Montrez vos bobines

49
30
nov.
2016
Matériel

Même pour un circuit numérique, il y a une dose d’électronique d’analogique. « Malheureusement », penseront certain. Voyons les bobines, selves ou inductances.

Une bobine est un dipôle, qui n’a pas de sens de branchement. Sa grandeur principale se mesure en henry (H), dont le nom est hérité du physicien américain Joseph Henry. Elle va de quelques picohenry (pH), à quelques henry (H). La petite équation est U = L × ∂i/∂t.

tores

u(t) = L \cdot \frac {di(t)}{dt}

Pour se rappeler de l’équation, il suffit de se souvenir que des personnes se sont amusées à brancher des bobines sur le secteur, par exemple, un transformateur 5 V mis à l’envers (un transformateur est composé de deux bobines ou plus, qui partagent leur champ magnétique). Ils sont morts en débranchant le système, ce qui provoque un énorme arc électrique. En effet, le courant passe d’une valeur fixe à zéro en une fraction de seconde, la dérivée du courant est très grande, ce qui produit une très grande tension qui fait « claquer » l’air, c’est‐à‐dire que, comme pour un éclair, l’air devient conducteur (à partir de 3,6 kV/mm sous air sec, moins avec de l’humidité ambiante).

On peut remarquer que si un condensateur « intègre », une bobine « dérive » le courant. Il y a une dualité entre les deux composants.

Les bobines sont composées d’enroulement d’un fil, autour d’un cœur. La valeur d’inductance dépend du nombre de spires (de tours de fils) et de la matière du cœur.

L’enroulement est fait en fils de cuivre, moins résistant électriquement que l’aluminium. Si le fil est fin et avec beaucoup de spires, la résistance série parasite n’est plus négligeable.

Le matériau magnétique permet d’augmenter L, l’inductance, sans augmenter le nombre de spires, par rapport à une bobine « à air ». Mais au contraire de l’air, ces matériaux « saturent ». Arrivé à un certain niveau de courant électrique, la valeur L s’écroule, et la bobine se comporte comme une simple résistance. Les bobines à air ne saturent pas, mais sont bien plus grandes, pour avoir la même valeur d’inductance et, évidemment, la résistance série parasite augmente avec la taille de la bobine.

Pour certains circuits de précision, il peut être utile d’utiliser une grosse bobine à air pour pouvoir comparer le résultat avec la bobine définitive plus petite.

Il existe deux formes physiques : le plot ou le tore. Le plot peut être plus facile à placer sur un circuit imprimé, mais il rayonne plus (produit plus de parasites) qu’un tore.

Seule
La self, comme on dit en anglais, de choc ou d’arrêt est un moyen de filtrage de parasites. Un moteur génère toujours des tensions parasites plus ou moins fortes. Même si les alimentations sont séparées, la masse est commune. Or les parasites peuvent aussi passer par là. Mettre une bobine de choc, pour relier les masses évitent d’avoir des réinitialisations intempestives d’un microcontrôleur, par exemple (vécu).

La plus petite en dessous vaut environ 1 € et supporte jusqu’à un courant de 1 A :
2chocs
Deux bobines dites « de chocs », utilisées comme anti‐parasites. (CC-BY 2.0 — auteur : Oskay)

Sur certains câbles, comme les câbles USB, on peut voir un gros bloc plastique, qui a une fonction similaire.

Réservoir d’énergie
Le principe de certaines alimentations à découpage est de générer un signal carré, dont la valeur moyenne est la tension recherchée. Ce genre d’alimentation utilise le fait que les transistors MOS ne consomment presque pas d’énergie, quand ils sont passants ou saturés.

Ensuite, il faut filtrer la sortie pour ne récupérer que cette moyenne, ou la « très basse fréquence », qui est la tension recherchée. Si l’on filtre avec un classique filtre RC, une grosse partie de l’énergie partira en chaleur dans la résistance. Un filtre LC filtre sans dissiper l’énergie (hors résistance série parasite). Les deux éléments L et C stockent l’énergie à des moments différents.

Il est question d’éléments de puissance, les fils de la bobine doivent être assez gros pour limiter les pertes ohmiques.

tores
Bobine torique utilisée comme réserve d’énergie. (CC-BY 2.0 — auteur : Oskay)

Sur l’image, le fil est doublé pour diminuer la résistance.

