordé à l'unité internationale pour mesurer les puissances quelque soit sa nature dont également les flux d'énergie et thermique.   Nous notons également que cette quantité d'énergie peut être exprimée dans d'autres domaines autres que l'électricité et l'électronique en joule par seconde (J/s) ce qui nous permet de conclure que : 1 W = 1 J/s