L’ · pour l’essentiel), au lieu des CONDUCTEURS, métaux et alliages, utilisés généra lement en électricité (le cuivre surtout). Les composantes électroniques se distinguent

L’ invention de l’ampoule électrique, il y a près de 150 ans,

a révolutionné le mode de vie des sociétés modernes.

Depuis, les ingénieurs ont utilisé des circuits électriques

dans une multitude d’applications, telles que les grille-

pain et les réfrigérateurs. Au fil des ans, les circuits se

sont perfectionnés à un point tel qu’ils peuvent mainte -

nant traiter les signaux électriques pour en extraire de

l’information. C’est l’univers de l’électronique, qui a donné

naissance aux micro-ordinateurs, aux baladeurs MP3 et

aux lecteurs de DVD. Quelles sont les composantes qui

permettent de construire des circuits électriques et élec-

troniques ? Quelles sont leurs fonctions ? Comment les

choisir et les assembler ? C’est ce que nous verrons dans

ce chapitre.1729 Découverte des conducteurs et des isolants électriques

1999 Lancement du baladeur MP3 à disque dur

1745 Mise au point du premiercondensateur électrique

1837 Premier télégraphe électrique

1861 Invention du four électrique

1874 Invention de l’ampouleélectrique

1887 Premier réseau électrique à courant alternatif

1904 Invention de la diode

1929 Première théorie cohérente sur les semi-conducteurs

1943 Premier ordinateurélectronique programmable

1947 Invention du transistor

1971 Premier microprocesseur et premier micro-ordinateur

1979

Premières consoles portablesde jeux électroniques etpremiers téléphones portables

!Chapitre 14 (a) (5e épreuve) HR:Layout 1 10-01-05 11:10 Page456

L’ingénierie électrique

14SOMMAIRE

1. Qu’est-ce que l’ingénierie

électrique ? ......................... 458

1.1 L’électricité et l’électronique ... 458

1.2 Les circuits électriques ............... 459

Le courant continu et le courant alternatif............... 460

1.3 Les fonctions électriques........... 462

2. La fonction

alimentation ......................... 462

3. Les fonctions conduction,

isolation et

protection .............................. 464

3.1 La fonction conduction............... 464

Le circuit imprimé ......................... 465

3.2 La fonction isolation .................... 466

3.3 La fonction protection ................ 466

3.4 La résistance électrique ............. 467

4. La fonction commande ........ 469

4.1 Les types d’interrupteurs.......... 470

5. La fonction

transformation

d’énergie ................................ 471

6. Les composantes ayant

d’autres fonctions ........ 473

6.1 Le condensateur............................. 473

6.2 La diode.............................................. 474

6.3 Le transistor ..................................... 475

6.4 Le relais............................................... 477

L’univers techn

o

lo

giq

ue

457


458 C H A P I T R E 1 4

De nos jours, il serait inconcevable de vivre sans électricité. Une panne dequelques heures suffit à prouver notre dépendance au réseau électrique. Eneffet, l’électricité sert à l’éclairage, au chauffage et à la climatisation. Elle ali-mente les appareils ménagers et les appareils électroniques, comme les télé -viseurs, les téléphones portables et les ordinateurs.

La conception et le développement de tous ces objets et systèmes électriquesrelèvent de l’ingénierie électrique, aussi appelée «génie électrique». Cettescience couvre un champ très vaste d’applications : elle porte autant sur lessystèmes de production, de transport et d’utilisation de l’énergie électriqueque sur les systèmes de communication et l’avionique.

L’ingénierie électrique comprend deux grands domaines : l’électricité etl’élec tronique. Nous verrons la différence entre ces deux domaines dans lasection qui suit.

1 Qu’est-ce que l’ingénierie électrique ?

STSTEATS

CONCEPTS DÉJÀ VUS

Composantes d’un systèmeStandards et représen ta -tions (schémas, symboles)

Les réseaux électriques sont conçus grâce àl’ingénierie électrique.

14.1

Tous les dispositifs électriques, comme les fers à repasser, et électroniques,comme les ordinateurs, fonctionnent à l’aide de CIRCUITS ÉLECTRIQUES. Laprin cipale différence entre l’électricité et l’électronique réside dans la concep -tion des composantes de ces circuits.

1.1 L’ÉLECTRICITÉ ET L’ÉLECTRONIQUESTSTEATS


459L’ ingénier ie électr ique

Les composantes électroniques (diodes, transistors, etc.) sont fabriquées àl’aide d’un matériau particulier, appelé «SEMI-CONDUCTEUR» (le siliciumpour l’essentiel), au lieu des CONDUCTEURS, métaux et alliages, utilisésgénéra lement en électricité (le cuivre surtout).

Les composantes électroniques se distinguent par une miniaturisation trèspoussée et des courants très faibles, alors que la plupart des composantesélectriques sont conçues pour faire fonctionner des circuits de plus fortepuissance, comme des moteurs électriques.

Dans les composantes électroniques, la conduction électrique peut êtrecommandée de manière plus fine que dans les composantes électriques.C’est ce qui permet le traitement de l’information.

Malgré ces différences non négligeables, les composantes électroniques nedérogent pas aux lois générales de l’électricité.

Le travail sur des circuits d’ordinateur relève du domaine de l’électronique.

14.3L’installation du circuit électrique d’une maison relève du domaine de l’électricité.

14.2

Un circuit électrique (ou électronique) consiste en un ensemble simple oucomplexe de conduc teurs et de composantes parcouru par un COURANT

ÉLECTRIQUE. La figure 14.4 présente un exemple de circuit électrique.Comme le montre cette figure, le SENS CONVENTIONNEL DU COURANT va dela borne positive vers la borne négative. En réalité, les électrons se déplacentdans le sens opposé (voir à la page 150).

