Les bases de l'électricité

Avant de connecter un capteur ou un microcontrôleur, il faut comprendre les bases de l'électricité. Ces notions sont indispensables pour réaliser des montages corrects, éviter de détruire du matériel et comprendre les schémas de connexion.

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de :

• Distinguer le courant continu (DC) du courant alternatif (AC).
• Expliquer les notions de tension, intensité, résistance et puissance.
• Identifier le rôle du GND (masse) dans un circuit.
• Lire et réaliser un schéma de connexion entre composants (Arduino, xBee, LCD).
• Reconnaître les interfaces UART (TX/RX) et I2C (SDA/SCL).

Courant continu vs alternatif

Il existe deux façons de faire circuler l'électricité :

Type	Abréviation	Caractéristique	Exemples
Courant continu	DC (Direct Current)	Le courant circule toujours dans le même sens	Piles, batteries, USB, Arduino
Courant alternatif	AC (Alternating Current)	Le courant change de sens ~50 fois par seconde	Prises murales (230 V en Europe)

Le courant alternatif possède une fréquence, exprimée en hertz (Hz).
En Europe, cette fréquence est généralement de 50 Hz, ce qui signifie que le courant change de sens 50 fois par seconde.

⚠️ Attention

En électronique embarquée (Arduino, capteurs, modules IoT), on travaille exclusivement en courant continu à basse tension (3.3 V ou 5 V). Le 230 V des prises murales est réservé à des professionnels habilités.

Les grandeurs électriques fondamentales

La tension « Volt (V) »

La tension (aussi appelée voltage ou différence de potentiel) est la « force » qui pousse les électrons à circuler dans un circuit.

Analogie

Imaginez un tuyau d'eau : la tension, c'est la pression de l'eau. Plus la pression est élevée, plus l'eau a de force pour avancer.

Tension	Utilisation typique
1.5 V	Pile AA/AAA
3.3 V	Logique des modules ESP, xBee
5 V	Arduino Uno, USB
9 – 12 V	Alimentation externe Arduino

Le courant « Ampère (A) »

L'intensité du courant représente la quantité d'électricité qui circule par seconde dans un fil.

Analogie

Avec notre tuyau d'eau, le courant, c'est le débit → combien de litres passent par seconde.

En électronique embarquée, les courants sont souvent faibles. On utilise le milliampère (mA) :

Composant	Consommation typique
LED	~20 mA
Capteur de température	~1 – 5 mA
Module xBee (émission)	~250 mA
Arduino Uno	~50 mA
Écran LCD I2C	~20 – 60 mA

La résistance « Ohm (Ω) »

La résistance s'oppose au passage du courant. Elle permet de limiter l'intensité afin de protéger les composants.

La loi d'Ohm relie les trois grandeurs :

$$U=R\times I$$

Symbole	Grandeur	Unité
$U$	Tension	Volt (V)
$R$	Résistance	Ohm (Ω)
$I$	Intensité du courant	Ampère (A)

Exemple

Une LED a besoin de ~2 V et supporte ~20 mA. Alimentée en 5 V :

$$R=\frac{U}{I}=\frac{5-2}{0.02}=150\mathrm{\Omega }$$

Il faut placer une résistance de 150 Ω en série avec la LED.

La puissance « Watt (W) »

La puissance indique la quantité d'énergie consommée par seconde.

La puissance électrique se calcule à partir de la tension et du courant :

$$P=U\times I$$

Symbole	Grandeur	Unité
$P$	Puissance	Watt (W)
$U$	Tension	Volt (V)
$I$	Courant	Ampère (A)

Exemples :

	Calcul	Puissance
Arduino Uno en veille	5 V × 0.05 A	0.25 W
xBee en émission	3.3 V × 0.25 A	0.83 W
Chargeur de téléphone	5 V × 2 A	10 W

La masse « GND »

Le GND (Ground, en français : masse ou terre) est le point de référence 0 V de tout circuit électronique.

C'est le fil de retour commun à tous les composants. Sans GND partagé, aucun courant ne peut circuler.

Règle fondamentale

Tous les composants d'un même montage doivent partager le même GND. Si deux modules ont des GND non reliés, ils ne peuvent pas communiquer correctement, même si leurs tensions sont identiques.

Module A ──── GND ─────┐
Module B ──── GND ─────┤── GND commun (0 V)
Module C ──── GND ─────┘

Niveaux logiques : 5 V vs 3.3 V

Les microcontrôleurs utilisent des niveaux de tension pour représenter les valeurs binaires :

Niveau	Signification
0 V → GND	Bit 0 (LOW)
3.3 V ou 5 V	Bit 1 (HIGH)

Incompatibilité 5 V ↔ 3.3 V

L'Arduino Uno fonctionne en 5 V. Le module xBee fonctionne en 3.3 V logique. Envoyer 5 V sur une broche 3.3 V peut endommager définitivement le module.

ℹ️ Dans notre montage, le shield SparkFun XBee Explorer Regulated gère l’alimentation 3.3 V et la conversion de niveaux logiques. Sans cette carte d’interface, il est important de passer l'Arduino Uno en mode 3.3V.

Interfaces de communication

UART « Communication série (TX / RX) »

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) est une interface de communication série point à point.

• TX (Transmit) → broche d'envoi de données
• RX (Receive) → broche de réception de données

Règle de câblage croisé

Le TX d'un module se connecte au RX de l'autre, et vice versa :

I2C « Bus à deux fils (SDA / SCL) »

I²C (Inter-Integrated Circuit) est un protocole permettant de connecter plusieurs composants sur seulement 2 fils partagés.

• SDA (Serial Data) → fil de données
• SCL (Serial Clock) → fil d'horloge (synchronisation)

Un circuit I2C fonctionne en mode maître/esclave :

Arduino (maître)
  SDA ──────────── SDA ── Écran LCD
  SCL ──────────── SCL ── Écran LCD
  GND ──────────── GND ── Écran LCD
  +5V ──────────── VCC ── Écran LCD

Avantage I2C

On peut brancher jusqu'à 127 esclaves différents (écran, capteur, EEPROM…) sur les mêmes 2 fils, en les distinguant par leur adresse unique (0x27, 0x3C…).

Résumé

Notion	Symbole	Unité	Rôle
Tension	U	Volt (V)	Force qui pousse le courant
Intensité	I	Ampère (A)	Quantité de courant qui circule
Résistance	R	Ohm (Ω)	S'oppose au passage du courant
Puissance	P	Watt (W)	Énergie consommée par seconde
Masse	GND	—	Référence 0 V commune

Les interfaces clés du projet :

• UART (TX/RX) → communication série Arduino ↔ xBee (câblage croisé)
• I2C (SDA/SCL) → communication Arduino ↔ LCD (2 fils partagés)
• GND commun → indispensable entre tous les composants