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Bases électronique

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Résistances (suite)

Valeurs de résistances

Les résistances sont fabriquées et triées dans plusieurs gammes de valeurs normalisées. On ne trouve pas, par exemple, une résistance de 40Ω dans le commerce. La valeur la plus proche dans la gamme normalisée est 39Ω.
En plus, la valeur d'une résistance n'est que très rarement exactement la valeur indiquée : il y a toujours une tolérance (normalement 5% ou 2%). Une tolérance de 5% sur 39Ω donne de 37,05Ω à 40,95Ω !

Si vous cherchez sur internet vous trouverez les infos sur les gammes de valeurs, et comment lire les valeurs (code de couleurs) des résistances.

Voici la gamme de valeurs 'simple', la gamme E12 :

Gamme de résistances E12

Cette séquence de valeurs se répète pour chaque multiple de 10. Quelques exemples :

  • 10Ω, 12Ω, 15Ω …
  • 100Ω, 120Ω, 150Ω …
  • 1kΩ, 1.2kΩ, 1.5kΩ … et ainsi de suite

Regardons comment utiliser des résistances pour faire quelque chose d'utile : un diviseur de tension.

Diviseur de tension

Les microcontrôleurs comme l'Arduino ont des entrées analogiques qui nous permettent de 'lire' des valeurs de tension. Si vous regardez la spécification de ces entrées, vous verrez qu'elles sont limitées à 5v maximum (en général). Comment faire si on veut surveiller des tensions supérieures à 5v ? Avec un diviseur de tension :

Un diviseur de tension

La tension d'entrée est appliquée sur l'ensemble R1 et R2. Leur résistance combinée est de $ 10 k \Omega + 1.2 k \Omega = 11.2 k \Omega$ (11200 Ohms).

Supposons que la tension d'entrée peut monter jusqu'à 15v (un circuit électrique sur une voiture, par exemple) - si on applique notre formule $I = \frac{U}{R}$ cela nous donne l'intensité à travers les 2 résistances :

$I = \frac{15 V}{11200 \Omega} = 0.00134 A$ (1,34mA)

La sortie n'est branchée que sur R2. Calculons la tension sur R2 (U = IR) :

$U = 0.00134 \times 1200 = 1.6 V$ : pratiquement 1/10 de notre tension d'entrée.

En fait on peut calculer cette tension d'une autre manière, sans calculer l'intensité :

$V_{OUT} = \frac{R_2}{R_1+R_2} \times V_{IN} = \frac{1.2}{11.2} \times 15 = 1.6 V$

On peut désormais surveiller les tensions supérieures à 5v avec ce montage. Avec ces deux valeurs de résistances nous avons un diviseur de presque 1/10. Nous allons voir plus loin comment faire pour arriver à exactement 1/10.


Résistances en série et en parallèle

Regardons le schéma suivant avec trois résistances :

Résistances en parallèle

Notez le courant induit par les piles ($I_{tot}$).

Pour analyser ce circuit, on va dire :

  • $I_{R_1}$ = le courant qui traverse R1
  • $I_{R_2}$ = le courant qui traverse R2
  • $I_{R_3}$ = le courant qui traverse R3

Déjà il est évident (j'espère) que $I_{R_2} = I_{tot}$

Mais aussi, si on réfléchit bien, on peut aussi dire que $I_{R_1} + I_{R_3} = I_{tot}$ car le courant qui traverse les points A et B est aussi $I_{tot}$. Nous ne pouvons calculer $I_{tot}$ car on ne connaît pas la résistance totale entre les points A et B.

Alors, un petit complément des lois des résistances :

  • Pour N résistances connectées en parallèle :
  • $R_{tot} = \frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_N}}$

Et donc $R_{AB} = \frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_3}} = \frac{1}{\frac{1}{220} + \frac{1}{150}} = 89.2 \Omega$

(Notez bien que la résistance totale est TOUJOURS inférieure à la plus faible des résistances)

On peut maintenant calculer Itot, car rappelons nous que $I = \frac{U}{R}$.

Donc $I_{tot} = \frac{3V}{R_{AB} + R_2} = \frac{3}{89.2 + 33} = 0.0245 A$ (ou 24,5 mA)

On peut aussi vérifier notre hypothèse de tout à l'heure $I_{R_1} + I_{R_3} = I_{tot}$ :
D'abord il nous faut la chute de tension VAB. On peut le calculer (avec $U = I \times R$) :

$V_{AB} = I_{tot} \times R_{AB} = 0.0245 \times 89,2 = 2,19 V$

Puis l'intensité à travers chaque résistance :

$I_{R_1} = \frac{2.19}{220} = 0.0099 A$ ; $I_{R_3} = \frac{2.19}{150} = 0.0146 A$.