1.2 LES CIRCUITS ÉLECTRIQUESSTSTEATS

Voici un exemple de circuit électrique (à gauche) et sonschéma (à droite).

14.4

Fil électrique

Ampoule

Pile

Interrupteur

AmpoulePile

Sens conventionneldu courant électrique

Interrupteur


460 C H A P I T R E 1 4

La figure 14.4 (à la page précédente) montre aussi le schéma du circuit illus-tré. En fait, le schéma est à l’électricité ce que la partition est à la musique.Il s’agit d’une représentation symbolique montrant l’assemblage des diversescomposantes formant un circuit électrique. On y emploie des symbolesconven tionnels pour représenter les composantes. Le tableau 14.5 indiquequelques-uns de ces symboles.

COMMENT DESSINER UN SCHÉMA

Nom Symbole Nom Symbole

Quelques symboles de composantes de circuits électriques14.5

Source de courantcontinu

Dispositifs de protection (fusible, disjoncteur)

Source de courantalternatif

Résistance ou appareilconsommant del’électricité

ou

ou ouPile électrique Ampoule

CondensateurCellulephotoélectrique

DiodeInterrupteur

Diodeélectroluminescente(DEL)

Prise de courant

TransistorFil électrique

Un courant continu estun courant dans lequella circulation desélectrons se fait dansun seul sens.

14.6

Courant continu

Le courant continu et le courant alternatif

Le courant électrique peut être continu ou alternatif. Tout dépend de lafaçon dont les ÉLECTRONS circulent dans le circuit.

Dans un courant continu (abréviation CC, ou DC, de l’anglais direct current),les électrons se déplacent continuellement dans le même sens. Les piles et lesbatteries sont des exemples de sources de courant continu.

Un COURANT CONTINU est un courant électrique dans lequel lesélectrons se déplacent continuellement dans la même direction.

STSTEATS


Une équipe de chercheurs del’Université de Washington a mis aupoint des verres de contact révolu-tionnaires. Flexibles et sécuritaires,ces verres intègrent un circuit élec-trique.

Cette percée permettra aux usagersde consulter des documents super-posés à la vision régulière, qui res -tera inchangée. En regardant sur unmur blanc, on pourra par exemplevoir apparaître le carnet d’adressesque l’on vient de télécharger. L’œilbionique permettra aussi à son utili -sa teur de jouer à des jeux ou denavi guer sur Internet.

Le dispositif n’obstrue pas la vuenor male. En effet, il existe une largezone, en périphérie de l’œil, où l’in-formation peut être placée.

Le prototype a été expérimenté surdes lapins pendant plus de 20 mi -nutes et aucun effet secondaire n’aété observé.

Adapté de: «Des lentilles cornéennes

futuristes», Radio-Canada.ca [en ligne].

(Consulté le 18 janvier 2008.)

Les verres de contact du futur pourraient disposer de circuits électriques

intégrés.

DES VERRES DE CONTACT FUTURISTES


Un courant alternatif est un courant dans lequel les électrons effectuent un mouvement de va-et-vient.

14.7

Dans un courant alternatif (abréviation CA, ou AC, de l’anglaisalternating current), les électrons changent de direction plusieurs foispar seconde. Les centrales électriques sont des générateurs decourant alternatif. En Amérique du Nord, la fréquence du courantest de 60 Hz (hertz), c’est-à-dire que les électrons effectuent 60 mouvements de va-et-vient par seconde.

Un COURANT ALTERNATIF est un courant électriquedans lequel les électrons se déplacent selon un mouve-ment de va-et-vient régulier.

L’alternatif l’emporte

Jusqu’au début du 20e siècle,

on utilisait essentiellement

le courant électrique continu,

même dans les lignes de dis-

tribution. Petit à petit, le cou -

rant alternatif l’a remplacé,

car il est plus facile à produire

et à transporter sur de lon gues

distances.

Courant alternatif


462 C H A P I T R E 1 4

Pour qu’un circuit électrique ou électronique s’active, il faut qu’une sourced’alimentation fournisse l’énergie nécessaire afin de faire circuler le courantdans les fils et les composantes du circuit. La figure 14.8 présente quelquessources d’alimentation électrique.

2 La fonction alimentationSTSTEATS

CONCEPT DÉJÀ VU

Fonction d’alimentation(ATS)

Les biologistes et les ingénieurs électriciens ontima giné un moyen original de mesurer la toxicitédes polluants d’un cours d’eau.

La méthode consiste à ajouter des bactéries de l’espèce Vibrio fischeri dans un échantillon d’eauprélevé sur le terrain. Ces bactéries sont lumines-centes: elles ont la particularité d’émettre de lalumière. Lorsqu’on les plonge dans un milieu toxique toutefois, cette lumière faiblit.

Pour mesurer la luminescence, on insère l’échan til -lon dans un appa reil qui comporte une diode, unecomposante électronique, sensible à la lumière.Cette diode est reliée à un circuit électrique.

Lorsque la diode est exposée à une lumière intense,elle induit un important courant électrique dans lecircuit. Lorsque la lumière est faible cependant, le

courant chute. Un ampèremètre inséré dans le circuitmesure l’intensité du courant. Il est ensuite pos -sible de convertir cette valeur en degré de toxicité.

+ENVIRONNEMENT+

À l’aide d’appareils électroniques, on peut mesurer le degré de toxicité de l’eau en mesurant la luminescenced’une bactérie.

