Wiring Unlimited

La loi d'Ohm est la loi la plus importante pour les circuits électriques. Elle est à la base de la plupart des calculs d'installations électriques. Elle permet de calculer l'intensité du courant qui traverse un câble (ou un fusible) à différentes tensions. Afin de choisir le câble adapté à votre système, il est essentiel que vous connaissiez l'intensité du courant qui y circulera. Mais d’abord, vous devez avoir quelques notions de base sur l’électricité.

Qu’est-ce que l’électricité ?

L’électricité est le mouvement des électrons dans un matériau, appelé conducteur. Ce mouvement crée un courant électrique. L’intensité du courant est mesurée en « ampères », dont le symbole est la lettre A.

La force nécessaire pour faire circuler les électrons est appelée tension (ou potentiel). Elle est mesurée en « volts », dont le symbole est la lettre V (ou parfois en Europe, la lettre U).

Lorsqu’un courant électrique traverse un matériau, il rencontre une certaine résistance. Cette résistance est mesurée en ohms. Le symbole de cette unité de mesure est Ω.

Quel est le rapport entre la tension, l’intensité du courant et la résistance ?

Loi d’Ohm :

On peut dire que la résistance d’un conducteur détermine l’intensité du courant qui traverse un matériau à une tension donnée. Ce principe peut être représenté par une formule. Cette formule est dénommée la loi d’Ohm :

La loi d’Ohm décrit la relation entre résistance, intensité et tension. Mais il existe une autre unité électrique qui peut être dérivée de la loi d’Ohm : la puissance.

La puissance est l’expression de la quantité de travail que peut fournir un courant électrique. Elle est mesurée en watts et son symbole est la lettre P. Elle peut être calculée à l’aide de la formule suivante :

D’autres formules peuvent être dérivées de la loi d’Ohm. Toutes les formules possibles sont énumérées dans l’image ci-dessous. Veuillez noter qu’il existe deux symboles utilisés dans le monde pour représenter la tension. Il s’agit des lettres U ou V.  

Certaines de ces formules sont très utiles pour calculer l’intensité du courant circulant dans un câble. Une formule souvent utilisée est la suivante :

Cette formule permet de calculer l’intensité du courant qui passe dans un câble lorsque vous connaissez la tension et la puissance.

Voici un exemple d’utilisation de cette formule :

Certains matériaux conduisent mieux l’électricité que d’autres. Les matériaux présentant une faible résistance conduisent bien l’électricité, tandis que les matériaux présentant une résistance élevée conduisent mal ou pas du tout l’électricité.

Les métaux ont une faible résistance, ils conduisent donc bien l’électricité. Ces matériaux sont appelés conducteurs. C’est la raison pour laquelle ils sont utilisés comme âme dans les câbles électriques.  

Les plastiques ou les céramiques ont une résistance très élevée et ne conduisent pas l’électricité. Ce sont des isolants. C’est pourquoi des matériaux non conducteurs, comme le plastique ou le caoutchouc, sont utilisés pour enrober les câbles. Vous ne subirez pas de choc électrique en touchant le câble, car l’électricité ne peut pas traverser ces matériaux. Les isolants sont également utilisés pour éviter les courts-circuits si deux câbles venaient à se toucher.

A : dans un conducteur, les électrons peuvent se déplacer.

B : dans un isolant, les électrons ne peuvent pas se déplacer ou se déplacent très lentement.

Chaque matériau a sa propre résistance spécifique. La résistance est mesurée en Ohm mètres (Ω.m) et symbolisée par la lettre ρ (rho).

La conductivité d’un matériau est inversement proportionnelle à sa résistance. Elle est représentée par la formule suivante : σ = 1/ρ. Elle est mesurée en Siemens par mètre (S/m) et son symbole est σ (sigma).

Le tableau ci-dessous présente divers matériaux conducteurs, leur conductivité électrique et leur résistance spécifique. Comme le montre le tableau, le cuivre conduit bien l’électricité et a une faible résistance. Le cuivre est un excellent conducteur avec une faible résistance, ce qui explique pourquoi il est couramment utilisé dans les câbles électriques. En revanche, le titane a une mauvaise conductivité électrique et une résistance spécifique plus élevée, ce qui le rend moins adapté comme conducteur électrique.

Deux autres facteurs déterminent la résistance d’un câble : la longueur et l’épaisseur du conducteur (câble).

Ces facteurs sont liés de la manière suivante :

La résistance d’une longueur de câble peut être calculée à l’aide de la formule suivante :

Comme dans la formule ci-dessus, trois facteurs déterminent la résistance d’un câble. À savoir :

Il est important de connaître la résistance d’un câble car lorsqu’un courant passe dans un câble, la résistance du câble est responsable de deux effets :

Si l’intensité du courant augmente, ces effets s’aggravent. Une intensité accrue augmentera la chute de tension et l’échauffement du câble.