J’ai peu utilisé les bobines, en dehors des bobines de choc et d’une alimentation à découpage. C’est le seul composant qui peut se faire à la main, pour avoir le meilleur résultat. Il peut être compliqué de trouver des bons cœurs magnétiques, ou de trouver le câble de 2 mm, protégé par un vernis, typique des applications dans le domaine de puissance qui intéresse un hobbyiste (1 à 100 W). Mais il est plaisant d’avoir sa propre alimentation, à une tension peu commune, pour fournir 6 V sous 20 A pour des servomoteurs branchés sur une batterie 12 V, par exemple.

En conclusion, il faut se rappeler qu’il existe plusieurs sortes de bobines qui peuvent supporter un courant maximum, avant de se transformer en résistance.

Vous pouvez reprendre une activité normale (comme regarder les réseaux sociaux).

  • # Bravo, sujet rafraîchissant

    Posté par . Évalué à 2.

    Merci pour cet article intéressant et original, ça me change du logiciel open source qui m'intéresse habituellement :)

    J'aime bien les illustration de meilleurs résolutions que ce que je voit habituellement en électronique.

  • # Composants faits maison

    Posté par (page perso) . Évalué à 8.

    Il est en fait assez simple de fabriquer des condensateurs et des résistances.

    On peut faire une résistance avec une mine de crayon, plus ou moins longue pour ajuster la valeur.

    On peut faire un condensateur en alternant des couches de matériaux isolant et conducteur, par exemple du papier d'aluminium et du ruban adhésif.

    Mais on le fait moins souvent :)

    • [^] # Re: Composants faits maison

      Posté par . Évalué à 7. Dernière modification le 30/11/16 à 17:00.

      Tout ceci me rappelle une certaine époque où, ado, je bricolais des émetteurs et récepteurs à l'aide de bric et de broc récupérés dans les casses de ferrailleurs. J'ai bricolé des Cohéreurs de Branly https://fr.wikipedia.org/wiki/Coh%C3%A9reur à l'aide de cartouches stylo+limaille de fer+2 épingles, cohéreur qui laissait passer le courant pour faire tinter une sonnerie de téléphone quant, à quelques mètres de distance, je déclenchais une étincelle au moyen d'une bobine de Ruhmkorff bidouillée à partir d'une bobine d'allumage de voiture.
      https://fr.wikipedia.org/wiki/Bobine_de_Ruhmkorff
      Ensuite, je suis passé par le bidouillage de Postes à galène. (Ecouter la radio à l'aide d'un morceau de caillou!)
      https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9cepteur_%C3%A0_cristal
      puis par la découverte des tout nouveaux semi-conducteurs de l'époque, des diodes (en verre!) transparentes au germanium qui me permettaient, avec une self et un condensateur, de monter des récepteurs basiques, sans alimentation. Puis les tout nouveaux transistors et la super-réaction
      https://fr.wikipedia.org/wiki/Circuit_%C3%A0_r%C3%A9action
      ```

  • # Excellente série

    Posté par . Évalué à 7.

    Ca me rappelle une vieille pédale

  • # Verni, le fil de cuivre

    Posté par . Évalué à 7.

    Quand j'étais jeune, je ne comprenais pas le principe de ces fils de cuivres enroulés, que je ne voyais que faisant uniquement court-circuit avec tout ce cuivre bobiné soit-disant en contact… mais j'avais loupé la nuance que c'est du fil de cuivre verni, c'est à dire que les enroulements ne se touchent pas ! C'est une grande différence, qui m'avait valu de faire péter les plombs (au premier sens du terme) à l'époque. Bref, un pourrait théoriquement faire des bobines avec n'importe quel fin gainé.

    • [^] # Re: Verni, le fil de cuivre

      Posté par . Évalué à 6.

      Le plus impressionnant sont les moteurs, qui ont vraiment beaucoup de spires.

      D'ailleurs, pour avoir discuter avec un industriel, il y a tellement de combinaisons et de choix différents possibles, qu'il fabriquait eux-même leurs moteurs. Avoir un "générateur" de moteurs (en fonction de paramètre de puissance, consommation, latence, etc….) pourrait aider.

      "La première sécurité est la liberté"

      • [^] # Re: Verni, le fil de cuivre

        Posté par . Évalué à 4.

        C'est qui cet industriel qui fabrique des moteurs parce qu'il y a trop de choix, je voudrais l'inviter à un dîner un mercredi soir …

  • # Ressources pour débutants ?