$0.0146 + 0.0099 = 0.0245$ Ouf!

Allez, c'est presque fini pour les maths pour aujourd'hui. N’empêche que ça vous donne des outils pour analyser vos circuits !


Diviseur de tension (suite)

Revenons sur notre diviseur de tension de tout à l'heure…

Diviseur de tension réglable

Ce symbole bizarre c'est un potentiomètre : une résistance variable. Voila comment régler notre diviseur de tension afin d'avoir 1/10 de la tension en sortie. Cela dit, même avec les potentiomètres de bonne qualité, il sera difficile de régler ce montage pour donner exactement 1/10 de division de tension.

Je propose de faire plutôt comme ici :

Diviseur de tension avancé

Beaucoup de résistances ! Aie !

Ce montage est destiné à donner à des entrées analogiques de l'Arduino la possibilité de 'lire' des tensions supérieures au maximum autorisé de 5v.

L'interrupteur est prévu afin de sélectionner un des deux diviseurs de tension ou l'entrée directe.

Prenons le diviseur R2-R7-R8 : 2,2kΩ en série avec, mince, avec quoi ? Supposons que le potentiomètre est au milieu de sa course – sa résistance sera alors environ 5kΩ. Nous avons alors deux résistances en parallèle de 5kΩ et 2,2kΩ – ce qui nous donne $\frac{1}{\frac{1}{5000} + \frac{1}{2200}}$ ou $1527.7 \Omega$.

Le ratio de la résistance, et donc la division de tension sera alors $\frac{1527.7}{1527.7+10000} = 0.13$

Pas tout à fait 1/10, mais c'est déjà pas loin. A 25 % de course (2,5kΩ) cela nous donne : $\frac{1}{\frac{1}{2500} + \frac{1}{2200}} = 1170 \Omega$ : et un ratio de $\frac{1170}{1170+10000} = 0.104$ : pas mal !

L’intérêt de ce type de montage est de donner un réglage plus fin et donc plus précis que le montage précédent avec le seul potentiomètre.

Attention1 : n'essayez JAMAIS de mesurer la tension du secteur avec l'Arduino - même avec un diviseur de tension.

Schéma de principe, connexion d'une source AC

(source)

Arnaud


  1. Il est possible de le faire en utilisant des convertiseurs AC/AC. Généralement ce sont des transformateurs qui vont abaisser la tension. Montage plutôt réservé à des connaisseurs. 

Diodes et condensateurs (suite)

Condensateurs polarisés

Il faut noter que, à partir de la valeur d'environ 1uF, bon nombre de condensateurs sont POLARISES - c'est à dire qu'ils ont un "+" et un "-". On les appelle souvent condensateurs chimiques. Il faut les brancher dans le bon sens afin d'éviter les surprises désagréables : inversés ils ont tendance à se gonfler jusqu'à parfois se rompre carrément. Les produits chimiques dedans sont très corrosifs…

D'habitude c'est le fil "-" qui est repéré avec une bande noire sur le coté. Photo : merci Wikipedia.

Condensateurs chimiques

Diodes (suite)

Nous avons vu qu'une diode ne laisse passer le courant que dans un sens : uniquement quand l'anode se trouve plus positive que la cathode.

Le fait de bloquer le courant dans un sens est plus utile qu'on pense. Déjà l'alimentation domestique est en courant alternatif (CA) : le sens du courant s'inverse 100 fois par seconde. Vu sur un oscilloscope, le courant alternatif ressemble à ceci :

La tension du secteur a 50Hz

Même si on diminue la tension jusqu'à des dizaines de volts, cette alternance de courant fait qu'on ne peut rien faire d'utile en électronique car nous avons besoin d'un courant dans un seul sens – dit courant continu (souvent écrit simplement "cc").
Voila l'utilité de la diode : si on passe ce courant alternatif à travers la diode, le courant sera 'redressé' - il ne passera que dans un sens.
Le circuit :

Une diode sur la phase

Et le résultat sur l'oscilloscope :

La tension du secteur redressée demi-cycle

On voit bien que les crêtes négatives ont étés bloquées par la diode. Mais cela nous prive de la moitié de la puissance… En plus, on voit bien que la tension est à zéro volt pendant chaque demi-cycle (10ms) – pour un microcontrôleur type Arduino cela est catastrophique : 10ms correspondent à 160 000 instructions perdues (avec une horloge de 16MHz)… Comment récupérer les demi-cycles négatifs ?

