Du Schéma Électrique au Montage Réel
Contexte : Le passage du schéma électriqueReprésentation graphique et symbolique d'un circuit électrique. Il montre comment les composants sont connectés, mais pas leur disposition physique. à la pratique.
En électronique, savoir lire un plan est aussi crucial que de savoir utiliser un fer à souder. Cet exercice a pour but de vous guider à travers les étapes essentielles pour transformer un schéma théorique en un circuit fonctionnel et bien réel sur une platine d'expérimentation (breadboard). Nous allons identifier les composants, calculer les valeurs nécessaires et visualiser le montage final.
Remarque Pédagogique : Cette compétence est le pont entre la théorie et la pratique. La maîtriser vous permettra de donner vie à n'importe quel projet électronique, du plus simple au plus complexe.
Objectifs Pédagogiques
- Lire et interpréter un schéma électrique simple.
- Identifier les composants électroniques courants et leurs symboles.
- Appliquer la loi d'OhmPrincipe fondamental qui décrit la relation entre la tension (U), le courant (I) et la résistance (R) dans un circuit : U = R x I. pour calculer une résistance de protection.
- Réaliser un montage physique sur breadboardPlatine d'expérimentation qui permet de prototyper des circuits électroniques sans soudure. à partir d'un schéma.
Données de l'étude
Schéma Électrique du Circuit
Liste du Matériel Requis
| Catégorie | Composant |
|---|---|
| Alimentation | 1x Pile 9V (ou alimentation équivalente) |
| Composants Actifs | 1x LED rouge, 1x LED verte |
| Composant Passif | 1x Résistance (valeur à calculer) |
| Interface | 1x Interrupteur à bascule |
| Montage | 1x Breadboard, Fils de connexion |
Questions à traiter
- Identifiez chaque composant repéré par une lettre (A, B, C, D1) sur le schéma électrique.
- Calculez la valeur de la résistance (C) nécessaire pour protéger la LED rouge (D1). On considère que la source (A) est de 9V, que la LED a une tension de seuil de 2V et requiert un courant de 20mA.
- Les deux LEDs (D1 et D2) sont-elles montées en série ou en parallèle ? Justifiez votre réponse.
- En vous basant sur le schéma électrique, proposez un plan de montage physique du circuit sur une breadboard.
- Quel est le rôle principal de la résistance (C) dans ce circuit ? Que se passerait-il si on ne la mettait pas ?
Les bases de l'électricité pour le montage
Avant de commencer, il est essentiel de revoir deux concepts clés qui sont au cœur de cet exercice : la loi d'Ohm et les caractéristiques d'une LED.
1. La Loi d'Ohm
La loi d'Ohm est la relation fondamentale qui lie la tension (U, en Volts), le courant (I, en Ampères) et la résistance (R, en Ohms). Elle est indispensable pour dimensionner correctement les composants et assurer que le courant ne dépasse pas les limites acceptables pour un composant.
\[ U = R \times I \]
D'où l'on tire la formule pour calculer la résistance nécessaire : \( R = U / I \).
2. La Diode Électroluminescente (LED)
Une LED est un composant polarisé : elle ne laisse passer le courant que dans un sens. Elle possède une anode (+) (la patte la plus longue) et une cathode (-) (la patte la plus courte). Elle est caractérisée par une tension de seuil (Vf) et un courant nominal (If). Pour fonctionner sans être endommagée, elle a besoin d'une résistanceComposant électronique qui s'oppose au passage du courant électrique. Sa valeur se mesure en Ohms (Ω). en série pour limiter le courant qui la traverse.
Correction : Du Schéma Électrique au Montage Réel
Question 1 : Identifiez chaque composant repéré
Principe
La première étape pour comprendre un circuit est de reconnaître les symboles normalisés. Chaque symbole représente un composant unique avec une fonction spécifique. Savoir les lire est comme apprendre l'alphabet de l'électronique.