    Posté par . Évalué à 3.

    Bonjour et merci pour cet article,

    J'avoue ne rien comprendre en électricité et en électronique. J'ai beau essayer je ne sais pas pourquoi ça ne rentre pas.

    J'ai acheté des bouquins de vulgarisations, lu des sites, etc. J'ai toujours du mal à comprendre les concepts de base comme la tension, l'intensité, l'inductance, la résistance, etc.

    Je comprends la plupart du temps les équations qui sont assez simples (j'ai pas un gros niveau en maths non plus) mais je n'arrive pas à me représenter ce que cela fait physiquement.

    Les analogies avec l'eau ne m'aide pas toujours à comprendre, car je sais bien que les électrons ne se déplacent pas comme l'eau…

    Tout ça pour dire que si vous connaissez de bonnes ressources qui permettent à un grand débutant comme moi d'appréhender l'électronique (et l'électricité en général), je vous en serai reconnaissant. :)

    Merci !

    • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

      Posté par . Évalué à 4.

      A part dire que la tension est l'équivalent de la hauteur d'une chute d'eau, que l'intensité est un débit, qu'une résistance est un milieu qui "résiste" au déplacement des charges, que le condensateur stock l'énergie sous forme de charge électrique, alors qu'une bobine la stock sous forme de champ magnétique, non, je n'ai pas plus de sources pour débutant.

      "La première sécurité est la liberté"

    • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

      Posté par (page perso) . Évalué à 10.

      En tant que professeur certifié d'électronique, mais avant tout passionné depuis le plus jeune âge par cette discipline qui exploite des phénomènes physiques ô combien mystérieux, je suis sensible à ce témoignage.

      D'abord, un constat : même si elles m'ont beaucoup apporté, la plupart des revues traitant d'électronique que j'ai pu lire gamin (j'ai commencé très tôt) ne m'ont pas fourni toutes les connaissances nécessaires pour concevoir moi-même mes propres circuits. Quelque part, il faut reconnaître que ce n'était pas leur but. Ces revues proposaient essentiellement des montages de plus ou moins haut niveau accompagnés d'explications plus ou moins détaillées et accessibles, et un peu de veille technologique mais pas de véritables cours. Pour des cours d'électronique, il y avait des livres et des professeurs d'électronique.

      Aujourd'hui, la plupart des revues que je lisais ont disparu (toutes ?). Les professeurs d'électronique ou de physique appliquée qui enseignaient au lycée, de la première au BTS, ont été reconvertis suite à la réforme STI2D. Il n'y a plus d'électricité aux programmes de sciences physiques du lycée. J'ignore qui enseigne encore l'électronique ou la physique appliquée aujourd'hui et quels sont les ouvrages qui font référence actuellement. Je ne saurais donc te recommander une piste…

      L'analogie avec l'eau ne m'a jamais aidé à comprendre un circuit car l'image de la colonne d'eau percée en différentes hauteurs montre un circuit ouvert, donc très éloigné d'un circuit électrique qui lui n'a pas de fuites (sinon, ce n'est pas un circuit).

      Je pense que plutôt que de commencer avec le concept de potentiel ou de tension, il faut commencer par établir clairement dans la tête des débutants le concept de courant électrique : mouvement d'ensemble de porteurs de charges (qu'importe leur nature dans un premier temps). Disons qu'entre deux nœuds d'un circuit, les porteurs ne peuvent se déplacer que si leurs voisins se déplacent aussi, il faut donc un mouvement d'ensemble et ils se déplacent tous à la même vitesse. On en déduit intuitivement les notions d'intensité du courant et la loi des nœuds. Du coup, on sait aussi comment brancher un ampèremètre.

      Ensuite, se poser des questions :

      • « Qu'est-ce qui met les porteurs en mouvement ? » Une force électromotrice (on peut prendre le terme au pied de la lettre : force qui met les électrons en mouvement) qui est créée par les alternateurs par exemple. C'est la tension.

      • « Pourquoi, pour une force donnée qui devrait théoriquement accélérer sans cesse les porteurs, le courant se limite-t-il à une certaine valeur ? » Parce que les porteurs rencontrent des obstacles. Si on veut qu'il en passe plus chaque seconde, il faut les pousser plus fort. C'est la résistance électrique, et la loi d'Ohm. En même temps, les passages des obstacles créent de la chaleur, c'est l'effet Joule.

