Comprendre les Résistances : Le Guide Complet (2/2)

Bienvenue dans le troisième article de la série « Fondations » et la deuxième partie de notre article sur les résistances. Dans la première partie, nous nous somme plus concentrés sur l’anatomie et le fonctionnement de ces composante. Ici, nous allons nous intéressés plutôt à leurs utilisations ! Nous avons vu que les résistances se présentent sous une variété de formes et de valeurs, chacune adaptée à des besoins spécifiques. Toutefois, lorsqu’on réalise un projet électronique et que l’on a besoin d’utiliser une résistance, il existe plusieurs familles principales de résistances, chacune remplissant une fonction précise, telles que les résistances statiques, les résistances variables, les varistances, les photo-résistances, les potentiomètres et les rhéostats, etc.

Type de Résistances

Au début, comprendre chacune de ces familles peut sembler intimidant, mais ne vous inquiétez pas. Dans cet article, nous allons simplement les survoler pour que vous puissiez avoir une compréhension préliminaire de leur rôle dans nos futurs montages. Pour des détails techniques plus approfondis, je préfère adopter une approche plus pratique où la compréhension passera plutôt par l’expérimentation et la réalisation de projets.

Au premier niveau, nous avons la famille des résistances linéaires et la famille des résistances non linéaires. Leur différence réside dans leurs comportements dans un circuit et non dans la forme de leur broches.

Résistance Linaires

La valeur R suit une relation proportionnelle entre la tension (U) aux bornes du composant et le courant (I) qui le traverse. Mathématiquement, cela s’exprime comme : u(t) = R \cdot i(t), avec U et I pouvant évoluer dans le temps, mais R reste constante. Parmi celles-ce on trouve:

• les résistances statiques: composants dont la valeur de résistance est fixé d’avance par le constructeur comme les fameuses résistance axiales

Les résistances variables dont la valeur est choisis par l’utilisateur. Il en existe trois principales:

• le potentiomètre un type de résistance variable avec trois bornes. Il se compose d’un élément résistif connecté entre deux bornes, avec la troisième borne reliée à un contact coulissant appelé curseur (wiper en anglais). Ce curseur se déplace le long de l’élément résistif, permettant au potentiomètre de fonctionner comme un diviseur de tension à résistance variable. En ajustant la position du curseur, le rapport de résistance entre les deux parties de l’élément résistif peut être contrôlé, ce qui affecte la tension de sortie du potentiomètre. Les potentiomètres sont couramment utilisés dans diverses industries et applications pour des tâches telles que des entrées utilisateurs de contrôle, la mesure de position et encore la calibration.

• Le rhéostat est un type de résistance variable utilisé dans les circuits électriques pour ajuster et contrôler le courant circulant à travers le circuit. La différence entre un rhéostat et un potentiomètre réside dans l’utilisation de leurs bornes : les potentiomètres utilisent trois bornes, tandis que les rhéostats n’utilisent que deux bornes. Les rhéostats régulent principalement le flux de courant, tandis que les potentiomètres divisent la tension. Bien que les potentiomètres aient largement remplacé les rhéostats dans les applications commerciales et industrielles, les rhéostats sont encore utilisés dans des domaines spécifiques tels que les équipements médicaux.

• les résistances ajustables, ou trimmer en anglais, est une résistance qui peut être réglée sur une valeur précise en tournant une vis. Ces résistances sont couramment utilisées pour l’étalonnage dans des circuits tels que les amplificateurs et les radios afin d’assurer des performances optimales du circuit. Comme les potentiomètres, les résistances ajustables ont généralement trois bornes. Les résistances ajustables sont couramment utilisées dans des applications où des ajustements sont nécessaires pendant la production ou pour compenser les tolérances de fabrication au cours de la durée de vie du produit.

Résistance Non Linéaire

Comme son nom l’indique, leurs caractéristiques tension-courant sont donc non linéaires. Cela signifie que la relation U-I varie de manière non proportionnelle, c’est-à-dire que le R dans la loi d’Ohm vue précédemment n’est pas une constante durant une utilisation typique. Parmi celles-ci on trouve:

• Thermistance: Un thermistance est une résistance dont la valeur varie avec la température. Il existe deux principaux types de thermistances : celle à Coefficient de Température Négatif (ou NTC, leur résistance diminue avec l’augmentation de la température) et celle à Coefficient de Température Positif (ou PTC, leur résistance augmente avec la température). Les thermistances sont couramment utilisées dans diverses applications telles que les thermomètres numériques, les capteurs de température dans les voiture, les fours ou encore les réfrigérateurs.