Réponse
Voici la correspondance entre les lettres du schéma et les composants :
| Repère | Composant | Symbole Graphique |
|---|---|---|
| A | Source de tension continue (Pile) | |
| B | Interrupteur | |
| C | Résistance | |
| D1 | Diode Électroluminescente (LED) |
Points à retenir
La reconnaissance des symboles est une compétence non négociable. Prenez le temps de mémoriser les symboles des composants les plus courants (résistance, condensateur, diode, transistor, source de tension, etc.).
Question 2 : Calculez la valeur de la résistance
Principe
Une LED n'est pas une ampoule. Elle ne peut pas être branchée directement sur une source de tension. Il faut absolument limiter le courant qui la traverse à sa valeur nominale (ici, 20mA) pour ne pas la détruire. Pour cela, on utilise une résistance en série, qui va "absorber" l'excès de tension et ainsi réguler le courant, conformément à la loi d'Ohm.
Mini-Cours
Dans un circuit en série simple comme celui-ci (en considérant une seule branche LED), la tension totale fournie par la source se répartit entre les différents composants. C'est la loi des mailles : la somme des tensions est nulle. Autrement dit, la tension de la source (Vs) est égale à la somme des chutes de tension aux bornes de chaque composant : la résistance (Ur) et la LED (Vf). On a donc : \( V_s = U_r + V_f \). C'est en isolant la tension aux bornes de la résistance, \( U_r = V_s - V_f \), que nous pouvons ensuite utiliser la loi d'Ohm pour trouver la valeur de R.
Remarque Pédagogique
Pensez à la résistance comme à un barrage sur une rivière. La hauteur totale de la chute d'eau est la tension de la pile (9V). La LED a besoin d'une petite chute de 2V pour fonctionner. Le barrage (la résistance) doit donc être construit pour provoquer une chute de 7V (9V - 2V) afin que le débit (le courant) soit exactement celui désiré.
Normes
En électronique, les valeurs des composants comme les résistances ne sont pas infinies. Elles sont standardisées dans des séries normalisées (les plus courantes étant E6, E12, E24). Après avoir calculé la valeur théorique exacte, la pratique de l'ingénieur consiste à choisir la valeur disponible dans ces séries qui assure la sécurité du circuit. Pour une résistance de protection, on choisit systématiquement la valeur normalisée supérieure ou égale à la valeur calculée.
Formule(s)
On utilise deux formules successives. D'abord, on détermine la tension que la résistance doit absorber, puis on applique la loi d'Ohm pour trouver sa valeur.
Tension aux bornes de la résistance (Ur)
Loi d'Ohm appliquée à la résistance
Hypothèses
Pour ce calcul, nous posons les hypothèses simplificatrices suivantes :
- La source de tension est considérée comme idéale et fournit exactement 9V en continu.
- La tension de seuil de la LED est constante à 2V et ne varie pas avec la température.
- La résistance des fils de connexion est négligeable (égale à 0 Ω).
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Tension de la source | Vs | 9 | V |
| Tension de seuil de la LED | Vf | 2 | V |
| Courant nominal de la LED | If | 20 | mA |
Astuces
Pour un calcul mental rapide, rappelez-vous que 20mA équivaut à 1/50 A. Pour trouver R, calculez la chute de tension \( U_r = V_s - V_f \), puis multipliez ce résultat par 50. Ici : \( (9 - 2) \times 50 = 7 \times 50 = 350 \, \Omega \). C'est un moyen très efficace de vérifier votre ordre de grandeur.
Schéma (Avant les calculs)
Visualisons la boucle de maille et la répartition des tensions. La tension \(V_s\) de la source est égale à la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance (\(U_r\)) et de la LED (\(V_f\)).
Répartition des Tensions dans la Boucle
Calcul(s)
Le calcul se déroule en deux étapes : la conversion des unités pour le courant, puis le calcul de la résistance.
Étape 1 : Conversion du courant nominal (If)
Étape 2 : Calcul de la résistance (R)
Schéma (Après les calculs)
Le schéma du circuit peut maintenant être complété avec les valeurs calculées. La résistance de 350Ω (ou sa valeur normalisée supérieure) garantit que le courant sera bien de 20mA et que la tension à ses bornes sera de 7V.
