Ce module fournit les fondements théoriques essentiels pour tous les systèmes électriques des aéronefs. Il couvre les principes de la théorie électronique, de l'électricité statique et les concepts fondamentaux des circuits à courant continu (CC) et à courant alternatif (CA). Une compréhension approfondie de ces principes est essentielle pour le personnel de certification, car elle sous-tend le diagnostic, la réparation et la certification sûrs des installations électriques des aéronefs. Le programme est structuré pour progresser de la structure atomique de base à l'analyse de circuits complexes, garantissant qu'un technicien peut non seulement effectuer des calculs, mais aussi comprendre le comportement physique des composants électriques dans diverses conditions de fonctionnement.
2. Concepts clés expliqués en détail
2.1 Théorie électronique et conducteurs
Toute matière est composée d'atomes, qui consistent en un noyau central (contenant des protons et des neutrons) entouré d'électrons en orbite. Les électrons de la couche la plus externe, appelés électrons de valence, sont faiblement liés et peuvent être facilement déplacés. Le mouvement de ces électrons libres constitue un courant électrique.
Conducteurs : Les matériaux avec un grand nombre d'électrons libres (par exemple, le cuivre, l'aluminium, l'argent) permettent facilement le passage du courant.
Isolants : Les matériaux avec très peu d'électrons libres (par exemple, le caoutchouc, le verre, le PTFE) résistent au passage du courant.
Semi-conducteurs : Les matériaux (par exemple, le silicium, le germanium) dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et des isolants et qui peuvent être précisément contrôlés par dopage.
2.2 Loi d'Ohm et grandeurs électriques
La loi d'Ohm est la relation fondamentale dans les circuits électriques, définissant la relation entre la tension, le courant et la résistance. Elle est la pierre angulaire de toute analyse de circuit et de tout dépannage.
Tension (V) : La différence de potentiel électrique entre deux points, mesurée en volts (V). C'est la « pression » qui pousse les électrons à travers un circuit.
Courant (I) : Le débit de charge électrique, mesuré en ampères (A). C'est le « débit » des électrons.
Résistance (R) : L'opposition au passage du courant, mesurée en ohms (Ω). C'est la « friction » qui entrave le flux.
Formule de la loi d'Ohm :
$$V = I \times R$$
Cette formule peut être réarrangée pour trouver le courant ou la résistance :
$$I = \frac{V}{R}$$
$$R = \frac{V}{I}$$
Application dans les systèmes d'aéronefs : Dans un système à courant continu de 28 V, une charge consommant 10 A à travers un câble avec une résistance totale de 0,1 Ω subira une chute de tension de 1 V (V = 10 A × 0,1 Ω). La tension à la charge sera de 27 V, et non de 28 V complets. Ce principe est essentiel pour comprendre pourquoi les charges peuvent ne pas fonctionner à leur tension nominale et pour diagnostiquer les conditions de sous-tension.
2.3 Résistance, résistivité et calculs de câbles
La résistance d'un conducteur n'est pas arbitraire ; elle dépend de ses propriétés physiques et de ses dimensions. La résistivité (ρ) est une propriété spécifique au matériau qui quantifie la force avec laquelle un matériau s'oppose au passage du courant.
Formule de résistance :
$$R = \rho \times \frac{L}{A}$$
Où :
R = Résistance (Ω)
ρ = Résistivité du matériau (Ω·m)
L = Longueur du conducteur (m)
A = Section transversale du conducteur (m²)
Exemple de calcul : Une tresse de liaison en cuivre avec une section transversale de 2 mm² (2 × 10⁻⁶ m²) et une longueur de 0,5 m a une résistivité de 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m. Sa résistance est calculée comme suit :
$$R = 1,7 \times 10^{-8} \times \frac{0,5}{2 \times 10^{-6}} = 0,00425 \, \Omega$$Cette formule est essentielle pour vérifier l'intégrité des sangles de liaison, calculer les chutes de tension dans les longs câbles, et comprendre pourquoi la section des câbles est critique dans les circuits à courant élevé.
2.4 Puissance électrique
La puissance est le taux auquel l'énergie électrique est convertie en une autre forme d'énergie (par exemple, chaleur, lumière, travail mécanique). Elle est mesurée en watts (W).
