Simulateur de circuits électriques : construire, mesurer, comprendre

Ce simulateur ne garantit pas le résultat. Il est fourni à titre indicatif et pédagogique : il ne remplace ni un calcul de dimensionnement, ni l’intervention d’un électricien. Ne reproduisez jamais sur le secteur un montage simulé ici.

Ce simulateur de circuits électriques se manipule comme une table de montage : on pose des composants, on les relie par des fils, et le circuit fonctionne aussitôt. Les fils se colorent selon leur tension, des points montrent le courant qui circule, et les lampes, les LED et les moteurs réagissent. Il est pensé pour apprendre : chaque composant explique ce qu’il fait, un tableau donne toutes les tensions et tous les courants, les lois de Kirchhoff se vérifient sous vos yeux, et des défis corrigés permettent de s’exercer.

Pour bien démarrer, sans rien connaître :

• La page s’ouvre sur une pile, un interrupteur et une lampe. Cliquez sur l’interrupteur : la lampe s’éteint et le courant s’arrête.
• Glissez un composant depuis la palette, puis tirez un fil d’une broche (les petits cercles) jusqu’à une autre. Au doigt : touchez une broche, puis l’autre.
• Cliquez sur un composant : ses réglages et son explication s’affichent sous le schéma. Les valeurs s’écrivent comme sur un schéma : 4,7k, 100n, 2M2.
• Chargez un exemple, comme « Charge et décharge d’un condensateur », et regardez l’oscilloscope.

Les composants

Chaque composant se tourne d’un quart de tour (touche R) et se retourne (touche F). La résistance se dessine avec le symbole européen, un rectangle, ou américain, un zigzag : le bouton Symboles passe de l’un à l’autre.

Relier les composants

• Une broche est le bout d’une patte, marquée d’un petit cercle tant qu’elle est libre. Un fil relie deux broches, sans sens particulier, et une broche peut recevoir plusieurs fils.
• Un nœud, c’est tout ce que les fils relient : tout y est au même potentiel. Là où des fils se séparent, un point dit qu’ils sont reliés. Deux fils qui se croisent sans point ne se touchent pas.
• Pour se brancher au milieu d’un fil, tirez depuis ce fil ou lâchez un fil dessus : une jonction se crée.
• La masse est le point de référence, à 0 V. Toutes les masses sont reliées entre elles sans fil. S’il n’y en a pas, le simulateur prend la borne − d’une source comme référence.

Le tracé des fils est automatique, à angle droit. Pour le changer, choisissez le fil et tirez sa poignée carrée.

Ce que montrent les couleurs et les points

La couleur d’un fil donne son potentiel par rapport à la masse : gris à 0 V, de plus en plus orange vers les tensions positives, et de plus en plus bleu vers les tensions négatives. L’échelle s’adapte à la plus grande tension du circuit.

Les points qui se déplacent sont le courant conventionnel : ils vont de la borne + vers la borne −, à travers le circuit. Les électrons, eux, circulent dans le sens inverse. Leur vitesse suit l’intensité réelle du courant : dix fois plus d’ampères, et les points vont environ deux fois plus vite. Un courant d’un ampère file, un courant d’un milliampère avance doucement.

Le bouton Tension des nœuds écrit le potentiel de chaque nœud sur le schéma, et le bouton Valeurs affiche U et I à côté de chaque composant. En alternatif, le simulateur affiche les valeurs efficaces : celles qu’indique un multimètre.

La loi d’Ohm et les lois de Kirchhoff

Trois lois suffisent à calculer la plupart des circuits, et le volet Mesures les vérifie en direct :

• La loi d’Ohm : la tension aux bornes d’une résistance vaut U = R × I. Choisissez une résistance : le calcul s’affiche avec ses valeurs.
• La loi des nœuds : en tout nœud, la somme des courants qui arrivent égale la somme des courants qui repartent. Le courant ne s’accumule pas.
• La loi des mailles : sur une boucle fermée, la somme des tensions vaut zéro. En partant d’un point et en y revenant, on retrouve le même potentiel.

Le bilan de puissance, enfin, compare ce que fournissent les sources à ce que reçoivent les autres composants : les deux sont égaux, à ce que stockent les condensateurs et les bobines près. Pour un calcul rapide sans circuit, voyez l’outil tension, courant, résistance et puissance, et pour lire les anneaux d’une résistance, le code couleur des résistances.

Série, parallèle et pont diviseur

En série, il n’y a qu’un chemin : le même courant traverse tout, et les tensions s’additionnent. Les résistances aussi : Rtotale = R1 + R2. En parallèle, tous les composants reçoivent la même tension, et les courants s’additionnent : 1 / Rtotale = 1 / R1 + 1 / R2. Pour les comparer, chargez les exemples « Deux résistances en série » et « Deux lampes en parallèle ».

Le pont diviseur tire une tension plus faible d’une tension plus forte : Vs = E × R2 / (R1 + R2). Avec un potentiomètre, ce rapport se règle à la main.