Circuit Dimensionné et Annoté
Réflexions
La valeur calculée est 350 Ω. Cependant, les résistances existent en des valeurs normalisées (séries E6, E12, E24...). Il n'existe pas de résistance de 350 Ω dans les séries courantes. On choisit donc toujours la valeur normalisée immédiatement supérieure pour garantir que le courant sera inférieur ou égal au courant nominal, ce qui protège la LED. La valeur supérieure la plus proche dans la série E12 est 390 Ω.
Points de vigilance
Les erreurs les plus fréquentes sur ce type de calcul sont :
- L'oubli de conversion : Calculer avec 20mA au lieu de 0.02A donnera un résultat 1000 fois trop petit.
- L'oubli de la tension de seuil : Calculer R = 9V / 0.02A est incorrect et donnera une résistance trop élevée, et donc une LED qui brille très faiblement, voire pas du tout.
- Le choix de la valeur normalisée : Choisir la valeur inférieure (ex: 330 Ω) est une erreur, car cela autoriserait un courant supérieur à 20mA, réduisant la durée de vie de la LED.
Le saviez-vous ?
La couleur d'une LED ne dépend pas d'un colorant dans le plastique, mais du matériau semi-conducteur utilisé. Les premières LEDs étaient rouges (Arséniure de Gallium). Il a fallu attendre les années 90 pour que Shuji Nakamura invente la LED bleue haute luminosité, une découverte qui lui a valu le prix Nobel de physique en 2014 et qui a ouvert la voie aux écrans LED et à l'éclairage blanc économique.
FAQ
Voici quelques questions fréquentes sur ce calcul.
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez la résistance pour la LED verte (D2), qui a une tension de seuil de 2.2V pour le même courant de 20mA.
Question 3 : Les LEDs sont-elles en série ou en parallèle ?
Principe
En électronique, les composants peuvent être connectés les uns à la suite des autres (en série) ou sur des branches séparées (en parallèle). Reconnaître le type de montage est crucial pour comprendre comment le courant se répartit dans le circuit.
Donnée(s)
L'analyse se base sur l'observation du chemin du courant sur le schéma électrique de l'énoncé.
Schéma (Avant les calculs)
Pour bien comprendre, comparons un montage série et un montage parallèle théoriques. Le chemin du courant est matérialisé en rouge.
Comparaison des Chemins du Courant
Réflexions
Sur le schéma de l'exercice, on voit que le courant, après la résistance, arrive à un "nœud" (le point noir) où il se divise en deux chemins distincts : un chemin traverse la LED D1, l'autre traverse la LED D2. Ces deux chemins se rejoignent ensuite. Lorsque le courant se divise pour traverser plusieurs composants, on parle d'un montage en circuit parallèleConfiguration de circuit où les composants sont connectés sur des branches séparées. La tension est la même aux bornes de chaque branche.. De plus, la résistance est commune aux deux branches, ce qui est une configuration typique.
Schéma (Après les calculs)
L'analyse confirme que notre circuit correspond bien à un montage parallèle. Le schéma suivant met en évidence les deux branches distinctes et la division du courant total \(I_T\) en deux courants de branche, \(I_1\) et \(I_2\).
Identification des Branches Parallèles
Points à retenir
En série : Le courant est le même partout, les tensions s'additionnent. Les composants forment une seule boucle.
En parallèle : La tension est la même pour chaque branche, les courants s'additionnent. Le courant se sépare et se rejoint.
Question 4 : Proposez un plan de montage sur breadboard
Principe
La breadboard est un outil formidable pour prototyper. Elle est composée de rangées de trous connectés électriquement. Les lignes sur les côtés (généralement marquées + et -) sont connectées verticalement sur toute la longueur. Les groupes de 5 trous au centre sont connectés horizontalement. Le but est de recréer les connexions du schéma en utilisant ces lignes conductrices.
Donnée(s)
Le montage doit inclure tous les composants listés dans l'énoncé, en respectant les connexions du schéma électrique.
| Composant | Quantité |
|---|---|
| Pile 9V | 1 |
| LED (rouge et verte) | 2 |
| Résistance (390 Ω) | 1 |
| Interrupteur | 1 |
| Breadboard et fils | 1 |
Schéma (Avant les calculs)
Le point de départ est le schéma électrique théorique que nous devons transposer physiquement. Il faut identifier chaque "nœud" (point de connexion) pour le reproduire sur la breadboard.
