Principes Électriques — Circuits CC/CA, Composants et Mesures

1. Aperçu du Chapitre

Ce chapitre couvre les principes fondamentaux des circuits électriques en courant continu (CC) et en courant alternatif (CA), ainsi que les composants électroniques de base et les techniques de mesure associées. La maîtrise de ces concepts est essentielle pour tout technicien d'entretien d'aéronefs, car les systèmes électriques et électroniques des aéronefs reposent sur ces principes. Le chapitre aborde les lois fondamentales des circuits (Ohm, Kirchhoff), le comportement des composants passifs (résistances, condensateurs, inductances) en CC et CA, les semi-conducteurs (diodes, transistors, amplificateurs opérationnels), les circuits logiques numériques (portes, bascules, compteurs), et les circuits intégrés spécialisés (temporisateurs, convertisseurs, mémoires).

2. Concepts Clés

2.1 Lois Fondamentales des Circuits

Loi d'Ohm : Établit la relation entre la tension (V), le courant (I) et la résistance (R) dans un circuit. Elle stipule que le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la tension à ses bornes et inversement proportionnel à la résistance. Formule : I = V / R.

Loi des Courants de Kirchhoff (LCK) : La somme algébrique des courants à un nœud (point de connexion) est nulle. En d'autres termes, la somme des courants entrants dans un nœud est égale à la somme des courants sortants de ce nœud.
Loi des Tensions de Kirchhoff (LTK) : La somme algébrique des tensions autour d'une boucle fermée est nulle. Cela signifie que la somme des chutes de tension dans une boucle est égale à la tension appliquée dans cette boucle.

2.2 Circuits en Courant Continu (CC)

Circuits Série : Les composants sont connectés bout à bout, formant un seul chemin pour le courant. Le courant est le même dans tous les composants. La résistance totale est la somme des résistances individuelles : R_total = R1 + R2 + ... + Rn. La tension se divise entre les composants proportionnellement à leur résistance.
Circuits Parallèles : Les composants sont connectés entre les mêmes deux points, offrant plusieurs chemins pour le courant. La tension est la même aux bornes de chaque composant. La résistance totale est inférieure à la plus petite résistance. Pour deux résistances égales en parallèle : R_total = R / 2. Pour des résistances quelconques : 1 / R_total = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn. Le courant se divise entre les branches inversement proportionnellement à leur résistance.
Puissance en CC : La puissance (P) dissipée par un composant est le produit de la tension à ses bornes et du courant qui le traverse. Formules : P = V I, P = I² R, P = V² / R.

2.3 Circuits en Courant Alternatif (CA)

Concepts de Base : Le courant alternatif change périodiquement de sens et d'amplitude. Les paramètres clés sont la fréquence (f) en Hertz (Hz), la période (T) en secondes (T = 1 / f), la valeur efficace (RMS) et la valeur de crête (V_crête = V_RMS * √2).
Comportement des Composants en CA :

Résistance (R) : Le courant et la tension sont en phase. L'opposition au courant est la résistance (R).
Inductance (L) : Le courant est en retard de 90° sur la tension. L'opposition au courant est la réactance inductive (X_L), calculée par X_L = 2 π f * L.
Capacité (C) : Le courant est en avance de 90° sur la tension. L'opposition au courant est la réactance capacitive (X_C), calculée par X_C = 1 / (2 π f * C).
Impédance (Z) : Opposition totale au courant dans un circuit CA, combinant résistance et réactance. Pour un circuit série RC : Z = √(R² + X_C²). Pour un circuit série RL : Z = √(R² + X_L²).
Facteur de Puissance : Rapport entre la puissance réelle (active) et la puissance apparente. Il est égal au cosinus du déphasage entre la tension et le courant. Un circuit purement résistif a un facteur de puissance de 1 (unité). Un circuit purement inductif a un facteur de puissance de 0 (retard). Un circuit purement capacitif a un facteur de puissance de 0 (avance).
Transformateurs : Dispositifs qui transfèrent l'énergie électrique entre deux circuits par induction électromagnétique. Le rapport de transformation (Np/Ns) détermine la relation entre les tensions et les courants primaire et secondaire : Vp / Vs = Np / Ns et Ip / Is = Ns / Np.