      • « Pourquoi les porteurs s'accélèrent (et ralentissent) plus ou moins rapidement ? » À cause de leur inertie et aussi parce que leur mouvement est lié à autre chose qu'ils entraînent, et qui les entraîne en retour (champ magnétique, induction). C'est les bobines dont il est question dans cet article.

      • « Peut-on stocker les charges quelque part ? » Oui, dans un condensateur les charges peuvent s'accumuler à l'interface entre une paroi conductrice et un isolant. Comme les charges sont polarisées, elles se repoussent (loi de Coulomb) et au fur et à mesure qu'elles s'accumulent sur une paroi, elles repoussent de plus en plus fortement celles qui sont de l'autre côté de l'isolant. Cela crée un champ électrique capable de mettre en mouvement les charges (capable -> potentiel). La tension aux bornes d'un condensateur croît proportionnellement à sa charge.

      « J'ai pas Word, j'ai pas Windows, et j'ai pas la télé ! »

      • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

        Posté par . Évalué à 1.

        Merci beaucoup pour votre réponse.

        Je ne l'avais pas vu avant, il y a-t-il un moyen de recevoir des notifications quand quelqu'un répond à un commentaire ?

        Pour comprendre l'électronique, j'avais acheté "l’électronique rien de plus simple" c'était sous forme de BD, je me suis dis que c'était fait pour moi. Malheureusement, le bouquin commence en disant "l'électronique commence là où la loi d'ohm s'arrête". Pas de mon niveau…

        Puis j'ai aussi acheté "mes premiers pas en électronique", plutôt axé pratique avec plein de schémas et des petits circuits à réaliser.

        J'ai compris pas mal de choses sur le plan pratique.

        Je sais lire un schéma, le refaire avec mes composants, choisir la bonne résistance, etc.
        J'ai même réalisé des trucs un peu complexes qui fonctionnent, genre ça : http://holdenc.altervista.org/avalanche/

        Mais je me sens toujours aussi démuni quand il s'agit de comprendre réellement ce qu'il se passe. Les électrons ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière ? Comment peuvent-ils s’accélérer ?

        Puis quand on se met à lire des articles Wikipédia sur le sujet, bonjour la cata !

        Bon, je vais relire patiemment tout ce qui est écris.

        En tout cas, merci encore pour votre réponse. J'avais noté d'autres questions que je me posais sur l'électronique, j'hésiterai pas à demander si je les retrouve.

        • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

          Posté par (page perso) . Évalué à 1.

          Les électrons ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière ? Comment peuvent-ils s’accélérer ?

          Non, les électrons ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière (il me semble que leur vitesse est de l'ordre de quelques mm/s dans le cuivre). Le phénomène qui atteint des vitesses très élevées, c'est l'onde associée au déplacement.

          Imagine un anneau de billes liées les unes aux autres par des ressorts durs. Communique un mouvement à l'une des billes. L'ensemble va se mettre en mouvement presque instantanément (car l'onde du déplacement se propage très vite) mais pas forcément à grande vitesse.

          On peut se tutoyer.

          « J'ai pas Word, j'ai pas Windows, et j'ai pas la télé ! »

          • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

            Posté par (page perso) . Évalué à 1.

            Si mes souvenirs sont bons c'est 133 cm/h dans le cuivre la vitesse de déplacement des électrons.

            Les mouvements des électrons dans le cuivre sont aussi des déplacements d'électrons, le courant continu (A ne pas confondre avec le courant alternatif qui lui propage une vibration moyenne d'électrons).
            Ce sont les électrons libres qui le permettent. Leur déplacement est un mouvement brownien dans la structure (nuage d'électrons des atomes), et nous observons donc une vitesse moyenne.
            Il faut remarquer qu'a cause de ce mouvement brownien, sur le nombre, tous les électrons ne vont pas dans le même sens. C'est la grande majorité qui va dans le sens du courant, une petite minorité va à contre courant c'est l'effet tunnel. Quand ils vont tous dans le même sens c'est l'état supraconducteur.
            Après c'est la structure atomique qui favorise ou pas le passage dans un sens ou dans l'autre.