Exemple de calcul de la résistance d’un câble :

Question :

Données :                                                                          

Réponse :

L’influence de la longueur du câble :

Prenons l’exemple précédent pour calculer la résistance d’un câble de 5 mètres. Le résultat sera une résistance de 5,3 mΩ. Si vous rallongez le câble, la résistance augmentera.

L’influence de l’épaisseur du câble :

Reprenons l’exemple initial pour un câble d’une section de 2,5 mm². La résistance sera de 10,2 mΩ. Si le câble est plus fin, la résistance augmentera également.

Conclusion :

L’épaisseur et la longueur du câble ont un impact important sur la résistance du câble.

Les isolants électriques sont utilisés pour empêcher le passage du courant électrique d’une partie d’un circuit électrique à une autre et pour protéger les personnes et les équipements des chocs électriques.

Comme nous l’avons vu dans le tableau du chapitre précédent, un matériau qui ne conduit pas bien l’électricité est appelé un isolant.

Le caoutchouc, le plastique, le verre, la céramique et l’air sont autant d’exemples d’isolants électriques. Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications électriques, comme l’isolation des fils, les isolants pour équipements électriques et les revêtements pour composants électriques.

Les isolants électriques jouent un rôle essentiel dans la sécurité et l’efficacité des systèmes électriques et dans la prévention des risques électriques.

En règle générale, plus la tension est élevée, plus l’isolation doit être épaisse ou de meilleure qualité. C’est pourquoi, par exemple, des câbles spéciaux sont nécessaires pour acheminer l’électricité vers et depuis un panneau solaire à haute tension.

Les câbles isolés et les outils électriques sont homologués pour une tension maximale spécifique. Assurez-vous que cette tension nominale correspond à votre application.

La résistance d’une installation électrique n’est pas uniquement déterminée par la résistance du câble, car la résistance des connexions électriques contribue également à la résistance totale.

À quoi est due la résistance des connexions ?

Chaque fois qu’une connexion est effectuée entre un câble et un appareil ou entre un câble et une borne, la résistance du circuit augmente. Le degré de résistance est influencé par la qualité et la surface de la connexion.

Comment limiter la résistance des connexions :

Sachez également que la résistance crée de la chaleur :

Une mauvaise connexion avec une résistance élevée générera une chaleur excessive. La relation entre la puissance, l’intensité du courant et la résistance est décrite par la formule P = I²R. Dans le cas d’un courant continu à très basse tension, même une petite résistance peut entraîner un niveau de chaleur dangereux qui peut endommager l’équipement et les câbles, voire provoquer un incendie dans les cas les plus graves.

Comme décrit dans le chapitre précédent, il est important de bien serrer les connexions électriques, car des connexions lâches entraîneront une résistance, de la chaleur et une corrosion potentielle due à la formation d’un arc électrique. Mais veillez également à ne pas trop serrer ces connexions, car vous risqueriez d’endommager les connecteurs.

Les fixations, vis ou boulons de connexion électrique sont souvent en laiton étamé. On pense souvent à tort que ces fixations sont en acier inoxydable, ce qui peut entraîner un serrage excessif et endommager la fixation.

Utilisez toujours une clé dynamométrique (ou un tournevis dynamométrique) afin de vous assurer que le boulon ou la vis est correctement serré.

Notez que nos produits utilisent des boulons de connexion métriques ; les filetages couramment utilisés sont M4, M5, M6, M8 et M10. Les valeurs de couple recommandées dans notre documentation sont indiquées en N.m (newtons-mètres).

Comment utiliser correctement une clé dynamométrique

Pour utiliser une clé dynamométrique, procédez comme suit :

Une faible tension entraîne une intensité du courant élevée :

Comme nous l’avons déjà expliqué, l’intensité du courant qui circule dans un circuit électrique pour une charge fixe est différente selon la tension du circuit. Plus la tension est élevée, plus l’intensité du courant est faible.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu de la quantité de courant qui circule dans trois circuits différents où la charge est la même, mais où la tension de la batterie est différente :

La résistance du câble crée une chute de tension sur le câble :

De plus, comme expliqué plus haut, un câble présente une certaine résistance. Le câble fait partie du circuit électrique et peut être considéré comme une résistance.

Lorsque le courant traverse une résistance, celle-ci chauffe. Le même phénomène se produit dans un câble : lorsque le courant circule dans un câble, celui-ci s’échauffe et l’énergie est perdue sous forme de chaleur. Ces pertes de puissance sont appelées pertes de câbles. La puissance perdue peut être calculée avec la formule suivante :

Un autre effet de la perte de câble est qu’une chute de tension sera créée sur toute la longueur du câble. La chute de tension peut être calculée avec la formule suivante :

Première et deuxième loi de Kirchhoff :

Pour pouvoir calculer l’effet d’une chute de tension dans un câble, vous devez connaître deux autres lois électriques, à savoir la première et la deuxième loi de Kirchhoff :

Loi des nœuds de Kirchhoff (1ère loi) :

L’intensité du courant qui entre dans un nœud doit être égale à l’intensité qui en sort.