Quand les biologistes s’unissent aux ingénieurs électriciens

Un circuit électrique ou électronique est constitué de composantes quiremplissent chacune une fonction. Selon le cas, les composantes serviront àl’alimentation, à la conduction, à l’isolation, à la protection, à la commandeou à la transformation d’énergie.

Par exemple, dans la figure 14.4 (à la page 459), la pile sert à la fonction ali-mentation et l’interrupteur, à la fonction commande.

Une FONCTION ÉLECTRIQUE est le rôle que joue une compo -sante dans le contrôle ou la transformation du courant électrique.

Les prochaines sections de ce chapitre portent sur les fonctions électriqueset sur quelques-unes des composantes qui remplissent ces fonctions dans lescircuits.

1.3 LES FONCTIONS ÉLECTRIQUESSTSTEATS

No 13



La pile

C’est un dispositif qui transforme l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique.

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTSLes appareils équipés d’une pile sont portatifs. La pile, toutefois,doit être remplacée après une durée de temps limitée. Les piles

rejetées dans les sites d’enfouissement peuvent contaminer le milieu environnant en laissant s’échapper des métaux lourds.

EXEMPLES D’APPLICATIONSBaladeur MP3, montre, télécommande.

La prise de courant

C’est un dispositif muni de contacts destinés à recevoir les lames d’une fiche d’alimentation et relié de façon permanente au réseauélectrique.

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTSLes appareils branchés à une prise murale profitent d’une sourced’alimentation stable de très longue durée. Au Québec, où le réseau estsurtout alimenté par les barrages hydroélectriques, cette sourced’alimentation génère très peu de gaz à effet de serre, bien qu’ellenécessite l’inondation de vastes territoires. Toutefois, les appareils ne peuvent pas être déplacés très loin de la prise de courant. Ils s’éteignent lorsque survient une panne du réseau électrique.

EXEMPLES D’APPLICATIONSTéléviseur, réfrigérateur, ordinateur.

La cellule photovoltaïque

(ou photoélectrique)

C’est un dispositif électronique qui, exposé à la lumière, génère un courant électrique.

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTSLes cellules photovoltaïques peuvent alimenter les installations

situées en région isolée, loin des réseaux électriques. Ellespeuvent aussi alimenter des objets portatifs ou mobiles, comme

des calculatrices ou des voitures. Elles ne génèrent pas de gaz à effet de serre et ont une durée de vie de 20 à 30 ans. Leur

fonctionnement dépend toutefois de l’ensoleillement. Elles sontbeaucoup plus coûteuses que les autres sources d’alimentation.

EXEMPLES D’APPLICATIONSMaison solaire, calculatrice, voiture solaire.

Quelques sources d’alimentation électrique.14.8

La FONCTION ALIMENTATION est la fonction assurée partoute composante pouvant générer ou fournir un courant élec-trique dans un circuit.


464 C H A P I T R E 1 4

De la source d’alimentation, le courant circule dans des fils électriques. C’estce qu’on appelle la «conduction». Les fils doivent être isolés à l’aide dematériaux non conducteurs pour éviter les incidents tels que des chocs élec-triques ou des COURTS-CIRCUITS. Souvent, on ajoute également des élémentsde protection dans les circuits électriques, par exemple des fusibles. Nousverrons plus en détail en quoi consistent la conduction, l’isolation et la pro-tection des circuits électriques dans les sections suivantes.

3 Les fonctions conduction, isolation et protection

STSTEATS

CONCEPT DÉJÀ VU

Fonction de conduction,d’isolation et de protection(ATS)

La fonction conduction est principalement assurée par les fils élec-triques. Ces derniers servent à transporter les électrons, c’est-à-direle courant électrique, tout au long du circuit. Ils sont composés dematériaux conducteurs, principalement de cuivre.

D’autres composantes que les fils peuvent servir à des fonctions deconduction. Par exemple, deux pièces métalliques en contact per -met tent le passage du courant. Le corps humain peut aussi conduirel’électricité. C’est pourquoi il faut être prudent quand on travaillesur des circuits électriques.

La FONCTION CONDUCTION est la fonction assuréepar toute composante pouvant transmettre un cou-rant électrique d’une partie à une autre d’un circuitélectrique.

3.1 LA FONCTION CONDUCTIONSTSTEATS

Le cuivre est le métal le plussouvent utilisé pour fabriquer des fils électriques.

14.9

Encore et toujours

utile : le cuivre

Le cuivre possède une con -

duc tibilité électrique excep -

tion nelle. Depuis l’invention

du téléphone, c’est le maté -

riau de choix pour les réseaux

de communication. Bien qu’on

ait tendance à le remplacer

par des fibres optiques, le

cuivre est toujours le matériau

de choix pour la fabrication

des câbles souterrains. 19


Après les télécommandes sans fil,les téléphones sans fil et les ordi -nateurs sans fil, disposerons-nousbien tôt de chargeurs de batterie…sans fil ? C’est ce que nous promet-tent actuellement les chercheurs.

Depuis plus de 200 ans, les scienti -fiques savent qu’il est possible detransférer de l’énergie d’un systèmeà un autre sans qu’il y ait nécessaire-ment un contact physique entre eux.Par exemple, un courant qui circuledans un bobinage induit un courant

dans un second bobinage, aveclequel il n’est pas en contact.

Bien sûr, ces transferts sans fil sedéroulent à de petites distances:quelques millimètres. Ce que lescher cheurs se proposent de mettreau point est un système similaire quifonctionnerait à plus grande échelle.Ce nouveau système utili serait l’éner -gie d’ondes électroma gnétiques per-ceptibles uni quement pour l’appareilauquel elles sont destinées.

