Module 3 : Fondamentaux de l'électricité

1. Aperçu du module

Le module 3 du programme EASA Part-66 (Annexe I) établit les principes fondamentaux de l'électricité et de l'électronique qui sont essentiels pour tout le personnel de certification de maintenance aéronautique. Ce module est la base sur laquelle toutes les autres connaissances des systèmes électriques et avioniques sont construites. Il couvre le comportement des circuits à courant continu (CC) et à courant alternatif (CA), les caractéristiques des composants passifs essentiels (résistances, condensateurs, inductances), les principes du magnétisme et des transformateurs, les bases des dispositifs à semi-conducteurs, et l'utilisation des instruments de mesure électriques.

Les niveaux de connaissances pour ce module vont d'un aperçu général (Niveau 1) à une compréhension théorique détaillée (Niveau 3), exigeant des candidats non seulement de se souvenir des faits, mais aussi d'appliquer les lois fondamentales (par exemple, la loi d'Ohm, les lois de Kirchhoff) pour résoudre des problèmes pratiques rencontrés en maintenance. Le contenu est directement applicable à des tâches telles que le dépannage des défauts de câblage, la vérification des performances des composants, et la compréhension du fonctionnement des systèmes de production et de distribution d'énergie électrique des aéronefs.

2. Concepts clés expliqués en détail

_S = 12 V R1 4 Ω R2 6 Ω R3 2 Ω I = 1 A Propriétés clés : • Le même courant traverse tous les composants : I = I₁ = I₂ = I₃ • La tension d'alimentation est divisée : V = V₁ + V₂ + V₃ Formules : R_total = R₁ + R₂ + R₃ R_total = 4 + 6 + 2 = 12 Ω Loi d'Ohm : I = V / R I = 12 V / 12 Ω = 1 A Chute de tension aux bornes de R1 : V₁ = I × R₁ = 1 × 4 = 4 V CIRCUIT EN PARALLÈLE V_S = 12 V R1 4 Ω I₁=3A R2 6 Ω I₂=2A R3 12 Ω I₃=1A I_total = 6 A Propriétés clés : • La même tension est présente dans toutes les branches : V = V₁ = V₂ = V₃ • Le courant total est la somme des courants de branche : I = I₁ + I₂ + I₃ Formules : 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ 1/R_total = 1/4 + 1/6 + 1/12 = 6/12 → R_total = 2 Ω Loi d'Ohm : I = V / R I₁ = 12/4 = 3 A, I₂ = 12/6 = 2 A, I₃ = 12/12 = 1 A Total : I = 3 + 2 + 1 = 6 A

2.1 Circuits à courant continu (CC) (Réf. programme : 3.2, 3.3, 3.4)

Cette section couvre les lois fondamentales régissant les circuits à courant continu (CC).

Loi d'Ohm : C'est la relation la plus fondamentale en génie électrique. Elle stipule que le courant (I) circulant dans un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la tension (V) aux bornes des deux points et inversement proportionnel à la résistance (R) du conducteur.

Formule : I = V / R

Unités SI : Courant (I) en ampères (A), Tension (V) en volts (V), Résistance (R) en ohms (Ω).

Application : Si la tension est doublée et que la résistance reste constante, le courant doublera également. Cette loi est utilisée pour calculer l'un des trois paramètres si les deux autres sont connus.

Puissance électrique : La puissance (P) est le taux auquel l'énergie électrique est convertie en une autre forme d'énergie (par exemple, chaleur, lumière, travail mécanique).

Formule : P = V × I

Formules dérivées (en utilisant la loi d'Ohm) : P = I² × R et P = V² / R

Unité SI : Le watt (W).

Application : Pour calculer la puissance dissipée par une bobine, utilisez P = V² / R. Par exemple, une bobine de solénoïde de 28 V avec une résistance de 80 Ω dissipe P = 28² / 80 = 9,8 W. Si la tension est doublée et que la résistance est réduite de moitié, la puissance augmente d'un facteur huit : P_nouvelle = (2V)² / (R/2) = 8 × (V²/R) = 8P.