            Le dégagement de chaleur correspond effectivement aux contacts des électrons avec les atomes, donc à une perte de leur énergie cinétique (vitesse de déplacement transformée en mouvement de la structure des atomes). Cette interaction augmente la vibration des structures d'atomes = chaleur. La chaleur est fonction de l'amplitude de vibration de la structure atomique.
            Cette perte d'énergie cinétique peut aussi perturber les atomes dans la structure des électrons qui gravitent autour d'eux, et c'est l'émission de lumière avec des particules photons.
            Si l'amplitude de la vibration augmente trop c'est la désolidarisation des atomes. Nous avons alors un liquide. Le composant fond :-)
            Le rôle d'un radiateur thermique c'est d'être un amortisseur de cette vibration en dissipant cette énergie de mouvement dans l'air, qui est un gaz, ou l'eau.

            Dans un semi conducteur les électrons passent à une fraction de la vitesse de la lumière.
            Et pour le même courant (quantité d'électrons par unité de surface et par seconde) il sont bien plus nombreux sur la même quantité de surface de passage qu'avec le cuivre (Si on diminue la surface il faut augmenter le nombre d'électrons pour avoir le même courant)).
            C'est pour cela que les semi-conducteurs (npn ou pnp) chauffent plus avec plus de chocs d'électrons sur la structure atomique pour un courant égal.

            Ces composants fonctionnent suivant le principe de la percolation. C'est à dire, comme pour le cmos, nous avons des capacités au niveau des jonctions (NP et PN par exemple). le fait de faire passer des électrons dans la jonction PN qui est passante au départ (suivant le phénomène bien expliqué de la capacité. C'est l’événement transitoire, l'établissement du fonctionnement comme pour la mise sous tension d'un montage électronique). Cela change la structure électronique et créé des passages d'électrons par le nuage d'électrons des atomes. C'est le niveau de la mer qui baisse et permet le passage à pied entre des îles. Donc l'écoulement des électrons dans ces composants fait chauffer entre la base et l'émetteur et entre la base et le collecteur
            Etc.

            L'électricité et l'électronique, c'est l'art de jongler entre le déplacement et le mouvement des électrons grâce à la structure atomique et à son état :-)

            • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

              Posté par (page perso) . Évalué à 2.

              Ça faisait bien longtemps que je n'avais pas lu un article du BUP. Merci !

              Je vois qu'il s'agit d'une reprise d'un article de 1961 paru dans la Revue générale d'électronique. Je n'ai pas connu cette revue. Était-ce une revue grand public pour aborder ce type de sujet ?

              J'aime bien le terme « ébranlement » pour désigner ce qui se propage à grande vitesse et le distinguer du mouvement des électrons. On comprend tout de suite de quoi on parle et ça fait moins peur que « onde ».

              En revanche, je ne suis pas tout à fait convaincu par la partie sur le courant alternatif qui ne serait pas un mouvement de va-et-vient des électrons.

              Pour une fréquence de 50 Hz, l'amplitude des oscillations est A = 1,66⋅10-6 m. Bien sûr, à notre échelle, c'est peanuts. Mais rapporté à l'échelle atomique, ça fait quand même du chemin.

              À 50 MHz, A = 1,66⋅10-12 m. Là, d'accord, même à l'échelle atomique on va avoir du mal à parler de mouvement. Mais alors, sans mouvement, peut-on encore parler de « courant » ?

              « J'ai pas Word, j'ai pas Windows, et j'ai pas la télé ! »

    • [^] # Re: Ressources pour débutants ?

      Posté par . Évalué à 2.

      Il faut dire que connaitre les analogies et les formules n'aide pas vraiment à comprendre l'électronique, car de toute façon on ne sait pas quoi faire de tout ça. D'ailleurs les formules ne servent souvent qu'à déterminer les valeurs des composants, une fois le schéma fait.
      Ce qui compte, c'est connaître les composants de base mais surtout toute une gamme de schémas de base. Ensuite analyser des schémas de plus en plus complexes, et essayer de retrouver les schémas de base dans ceux-ci, afin de voir comment tout cela se combine. Mais c'est très difficile de faire ça tout seul dans son coin sans personne pour expliquer et répondre aux questions qu'on se pose.

      Comme pour passer la licence de radioamateur il faut connaître un peu la technique, les sites de radioamateurs comme radioamateur.org ont souvent des cours, mais ça dérive vite vers la radio.

Suivre le flux des commentaires

Note : les commentaires appartiennent à ceux qui les ont postés. Nous n'en sommes pas responsables.