Schéma Électrique avec Nœuds Identifiés
Schéma (Après les calculs)
Voici un exemple de montage physique possible sur la breadboard. Chaque nœud du schéma théorique correspond à une rangée horizontale sur la breadboard. Les rails d'alimentation rouge (+) et bleu (-) sont utilisés pour distribuer la tension de la pile.
Exemple de Montage sur Breadboard Professionnel
Astuces
Utilisez des fils de couleurs différentes pour clarifier votre montage : traditionnellement, rouge pour le pôle positif (+) de l'alimentation et noir ou bleu pour le pôle négatif/masse (GND). Assurez-vous que les pattes des composants insérés dans une même rangée horizontale de 5 trous sont bien celles que vous voulez connecter ensemble.
Question 5 : Quel est le rôle de la résistance ?
Principe
Chaque composant électronique a des limites de fonctionnement. Le rôle d'un ingénieur ou d'un technicien est de concevoir des circuits qui respectent ces limites. La résistance est l'outil le plus simple et le plus courant pour contrôler l'un des paramètres les plus critiques : le courant.
Donnée(s)
Nous analysons le scénario où la résistance (C) est retirée du circuit. La tension de la source (A) reste de 9V.
Schéma (Avant les calculs)
Le schéma ci-dessous montre le circuit tel qu'il est conçu, avec la résistance jouant son rôle de protection et limitant le courant \(I\).
Circuit Protégé avec Résistance
Réflexions
Le rôle principal de la résistance (C) est de limiter le courant qui traverse les branches des LEDs. Une LED a une résistance interne très faible. Si on la branchait directement aux bornes des 9V, la loi d'Ohm (I = U/R) nous dit que le courant serait extrêmement élevé (théoriquement infini si R=0), ce qui détruirait la LED instantanément par effet Joule (surchauffe). La résistance ajoute une opposition au passage du courant, le forçant à se stabiliser à la valeur désirée de 20mA.
Schéma (Après les calculs)
Ce schéma illustre ce qui se passerait sans résistance. La LED est directement soumise à la tension de la source, provoquant un courant destructeur.
Circuit Non Protégé (Sans Résistance)
Points de vigilance
Ne jamais, au grand jamais, connecter une LED directement à une source de tension sans une résistance de limitation de courant en série (sauf si la source est spécifiquement conçue pour, ce qui est rare). C'est l'erreur la plus commune chez les débutants, et elle est fatale pour le composant.
Outil Interactif : Calculateur de Résistance pour LED
Utilisez ce simulateur pour calculer rapidement la résistance nécessaire pour une LED en fonction de la tension de la source et de la tension de seuil de la LED (pour un courant fixe de 20mA).
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle est la fonction principale d'une résistance placée en série avec une LED ?
2. Dans le schéma de l'exercice, comment sont connectées les deux LEDs ?
3. Sur une LED standard, la patte la plus longue correspond à...
4. Selon la loi d'Ohm (U=R*I), si la tension (U) augmente mais que la résistance (R) reste constante, que fait le courant (I) ?
5. À quoi sert principalement une breadboard ?
Glossaire
- Breadboard (Platine d'expérimentation)
- Une platine réutilisable qui permet de créer des prototypes de circuits électroniques sans avoir à souder les composants.
- Circuit Parallèle
- Un montage où les composants sont connectés sur des branches différentes. La tension à leurs bornes est identique, mais le courant se divise entre les branches.
- LED (Diode Électroluminescente)
- Un composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique le traverse. C'est un composant polarisé.
- Loi d'Ohm
- Une loi fondamentale en électricité qui établit la relation entre la tension (U), le courant (I) et la résistance (R) : U = R x I.
- Résistance
- Un composant passif dont la fonction principale est de s'opposer au passage du courant électrique. Sa valeur s'exprime en Ohms (Ω).
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