La tendance est à l’élimination des fils de plusieurs appareilsélectroniques.

LE TÉLÉPHONE SANS FILRECHARGÉ… SANS FIL


Le circuit imprimé

Depuis l’avènement de l’ère électronique, une véritablecourse à la miniaturisation s’est engagée dans le monde del’ingénierie. Les épais fils de cuivre, gainés de caoutchoucet connectés à des interrupteurs, ne conviennent pas auxtéléphones cellulaires, aux baladeurs MP3 et aux consolesportables de jeux vidéo. Pour les remplacer, on fait appelaux circuits imprimés.

Un circuit imprimé se compose essentiellement d’une pla-quette d’environ 1 mm d’épaisseur, souvent faite de ma -tières plastiques et doublée d’une fine couche de cuivre. Àl’aide d’opérations de gravure, puis de dissolution, de largesportions de la couche de cuivre sont enlevées pour ne laisserque le circuit électrique, imprimé sur la plaquette. De petitstrous sont ensuite percés dans la plaquette pour y placer,par soudure, toutes les composantes électriques et électro -niques utiles au fonctionnement du circuit.

Un CIRCUIT IMPRIMÉ est un circuit électrique, imprimé sur uneplaquette rigide qui lui sert de support.

Les plaquettes les plus modernes peuvent supporter plusieurs épaisseurs decircuits, séparées par un isolant.

STEATS

Presque tous les dispositifs électroniquessont construits à l’aide de circuits imprimés.

14.10


466 C H A P I T R E 1 4

Comme le corps humain est un bon conducteur d’électricité, pouréviter les chocs électriques, les fils sont gainés d’un matériau isolanttel qu’une matière plastique. Très mauvais conducteurs, les ISO -LANTS empêchent les électrons de quitter les fils électriques. Nonseulement protègent-ils les êtres humains, mais ils préviennentaussi les courts-circuits en empêchant deux fils d’entrer en contact.

D’autres composantes, comme des boîtiers de plastique ou decéramique, peuvent servir à isoler les circuits électriques de leurenvironnement.

La FONCTION ISOLATION est la fonction assurée partoute composante pouvant empêcher un courant élec-trique de passer.

3.2 LA FONCTION ISOLATIONSTSTEATS

16831744

JeanThéophileDésaguliers

Né en France, élevé en Angleterre, JeanThéophile Désagulierss’est fait connaître parses travaux scientifiques,notamment en élec tri -cité. Il a été le premier à utiliser les mots«isolants» et «conduc -teurs» pour distinguerles corps qui conduisentl’électricité de ceux quine le font pas.

À l’intérieur de cette prise électrique, tous les fils sont isolés par desgaines ou des embouts isolants. Le fil de mise à la terre n’est pas isolé,car il ne circule habituellement aucun courant dans ce dispositif de sécurité.

14.11

Il peut arriver qu’un circuit électrique fasse défaut, comme lorsque survientun court-circuit ou une surcharge du circuit (lorsque trop d’appareils sontbranchés à une prise, par exemple). Pour éviter qu’un accident grave(incendie ou choc électrique) ne se produise dansce cas, on peut brancher un dispositif de protec-tion, tel qu’un fusible ou un disjoncteur, au cir-cuit électrique.

3.3 LA FONCTION PROTECTIONSTSTEATS

«Disjoncteur» vient du latindisjungere, qui signifie«séparer».

Embout

Mise à la terre

Gaine

No 14

!Chapitre 14 (b) (4e épreuve) HR:Layout 1 10-01-06 10:46 Page466


La FONCTION PROTECTION est la fonction assurée par toutecomposante pouvant interrompre automatiquement la circula-tion d’un courant électrique en cas de situation anormale.

La figure 14.12 décrit le fonctionnement dufusible et celui du disjoncteur.

«Fusible» vient du mot latinfusum, qui signifie «fondu».

Le fusible

Pendant le fonctionnement normal du circuit, le courantélectrique traverse le fusible en empruntant un filamentconducteur. Dès que l’intensité du courant dépasse uncertain seuil, le filament fond et se rompt, ce qui empêchele courant de passer. Une fois brûlé, le fusible ne peut plusêtre utilisé. Il faut le remplacer.

Le disjoncteur

Le disjoncteur est un dispositif de protection qui peut êtreréarmé autant de fois que nécessaire. Certains disjoncteurs

sont dotés d’un bilame dans lequel passe le courantélectrique. Lorsque l’intensité du courant est trop élevée,

le bilame devient chaud, se courbe et coupe le contact. Un mécanisme se déclenche alors pour maintenir

le circuit ouvert. D’autres disjoncteurs fonctionnent à l’aide d’un mécanisme électromagnétique.

Filament fondu

Bilame

Des dispositifs de protection.14.12

COMMENT DÉTERMINER LES CARACTÉRISTIQUES

D’UN COURANT ÉLECTRIQUE

Les résistances sont des composantes qui servent à limiter le passage des élec-trons dans un circuit électrique. Elles fonctionnent un peu comme un tuyaude petit diamètre que l’on aurait inséré dans un système de canalisation.Même si une pompe est disponible pour envoyer de grands volumes d’eaudans le réseau, la circu lation sera restreinte par le diamètre du petit tuyau.Les résistances fonc tionnent de façon analogue, en limitant le passage desélectrons dans un circuit.

Une RÉSISTANCE est une composante conçue pour limiter lepassage des électrons dans un circuit électrique.