2.4 Semi-Conducteurs

Diodes :
Diode de Redressement : Permet au courant de passer dans un seul sens. Une diode au silicium a une chute de tension directe d'environ 0,7 V, tandis qu'une diode au germanium a une chute d'environ 0,3 V.
Diode Zener : Conçue pour fonctionner en polarisation inverse dans la région de claquage. Elle est utilisée pour la régulation de tension.
Redresseurs : Circuits qui convertissent le CA en CC pulsé. Un redresseur demi-onde produit une impulsion par cycle, donc sa fréquence de sortie est égale à la fréquence d'entrée. Un redresseur pleine onde produit deux impulsions par cycle, donc sa fréquence de sortie est le double de la fréquence d'entrée.

Transistors :
Région Active (Linéaire) : Pour un transistor bipolaire, la jonction base-émetteur est polarisée en direct et la jonction base-collecteur est polarisée en inverse. C'est la condition pour l'amplification.
Amplificateur à Émetteur Commun : Configuration d'amplificateur de base. La tension de sortie est déphasée de 180° par rapport à la tension d'entrée. Le gain en tension est approximativement Av ≈ Rc / Re.
Amplificateurs Opérationnels (Amplis-Op) :
Configuration Inverseuse : Le signal d'entrée est appliqué à la borne inverseuse (-). Le gain en tension est donné par Av = -Rf / Rin, où Rf est la résistance de contre-réaction et Rin la résistance d'entrée.

2.5 Circuits Logiques Numériques

Portes Logiques de Base :

ET (AND) : La sortie est HAUTE (1) seulement si toutes les entrées sont HAUTES. Expression booléenne : Y = A * B.
OU (OR) : La sortie est HAUTE (1) si au moins une entrée est HAUTE. Expression booléenne : Y = A + B.
NON (NOT) : Inverse l'entrée. Si l'entrée est HAUTE, la sortie est BASSE (0). Expression booléenne : Y = A'.
NON-ET (NAND) : Équivalent à une porte ET suivie d'une porte NON.
NON-OU (NOR) : Équivalent à une porte OU suivie d'une porte NON.
OU-Exclusif (XOR) : La sortie est HAUTE (1) seulement si les entrées sont différentes. Expression booléenne : Y = A ⊕ B.
Bascules (Flip-Flops) : Circuits séquentiels capables de stocker un bit d'information.
Bascule SR : Entrées Set (S) et Reset (R). S=1, R=0 met la sortie Q à 1. S=0, R=1 remet Q à 0.
Bascule JK : Entrées J et K. J=1, K=1 fait basculer (toggle) la sortie Q.
Bascule D : Entrée de données D. Sur le front actif de l'horloge, la sortie Q prend la valeur de l'entrée D.
Circuits Combinatoires :
Demi-Additionneur : Additionne deux bits et produit une somme (Sum) et une retenue (Carry).
Additionneur Complet : Additionne deux bits et une retenue d'entrée (Carry-in) pour produire une somme et une retenue de sortie (Carry-out).
Multiplexeur (MUX) : Achemine une seule entrée de données parmi plusieurs vers une sortie unique, en fonction des lignes de sélection.
Démultiplexeur (DEMUX) : Achemine une seule entrée de données vers l'une des plusieurs sorties, en fonction des lignes de sélection.
Décodeur : Convertit une entrée codée (ex : binaire) en une sortie décodée (ex : une seule ligne active).
Codeur : Convertit une entrée (ex : une seule ligne active) en une sortie codée (ex : binaire).
Circuits Séquentiels :
Compteur : Circuit construit avec des bascules qui compte le nombre d'impulsions d'horloge. Un compteur binaire 4 bits peut compter de 0 à 15.
Registre à Décalage : Circuit séquentiel qui décale les bits de données d'une position vers la gauche ou la droite à chaque impulsion d'horloge.
Mémoires :
RAM (Random Access Memory) : Mémoire volatile qui peut être lue et écrite. Stocke les données temporairement.
ROM (Read-Only Memory) : Mémoire non volatile qui stocke les données de façon permanente. Ne peut généralement pas être modifiée.
Afficheurs : Un afficheur 7 segments est généralement piloté par un décodeur BCD vers 7 segments.
Convertisseurs :
Convertisseur Analogique-Numérique (CAN ou ADC) : Convertit un signal analogique continu en une représentation numérique discrète.
Convertisseur Numérique-Analogique (CNA ou DAC) : Convertit un code numérique en un signal analogique continu.