Condensateurs et bobines : le rôle du temps

Un condensateur emmagasine de l’énergie et s’oppose aux variations de sa tension. Chargé à travers une résistance, il atteint 63 % de la tension au bout de la constante de temps τ = R × C, et plus de 99 % au bout de 5 τ. Une fois chargé, il ne laisse plus passer de courant continu.

Une bobine fait l’inverse : elle s’oppose aux variations de son courant, avec la constante de temps τ = L / R. Si l’on coupe brutalement son courant, elle produit une surtension : c’est pourquoi on place souvent une diode de roue libre à ses bornes.

Associés, le condensateur et la bobine échangent leur énergie et font osciller le circuit, à la fréquence f = 1 / (2π √(L C)). L’exemple « Les oscillations d’un circuit RLC » le montre : la résistance amortit chaque rebond. Le bouton Arrêter fige le temps et le courant, et Pas avance alors d’un pas de calcul. Réinitialiser recommence à t = 0, et Régime établi saute directement à l’état final : il n’est actif que si le circuit contient de quoi évoluer dans le temps, comme un condensateur, une bobine ou un générateur.

Le temps se règle avec la Vitesse : un phénomène d’une milliseconde devient visible si une seconde réelle représente 1 ms simulée. À chaque circuit chargé, la vitesse se règle d’elle-même d’après les constantes de temps et les fréquences.

Alternatif, oscilloscope et valeurs efficaces

Le générateur produit un signal sinusoïdal, carré, triangulaire ou en dent de scie. L’amplitude réglée est la valeur de crête : pour une sinusoïde, la valeur efficace vaut l’amplitude divisée par √2. La tension du secteur en France, 230 V efficaces, a donc une crête d’environ 325 V.

Le volet Oscilloscope trace les signaux dans le temps. Posez une sonde sur un point du circuit, ou choisissez un composant et appuyez sur Tracer U ou Tracer I. Le déclenchement fige les signaux périodiques, et le tableau donne pour chacun le minimum, le maximum, la moyenne, la valeur efficace et la fréquence.

Le transformateur et le pont de diodes montrent comment on passe du secteur à une tension continue basse : le transformateur abaisse la tension, les quatre diodes renvoient chaque alternance dans le même sens, et le condensateur lisse le résultat.

La réponse en fréquence d’un circuit

Le volet Fréquences trace le diagramme de Bode : le gain et le déphasage entre un générateur et un point du circuit, pour toutes les fréquences d’une plage. Le simulateur indique la fréquence de coupure à −3 dB (là où le gain vaut 0,707 fois son maximum), ou la bande passante d’un circuit résonant.

L’exemple « Filtre passe-bas RC » a une fréquence de coupure de 1 / (2π R C) ≈ 1,6 kHz. L’exemple « La résonance d’un circuit RLC série » montre un pic à 1 / (2π √(L C)) ≈ 503 Hz. Les composants non linéaires entrent dans ce calcul linéarisés autour de leur point de repos : c’est ainsi qu’on analyse un amplificateur.

Semi-conducteurs : diodes, transistors et ampli-op

• La diode ne laisse passer le courant que dans un sens, à partir d’environ 0,7 V en silicium. Une LED en est une qui éclaire, et sa tension de seuil dépend de sa couleur. Il lui faut toujours une résistance : R = (U − Uled) / I.
• La diode Zener conduit à l’envers à une tension précise : elle stabilise une tension.
• Le transistor NPN fait passer dans son collecteur un courant β fois plus grand que celui de sa base. Saturé, il se comporte comme un interrupteur fermé : c’est ainsi qu’un petit courant commande une grosse charge.
• Le MOSFET se commande en tension, sans courant de grille : au-dessus de son seuil, le canal conduit.
• L’amplificateur opérationnel amplifie énormément la différence entre ses deux entrées. Avec une contre-réaction sur l’entrée −, il maintient ses entrées au même potentiel, et le gain ne dépend plus que de deux résistances.

Les blocs : réunir un montage sous un seul symbole

Un schéma qui grandit se lit mieux par morceaux. Un bloc réunit plusieurs composants sous un seul symbole, comme un circuit intégré.

• Créer un bloc : choisissez les composants (Maj + glisser sur le fond les encadre), puis Regrouper en bloc. Chaque nœud que des fils font entrer dans le morceau devient une borne du bloc, à gauche ou à droite selon ce qu’elle relie.
• Le réutiliser : le bloc rejoint la palette, onglet Blocs. Posez-en autant que vous voulez, même dans un autre bloc. La palette vous suit d’un exemple ou d’un défi à l’autre.
• Regarder dedans : un double clic sur un bloc, ou Voir l’intérieur, l’ouvre en marche, avec les tensions et les courants de ce bloc-là. Ce que vous y changez change tous les blocs du même nom, et Échap remonte d’un niveau.
• Modifier ses bornes : à l’intérieur, la famille Blocs propose d’ajouter une borne. Déplacez une borne pour changer l’ordre des broches, retournez-la pour la faire passer de l’autre côté.
• Le défaire : Dégrouper remet son contenu dans le schéma, câblé comme avant.