Toutes les résistances n’ont pas la même valeur. Certaines restreignent plusle passage des électrons que d’autres. On exprime la valeur de la résistanceen ohms (voir à la page 153), que l’on représente à l’aide de la lettre grecqueoméga: Ω.

La plupart des résistances sont marquées par un code de couleurs qui indiqueleur valeur. Elles portent généralement quatre bandes de couleur, comme lemontre la figure 14.13, à la page suivante.

3.4 LA RÉSISTANCE ÉLECTRIQUESTEATS


468 C H A P I T R E 1 4

La couleur de la première bande correspond au premier chiffre de lavaleur recherchée.La couleur de la deuxième bande correspond au deuxième chiffre de lavaleur recherchée.La couleur de la troisième bande correspond au facteur multiplicateur.La couleur de la quatrième bande correspond à la TOLÉRANCE.

Le tableau 14.14 donne les valeurs associées à chaque couleur.

La valeur d’unerésistance électrique est indiquée par uncode de couleurs.

14.13

1er chiffre

2e chiffre

Multiplicateur

Tolérance

Le code de couleurs des résistances électriques14.14

Chiffre 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Or Argent

Multiplicateur 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109

Tolérance ± 20% ± 5 % ± 10 %

Revenons à l’exemple de la résistance illustrée à la figure 14.13. Dans l’ordre,les bandes sont marron, noire, rouge et or :

la bande marron correspond au chiffre 1 et la noire, au chiffre 0. On obtientdonc 10;

la bande rouge correspond à un facteur multiplicateur de 102. La résis-tance a donc une valeur de 10 x 100, soit 1000 Ω ;

la dernière bande, de couleur or, correspond à un facteur de tolérance de5%. En effet, la valeur d’une résistance n’est pas précise à 100%. Dans lecas qui nous intéresse, sa valeur est de 1000 Ω ± 5%, c’est-à-dire qu’ellese situe entre 950 Ω et 1050 Ω.

Dans un circuit électrique tel que celui illustré à la figure 14.15, les besoinsen intensité électrique peuvent varier d’un segment à l’autre. Les résistancespermettent ainsi de contrôler l’intensité du courant dans les différents seg-ments du circuit. Elles servent également à protéger les composantes sen -sibles du circuit en limitant le courant électrique qui les traverse.

Ce circuit comporteplusieurs résistances de valeurs différentes(R1, R2 et R3).

14.15



Pour que le courant puisse circuler dans un circuit électrique, il faut que cedernier forme une boucle fermée. Les électrons peuvent alors circuler danstout le circuit. La figure 14.16 montre un circuit fermé.

Un CIRCUIT ÉLECTRIQUE FERMÉ est un circuit qui permet aucourant de circuler en boucle.

4 La fonction commandeSTSTEATS

No 15

CONCEPT DÉJÀ VU

Fonction de commande(types: levier, poussoir,bascule, commandemagnétique) (ATS)

Quand le circuit estfermé, le courant peutcirculer. Ici, l’ampoules’allume.

14.16

Lorsque la boucle n’est pas complète, le circuit est ouvert. Dans ce cas, lecourant électrique ne peut pas circuler dans le circuit, comme le montre lafigure 14.17.

Un CIRCUIT ÉLECTRIQUE OUVERT est un circuit qui ne permetpas au courant de circuler en boucle.

Quand le circuit estouvert, le courant ne peut pas circuler. Ici, l’ampoule nes’allume pas.

14.17

La fonction commande permet d’ouvrir et de fermer le circuit à volonté.Elle est assurée par un interrupteur.

La FONCTION COMMANDE est la fonction assurée par toutecomposante pouvant ouvrir et fermer un circuit électrique.

Arrêt Marche

Interrupteur

Interrupteur fermé

ArrêtMarche

Interrupteur ouvert

Circuit fermé

Circuit ouvert


Il existe plusieurs types d’interrupteurs. Par exemple, l’interrupteur illustré àla figure 14.16 (à la page précédente) est un interrupteur unipolaire unidirec-tionnel. Voyons de quoi il s’agit.

Le terme «unipolaire» signifie que l’inter-rupteur permet d’ouvrir ou de fermer unseul contact à la fois. Certains interrup-teurs sont «bipolaires». Ils peuvent ouvrirou fermer deux contacts à la fois. Parexemple, si la position «Marche» de la figure 14.16 permettait la circulation ducourant dans deux circuits différents, l’in-terrupteur serait bipolaire.

Dans certains circuits, les électrons ne peu-vent prendre qu’un seul che min. On uti -lise alors un interrupteur «unidirectionnel».

Dans les circuits plus complexes où lesélectrons ont la possibilité de suivre deuxchemins distincts, on se sert plutôt d’uninterrupteur «bidirectionnel». La positionde l’interrupteur bidirectionnel déterminele chemin que suivront les électrons. Lafigure 14.18 illustre ce type de circuit : uninterrupteur bidirectionnel permet dediriger le courant vers l’ampoule 1 ou versl’ampoule 2, selon sa position.

Le tableau 14.19 présente les différents typesd’interrupteurs.

470 C H A P I T R E 1 4

4.1 LES TYPES D’INTERRUPTEURSSTEATS

Selon la position de cet interrupteur unipolaire bidirectionnel,les électrons peuvent suivre le chemin 1 vers l’ampoule 1 ou le chemin 2 vers l’ampoule 2, mais un seul contact s’ouvreà la fois.