Avec un montage qu'on appelle un pont de diodes :

Un pont de diodes

Et le tracé sur l'oscilloscope :

Le secteur redressé par le pont de diodes

Ça va beaucoup mieux comme ça. Mais c'est encore loin d'une source de courant stable. Il va falloir ajouter quelque chose pour lisser les crêtes…

Condensateurs à l'aide

Nous avons déjà vu qu'un condensateur a besoin d'un certain temps pour se charger et pour se décharger. Ce temps est un fonction de la capacité (en Farads). Si on mettait un condensateur de forte valeur à la sortie de notre montage "pont de diodes", ça va peut-être lisser les variations de tension. Un condensateur de forte valeur va se charger pendant que la tension augmente, et va se décharger pendant que la tension diminue. Tentons le coup :

Un pont de diodes + un condensateur

Et voici le résultat :

La tension du secteur redressée et lissée

Nous avons une tension BEAUCOUP plus stable avec à peu près 10% de variation. On voit aussi, à la fin du tracé, le temps pour se décharger complètement.

En augmentant la valeur du condensateur, 4700uF par exemple, on peut diminuer encore les variations, mais il est préférable de faire appel à un circuit dédié, appelé régulateur de tension, si on a besoin d'une source de tension vraiment stable.

Filtration (suite)

On vient de voir comment un gros condensateur peut filtrer les variations relativement lentes. Nous vivons entourés d'une 'soupe' de champs électromagnétiques à des fréquences jusqu'à plusieurs GHz (gigahertz) – les champs parfois très puissants (WiFi, téléphonie 4G…) Nos montages autour des microcontrôleurs, qui 'tournent' à 16MHz, génèrent eux aussi des signaux parasites aux mêmes fréquences. En électronique numérique ces parasites ont la fâcheuse tendance à nous embrouiller, et en analogique c'est encore pire.

Les condensateurs à la rescousse, comme Zorro ?

Eh oui. Cette fois-ci c'est le tour des 'petits', car plus la fréquence des parasites à filtrer augmente, plus il faut diminuer la capacitance. Mais les vigilants d'entre vous vont me dire : "si on diminue la capacitance, l'effet de filtre 50Hz diminue aussi". Et ils ont raison. La solution est simple : on garde le 'gros' condensateur en filtre à l'arrivée de l'alimentation, et on ajoute des petits (souvent des 10nF à 100nF) tout près des circuits à protéger des hautes fréquences.

En exemple le schéma électronique de l'Arduino Uno

Le régulateur de tension de l'Arduino

on voit à la sortie du régulateur de tension (en haut à droite) un premier condensateur de 47uF suivi d'un autre à 100nF. D'ailleurs sur le même schéma on voit C3, C6 et C7. Si on regarde sur la platine, ces petits condensateurs sont collés tout près des circuits qu'ils protègent.

Ne les oubliez pas sur vos montages !

Diodes et condensateurs (suite et fin)

Les diodes Zener

Certaines diodes sont fabriquées de manière qu'elles bloquent le courant inverse, mais à partir d'une certain tension elles 'craquent' et laissent quand-même passer le courant.

Elles s’appellent des diodes Zener. Leur symbole est légèrement modifié :

Symbole de la diode zener

Voici une courbe caractéristique des diodes Zener :

Courbe caractéristique de la diode zener

Le coté droit de la courbe, "Courant direct" montre le comportement d'une diode classique : à partir du seuil d'environ 0,7v la diode se met en conduction avec peu de résistance. Le coté courant inverse commence bien : l'intensité, I, reste à 0 : pas de courant inverse. On augmente la tension (négative) jusqu'au point UZ et, d'un coup, nous avons à nouveau un comportement de diode, mais en sens inverse.

A quoi bon tout cela ?

Alors, sachant que le point UZ peut être choisi par les fabricants, et remarquons au passage que, dès que la diode est en conduction inverse, il y a très peu de variation de tension U pour pas mal de variation d'intensité I : nous avons peut-être un moyen de faire un régulateur de tension…

Allez, un autre schéma, garçon :

Branchement de la diode zener

Notons d'abord l'orientation de la diode. La cathode est branchée sur le coté positif du montage. La diode choisie est marquée 5v1 (cela veut dire 5,1v – c'est une autre façon de notez les valeurs). Cette valeur de tension correspond à la tension de 'claquage' UZ. La résistance sans valeur, à droite, représente une charge quelconque. Imaginons qu'on branche une source d'alimentation variable sur VIN, et qu'on augmente progressivement la tension d'entrée à partir de 0v et jusqu'à 12v. Que sera la tension aux bornes de notre résistance 'charge' ?

On dit qu'une image vaut 1000 mots, donc en voici une :

Conséquence de la diode zener

La ligne verte c'est notre source d'alimentation, la ligne bleue, la tension de sortie. On voit que la tension de sortie reste bien fixe, à environ 5v, malgré la tension d'entrée qui pique à 12v.

