Avant de voir en détail les activités d’apprentissage, nous allons faire quelques rappels sur l’électronique :
. Petit rappel sur l’électricité :
L’électricité est un déplacement d’électrons dans un milieu conducteur.
Pour que ces électrons se déplacent tous dans un même sens, il faut qu’il y ait une différence du nombre d’électrons entre les deux extrémités du circuit électrique.
Pour maintenir cette différence du nombre d’électrons, on utilise un générateur (pile, accumulateur, alternateur…)
La différence de quantité d’électrons entre deux parties d’un circuit s’appelle la différence de potentiel et elle se mesure en Volts (V) et se note U.
Le débit d’électrons dans le conducteur correspond à l’intensité, aussi appelée courant. Elle se mesure en Ampères (A) et se note I.
La puissance électrique se note P et se mesure en Watts (W). Elle exprime la quantité de courant (I), transformée en chaleur ou en mouvement.
La puissance P est le produit de la tension U et de l’intensité I.
. Le circuit électrique
Un circuit électrique est une association de dipôles (générateur, résistances, ampoules, …) reliés par des conducteurs.
Pour qu’un courant circule, il faut que le circuit soit fermé et qu’il contienne un générateur (une pile par exemple). Il circule du pôle (+) au pôle (-) du générateur.
Une pile est constituée d’un milieu contenant de nombreux électrons en trop, et d’un second milieu en manque d’électrons. Quand on relie les deux pôles de la pile (le + et le -) avec un fil électrique (le conducteur), les électrons vont alors se déplacer du milieu riche en électrons vers le milieu pauvre.
Si on place une lampe électrique entre les deux, le passage des électrons va générer de la lumière.
Dans le circuit ci-dessus, lorsque l’interrupteur est enclenché, on dit que le circuit est fermé. Les électrons vont alors se déplacer et l’énergie de ce déplacement pourra être exploitée pour allumer une lampe ou faire fonctionner un moteur, par exemple.
Lorsque l’interrupteur est déclenché, on dit que le circuit est ouvert. Le pôle positif n’étant alors plus relié au pôle négatif, les électrons ne peuvent plus se déplacer.
Dans les circuits électriques que nous allons étudier, L’Arduino servira d’alimentation électrique du circuit, comme une pile.
. La platine d’expérimentation
Une platine d’expérimentation (appelée breadboard) permet de réaliser des prototypes de montages électroniques sans soudure et donc de pouvoir réutiliser les composants.
Tous les connecteurs dans une rangée de 5 sont reliés entre eux. Donc si on branche deux éléments dans un groupe de cinq connecteurs, ils seront reliés entre eux. Il en est de même des alignements de connecteurs rouges (pour l’alimentation) et bleus (pour la terre).
Les composants doivent ainsi être placés à cheval sur des connecteurs qui n’ont pas de liens électriques entre eux.
. Les résistances
Une résistance est un composant électronique ou électrique dont la principale caractéristique est d’opposer une plus ou moins grande résistance (mesurée en ohms : Ω) à la circulation du courant électrique.
Ainsi, pour une tension fixe, plus la résistance est faible, plus le courant la traversant est fort. Cette proportion est vérifiée par la loi d’Ohm :
Une résistance est un milieu peu conducteur. Les électrons peinent à s’y déplacer. Leur énergie se dissipe alors en général sous forme de chaleur. C’est ce principe utilisé pour les bouilloires électriques ou les ampoules à filaments.
La résistance est schématisée de cette manière :
La valeur de la résistance se mesure en Ohms (Ω). La valeur d’une résistance est déterminée par ses bandes de couleurs :
. Les diodes électroluminescentes
La diode électroluminescente, aussi appelée DEL (ou LED en anglais), a la particularité de ne laisser passer le courant électrique que dans un sens.
Le courant électrique ne peut traverser la diode que dans le sens de l’anode vers la cathode.
On reconnaît l’anode, car il s’agit de la broche la plus longue. Lorsque les deux broches sont de même longueur, on peut distinguer l’anode de la cathode, par un méplat du côté de cette dernière.
Le symbole de la DEL est le suivant :
En utilisant divers matériaux semi-conducteurs, on fait varier la couleur de la lumière émise par la DEL et Il existe une grande variété de formes de DELs.
Attention : le courant produit par l’Arduino est trop important pour y brancher directement une DEL dessus.
L’utilisation d’une résistance est obligatoire, pour ne pas griller la DEL.
Mais si la valeur de la résistance est trop grande, la DEL ne s’allumera pas et au contraire, si la valeur de la résistance n’est pas suffisante, la DEL grillera.
Si on trace la caractéristique d’une DEL, c’est-à-dire, le graphe représentant l’intensité I traversant la DEL en fonction de la tension U à ses bornes : I=f(U), on remarque qu’en dessous d’une certaine valeur de tension, le courant ne passe pas (la DEL ne s’allume pas).
On dit que la DEL est bloquante en dessous d’une tension seuil et passante au-dessus.
Pour que la DEL s’allume, il faut donc que la tension appliquée à ses bornes soit supérieure à sa tension seuil.
La tension seuil de la DEL, ULED, dépend de sa couleur. Pour connaitre sa valeur, il suffit de consulter sa fiche technique (Datasheet) donné par le constructeur de la DEL.
En général, on aura :
. DEL Blanche : ULED = 3,4 à 3,8 V . DEL Jaune : ULED = 2,1 V
. DEL Rouge : ULED = 1,6V à 2 V . DEL Verte : ULED = 2,2 V
. DEL Bleue : ULED = 3,2 à 3,6 V
Et pour qu’une DEL fonctionne dans des conditions optimales, les constructeurs préconisent généralement un courant de 20 mA (0,02 A) maximum.
Pour calculer la valeur de la résistance adéquate qu’il faut utiliser, on doit appliquer la loi d’Ohm au circuit suivant :
D’après la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série,
U = UR + ULED Donc : U = Ri + ULED
Par exemple :
Pour une LED rouge, ULED = 1,6 V, avec une alimentation de 5 V et une Intensité de 20mA maximum, la résistance minimale est :
R = (5 – 1,6) / 0,02 = 170 Ω
En prenant une résistance de 220 Ω, nous sommes assurés de ne pas dépasser le courant maximal admissible par la DEL, et comme la DEL rouge est celle qui a une tension de seuil la plus basse, la résistance de 220 Ω peut être utilisée avec les autres DELs (l’intensité dans le circuit sera obligatoirement inférieure à 20 mA).
A retenir :
Si on utilise une DEL dans un circuit alimenté par un Arduino, il est impératif de placer une résistance, par défaut de 220 Ω, en série avec elle. Cette résistance est appelée, résistance de protection, de façon à limiter le courant qui la traverse à 20 mA maximum.