Un circuit parallèle constitue un bon exemple. La tension est identique sur chaque résistance, tandis que la somme de l’intensité du courant qui traverse chaque résistance est égale à l’intensité totale.

Loi des mailles de Kirchhoff (2ème loi) :

La somme de toutes les tensions autour d’une boucle fermée dans un circuit doit être égale à zéro.

Ici, c’est exactement le contraire. Dans un circuit en série, l’intensité du courant qui traverse chaque résistance est la même, tandis que la somme des tensions sur chaque résistance est égale à la tension totale.

Exemple de calcul de la chute de tension :

Prenons maintenant l’exemple concret d’un convertisseur connecté à une batterie 12 V et calculons les pertes de câble. Dans le schéma de circuit ci-contre, vous trouvez un convertisseur de 2400 W connecté à une batterie de 12 V à l’aide de deux câbles de 1,5 mètre de long et de 16 mm² de section.

Comme nous l’avons calculé précédemment, chaque câble a une résistance de 1,6 mΩ. Sachant cela, nous pouvons maintenant calculer la chute de tension le long d’un câble :

La puissance du convertisseur est constante dans ce circuit. Ainsi, lorsque la tension du courant circulant vers le convertisseur diminue, son intensité augmente. Souvenez-vous que I = P/V.

La batterie fournira alors une intensité plus forte pour compenser les pertes. Cela signifie, dans l’exemple précédent, que l’intensité du courant passera à 210 A.

Cela rend le système inefficace car nous avons maintenant perdu 5 % (0,64/12) de l’énergie totale. Cette énergie perdue a été transformée en chaleur.

Comment réduire la chute de tension :

Il est important de maintenir la chute de tension aussi basse que possible. Une manière évidente d’y parvenir consiste à augmenter l’épaisseur du câble ou à garder le câble aussi court que possible. Mais il existe une autre solution. Il s’agit d’augmenter la tension du circuit électrique. La chute de tension le long du câble varie en fonction de la tension de la batterie (du système). D’une manière générale, plus la tension du circuit est élevée, plus la chute de tension est faible.  

Exemple :

Si nous prenons le même consommateur de 2400 W, mais que maintenant la tension du système est de 24 ou 48 V :  

Il n’y a pas que la résistance du câble, d’autres facteurs influent également sur la résistance :

Il est important de prendre conscience que la résistance ne se produit pas uniquement dans le câble lui-même. Une résistance supplémentaire est créée sur tout le trajet parcouru par le courant.

Liste des éléments qui peuvent ajouter à la résistance totale :

Vous devez être particulièrement attentifs aux composants suivants :

Une résistance s’ajoute au circuit électrique chaque fois qu’une connexion est effectuée, ou si quelque chose est placé sur le trajet entre la batterie et le convertisseur.

Liste des éléments qui peuvent ajouter à la résistance totale :

Nous savons maintenant comment maintenir une résistance faible dans un circuit afin d’éviter une chute de tension. Mais quels sont les effets négatifs d’une forte chute de tension dans un système ?

Voici les effets négatifs d’une chute de tension élevée :

Voici comment prévenir les pertes de tension :

Une bonne pratique consiste à mesurer la chute de tension du système une fois que vous avez terminé une installation électrique contenant des batteries. Souvenez-vous qu’une chute de tension se produit généralement lors de l’apparition d’un courant de forte intensité. La chute de tension s’aggrave lorsque l’intensité du courant augmente. C’est le cas lorsqu’un convertisseur est chargé avec une charge maximale ou lorsqu’un chargeur de batterie se charge à pleine intensité.

Comment mesurer la chute de tension, par exemple, dans un système avec un convertisseur :

Comment mesurer la chute de tension lorsque la batterie est trop éloignée ou se trouve dans une autre pièce ou enceinte :

L’ondulation est l’un des effets négatifs d’une forte chute de tension dans un système.

L’ondulation se produit dans les systèmes équipés d’un convertisseur :

L’ondulation apparaît dans un système où la source d’alimentation est une batterie (CC) et le consommateur est un appareil CA. C’est toujours le cas dans un système avec un convertisseur. Le convertisseur est connecté aux batteries, mais il alimente un consommateur CA.

Comment mesurer l’ondulation :

Lorsque vous mesurez l’ondulation, n’oubliez pas qu’elle ne se produit que lorsque le système est à pleine charge. L’ondulation ne peut être détectée que lorsque le convertisseur alimente une pleine charge ou lorsqu’un chargeur recharge avec un courant d’intensité élevée. Il en va de même pour la mesure de la chute de tension.

L’ondulation peut être mesurée des deux façons suivantes :

Impacts négatifs de l’ondulation :

Une ondulation légère peut exister sans impact mesurable. Cependant, une ondulation excessive peut avoir un impact négatif.

Impact négatif d’une ondulation excessive :

Pour corriger une forte ondulation dans un système, procédez comme suit :