Et si on ajoutait une diode Zener sur notre montage "pont de diodes et condensateur de filtrage" ?

Action de la zener dans le montage à pont de diodes

La ligne verte c'est le courant alternatif redressé et filtré avec le condensateur, la trace bleue c'est la tension aux bornes de la diode Zener.

Q : quel est la tension de claquage choisie dans ce montage ?1

Et la résistance R dans le schéma ?

Cette résistance joue un rôle primordial. Si on ne met pas de résistance du tout, dès que la diode se met en conduction elle se retrouvera en court-circuit sur VIN. L'intensité va très vite dépasser les limites pour ce pauvre composant : c'est une diode Zener prévue pour dissiper 0,5w (500mW). A 5v, 500mW c'est une intensité de 0,1A (100mA)… Alors, pour limiter l'intensité on ajoute, on ajoute ? … une résistance ! (j'ai parfois l'impression de parler tout seul)

On peut calculer la valeur de R pour ce montage pour le cas où il n'y a pas de charge en sortie : il faut 'laisser' 5,1v aux bornes de la diode, et on sait que le VMAX dans cette exemple est de 12v. Il faut aussi que la diode reste en conduction, il y a une intensité minimum à respecter (valeur à chercher dans les données constructeur). Pour cette diode, je sais que IMIN c'est 5mA.

Avec notre loi $R = \frac{U}{I}$ cela nous donne $R = \frac{12 – 5.1}{0.005} = 1380 \Omega$

Mais cela ne nous aide pas des tonnes : c'est sans charge ! Il faut savoir combien 'pompe' le montage électronique que nous voulons alimenter…

Prenons l'exemple d'un microcontrôleur du type ATmega328 (la base de notre cher Arduino) qu'on utilise pour faire allumer 3 LEDs et qui 'lit' trois boutons poussoirs. La documentation pour le microcontrôleur (ATmega328_datasheet) nous dit que, sans compter les périphériques, la consommation maximale du microcontrôleur est de l'ordre de 10mA. A cela on ajoute des LEDs, disons $3 \times 20mA$ ; et les boutons (souvenez vous : boutons 'tirés' à 5v avec une résistance de 10kΩ) : $3 \times 0.5mA$.

(ndlr : Notez bien que ces valeurs ne correspondent pas du tout à celles de l'Arduino – qui, lui, est déjà équipé d'un régulateur de tension…)

La consommation totale de notre montage est alors $10mA + 60mA + 1.5mA = 71.5mA$

Laissons une petite marge de sécurité, disons 5%, cela nous donne 75mA

Il faut que, quand notre montage 'pompe' 75mA, qu'on trouve toujours (12v - 5,1v) 6v9 à travers R. Idéalement il faut que la diode aussi reste en conduction – il faut ajouter ses 5mA de courant de maintien. Notre formule de tout à l'heure nous donne maintenant la valeur de R en pleine charge : $\frac{6.9}{0.08} = 86 \Omega$ Aie !

Sans charge la valeur était 1380Ω. Comment faire, alors ?

La réponse, évidemment, se trouve quelque part entre les deux… La valeur maximale de R sert pour limiter l'intensité à travers la diode quand la charge est au minimum. Dans notre exemple la charge minimum va se trouver aux alentours de 5mA (cf. datasheet) (NDLR encore moins si on active le mode sommeil (sleep)) Pour 5mA de charge plus 5mA à travers la diode nous avons besoin d'une résistance de 690Ω. Mais à 80mA de consommation, on trouve une chute de tension de ( $U = I \times R$ ) $0.08 \times 690 = 55V$ – donc cela ne marche pas !

La solution 'Zener toute seule' fonctionne bien ( si, si il faut me croire ) – mais ce n'est valable que dans les situations ou le courant de charge reste relativement stable. Nous n'avons pas encore trouvé notre Graal…

Hep, je me demande si, par hasard, les transistors ne peuvent pas nous aider ?

Correction de signaux

Diodes et condensateurs ensemble…

Pour donner un aperçu d'autres possibilités avec les diodes et condensateurs, quelques petits montages pour démontrer que quelques composants peuvent souvant nous simplifier l'interface avec le monde extérieur – éliminant des casse-têtes de programmation.

Détection flanc-montant

Ce montage avec un condensateur, une résistance et une diode permet de 'détecter' le flanc montant d'un signal :

Détecteur de front montant

Il est important de noter que le branchement des signaux d'entrée et de sortie ont toujours une référence vers 0v ("GND" pour 'ground' (terre) en anglais).

Au repos la résistance 'tire' la sortie vers 0v. Quand la tension d'entrée monte, le condensateur se charge et se décharge tout de suite à travers la résistance ($T = R \times C$). Quand la tension à l'entrée redescend, la sortie devrait descendre d'autant mais la cathode de la diode se trouve à un potentiel négatif par rapport à 0v et va se mettre en conduction, court-circuitant la résistance.