• Photo-résistance: c’est une résistance dont la valeur dépend de son exposition à la lumière, leur résistance diminue lorsque l’intensité lumineuse incidente augmente. Dans la pratique, en l’absence de lumière, une photo-résistance peut avoir une résistance élevée de plusieurs mégaohms, tandis qu’en présence de lumière, sa résistance peut chuter à seulement quelques centaines d’ohms. Les photo-résistances sont couramment utilisées dans les circuits détecteurs de lumière, les circuits de commutation activés par la lumière comme les lampadaires.

• Varistance: Un varistance, abrégé de l’anglais voltage dependent resistor (VDR), est un type de résistance dont la valeur varie en fonction de la tension qui lui est appliquée. Les varistances sont utilisées par exemple pour protéger les circuits contre les surtensions causées par des événements tels que les coups de foudre ou les décharges électrostatiques. Lorsqu’elles sont exposées à des transitoires élevés de tension, leur résistance augmentent et limite ainsi la tension à un niveau sûr, protégeant les autres composants en absorbant et dissipant l’excès d’énergie sous forme de chaleur.

• Magnéto-résistance est une résistance dont la valeur varie en présence d’un champ magnétique. Elle est utilisé pour déterminer la force et la direction d’un champ magnétique. Lorsque le champ magnétique augmente, la résistance augmente également. Les magnéto-résistances trouvent des applications dans divers domaines tels que les disques durs des ordinateurs, les boussoles électroniques et les dispositifs de mesure de courant en raison de leur capacité à détecter et à réagir avec précision aux champs magnétiques.

Récap

Un peu perdu dans toutes ces variantes

Rien ne vaut un petit schéma pour résumer tout ça:

Symbole

Dans les schémas électroniques, les résistances sont représentées par différents symboles selon le type de résistance. Comme dans presque toutes les domaines techniques, il existe une convention américaine et une convention européenne…

Les symboles de résistance les plus couramment utilisés dans la conception électronique comprennent :

Utilisations Typiques

Pour les composants résistifs non linéaires, tels que les varistances, la magnéto-résistance, la photo-résistance et la thermistance, c’est très simple… Il sont utilisés pour fournir des fonctionnalités spécifiques en rapport avec leur nom (détection des variations de température, de tension, de champ magnétique ou de luminosité). En ce qui concerne les résistances statiques, leur fonction dans un circuit donné dépend largement de leur configuratiode montage. Cependant, on distingue quatre montages principaux:

Limitations de Courant

Il s’agit ici du schéma le plus basique. Une résistance peut être utilisée dans une configuration de limitation de courant en l’ajoutant en série à un circuit pour contrôler la quantité de courant circulant à travers le circuit. En sélectionnant des résistances avec des valeurs de résistance spécifiques, il est possible d’atteindre la limitation de courant souhaitée.

L’éxemple le plus typique et celui de la protéction d’une LED. Pour prévenir les dommages d’une LED causés par un courant excessif, on choisit une résistance en série pour limiter le courant conformément aux spécifications du fabricant, sinon, la LED risque de cramer

Pour choisir la valeur de la résistance, vous devrez prendre en compte les spécifications à la fois de la LED et de la source d’alimentation (comme une batterie) :

1. Trouver la tension directe de la LED (V_f) :
   • Consultez la fiche technique de la LED mais elle est généralement comprise entre 1.8 V-3.5 V pour les LEDs standard.
2. Déterminer le courant LED souhaité (I_f) :
   • Consultez la fiche technique de la LED mais typiquement autour de 10-20 mA.
3. Calculer la tension aux bornes de la résistance (V_r) :
   • Soustrayez la tension directe de la LED de la tension d’alimentation. Par exemple, si vous utilisez une batterie de 9V et que la LED a une tension directe de 2V, ça laisse V_r = 9V - 2V = 7V.
4. Appliquer la loi d’Ohm pour trouver la valeur de la résistance (R) :
   • Utilisez la loi d’Ohm (V = I \times R) pour calculer la résistance nécessaire.
   • Réarrangez la formule pour résoudre la résistance : R = V_r / I_f.
   • Par exemple, si V_r = 7V et I_f = 20 mA, R = 7V / 0.02A = 350 \Omega.
5. Sélectionner la valeur de résistance standard la plus proche :
   • Choisissez une valeur de résistance qui est la plus proche de la valeur de résistance calculée.
   • Si la valeur calculée n’est pas disponible, sélectionnez la valeur supérieure suivante pour garantir que le courant reste en dessous de la valeur maximale recommandée pour la LED.
6. Enfin, comme discuter la première partie, vérifier la puissance nominale de la résistance :
   • Assurez-vous que la puissance nominale de la résistance est suffisante pour gérer la dissipation de puissance.
   • Utilisez la formule P = V_r \times I_f pour calculer la puissance.
   • Dans notre exemple, P = 7V \times 0,02A = 0,14W. Choisissez donc une résistance avec une puissance nominale supérieure à cette valeur pour éviter la surchauffe.