Un bloc ne change rien au calcul : le simulateur l’ouvre pour résoudre le circuit entier, et chaque bloc posé garde ses propres charges et ses propres courants. L’exemple « Deux cellules RC en cascade » pose deux fois la même cellule, et le volet Fréquences mesure le filtre qu’elles forment ensemble.

Les défis

Chaque défi pose quelques composants et donne une consigne : à vous de les câbler et de régler leurs valeurs. Le bouton Vérifier calcule le circuit et dit précisément ce qui ne va pas. Allumer une lampe, faire 5 V à partir de 12 V, protéger une LED, câbler un va-et-vient, filtrer à 1 kHz, redresser avec quatre diodes, amplifier dix fois : les défis réussis restent cochés d’une visite à l’autre.

Comment le simulateur calcule

À chaque pas de temps, le simulateur écrit l’équation de chaque nœud (somme des courants nulle) et résout un système d’équations : c’est l’analyse nodale modifiée, la méthode des simulateurs professionnels comme SPICE. Les condensateurs et les bobines y entrent par une formule d’intégration (BDF2) qui reste stable même avec de grands pas. Les composants non linéaires, diodes et transistors, sont résolus par la méthode de Newton.

Les composants sont des modèles simplifiés. La résistance d’une lampe est fixe, les transistors et les diodes ont des équations simples, l’amplificateur opérationnel n’a ni tension de décalage, ni bande passante limitée. Un montage réel peut donc se comporter autrement, surtout à haute fréquence ou à fort courant.

Questions fréquentes

Pourquoi ma LED ne s’allume-t-elle pas ?

Vérifiez son sens : le courant ne passe que de l’anode (le côté de la barre droite du triangle) vers la cathode. Une LED rouge a besoin d’environ 1,8 V à ses bornes, une LED bleue d’environ 3 V. Vérifiez aussi que le circuit est fermé, avec un retour vers la borne − de la source.

Pourquoi le simulateur annonce-t-il un court-circuit ?

Les deux bornes de la source sont reliées presque directement : rien ne limite le courant. Dans la réalité, la source chaufferait ou se détruirait, et les fils pourraient fondre. Ajoutez une résistance ou un récepteur dans le chemin du courant, et protégez le circuit avec un fusible.

Quelle différence entre tension et courant ?

La tension, en volts, est une différence de potentiel entre deux points : c’est ce qui pousse les charges. Le courant, en ampères, est la quantité de charges qui passe chaque seconde en un point. Une pile impose une tension ; le courant dépend ensuite de ce qu’on lui branche.

Pourquoi faut-il une masse ?

La masse fixe le point de référence à 0 V : les tensions des nœuds se lisent par rapport à elle. Sans masse, le simulateur en choisit une, généralement la borne − d’une source. Pour un ampli-op, la masse est le point par rapport auquel sa sortie est mesurée.

Comment choisir la résistance d’une LED ?

Par la loi d’Ohm : R = (U − Uled) / I. Pour une LED rouge de 1,8 V alimentée en 9 V sous 10 mA, R = 7,2 / 0,01 = 720 Ω, soit 680 Ω ou 820 Ω en valeur normalisée.

Le simulateur se comporte-t-il comme un vrai circuit ?

Pour les circuits courants, il est très proche : les résultats sur des circuits résistifs, RC ou RLC sont ceux des formules. Mais les composants sont idéalisés. Il ne remplace ni les fiches techniques, ni une mesure, et il ne permet pas de valider une installation électrique : celle-ci doit respecter la norme NF C 15-100.

Comment réutiliser un morceau de circuit ?

Regroupez-le en bloc : choisissez ses composants, puis Regrouper en bloc. Le bloc rejoint la palette, onglet Blocs, et se pose autant de fois qu’on veut. Un double clic l’ouvre pour voir ses tensions en marche.

Mon circuit est-il gardé si je ferme la page ?

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Après un clic dans le schéma, et hors des champs de saisie :

Suppr ⇝ Supprimer ce qui est choisi

R ⇝ Tourner ; F ⇝ Retourner

Ctrl + Z ⇝ Annuler ; Ctrl + Y ⇝ Rétablir

Ctrl + C, X, V ⇝ Copier, couper, coller ; Ctrl + D ⇝ Dupliquer

Ctrl + A ⇝ Tout choisir ; les flèches déplacent ce qui est choisi (avec Maj, cinq fois plus loin)

Ctrl + G ⇝ Regrouper ce qui est choisi en un bloc ; double clic sur un bloc ⇝ L’ouvrir

Ctrl + molette ⇝ Zoomer ; Échap ⇝ Annuler un fil en cours, sortir d’un bloc ouvert, ou quitter le plein écran