Formules de puissance :
$$P = V \times I$$
$$P = I^2 \times R$$
$$P = \frac{V^2}{R}$$
Application : Une lampe de navigation nominale de 28 W fonctionnant sur un système DC de 14 V consomme un courant de :
Ce calcul est fondamental pour vérifier que les dispositifs de protection des circuits sont correctement calibrés. Un disjoncteur de 5 A fournit une protection adéquate pour cette charge de 2 A sans déclenchement intempestif.
2.5 Circuits en série et en parallèle
Comprendre comment les composants sont connectés est crucial pour l'analyse des circuits.
Circuit en série : Les composants sont connectés bout à bout, offrant un chemin unique pour le flux de courant.
La tension est la même à travers toutes les branches.
Le courant est divisé entre les branches (Loi des courants de Kirchhoff).
Application au circuit du démarreur : Une batterie avec une résistance interne de 0,01 Ω connectée à un démarreur via un câble avec une résistance de 0,02 Ω forme un circuit en série. La résistance totale est de 0,03 Ω. Lorsque le démarreur consomme 200 A, la chute de tension totale est de 6 V (V = 200 A × 0,03 Ω). La tension disponible aux bornes du démarreur est donc de 24 V – 6 V = 18 V. Cela démontre l'effet combiné de la résistance interne et de la résistance du câble sur les performances du système.
2.6 Lois de Kirchhoff
Les lois de Kirchhoff sont des extensions de la loi d'Ohm pour l'analyse des circuits complexes.
Loi des courants de Kirchhoff (LCK) : La somme algébrique des courants entrant dans un nœud (jonction) est nulle. En d'autres termes, le courant total entrant dans une jonction est égal au courant total qui en sort.
Loi des tensions de Kirchhoff (LTK) : La somme algébrique de toutes les tensions autour de toute boucle fermée dans un circuit est nulle. C'est une reformulation de la loi de conservation de l'énergie.
Ces lois sont fondamentales pour analyser les circuits avec plusieurs boucles et branches, comme ceux que l'on trouve dans les systèmes d'aéronefs complexes.
2.7 Le pont de Wheatstone
Le pont de Wheatstone est une configuration de circuit spécifique utilisée pour des mesures précises de résistance et se trouve couramment dans les capteurs et indicateurs d'aéronefs (par exemple, quantité de carburant, indicateurs de position).
Il se compose de quatre résistances disposées en forme de losange avec une source de tension connectée à travers une diagonale et un galvanomètre (ou dispositif de mesure de tension) à travers l'autre.
Condition d'équilibre : Le pont est équilibré lorsque le rapport des résistances dans les deux bras est égal :
$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{R_3}{R_4}$$
Lorsqu'il est équilibré, la tension aux bornes du galvanomètre est nulle, et aucun courant ne le traverse.Condition de déséquilibre : Si une résistance change (par exemple, la résistance d'un capteur change en raison d'un mouvement ou d'une connexion desserrée), le pont devient déséquilibré. Une différence de tension apparaît aux bornes du galvanomètre, qui peut être mesurée et interprétée.
Application dans l'indication du train d'atterrissage : Un indicateur de position utilise deux capteurs résistifs dans un pont de Wheatstone. Lorsque le train est sorti, le pont est équilibré. Si la résistance d'un capteur augmente en raison d'une connexion desserrée, le pont devient déséquilibré, produisant une tension de sortie non nulle. L'unité de commande interprète cette tension comme un changement de position, affichant potentiellement « en transit » ou « sorti » même lorsque le train est physiquement rentré. C'est un mode de défaillance classique que les techniciens doivent être capables de diagnostiquer.
2.8 Dispositifs de protection des circuits
Les dispositifs de protection des circuits sont essentiels pour la sécurité, empêchant la surchauffe des fils et les incendies potentiels.
Fusibles : Un fil ou une lame mince qui fond et coupe le circuit lorsque le courant dépasse sa valeur nominale. Ce sont des dispositifs à usage unique qui doivent être remplacés après fonctionnement.
Disjoncteurs : Dispositifs électromécaniques qui se déclenchent (ouvrent le circuit) lorsque le courant dépasse une valeur spécifiée. Ils peuvent être réarmés et réutilisés.
Critères de sélection : Un dispositif de protection doit être calibré au-dessus du courant de fonctionnement normal pour éviter les déclenchements intempestifs, mais suffisamment bas pour protéger le circuit contre les surcharges et les courts-circuits.