2.6 Circuits Intégrés Spécialisés

Temporisateur 555 :
Mode Monostable : Produit une seule impulsion de sortie de durée fixe lorsqu'il est déclenché.
Mode Astable : Produit une onde carrée continue en sortie (oscillateur).

3. Formules, Règles et Procédures Importantes

Loi d'Ohm : I = V / R, V = I * R, R = V / I
Puissance : P = V I, P = I² R, P = V² / R
Résistances en Série : R_total = R1 + R2 + ... + Rn
Résistances en Parallèle : 1 / R_total = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
Condensateurs en Série : 1 / C_total = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn
Condensateurs en Parallèle : C_total = C1 + C2 + ... + Cn
Inductances en Série : L_total = L1 + L2 + ... + Ln
Période : T = 1 / f
Tension de Crête : V_crête = V_RMS * √2
Réactance Inductive : X_L = 2 π f * L
Réactance Capacitive : X_C = 1 / (2 π f * C)
Impédance (Série RC) : Z = √(R² + X_C²)
Impédance (Série RL) : Z = √(R² + X_L²)
Constante de Temps RC : τ = R * C

Constante de Temps RL : τ = L / R
Transformateur (Tension) : Vp / Vs = Np / Ns
Transformateur (Courant) : Ip / Is = Ns / Np
Gain Ampli-Op Inverseur : Av = -Rf / Rin
Gain Amplificateur Émetteur Commun : Av ≈ Rc / Re

4. Relations entre les Concepts

Loi d'Ohm et Puissance : La loi d'Ohm et la formule de la puissance sont fondamentalement liées. Connaître deux des quatre variables (V, I, R, P) permet de calculer les deux autres.
Circuits Série et Parallèle : La compréhension de la distribution du courant et de la tension dans les circuits série et parallèle est essentielle pour analyser des circuits plus complexes. Les lois de Kirchhoff sont les outils pour effectuer cette analyse.
CA vs CC : Les composants passifs (R, L, C) se comportent différemment en CA et en CC. En CC, après le régime transitoire, une inductance se comporte comme un court-circuit et un condensateur comme un circuit ouvert. En CA, leur opposition au courant dépend de la fréquence.
Semi-Conducteurs et Circuits : Les diodes et les transistors sont les éléments de base des circuits de redressement, d'amplification et de commutation. Les amplificateurs opérationnels sont des circuits intégrés qui utilisent des transistors pour réaliser des fonctions de traitement du signal.
Logique Numérique et Systèmes : Les portes logiques sont les éléments de base des circuits numériques combinatoires (additionneurs, multiplexeurs) et séquentiels (bascules, compteurs, registres). Ces circuits sont à la base des systèmes numériques complexes comme les microprocesseurs et les mémoires.
Fréquence et Réactance : La relation entre la fréquence et la réactance (inductive et capacitive) est cruciale pour comprendre le comportement des circuits CA, notamment dans les systèmes d'alimentation des aéronefs qui utilisent souvent du 400 Hz.

Chapitre 3 : Principes électriques — Circuits CC/CA, composants et mesures