Diviseur de Tension

Dans une configuration de diviseur de tension, une résistance est utilisée pour créer un circuit qui produit une tension de sortie qui est une fraction de la tension d’entrée. Cette configuration implique de connecter deux résistances en série, avec la tension d’entrée appliquée à travers eux et la tension de sortie prélevée à la connexion entre les résistances.

Un circuit de base pour démontrer l’utilisation d’une résistance dans une configuration de diviseur de tension est un circuit simple avec deux résistances connectées en série à travers une source de tension. Voici comment vous pouvez le configurer :

1. Connectez la borne positive de la source de tension à une extrémité de la résistance R_1.
2. Connectez l’autre extrémité de la résistance R_1 à une extrémité de la résistance R_2.
3. Connectez l’autre extrémité de la résistance R_2 à la borne négative de la source de tension.
4. Mesurez la tension à travers la résistance R_2 pour observer la division de tension.

Comment ça marche :

Lorsqu’une source de tension est connectée à travers la combinaison en série des résistances R_1 et R_2, une fraction de la tension d’entrée est répartie à travers chaque résistance, créant un diviseur de tension. La tension à travers la résistance R_2, désignée comme « Sortie » dans le schéma, peut être calculée en utilisant la formule du diviseur de tension :

V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}

Où :

• V_{\text{out}} est la tension à travers la résistance R_2 (Sortie).
• V_{\text{in}} est la tension d’entrée provenant de la source de tension.
• R_1 est la résistance de la résistance R_1.
• R_2 est la résistance de la résistance R_2.

En choisissant des valeurs appropriées pour les résistances R_1 et R_2, vous pouvez obtenir différents niveaux de tension en sortie. Ce circuit est couramment utilisé dans diverses applications telles que la création de tensions de référence, l’ajustement des niveaux de signal, la mesure des tensions ou encore la lecture de capteurs résistifs tels que les thermistances.

Résistance Pull-up et Pull-down

Pour simplifier, nous nous concentrerons sur les résistances de pull-up car elles sont plus courantes que les résistances de pull-down. Elles fonctionnent selon les mêmes concepts, à la différence que la résistance de pull-up est connectée à la tension élevée (généralement 3,3V ou 5V et est souvent désignée comme V_{cc}) alors que la résistance de pull-down est connectée à la masse.

Dans une configuration de pull-up, une résistance est utilisée dans les circuits logiques pour garantir un niveau logique bien défini au niveau d’une broche cible. Les résistances de pull-up sont connectées entre l’alimentation en tension (par exemple, +5V ou +3.3V) et la broche appropriée cible pour définir la tension d’entrée ou de sortie lorsqu’il n’y a pas de signal de commande. Elles sont cruciales pour éviter les états flottants dans les circuits logiques numériques, où les broches ne sont ni à un niveau logique haut ni bas, évitant ainsi des interprétations imprévisibles par les micro-contrôleurs typiquement.

Le montage typique d’une résistances de pull-up est illustré dans le schéma suivant:

Avec une résistance de pull-up, la broche d’entrée lira un état haut lorsque le bouton n’est pas pressé. En d’autres termes, un faible courant circule entre V_{cc} et la broche d’entrée (pas vers la masse). Ce qui fait que la broche d’entrée lit une tension proche de V_{cc}.

Lorsque le bouton est pressé, il connecte directement la broche d’entrée à la masse. Le courant circule à travers la résistance vers la masse, et donc la broche d’entrée lit un état bas.

La première question qui se pose : quelle valeur de résistance devriez-vous choisir ? Pour faire simple, disons qu’elle doit être au moins 10 fois plus petite que l’impédance de la broche d’entrée pour garantir un fonctionnement correct. Mais nous verrons plus en détails tout cela au moment convenu, l’article est suffisamment long comme ça.

Conclusion

Au terme de cette petite série sur les résistances, vous devriez avoir une meilleure compréhension des différents types de résistances et de leur application dans les circuits électroniques. Que vous travailliez avec des résistances linéaires simples ou que vous expérimentiez avec des composants plus complexes comme les varistances ou les magnéto-résistances, chaque type a son importance spécifique et ses cas d’utilisation propres. Rappelons que les résistances sont des éléments essentiels dans la conception de circuits, aidant à contrôler le courant et la tension à travers les composants, à protéger les circuits contre les surcharges et à fournir les conditions nécessaires pour que les composants actifs fonctionnent correctement.

J’espère que cet article vous aura aidé à clarifier certains principes et vous encouragera à expérimenter vous-même avec ces composants pour voir comment ils affectent le comportement de vos circuits. L’apprentissage par la pratique est, après tout, l’une des meilleures façons de devenir compétent en électronique.

Alors, munissez-vous de votre fer à souder, de quelques résistances, et essayer de reproduire les différents montage de la section Utilisations Typiques!