Exemple : Une pompe à carburant électrique consomme 4 A en continu avec une surtension de démarrage de 6 A pendant 2 secondes. Un fusible de 5 A est le choix approprié. Il est au-dessus du courant de fonctionnement normal (4 A) pour éviter les déclenchements intempestifs, peut supporter la brève surtension de 6 A et protégera le circuit contre les surcharges soutenues. Un fusible de 10 A ne fournirait pas une protection adéquate pour une charge de 4 A.
Effets des courts-circuits : Un court-circuit direct à la masse crée un chemin de très faible résistance, provoquant un flux de courant important (I = V/R). Sans protection, cela peut rapidement surchauffer le fil et provoquer un incendie. C'est pourquoi la protection des circuits est obligatoire sur tous les circuits électriques des aéronefs.
2.9 Batteries et électrochimie
Les batteries sont des dispositifs électrochimiques qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique. La batterie au plomb-acide est le type le plus courant utilisé dans les aéronefs à moteur à piston.
Chimie de la cellule au plomb-acide :
Plaque positive : Dioxyde de plomb (PbO₂)
Plaque négative : Plomb spongieux (Pb)
Électrolyte : Acide sulfurique (H₂SO₄) et eau distillée
Décharge : Pendant la décharge, les deux plaques se transforment en sulfate de plomb (PbSO₄), et l'électrolyte s'affaiblit (la densité diminue) à mesure que l'acide sulfurique est consommé.
Charge : Pendant la charge, le processus est inversé. Le sulfate de plomb est reconverti en plomb et en dioxyde de plomb, et l'acide sulfurique est régénéré, augmentant la densité de l'électrolyte.
Tensions des cellules :
Tension nominale : 2,0 V par cellule
Tension en circuit ouvert à pleine charge : Environ 2,1 V par cellule
Configurations de batterie :
Batterie 12 V : 6 cellules en série, donnant une tension nominale de 12 V et une tension en circuit ouvert à pleine charge d'environ 12,6 V.
Batterie 24 V : 12 cellules en série, donnant une tension nominale de 24 V et une tension en circuit ouvert à pleine charge d'environ 25,2 V.Points de mesure clés :
Une lecture de 12,0 V sur une batterie « 12 V » indique un état partiellement déchargé (environ 50 % de charge).
Une lecture de 11,8 V indique une batterie presque déchargée.
Une lecture de 13,8 V est une tension de charge, et non une tension en circuit ouvert.
2.10 Techniques de mesure électrique
Une mesure précise est essentielle pour le dépannage. Les principes suivants s'appliquent :
Mesure de tension :
Un voltmètre est connecté en parallèle aux bornes du composant ou du circuit mesuré.
Le circuit doit être sous tension pour les mesures de tension.
Mesure de courant :
Un ampèremètre est connecté en série avec le circuit.
Le circuit doit être sous tension pour les mesures de courant.
Ampèremètre à pince : Mesure le courant sans interrompre le circuit en détectant le champ magnétique autour d'un conducteur. Pour obtenir une lecture précise, la pince doit être placée autour d'un seul conducteur (aller ou retour), car la placer autour des deux annulerait les champs magnétiques.
Multimètre numérique (DMM) : Lors de la mesure du courant, le multimètre doit être réglé sur la gamme appropriée. Pour les courants dépassant la gamme mA (par exemple, 7,14 A pour une lampe d'atterrissage de 100 W sur un système 14 V), la prise dédiée de 10 A doit être utilisée. Connecter un ampèremètre en parallèle crée un court-circuit et est dangereux.
Mesure de résistance :
Un ohmmètre est connecté en parallèle aux bornes du composant.
Le circuit doit être hors tension (alimentation coupée) avant de mesurer la résistance. Cela évite d'endommager le multimètre et garantit des lectures précises.
Le composant doit être isolé du reste du circuit pour éviter les chemins parallèles qui donneraient des lectures erronées.
3. Formules et réglementations importantes
3.1 Formules clés
Grandeur
Formule
Unités
Loi d'Ohm
V = I × R
V, A, Ω
Puissance
P = V × I = I² × R = V²/R
W
Résistance (physique)
R = ρ × (L / A)
Ω
Résistivité
ρ = (R × A) / L
Ω·m
Résistance en série
R_total = R₁ + R₂ + R₃ + ...