Résistance dans les circuits :

Circuits en série : La résistance totale est la somme des résistances individuelles. R_totale = R1 + R2 + R3 + ... Le même courant circule dans tous les composants, et la tension d'alimentation est répartie entre eux. Par exemple, deux lampes identiques de 24 V, 5 W en série sur une alimentation de 24 V recevront chacune 12 V, fonctionnant en dessous de leur tension nominale et produisant moins de lumière.

Circuits en parallèle : L'inverse de la résistance totale est la somme des inverses des résistances individuelles. 1/R_totale = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... La même tension apparaît aux bornes de toutes les branches, et le courant total est la somme des courants de branche. Par exemple, pour des résistances de 4 Ω, 6 Ω et 12 Ω en parallèle : 1/R_totale = 1/4 + 1/6 + 1/12 = 6/12, donc R_totale = 2 Ω.- Coefficient de température de la résistance : La résistance d'un matériau varie avec la température.

Coefficient de température positif (CTP) : La résistance augmente avec la température. C'est une caractéristique de la plupart des métaux, notamment le cuivre et l'aluminium. La variation est calculée à l'aide de la formule : R_T = R_0 [1 + α(T - T_0)], où R_T est la résistance à la température T, R_0 est la résistance à la température de référence T_0 (généralement 20°C), et α (alpha) est le coefficient de température de la résistance (pour le cuivre, α ≈ 0,00393 par °C).

Application : Un fil de cuivre mesurant 0,5 Ω à 20°C mesurera environ 0,54 Ω à 40°C (une augmentation de 20°C, soit une hausse de 8 %). Ceci est essentiel lors de la comparaison des mesures de résistance avec des spécifications définies à une température de référence standard (par exemple, 20°C). Une mesure effectuée dans un hangar chaud doit être corrigée à la température de référence avant toute comparaison.

2.2 Capacité et condensateurs (Réf. programme : 3.6, 3.13)

La capacité est la capacité d'un composant (un condensateur) à stocker une charge électrique.

Principe de base : Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices séparées par un matériau isolant (diélectrique). Lorsqu'une tension est appliquée, un champ électrique est établi et une charge est stockée.

Comportement clé dans les circuits à courant continu (CC) : Un condensateur bloque le courant continu (CC) en régime permanent. Lorsqu'une tension continue est appliquée, il se charge jusqu'à la tension d'alimentation. Une fois complètement chargé, aucun courant ne circule dans le circuit. Un condensateur complètement déchargé a une tension nulle à ses bornes.

Capacité (C) : La quantité de charge (Q) stockée par unité de tension (V).

Formule : C = Q / V

Unité SI : Le farad (F). Dans les systèmes d'aéronefs, les condensateurs sont généralement en microfarads (µF = 10⁻⁶ F), nanofarads (nF = 10⁻⁹ F) ou picofarads (pF = 10⁻¹² F).

Stockage d'énergie : Un condensateur stocke de l'énergie dans son champ électrique.

Formule : E = ½ × C × V²

Unité SI : Le joule (J).

Application : Un condensateur de 100 µF chargé à 50 V stocke E = 0,5 × 100×10⁻⁶ × 50² = 0,125 J.

Constante de temps RC (τ) : Le temps nécessaire pour qu'un condensateur se charge à environ 63,2 % de la tension d'alimentation ou se décharge à environ 36,8 % de sa tension initiale.

Formule : τ = R × C

Unités SI : Résistance (R) en ohms (Ω), Capacité (C) en farads (F), Constante de temps (τ) en secondes (s).

Application : Un condensateur de 10 µF se déchargeant à travers une résistance de 5 kΩ a une constante de temps de τ = 5000 Ω × 10×10⁻⁶ F = 0,05 s = 50 ms.

Marquages des condensateurs : Les condensateurs sont souvent marqués d'un code. Par exemple, un condensateur céramique à disque marqué « 104 » a une valeur de 10 × 10⁴ pF = 100 000 pF = 100 nF. Il est crucial de prendre en compte la tolérance du condensateur (souvent ±20 % pour ce type), ce qui signifie qu'une valeur mesurée de 95 nF est dans les limites acceptables.