14.18

Interrupteur Nombre de contacts Nombre Schéma Exemplequi s’ouvrent de chemins ou se ferment possibles pour

à la fois les électrons

Les différents types d’interrupteurs14.19

Unipolaire unidirectionnel

1 1

1 2

2 1

2 2

Unipolairebidirectionnel

Bipolaireunidirectionnel

Bipolairebidirectionnel

Figure 14.16

Figure 14.18

Figure 14.16, mais avec 2 circuits

Figure 14.18, mais avec 2 circuits par position (1 ou 2) de l’interrupteur

Ampoule 1

Ampoule 2

Ampoule 1

Ampoule 2

Interrupteur

Ampoule 1

Ampoule 2

Arrêt

1 2

1

2

Interrupteur


Les interrupteurs peuvent prendre plusieurs formes. L’interrupteurle plus répandu est l’interrupteur à bascule. L’interrupteur à levieret l’interrupteur à bouton-poussoir sont également communs. Enactionnant ces trois types d’interrupteurs, on met en mouvementun contact qui s’ouvre ou se ferme dans le circuit électrique.

L’interrupteur à commande magnétique est moins répandu, mais ilest souvent utilisé dans les systèmes d’alarme, par exemple pourdéceler l’ouverture d’une porte. Un aimant contenu dans le méca -nisme maintient le système armé. Lorsque la porte s’ouvre, l’aimants’éloigne, ce qui déclenche la sonnerie d’alarme.


Interrupteur à bascule

Différentes formes d’interrupteurs.14.20

Plusieurs circuits électriques servent à convertir l’énergie électrique en uneautre forme d’énergie, utile pour les êtres humains, notamment l’énergielumineuse, l’énergie thermique ou l’énergie mécanique.

La FONCTION TRANSFORMATION D’ÉNERGIE est la fonctionassurée par toute composante pouvant transformer l’énergieélectrique en une autre forme d’énergie.

La figure 14.21 (à la page suivante) présente quelques exemples de com-posantes électriques servant à la transformation de l’énergie électrique enune autre forme d’énergie.

5 La fonction transformation d’énergie

STSTEATS

No 16

CONCEPTS DÉJÀ VUS

Transformations de l’énergieFormes d’énergie(chimique, thermique,mécanique, rayonnante)

Interrupteur à levier Interrupteur à bouton-poussoir

Interrupteur à commande magnétique


472 C H A P I T R E 1 4

L’ampoule incandescente

Les électrons qui arrivent jusqu’à l’ampoule doiventtraverser un filament de tungstène. Ce dernier oppose

une résistance au passage du courant électrique. Il s’échauffe, au point d’émettre une lumière blanche.

FORME D’ÉNERGIE OBTENUE

Énergie lumineuse.EXEMPLES D’APPLICATIONS

Lampe de poche,plafonnier.

L’élément chauffant

Comme dans l’ampoule, les électrons doivent traverser un matériau qui offre une résistance à leur passage. Le matériau s’échauffe, ce qui convertit l’énergie électriqueen chaleur.


Énergie thermique.EXEMPLES D’APPLICATIONS

Four, bouilloire.

Le cristal piézo-électrique

Lorsqu’on soumet un cristal piézo-électrique à un courant électrique, le cristal se met à vibrer.


Énergie mécanique ouénergie sonore (vibrations).

EXEMPLES D’APPLICATIONS

Montre au quartz, haut-parleur.

L’électroaimant

Les électrons parcourent un fil électrique embobiné sur lui-même. Au centre de la bobine se trouve un noyau de fer.Le passage du courant électrique dans la bobine aimante le noyau de fer, créant ainsi un champ magnétique.


Énergie magnétique.EXEMPLES D’APPLICATIONS

Magnétophone, appareilde tri des déchetsmétalliques.

Des composantes électriques servant à la transformation de l’énergie.14.21

Cristal piézo-électrique



Les circuits électriques et électroniques comprennent plusieurs composantesqui leur permettent de réaliser d’autres fonctions que celles décrites dans les sec tions précédentes. Le texte qui suit présente quelques-unes de cescomposantes.

6 Les composantes ayant d’autres fonctions

STEATS

Après les résistances, les condensateursviennent au deuxième rang des com-posantes les plus utilisées dans les circuitsélectroniques. Ils agissent un peu comme des réservoirs d’électri -cité. En effet, ils emmagasinent de l’énergie électrique. Cette facultéest appelée «capacité». Elle s’exprime en farads, représentés par lalettre F.

Un condensateur est formé de deux «armatures», des feuilles métal -liques très rapprochées. Les armatures sont séparées par un isolant,le «diélectrique», dans lequel les électrons ne peuvent pas circuler.Le diélectrique est fait de céramique, de mica, de plastique, oumême d’air.

Un CONDENSATEUR est un dispositif composé dedeux surfaces électriques séparées par un isolant. Ilpeut accumuler des charges électriques.

Lorsqu’une source d’alimentation est reliée à un condensateur, des chargesélectriques s’accumulent sur les armatures. Prenons l’exemple de la fi-gure 14.22, illustrant un circuit électrique très simple, composé d’une pile etd’un condensateur. L’armature de gauche, reliée à la borne négative de lapile, accepte les électrons fournis par la pile. En contrepartie, l’armature dedroite, qui est liée à la borne positive de la pile, perd des électrons qui sontattirés par la pile. Elle devient chargée positivement.

6.1 LE CONDENSATEURSTEATS

«Condensateur» vient dumot latin condensare, quisignifie «presser, serrer».

Des charges électriquess’accumulent sur les armatures ducondensateur.

