Introduction
Les signaux électriques et les capteurs sont partout autour de nous dans notre vie quotidienne. De l’éclairage de nos maisons aux smartphones, des véhicules aux appareils médicaux, ils jouent un rôle crucial dans le fonctionnement de nombreux dispositifs. Les capteurs convertissent les variations physiques en signaux électriques qui peuvent être mesurés, traités et interprétés par des systèmes électroniques.
Dans ce cours, nous allons étudier les lois de base des circuits électriques, comprendre comment les capteurs fonctionnent et apprendre à exploiter les signaux électriques.
Partie 1 : Les lois des circuits électriques
1.1 Loi des nœuds
La loi des nœuds, aussi connue sous le nom de loi de Kirchhoff pour les courants, établit qu’à un nœud d’un circuit électrique, la somme des courants entrants est égale à la somme des courants sortants.
Cette loi est une conséquence directe de la conservation de la charge électrique.
1.2 Loi des mailles
En électricité, une maille d’un circuit est un chemin fermé, qui ne passe pas deux fois par le même point, formé en suivant les fils conducteurs du circuit. C’est une boucle du circuit électrique.
La loi des mailles, ou loi de Kirchhoff pour les tensions, stipule que la somme des différences de potentiel (la somme algébrique des tensions) le long d’une maille d’un circuit électronique est nulle.
Uab + Ubc + Ucd = Uad ou
Uab + Ubc + Ucd + Uda = 0
Car : Uxy = – Uyx
Partie 2 : Les caractéristiques tension-courant d’un dipôle
La caractéristique tension-courant d’un dipôle électrique est une courbe qui représente la relation entre la tension à ses bornes et le courant qui le traverse. Cette courbe permet de déterminer le point de fonctionnement d’un dipôle et peut souvent être modélisée par une relation mathématique simple.
Partie 3 : La loi d’Ohm et les dipôles ohmiques
3.1 Résistance et systèmes à comportement de type ohmique
Un système est dit ohmique si la tension à ses bornes est proportionnelle au courant qui le traverse. Cette proportionnalité est décrite par la loi d’Ohm.
3.2 La loi d’Ohm
La loi d’Ohm stipule que le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la tension entre ces deux points. Cette loi est exprimée mathématiquement par la formule U = R*I où U est la tension, R est la résistance et I est le courant.
Partie 4 : Les capteurs électriques
Un capteur électrique est un dispositif qui convertit une grandeur physique (comme la température, la pression, la lumière, etc.) en un signal électrique. Ces capteurs sont omniprésents dans notre vie quotidienne, des thermostats de nos maisons aux capteurs de pression de nos voitures.
4.1 Les catégories de capteurs
4.1.1. Les résistances
Une résistance est un composant passif utilisé pour créer une résistance (opposition) au passage du courant électrique dans un circuit. En modifiant la résistance, on peut contrôler la quantité de courant qui circule dans un circuit.
4.1.2. Capteurs résistifs
Les capteurs résistifs sont des types de capteurs qui utilisent la variation de la résistance électrique pour détecter des changements dans une condition physique, comme la température, la pression, ou l’humidité. Un exemple de capteur résistif est la thermistance, qui change de résistance en fonction de la température.
4.1.3. Photodiodes
Les photodiodes sont des capteurs de lumière. Elles fonctionnent en convertissant la lumière en un courant électrique. Plus il y a de lumière qui frappe la photodiode, plus le courant électrique qu’elle produit est important.
4.2. Courbe d’étalonnage
La courbe d’étalonnage est un outil indispensable pour comprendre le comportement d’un capteur. Elle illustre la relation entre la sortie du capteur (souvent une tension) et la grandeur physique mesurée. La forme de cette courbe dépend du type de capteur et peut nécessiter une correction ou un ajustement pour obtenir une mesure précise.
4.3. Signaux analogiques et numériques
4.3.1. Signal analogique
Un signal analogique est un signal continu qui varie dans le temps et peut prendre n’importe quelle valeur dans un certain intervalle. La plupart des grandeurs physiques sont de nature analogique.
4.3.2. Signal numérique
Un signal numérique est un signal qui varie par paliers. Chaque palier correspond à une valeur numérique discrète.
4.3.3. La numérisation
La numérisation est le processus de conversion d’un signal analogique en un signal numérique. Cela comprend trois étapes principales : l’échantillonnage, la quantification et le codage.
4.3.4. L’échantillonnage
L’échantillonnage est le processus par lequel on mesure la valeur d’un signal analogique à intervalles réguliers de temps. C’est un peu comme prendre une photographie instantanée du signal à chaque intervalle. Cela donne une série de points qui représentent le signal à différents moments. L’échantillonnage est caractérisé par sa fréquence, c’est-à-dire le nombre d’échantillons prélevés par unité de temps. Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, plus la représentation numérique du signal est précise.
4.3.5. Quantification
Après l’échantillonnage, nous avons une série de valeurs continues. Cependant, les ordinateurs et autres appareils numériques ne peuvent travailler qu’avec des valeurs discrètes (par exemple, des nombres entiers ou des nombres à virgule flottante). La quantification est le processus qui transforme ces valeurs continues en valeurs discrètes. Il s’agit de « rondir » chaque valeur échantillonnée à la valeur discrète la plus proche.
Par exemple, si nous avons un système de quantification qui utilise des nombres entiers de 0 à 255, une valeur échantillonnée de 127.4 serait arrondie à 127, tandis qu’une valeur de 127.6 serait arrondie à 128.
4.3.6. Codage
Le codage est le processus de représentation des valeurs quantifiées en une forme standardisée qui peut être traitée par des systèmes numériques. Par exemple, dans un système binaire, les valeurs peuvent être codées en séquences de bits (0s et 1s). Le codage peut également impliquer le regroupement des valeurs en paquets ou en cadres, avec des informations supplémentaires telles que des bits de synchronisation, des bits de parité pour la détection d’erreurs, etc. Par exemple, une valeur quantifiée de 128 pourrait être codée en binaire comme 10000000.
C’est ainsi que les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques. Ce processus est essentiel dans de nombreux domaines, y compris l’audio et la vidéo numériques, les télécommunications, la mesure et le contrôle, et bien d’autres.
4.3.7. Conversion analogique-numérique (CAN)
La conversion analogique-numérique (CAN) est le processus de conversion d’un signal analogique en un signal numérique.
4.4. Les microcontrôleurs
Un microcontrôleur est un petit ordinateur sur une seule puce intégrée. Il contient un processeur, de la mémoire et des entrées/sorties programmables. Selon les besoins, un microcontrôleur peut fournir une tension et mesurer une tension. Ils sont largement utilisés dans les systèmes embarqués pour le contrôle de systèmes ou de processus. Dans le contexte des capteurs, ils peuvent être utilisés pour lire des valeurs de capteurs, effectuer des calculs et contrôler d’autres parties du système en fonction de ces valeurs.