Sécurité : Les gros condensateurs peuvent stocker une charge dangereuse. Avant toute maintenance, ils doivent être déchargés en toute sécurité à l'aide d'une résistance appropriée pour limiter le courant de décharge et éviter les arcs électriques ou les dommages. Un court-circuit direct est dangereux et peut endommager le composant.

2.3 Inductance et inducteurs (Réf. programme : 3.7, 3.13)

L'inductance est la propriété d'un circuit qui s'oppose à une variation du courant.- Principe de base : Une inductance est généralement une bobine de fil. Lorsque le courant la traverse, un champ magnétique est créé. Une variation du courant entraîne une variation du champ magnétique, ce qui induit une tension (force électromotrice, FEM) dans la bobine qui s'oppose à la variation du courant (loi de Lenz). Cette FEM auto-induite est à la base de l'inductance.

FEM auto-induite :

Formule : E = L × (di/dt)

Unités SI : Inductance (L) en henrys (H), taux de variation du courant (di/dt) en ampères par seconde (A/s), FEM (E) en volts (V).

Application : Si le courant traversant une inductance de 5 H augmente à un taux de 2 A/s, la FEM auto-induite est E = 5 H × 2 A/s = 10 V.

Comportement dans les circuits à courant continu : Une inductance s'oppose au flux initial de courant lorsqu'une alimentation en courant continu est connectée. Une fois que le courant atteint un état stable, l'inductance se comporte comme un court-circuit (un fil avec une résistance négligeable).

2.4 Magnétisme et transformateurs (Réf. du programme : 3.8, 3.14)

Densité de flux magnétique (B) : Une mesure de la concentration des lignes de champ magnétique.

Unité SI : Le tesla (T). 1 T = 1 weber par mètre carré (Wb/m²).

Principe du transformateur : Un transformateur est un dispositif statique qui transfère l'énergie électrique entre deux ou plusieurs circuits par induction électromagnétique. Il fonctionne uniquement en courant alternatif et peut augmenter ou diminuer la tension tout en maintenant la fréquence. Son objectif principal dans un aéronef est de modifier les niveaux de tension pour les différentes exigences des systèmes.

Équation du transformateur : Le rapport des tensions est égal au rapport des spires.

Formule : Vp / Vs = Np / Ns

Application : Un transformateur abaisseur de 240 V à 24 V avec 1000 spires au primaire a Ns = (Vs/Vp) × Np = (24/240) × 1000 = 100 spires.

Relation courant-puissance (transformateur idéal) : Un transformateur idéal a un rendement de 100 %, ce qui signifie que la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie (Vp × Ip = Vs × Is). Par conséquent, le rapport des courants est l'inverse du rapport des tensions.

Formule : Ip / Is = Ns / Np

Application : Pour un transformateur élévateur 1:10 (primaire:secondaire) avec 115 V au primaire et une charge de 2 A au secondaire, le courant primaire est Ip = Is × (Ns/Np) = 2 A × 10 = 20 A.

2.5 Théorie du courant alternatif (Réf. du programme : 3.13)

Le courant alternatif (CA) est un courant qui inverse périodiquement sa direction.

Fréquence et période :

Fréquence (f) : Le nombre de cycles complets par seconde.

Unité SI : Hertz (Hz). Les systèmes d'aéronefs utilisent couramment 400 Hz pour réduire la taille et le poids des transformateurs et des moteurs.

Période (T) : Le temps nécessaire pour un cycle complet.

Formule : T = 1 / f

Application : Pour une alimentation de 400 Hz, T = 1 / 400 = 0,0025 s = 2,5 ms.

Valeurs de crête, crête à crête et efficaces : Pour une forme d'onde sinusoïdale :

Tension de crête (V_crête) : La valeur maximale de la forme d'onde de tension.

Tension crête à crête (V_cc) : La tension du pic positif au pic négatif. V_cc = 2 × V_crête.

Tension efficace (V_eff) : La tension continue équivalente qui produirait le même effet de chauffage dans une résistance. Pour une onde sinusoïdale : V_eff = V_crête / √2 ≈ 0,707 × V_crête.