14.22

Condensateur

Armature

Méli-mélo électrique

Une pile ne peut pas être

rechargée. Ce qu’on appelle

communément une «pile re -

char geable» devrait être

appelé «accumulateur». Une

batterie (ex. : une batterie

d’automobile), c’est une réu-

nion d’éléments de même

type (accumulateurs, piles,

condensateurs, etc.).


474 C H A P I T R E 1 4

Une diode est un petit dispositif qui, lorsqu’il est inséré dans un circuit élec-trique, laisse passer le courant dans un sens, mais pas dans l’autre. On peut lacomparer à un tourniquet à l’entrée d’une station de métro ou d’un grandmagasin: il permet d’aller dans une direction, et non dans l’autre. Une diodeest faite d’un matériau semi-conducteur, généralement du silicium.

Une DIODE est un dispositif qui ne laisse passer un courantélectrique que dans un sens.

6.2 LA DIODESTEATS

Une diode et son symbole. La flèche du symbole montre que le courant ne circule que dans un sens.

14.24

Les électrons qui s’accumulent à l’armature de gauche se retrouvent dansune impasse. Ils sont fortement attirés par l’armature de droite, mais l’isolantleur barre la route. Dès qu’on élimine cet obstacle, une décharge électriquese produit.

Alors qu’une pile se vide de son énergie progressivement, le condensateurpeut débiter ses charges quasi ins tan tanément. Cela lui permet de four nirune charge importante en peu de temps. Dans le flash d’un appareil photo,par exemple, une pile recharge le conden-sateur du flash, jusqu’à ce qu’un témoinlumineux s’allume. Lorsqu’on appuie sur ledéclen cheur pour prendre la photo, le con-densateur déverse toute la charge qu’il aaccumulée dans le flash, en une fraction deseconde. C’est ainsi qu’une lumière éblouis -sante jaillit.

Les condensateurs ont d’autres usages. Ilspeuvent notamment servir à stabiliser unesource d’alimentation électrique fluctuante.Les conden sateurs se déchargent lorsquedes chutes de tension surviennent dans lecircuit et se rechargent lors des hausses detension. Voici l’une des multiples formes de conden sa teurs.14.23



Il existe plusieurs types de diodes. Dans un circuit, certaines occupentune fonction de guidage et de blocage. Les appareils électroniquesqui fonctionnent avec des piles, par exemple une télécommandepour le téléviseur, sont tous équipés de diodes. Ces der nièresempê chent les électrons de circuler lorsque l’usager place la pile àl’envers. Elles protègent ainsi les dispositifs électroniques fragilesqui se trouvent dans le circuit.

D’autres diodes sont employées dans le «redressement», c’est-à-direla conver sion d’un courant alternatif en courant continu. En effet,puisqu’elles n’acceptent que les électrons qui se déplacent dans unsens, elles empêchent leur mouvement de va-et-vient.

Il existe également des diodes électroluminescentes (DEL), quiémettent une lumière lorsqu’un cou rantles traverse. Elles consomment moinsd’éner g ie qu’une ampoule et sont deplus en plus uti lisées dans les systèmesd’éclairage.

«Électroluminescent» vientdu préfixe électro-, qui si -gni fie «électricité», et dumot latin lumen, qui signi-fie «lumière».

Le transistor est un petit dispositif semi-conducteur (souvent en silicium) très répandudans les circuits électroniques. Il peut agir dedeux façons différentes. D’une part, il peutservir d’interrupteur, en empê chant le courant de passer. D’autre part, il peutmodifier le courant, généralement en l’amplifiant.

Un TRANSISTOR est un dispositif électronique utilisé pour blo-quer ou pour amplifier un courant.

6.3 LE TRANSISTORATS

«Transistor» est dérivé de l’ex -pres sion anglaise transfer resistor,qui signifie «résistance de trans-fert».

Et la lumière fut !

Avant l’an 2000, les DEL ser-

vaient principalement de té -

moins lumineux sur les appa -

reils électriques. Depuis, des

DEL de forte puissance ont

vu le jour. Selon les cher -

cheurs, elles pourraient rem-

placer les ampoules à incan-

descence et les tubes fluores-

cents dans l’avenir.

18491945

JohnAmbroseFleming

Ce physicien et ingénieurélectricien britannique a inventé et fait breveterla première diode en1904. On la surnom-mait alors «valve deFleming». Cetteinvention est souventconsidérée comme ledébut de l’électronique.

Des diodes électroluminescentes (DEL).14.25


476 C H A P I T R E 1 4

Le transistor est formé de trois composantes: le collecteur (c), la base (b) et l’émetteur (é).

14.27Divers types de transistors.14.26

Micro-ordinateurs, maxi-pollutionLes ordinateurs personnels, qui nous rendent de sigrands services, ont un impact sur l’environnementque la plupart des utilisateurs ne soupçonnent pas.

Prenons l’exemple de la fabrication d’un micro-processeur (l’unité centrale d’un ordinateur). Il fautimprimer des millions de transistors sur une plaquede silicium pour produire un seul micro proces-seur. Le procédé est complexe: il re quiert environ400 étapes ! Il s’effectue dans un milieu aseptisé etle nettoyage de la plaque doit se faire avec del’eau distillée et des solutions acides. Il entraîneune énorme dépense d’énergie et de matières premières.

La fabrication d’un ordinateur nécessite la consom-mation de milliers de litres d’eau et de dizaines dekilogrammes de produits chimiques. Elle génère desquantités importantes d’eaux usées et de déchets.

Sachant qu’une usine peut fabriquer des milliers de microprocesseurs chaque semaine, on com-prend la pression que la production des micro-ordinateurs exerce sur l’environnement. Cette ca -dence rapide n’est pas étrangère au fait que lesutilisateurs ne conservent leur micro-ordinateur quequelques années avant de le remplacer.