Dans l’oscillographe suivant, la trace verte c'est l'entrée, et la bleue c'est la sortie :

Action du détecteur de front montant

En augmentant la valeur du condensateur on peut augmenter la durée du signal en sortie. A l'instant 2,0s on voit une petite descente de signal d'environ 0,7v. Voici notre paramètre fêtish pour les diodes : leur chute de tension en conduction.

Détection flanc-descendant

Les mêmes composants un peu réorganisés, avec une connexion supplémentaire (le +5v) :

Détecteur de front descendant

Et cela donne :

Action du détecteur de front descendant

Oui, c'est l'inverse exact de l'autre oscillographe. Maintenant la résistance 'tire' la sortie au repos à 5v. On voit la petite 'flèche' provoquée par la mise en conduction de la diode.


  1. Réponse : 12 V  

Branchements LED

Bonjour, Un petit message pour vous aider avec les LEDs (ou DELs si vous préférez). Le cours électronique va bientôt aborder les "pourquoi" et "comment", ici je voulais juste vous montrer comment repérer les branchements et comment les câbler.

D'abord, les branchements :

Les pôles d'une LED

Sur les LEDs classiques, le moulage présente un plat sur le bord du boitier. Il est du coté de la Cathode, le 'moins' de la LED (pour se souvenir de l'électrode négative pensez à MOKA pour « MOins CAthode »).

Lorsque la LED est neuve, on constate également qu'une patte est plus longue que l'autre. La courte est la Cathode, le moins. On peut aussi dire que c'est la 'moins' longue pour s'en rapeller.

Mais sur une LED récuperée ou déjà bien tordue, ce n'est pas aussi facile à réperer…
Alors, comment la brancher ?

Si vous regardez de près, par transparence vous verrez qu'une partie à l'intérieur est en forme creux, un sorte de bol. Ce coté c'est le Cathode - la connexion NÉGATIVE.

Exemple de branchement d'une LED

Vous avez tous compris (j'espère), qu'il faut mettre une résistance en série avec la LED afin de limiter l'intensité qui traverse la LED. Bientôt le module du MOOC pour clarifier le calcul de cette résistance, mais pour vos premiers pas, avec un arduino, vous pouvez utiliser une résistance de 150 à 220 ohms.

La résistance peut être câblée avant ou après la LED - il n'y a pas de différence car tout le courant qui traverse la LED traverse aussi la résistance. (pensez au branchements d'eau).

Ceci n'est qu'un exemple, ce n'est pas la seule et unique façon de câbler une LED.

Contributeurs : - Glenn - .AleX.

Pont de diodes

Dans un autre article Wiki j'ai parlé d'un montage avec 4 diodes – le pont de diodes – utilisé pour redresser le courant alternatif (CA) en courant continu (CC).

Il n'est pas évident pour les premiers venus de comprendre comment ça marche, pourquoi ça marche et comment on le branche. Je reprends le sujet ici afin d'essayer de dissiper le brouillard…

Comme déjà évoqué dans le cours, l'alimentation domestique est en courant alternatif (CA) : le sens du courant s'inverse 100 fois par seconde.

Vu sur un oscilloscope, le courant alternatif ressemble à ceci :

Oscillogramme du secteur, 50Hz

Sur cette trace la tension maxi est de 25v – c'est pour la démonstration.

N'oublie JAMAIS que la tension secteur est plutôt de 230v à 250v et que ces tensions là sont LÉTALES.

Fin d'avertissement.

Regardons cette trace d'oscilloscope de plus près… ou, plutôt, regardons le schéma électronique complet :

Un transformateur

L'oscilloscope est branché sur les points A et B. La résistance de 100Ω est notre 'charge'. La bidule un peu étrange au milieu est un transformateur de tension. Les 250V secteur sont 'transformées' en 25v (mais toujours en courant alternatif). C'est un moyen fiable de nous séparer des dangers du secteur…

Il faut regarder ce qui se passe pendant chaque demi-cycle alternatif. On ajoute la diode. Pendant le premier demi-cycle, la borne '4' du transformateur devient progressivement positive par rapport à la borne '3' 1:

Transformateur + une diode

Vu l'orientation de la diode, le courant peut passer. La tension redescend vers zéro volt ; c'est la fin du demi-cycle. Pendant le demi-cycle suivant toute est inversé : c'est la borne '3' qui devient positive par rapport à la borne '4'.