Application : Une trace d'oscilloscope montrant 2,5 divisions crête à crête à 50 V/div donne V_cc = 125 V. La tension de crête est 125 / 2 = 62,5 V. La tension efficace est 62,5 / √2 ≈ 44,2 V.- Relation de phase dans les circuits à courant alternatif (AC) :

Circuit purement résistif : La tension et le courant sont en phase (angle de phase, φ = 0°). Ils atteignent leurs valeurs maximales et nulles simultanément.

Circuit purement capacitif : Le courant est en avance de 90° sur la tension.

Circuit purement inductif : Le courant est en retard de 90° sur la tension.

Circuit série RC : L'angle de phase (φ) entre la tension totale et le courant est compris entre 0° et 90°. Il est calculé à l'aide de tan φ = Xc / R, où Xc est la réactance capacitive et R est la résistance.

Circuit série RL : L'opposition totale au flux de courant est appelée impédance (Z). C'est la somme vectorielle de la résistance (R) et de la réactance inductive (XL).

Facteur de puissance (FP) : Dans un circuit à courant alternatif, le facteur de puissance est le cosinus de l'angle de phase entre la tension et le courant.

Formule : FP = cos φ

Un circuit purement résistif a un facteur de puissance de 1. Un circuit purement réactif a un facteur de puissance de 0.

2.6 Systèmes triphasés à courant alternatif (Réf. programme : 3.13)

Les systèmes triphasés sont utilisés dans les aéronefs pour leur efficacité et leur fourniture de puissance constante.

Avantages : Les générateurs triphasés fournissent de la puissance en continu sans les pulsations des systèmes monophasés, ce qui les rend idéaux pour les charges lourdes comme les moteurs électriques et les grandes pompes.

Différence de phase : Les trois phases sont séparées par 120 degrés électriques.

Séquence de phases : La séquence de phases standard est Rouge, Jaune, Bleu (RJB). Cette séquence est essentielle pour la rotation correcte des moteurs à courant alternatif (par exemple, les pompes à carburant) et pour le fonctionnement en parallèle des générateurs. L'inversion de deux phases quelconques inverse la séquence et le sens de rotation du moteur.

Relations de tension (connexion en étoile) :

Tension de phase (V_ph) : La tension mesurée entre une phase et le point neutre (par exemple, 115 V efficaces).

Tension de ligne (V_L) : La tension mesurée entre deux phases quelconques.

Formule : V_L = √3 × V_ph

Application : Pour une tension de phase de 115 V, la tension de ligne est √3 × 115 V ≈ 199,2 V, généralement arrondie à 200 V. C'est le système de courant alternatif standard de 115/200 V des aéronefs.

Défauts à la terre : Dans un système connecté en étoile avec un neutre mis à la terre, un défaut à la terre franc sur une phase déplace effectivement le point neutre au potentiel de la phase en défaut. Cela provoque une augmentation des tensions phase-neutre des phases saines jusqu'à la tension entre phases, ce qui est une considération essentielle pour la coordination de l'isolation.

2.7 Semi-conducteurs (Réf. programme : 3.9, 3.16)

Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants.

Matériaux : Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé en raison de sa stabilité, de ses caractéristiques de température et de son faible coût.

Dopage et types de porteurs :

Type P : Dopé pour avoir une abondance de "trous" (porteurs de charge positifs). Les porteurs majoritaires sont les trous.

Type N : Dopé pour avoir une abondance d'électrons libres (porteurs de charge négatifs).

Effets de la température : L'augmentation de la température génère des paires électron-trou supplémentaires dans un semi-conducteur. Dans un matériau de type P, le nombre de porteurs majoritaires (trous) augmente avec la température, ce qui affecte les performances du dispositif.

Diode à jonction PN :

Région de déplétion : Une région à la jonction du matériau de type P et de type N où aucun porteur libre n'existe.

Polarisation directe : Application d'une tension positive au matériau de type P (anode) par rapport au matériau de type N (cathode). Cela réduit la barrière de potentiel, rétrécit la région de déplétion et permet au couranttension de circuler.