+ENVIRONNEMENT+

Les microprocesseurs sont fabriqués à l’aide de plaques de silicium.

Le transistor est composé de trois éléments essentiels à son fonctionnement(voir la figure 14.27) : le collecteur, la base et l’émetteur. Le courant circuledu collecteur vers l’émetteur, en passant par la base. Cette dernière agit unpeu comme une porte. Elle peut soit bloquer le passage du courant, soit lefaciliter. L’action de la porte est contrôlée grâce à un faible courant élec-trique (venant de la gauche sur la figure 14.27).

!Chapitre 14 (c) (5e épreuve) HR:Layout 1 10-01-06 09:13 Page476


Les transistors revêtent une importance toute particulière en électronique.C’est grâce à cette invention datant de 1947 que les ordinateurs ont connuun immense progrès en quelques décennies. En effet, les ordinateurseffectuent leurs calculs en traitant de longuesséries de 0 et de 1. C’est le «code binaire ». Le0 correspond à une absence de courant (lors -qu’un transistor empêche son pas sage). Le 1correspond au passage du courant (lorsque le transistor agit comme unamplificateur).

«Binaire» provient du mot latinbinarius, qui signifie «composéde deux éléments».

Le code binaire est une série de 0 et de 1qui correspond à del’information.

14.28

Un relais est une composante qui permet d’ouvrir ou de fermer un circuitélectrique grâce à un signal électrique provenant d’un autre circuit. Ce signal peut provenir d’un interrupteur, d’un ordinateur ou d’une cellulephotoélectrique.

L’avantage de l’emploi d’un relais, c’est qu’il permet d’isoler électriquementle circuit de commande et le circuit commandé. Aucun contact électriquen’existe entre les deux circuits. Un relais est donc composé de deux parties(voir la figure 14.30) : l’une qui reçoit le signal d’un premier circuit et envoieune commande; l’autre qui reçoit la commande et met en route le secondcircuit. Ces deux parties sont isolées l’une de l’autre.

On utilise surtout les relais lorsqu’on veut commander à distance des dis-positifs consommant beaucoup d’énergie, comme un système d’éclairage

6.4 LE RELAISATS

Lorsqu’on appuie sur la touche «A» d’un clavier d’ordina-teur, par exemple, plusieurs transistors sont activés. Lemicro processeur décode la série de 0 et de 1 cor res pon -dante et un A s’affiche à l’écran.

Un microprocesseur, le «cerveau» d’un ordinateur, peutréunir des millions de transistors sur une plaque de sili ciumde quelques centimètres carrés. Ces microprocesseurs neservent pas que dans les ordinateurs. Ils servent dans tous lesdispositifs électroniques qui peuvent traiter de l’informa-tion, comme des téléphones cellulaires, des calculatrices,des baladeurs MP3, des lecteurs de DVD, etc. Un microprocesseur moderne comporte

des millions de transistors miniatures.14.29


478 C H A P I T R E 1 4

dans une salle de spectacle, le chauffage dans un édifice public, des moteursindustriels ou des appareils fonctionnant à haute tension.

Un RELAIS est une composante qui permet la commande à dis-tance d’un circuit à haute tension par un circuit à basse tension.

La figure 14.30 montre un exemple d’utilisation d’un relais. Il s’agit d’unappareil de radiographie, un dispositif fonctionnant à haute tension (de50 000 V à 100 000 V environ), qui est commandé à distance par un ordina-teur, un dispositif fonctionnant à basse tension. On évite ainsi les risques dechocs électriques et d’exposition à de trop fortes doses de rayons X pour lapersonne qui manipule l’appareil.

Circuit de commande (à basse tension)

Ordinateur

Circuit commandé (à haute tension)

Relais

CommandeMise en route du circuit commandé

Appareil de radiographieUne partie du relais est reliée au circuit de commande. L’autre est reliée au circuitcommandé.

14.30

Il existe des relais électromécaniques et des relais à semi-conducteurs(ou relais statiques) :

Dans un relais électromécanique, la commande s’effectue parl’en tremise du champ magnétique d’un électroaimant, qui en -traîne le mouvement de pièces métalliques. Généralement, cetype de relais a une durée de vie plus courte qu’un relais à semi-conducteurs à cause du mouvement méca nique des pièces, et ilest beaucoup plus volumineux. Cependant, il est en mesure decommander des circuits plus puissants.

Un relais à semi-conducteurs ne contient pas de pièces en mou-vement. La commande se fait généralement à l’aide d’une sourcelumineuse (DEL) et de cellules photosensibles. Ce type de relaisest généralement étanche, ce qui n’est pas toujours le cas desrelais électromécaniques, qui peuvent accumuler de la poussièreet subir une corrosion au fil du temps. De plus, les relais à semi-conducteurs ont une meilleure compatibilité avec les circuitsnumériques.

De plus en plus

petit

Le silicium, l’élément le plus

abondant sur Terre après le

fer et l’oxy gène, est le ma -

tériau de base en électro -

nique. On l’em ploie depuis

plus de 40 ans dans les semi-

conducteurs. Toutefois, l’ave -

nir est à l’électronique molé -

cu laire, qui utilise des compo -

santes beau coup plus petites

que les circuits intégrés au

silicium.


Documents

L’ · pour l’essentiel), au lieu des CONDUCTEURS, métaux et alliages, utilisés généra lement en électricité (le cuivre surtout). Les composantes électroniques se distinguent