Tension secteur redressée demi-cycle

On voit bien que les crêtes négatives ont été bloquées par la diode. Comment récupérer les demi-cycles négatifs ? Pour faire passer le courant, il faut carrément inverser la diode – mais cela va inverser la polarité de notre montage…

Vient ce montage bizarre avec 4 diodes – le pont de diodes…

Le pont de diodes

On peut câbler 4 diodes comme dans le schéma, ou on peut utiliser un pont "préfabriqué". Ils existent en diverses formes et tailles :

Photo de ponts de diodes

Voici un autre façon de le dessiner :

Schéma alternatif du pont de diodes

Et voici ce qui se passe pendant le premier demi-cycle : les diodes « passantes » sont en rouge :

Alternance positive, le premier cycle

Et le deuxième :

Alternance négative, le second cycle

Si vous regardez bien, vous voyez que chaque demi-cycle est correctement « aiguillé » par les diodes, et on récupère une succession de cycles avec la bonne polarité.

Comme sur la trace d'oscilloscope :

Tension secteur redressée

Et voila ! Vous savez (presque) tout sur le pont de diodes !


  1. C'est une hypothèse : il fallait commencer dans un sens ou l'autre… 

Bouton poussoir

Plusieurs personnes sur le forum demandent le pourquoi de la résistance pour le montage du bouton poussoir.

D'abord, les branchements. Voici comment il faut orienter les boutons :

Orientation du bouton poussoir

Notez bien que pour trouver la patte 1 il faut orienter le bouton pour que les pattes sortent du haut et du bas. Les pattes 1 et 2 sont reliées entre-elles à l'intérieur du bouton. Pareil pour les pattes 3 et 4. Il n'y a donc pas de souci si le bouton est inversé (c'est à dire tourné de 180°).

Montage platine, entrée tirée vers 5V :

Montage d'un bouton

Et le schéma :

Schéma électronique du branchement du bouton

Et maintenant quelques explications

Quand on définit une broche de l'Arduino comme entrée (avec la commande pinMode(nn,INPUT)) l’électronique à l’intérieur du microcontrôleur tente de valider en permanence une entrée au niveau BAS ou HAUT.

Il est difficile d'avoir un signal en entrée qui est toujours à exactement 0V ou exactement 5V.
Le microcontrôleur travaille donc par paliers ou seuils. Une tension d'entrée sous le seuil est considérée comme étant le niveau « bas » ; supérieur au seuil c'est le niveau « haut ». En plus (et ceux d'entre vous qui ont déjà eu affaire à des amplificateurs audio savent ce qu'est le ronflement) une entrée laissée « flottante » est parasitée par toutes sortes de signaux ambiants.

Pour que nos programmes fonctionnent bien, il est primordial que les entrées soient TOUJOURS dans un état connu. On « tire » alors l'entrée vers 0V/GND ou +5V pour que, au repos, l'entrée reste tranquillement soit bas, soit haut.

Partant du principe que l'entrée est branchée sur 0V (état bas). Pour changer d'état il faut d'abord débrancher l’entrée du fil 0V puis le brancher sur le fil 5V : sinon en branchant le +5V sur le 0V on provoque un court-circuit ! C'est LA qu'on trouve l’intérêt de la résistance.

Si on « tire » notre entrée vers un état haut ou bas avec une résistance d'une valeur relativement élevée, le problème de court-circuit ne se pose plus.
Un exemple : on tire l’entrée vers 0V avec une résistance de 10kohms (10,000 ohms).

Une résistance en pull-down

Si maintenant on branche le 5V pour amener l'entrée à l'état haut, cela nous donne :

Une résistance en pull-down avec le 5V

Prenons notre cours sur le loi d'ohm (semaine 2) : $I = \frac{U}{R}$ pour trouver le courant qui traverse la résistance : $I = \frac{5 V}{10000 \Omega} = 0.0005 = 0.5mA$ : pas grand chose.
Et, si vous regardez de près, l'entrée de l'Arduino se trouve bien branché sur 5V.

Et le composante bleue sur la platine ? Ben je ne veux pas trop en parler pour l'instant… C'est un condensateur et il est là pour "lisser" les fluctuations dues aux rebonds des contacts des interrupteurs. On parle des condensateurs plus tard dans le cours.

Dernière question, pourquoi « tirer » vers 5V en non le 0V comme dans l'exemple ici ?

En fait c'est plutôt une convention historique… Autrefois les broches d'entrée sur les composants électroniques « consommaient » moins de courant si elles étaient tirées vers 5V que si elles étaient tirées vers 0V… De nos jours, avec les microcontrôleurs modernes, la différence est négligeable. C'est aussi par compatibilité avec certaines fonctionnalités de l'Arduino1.

Vous pouvez donc câbler vos boutons poussoirs comme ici :

Câblage du bouton et de sa résistance de pull-down

Dans cette configuration, avec digitalRead() vous auriez un état '0' au repos, et l'état '1' quand le bouton est appuyé.