Polarisation inverse : Application d'une tension négative à l'anode par rapport à la cathode. Cela élargit la zone de déplétion et bloque le flux de courant.

Diode Zener : Un type spécial de diode conçu pour fonctionner en claquage inverse. Elle maintient une tension presque constante à ses bornes sur une plage de courants, ce qui la rend idéale pour une utilisation comme référence de tension dans les régulateurs. Par exemple, une diode Zener de 5,6 V maintiendra 5,6 V à ses bornes lorsque la tension d'entrée varie de 8 V à 12 V.

Redressement : Le processus de conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC).

Redresseur demi-onde : Utilise une seule diode pour ne laisser passer qu'une seule moitié du cycle de CA. La tension de crête aux bornes de la charge est la crête de l'alimentation CA. Pour une alimentation de 115 V efficaces, la crête est 115 × √2 ≈ 162,6 V.

Logique numérique (porte NAND) : Une porte NAND émet un signal BAS uniquement lorsque toutes ses entrées sont HAUTES. Si les deux entrées sont reliées ensemble, elle agit comme un inverseur (porte NOT). Si l'entrée est HAUTE, la sortie est BASSE.

2.8 Instruments de mesure électriques (Réf. programme : 3.17)

Ampèremètre : Mesure le courant. Il doit être connecté en série avec le circuit pour garantir que le courant total le traverse.

Voltmètre : Mesure la tension. Il est connecté en parallèle aux bornes du composant ou de l'alimentation.

Ohmmètre : Mesure la résistance. Il est utilisé pour vérifier la continuité et l'intégrité des enroulements. Il est essentiel de s'assurer que le composant est isolé du système électrique de l'aéronef avant de mesurer la résistance. Si le composant est encore connecté, d'autres composants en parallèle fourniront des chemins de courant alternatifs, réduisant la résistance mesurée et donnant une lecture fausse.

Mégohmmètre (testeur de résistance d'isolement) : Mesure des résistances très élevées (en mégohms) pour tester l'intégrité de l'isolation. Il est essentiel d'utiliser un mégohmmètre avec une tension de test appropriée pour le composant testé. L'utilisation d'un mégohmmètre de 500 V sur un composant de 28 V peut solliciter l'isolation et produire des résultats trompeurs. Les composants d'aéronef à basse tension nécessitent généralement un mégohmmètre de 50 V ou 100 V.

Oscilloscope : Affiche les formes d'onde de tension. Il est utilisé pour mesurer la tension, la fréquence et les relations de phase. L'échelle verticale (V/div) et l'échelle horizontale (temps/div) doivent être réglées correctement pour interpréter le tracé.

3. Formules et relations importantes

Concept	Formule	Unités SI	Remarques
Loi d'Ohm	`V = I × R`	V, A, Ω	Fondamentale pour toute analyse de circuit.
Puissance électrique	`P = V × I`	W	Peut être combinée avec la loi d'Ohm.
Puissance (dérivée)	`P = I² × R` ou `P = V² / R`	W	Utile pour calculer la dissipation des bobines.
Résistance en série	`R_total = R1 + R2 + ...`	Ω	Le courant est le même à travers tous les composants.
Résistance en parallèle	`1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + ...`	Ω	La tension est la même aux bornes de toutes les branches.
Coefficient de température	`R_T = R_0 [1 + α(T - T_0)]`	Ω	α pour le cuivre ≈ 0,00393 /°C.
Capacité	`C = Q / V`	F	Charge stockée par unité de tension.
Énergie dans un condensateur	`E = ½ × C × V²`	J	Énergie stockée dans le champ électrique.
Constante de temps RC	`τ = R × C`	s	Temps pour charger à ~63,2 % ou décharger à ~36,8 %.
FEM auto-induite	`E = L × (di/dt)`	V	S'oppose à un changement de courant.
Période CA	`T = 1 / f`	s	Temps pour un cycle complet.
Tension efficace (sinusoïdale)	`V_rms = V_peak / √2`	V	Valeur équivalente en courant continu pour l'effet de chauffage.
Tension de crête (sinusoïdale)	`V_peak= V_rms × √2`	V	Valeur maximale de la forme d'onde.
Rapport de transformation du transformateur	`Vp / Vs = Np / Ns`	V, spires	La tension est proportionnelle aux spires.
Rapport de courant du transformateur	`Ip / Is = Ns / Np`	A	Le courant est inversement proportionnel aux spires.
Tension de ligne triphasée	`V_L = √3 × V_ph`	V	Pour un système équilibré en étoile.
Facteur de puissance	`PF = cos φ`	-	φ est l'angle de phase entre V et I.
Angle de phase RC	`tan φ = Xc / R`	-	Pour un circuit RC série.