Ω
Résistance en parallèle
1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...
Ω
3.2 Références réglementaires
Règlement (UE) n° 1321/2014, Annexe III (Part-66) : Ce règlement établit les exigences relatives à la certification du personnel de maintenance. Le Module 3 de l'Annexe I définit les exigences de connaissances de base pour les Fondamentaux de l'électricité.
Niveaux de connaissances : Le programme définit trois niveaux de connaissances :
Niveau 1 : Un aperçu du sujet. Le technicien peut rappeler les faits de base et comprendre les principes généraux.
Niveau 2 : Connaissances générales. Le technicien peut comprendre la théorie et l'appliquer à des calculs simples et au dépannage.
Niveau 3 : Théorie détaillée. Le technicien a une compréhension approfondie du sujet et peut analyser des systèmes complexes et diagnostiquer des pannes.
4. Relations courantes entre les concepts- **Tension, Courant et Résistance :** La loi d'Ohm (V = I × R) montre que pour une résistance fixe, une augmentation de la tension entraînera une augmentation proportionnelle du courant. Pour une tension fixe, une augmentation de la résistance entraînera une diminution du courant.
Puissance et Courant : La puissance (P = V × I) est directement proportionnelle au courant. Une charge de puissance plus élevée consommera plus de courant à une tension donnée.
Résistance et Dimensions Physiques : La résistance est directement proportionnelle à la longueur et inversement proportionnelle à la section transversale. Un fil plus long et plus fin a plus de résistance qu'un fil plus court et plus épais du même matériau.
État de Charge de la Batterie et Densité Relative : La densité relative de l'électrolyte est directement liée à l'état de charge. Une batterie complètement chargée a une densité relative élevée, tandis qu'une batterie déchargée a une densité relative faible.
Protection du Circuit et Courant : Le calibre d'un fusible ou d'un disjoncteur doit être adapté au courant de consommation attendu du circuit. Un dispositif de protection sous-dimensionné déclenchera intempestivement, tandis qu'un dispositif surdimensionné ne protégera pas le circuit contre les dommages.
Résistance Interne et Chute de Tension : Toutes les sources de tension (batteries, générateurs) ont une résistance interne. Lorsque le courant circule, cette résistance interne provoque une chute de tension, réduisant la tension disponible aux bornes. C'est pourquoi la tension aux bornes du moteur de démarreur est inférieure à la tension en circuit ouvert de la batterie pendant le démarrage.
5. Points d'Examen Typiques à Retenir
Sur la base des questions sources, les domaines suivants sont fréquemment testés :
Calculs de la Loi d'Ohm : Être capable de calculer la tension, le courant ou la résistance connaissant les deux autres grandeurs. Faites attention aux unités (par exemple, convertir mm² en m²).
Chute de Tension dans les Câbles : Comprendre que les câbles ont une résistance et que cela provoque une chute de tension, réduisant la tension disponible à la charge. N'oubliez pas de tenir compte des conducteurs d'alimentation et de retour.
Calculs de Puissance : Être capable de calculer le courant à partir de la puissance et de la tension (I = P/V) et comprendre les implications pour la protection du circuit.
Caractéristiques de la Batterie : Connaître les tensions nominales et en circuit ouvert à pleine charge pour les cellules et batteries au plomb-acide (2,0 V et 2,1 V par cellule). Comprendre la relation entre la densité relative et l'état de charge.
Sélection de la Protection du Circuit : Comprendre comment sélectionner le calibre correct du fusible ou du disjoncteur en fonction du courant de fonctionnement normal et des courants d'appel.
Pont de Wheatstone : Comprendre la condition d'équilibre et ce qui se passe lorsque le pont devient déséquilibré.
Techniques de Mesure : Connaître la manière correcte de connecter un voltmètre (en parallèle), un ampèremètre (en série) et un ohmmètre (circuit hors tension). Comprendre l'utilisation des ampèremètres à pince.
Effets de Court-Circuit : Comprendre les conséquences d'un court-circuit direct à la masse et l'importance de la protection du circuit.
Formule de Résistance : Être capable de calculer la résistance, la résistivité, la longueur ou la section transversale en utilisant R = ρ × (L / A).
Circuits en Série : Comprendre comment calculer la résistance totale et les chutes de tension dans les circuits en série, y compris la résistance interne des sources.