Glenn


  1. Pour les personnes qui ont 'découvert' les options de résistances pullup intégrées dans l'Arduino : "pull-up" veut dire "tirer vers le haut" : au repos l'entrée est donc tirée vers le 5V, pas vers la masse. 

Photorésistance (et simulateur)

La photorésistance a des caractéristiques comme tous les autres composants, le plus souvent ce composant est connu par le nom "LDR" (light-dependent resistor).

Les deux caractéristiques les plus importantes sont :

  • La résistance dans l'obscurité (R Dark) => elle varie entre 100k et 2M (pour les modèles les plus courants) suivant la référence du composant
  • La variation de cette résistance placée en pleine lumière => la résistance (R Dark) est divisée par 20 à 50 (dans certains cas plus de mille) suivant la référence du composant.
Résistance en série

Le montage préconisé pour l'Arduino est le suivant:

Branchement de la photorésistance

Les valeurs obtenues lors de la lecture de la valeur analogique de la LDR connectée a Arduino dépendent de la lumière, des caractéristiques de la LDR et de la valeur de la résistance placée en série avec la LDR.

Pour balayer au mieux les 1024 valeurs possibles, il est utile de choisir judicieusement la valeur de la résistance. Choisir comme valeur de la résistance : (R-Dark / 5) donne de bon résultats pour des valeurs de R-Dark entre 100k et 2M.

Alors pourquoi cette résistance en série ?

La fonction analogRead() est censée lire une TENSION de 0 à 5v. Pour lire une tension il faut avoir un courant qui traverse une résistance (loi d'ohm, cours semaine 2).

Donc avec notre montage l'Arduino est en train de lire la tension aux bornes de cette résistance. Comme nous avons vu dans le Wiki "Résistances (suite)", ce montage est en fait un diviseur de tension variable.

Et le choix de la valeur de résistance ? pour limiter l'intensité quand la photorésistance se trouve en plein soleil (car sa résistance peut chuter à quelques centaines d'ohms seulement) on limite l'intensité à quelques milli-ampères. De plus, la valeur de la résistance conditionne l’amplitude des valeurs mesurées entre la situation obscurité et la situation pleine lumière.

Comme toujours, afin de calculer des valeurs optimales il faut chercher la documentation technique de votre photorésistance…

Mesure de R-Dark

En utilisant le schéma proposé dans le TP, placer la LDR dans l’obscurité, faire varier la valeur de la résistance en série jusqu’à obtenir : « sensor = 511 » ou une valeur proche. La valeur de la résistance série donne la valeur R-Dark.

La LDR dans le simulateur

Une LDR est disponible dans les composants additionnels. Cette LDR a pour valeur R-Dark=180 kOhm et à la lumière, sa résistance tombe à 3,6 kOhm. La résistance à placer en série devrait être de 36k mais 1k donne des résultats avec moins d'amplitude mais acceptables.

Au lancement du programme, la LDR est supposée être dans l’obscurité, un click dessus et elle passe en pleine lumière. Il ne semble donc pas possible d'obtenir une variation continue de type analogique. L'utilisation d'un potentiomètre à la place de la LDR peut permettre des valeurs analogiques par paliers.

Caractéristiques des composants

En électronique, une chose indispensable au bon fonctionnement est la documentation. En premier, la documentation produite par la personne qui conçoit le circuit. Mais cette personne devra également disposer de la documentation de l'ensemble des composants utilisés. Il s'agit de la fameuse Datasheet, le document qui contient toutes les informations possibles sur le composant qu'il traite.

La lecture de ce document parfois un peu long (plusieurs centaines de pages pour les microcontrôleurs, même les plus simples) et intégralement en anglais technique rebuterait n'importe qui. Mais l'électronicien n'est pas n'importe qui et l'économie de cette lecture n'est pas vraiment une option.

Par exemple, voici les réponses aux questions fréquemment abordées dans les forums :

  • Quelle est la chute de tension de ma LED ? Se rapporter au document suivant : LED (j'ai pris ce fabricant car il produit les LEDs que j'utilise, même si ce n'est pas ce modèle exactement.).

  • Quel est le courant maximum débité par une sortie de l'Arduino ? Se rapporter au document suivant : arduino section "Electrical Characteristics" rubrique "Absolute Maximum Ratings" p 313, ligne "DC Current per I/O Pin".

  • Quelles sont les caractéristiques de mes résistances ? Se rapporter au document suivant : résistances (6 pages pour une résistances, tout y est).