4. Relations courantes entre les concepts

Loi d'Ohm et puissance : Ces concepts sont intrinsèquement liés. Connaître deux des quatre variables (V, I, R, P) permet de calculer les deux autres. Cela est essentiel pour vérifier les caractéristiques nominales des composants.

Capacité et courant continu/alternatif : Le comportement d'un condensateur est totalement différent en courant continu (bloque le courant) par rapport au courant alternatif (offre une réactance). Cette double nature est essentielle à son utilisation dans les circuits de filtrage et d'alimentation électrique.

Inductance et transformateurs : Un transformateur repose sur l'inductance mutuelle entre ses enroulements primaire et secondaire. Les principes de l'auto-inductance et de la loi de Faraday sont le fondement du fonctionnement du transformateur.

Théorie du courant alternatif et systèmes triphasés : La puissance triphasée est une application spécifique de la théorie du courant alternatif. Les valeurs efficaces (RMS) et de crête, la fréquence et les relations de phase s'appliquent toutes, avec la complexité supplémentaire de la séparation de phase de 120° entre les trois phases.

Semi-conducteurs et redressement : La capacité de la diode à conduire dans un sens (polarisation directe) et à bloquer dans l'autre (polarisation inverse) est le principe fondamental des redresseurs utilisés dans les alimentations électriques des aéronefs.

Instruments de mesure et théorie des circuits : L'utilisation correcte d'un ampèremètre (en série) et d'un voltmètre (en parallèle) est une application directe des lois de Kirchhoff. La nécessité d'isoler un composant pour les contrôles de résistance repose sur la compréhension des chemins de circuits parallèles.

5. Points d'examen typiques à retenir

Calculs : Soyez prêt à effectuer des calculs utilisant la loi d'Ohm, les formules de puissance, les résistances en série/parallèle, la constante de temps RC, les rapports de transformation, la période/fréquence du courant alternatif et les conversions entre valeurs efficaces (RMS) et de crête.

Comportement des circuits : Comprenez le comportement qualitatif des composants dans les circuits. Par exemple, que se passe-t-il avec le courant lorsque la tension est doublée ? Quel est le courant traversant un condensateur complètement chargé dans un circuit à courant continu ? Quelle est la relation de phase dans un circuit purement résistif ?

Caractéristiques des composants : Connaissez les caractéristiques définissant les résistances, condensateurs, inductances, diodes (y compris Zener) et transformateurs. Cela inclut leurs unités, symboles et applications clés.

Systèmes triphasés : Comprenez les avantages, la séparation de phase, la séquence de phases (RYB) et la relation entre les tensions de phase et de ligne (facteur √3).

Techniques de mesure : Sachez comment connecter les ampèremètres (en série) et les voltmètres (en parallèle). Comprenez les étapes critiques de sécurité et de procédure pour les mesures de résistance et de résistance d'isolement, y compris l'isolation du circuit et la tension correcte du mégohmmètre.

Sécurité : Comprenez la procédure de décharge sûre des condensateurs et l'importance d'utiliser la tension d'essai correcte pour les tests d'isolement.

Application pratique : Soyez capable d'appliquer les connaissances théoriques à des scénarios pratiques, tels que le dépannage d'un enroulement ouvert (résistance infinie), d'un court-circuit (résistance quasi nulle) ou d'une bobine normale (courant et puissance calculés).

Effets de la température : Uncomprendre comment la température affecte la résistance, en particulier pour le cuivre, et être capable de corriger les mesures pour revenir à une température de référence.

Module 3 : Fondamentaux de l'électricité