Pour ceux qui sont pressés, il y a une section assez courte toujours présente dans ce type de document : Absolute maximum ratings qui liste les valeurs maximales (tension, intensité, dissipation thermique…) acceptables avant dégradation progressive ou définitive du composant. S'il y a une chose obligatoire à lire avant d'utiliser un nouveau composant, c'est bien ça.

Donc, la consultation de la documentation peut :

  • faire gagner du temps
  • faire gagner de l'argent (on peut éviter de faire fumer des choses et donc de devoir les racheter)
  • faire progresser en anglais le lecteur.

Pourquoi s'en priver ?

TPE

Mesures de tension et d'intensité

Le multimètre

Il est presque indispensable d'avoir un multimètre à disposition pour contrôler vos montages électroniques – surtout pour éviter d'endommager ('cramer') certains composants qui n'aiment pas être inversés ou suralimentés… La plupart des multimètres en vente actuellement sont des multimètres à affichage numérique, mais il en existe aussi à affichage analogique (à aiguille) :

Un multimètre numérique

Un multimètre à aiguilles

Un multimètre simple, d'un coût d'une dizaine d'Euros, suffit pour commencer en électronique.

Vérifiez bien que les branchements des deux sondes -ET- le réglage de l'appareil correspondent bien aux conditions à mesurer.

Un multimètre réglé sur l'échelle de 20mA ne va pas aimer voir passer un courant de 20A. Et n’essayez pas de mesurer la tension avec le multimètre réglé sur une échelle d'intensité - c'est 'vu' comme un court-circuit ! Parfait pour cramer des composants!

Mesures de tension

Réglé sur une échelle de tension, le multimètre va nous renseigner sur la chute de tension réelle aux bornes de la résistance. Ici on voit le montage en version schématique et en 'réel' :

Montage de la connexion du voltmètre

Schéma électronique de branchement du voltmètre

Notez comment le voltmètre est branché : branchement +ve (rouge) sur le plus positif des deux fils de la résistance. Sur un montage 'inconnu' il faut parfois tâter en regardant l'affichage du voltmètre afin de savoir quel côté d'un composant est le +ve.

Mesures d'intensité

Vous avez vu que les mesures de tension peuvent se faire sans modifier le câblage d'un circuit. Pour mesurer l'intensité ce n'est pas aussi facile. Pour voir, par exemple, l'intensité du courant à travers la DEL, il faut couper le circuit pour insérer le multimètre, pour que tout le courant qui traverse la DEL passe aussi à travers le multimètre :

Schéma électronique de branchement de l’ampèremètre

Notez à nouveau qu'il faut brancher l'ampèremètre dans le bon sens : côté "+" branché sur le point le plus +ve des deux. Dans cet exemple on peut insérer l'ampèremètre n'importe où dans le circuit car nous n'avons que deux composants (la résistance et la DEL) en série.

Glenn

Zéro, un, euh... (calcul et notation binaire)

Il y a 10 sortes de gens au monde : ceux qui connaîssent le binaire et les autres.

Anonyme

Cette plaisanterie, opaque pour un non informaticien, nous rappelle que tout est affaire de notations quand il s'agit de nombres et qu'à la question « Quel est le successeur de 1 » on répond naturellement « 2 ». Seulement le numérique n'aime pas trop compter au delà de 1 mais cela n'empêche pourtant nullement de faire des calculs.

En numérique l'élément le plus fin s'appelle un bit (contraction de BInary uniT), isolé il ne permet de représenter que deux états, on a le choix pour distinguer ces deux états :

  • vrai / faux,
  • haut / bas,
  • rigolo / triste,
  • rouge / vert,
  • ouvert / fermé,
  • allumé / éteint,
  • 0 / 1.

On utilisera la dernière forme car c'est plus simple en électronique : 0 pas de courant (au potentiel de la masse : 0 V) et 1 du courant qui passe (au potentiel de Vdd, le plus souvent 3,3 V ou 5 V).

Que peut-on faire avec un bit ? Déjà on peut allumer ou éteindre une LED, donc si on a en entrée A un bit et une sortie S reliée à une LED (avec une résistance !), nous pouvons écrire ce que l'on appelle une table de vérité comme ceci :

A S
0 0
1 1

Table de vérité de l'identité

L'état de la sortie est égal à l'état de l'entrée, cet opérateur s'appelle l'identité (buffer) et n'a guère d'utilité (sauf pour amplifier un signal un peu faiblard), on peut utiliser aussi la notation : $S = A$

On peut imaginer l'opérateur inverse :

A S
0 1
1 0

Table de vérité du NON logique (inverseur)

On inverse l'état de la sortie par rapport à l'état en entrée, c'est l'opérateur non (not). On notera :

S = ¬ A ou simplement S = non A ou encore en plaçant une barre horizontale au dessus du A (chose que je ne peux/sais pas faire avec le Wiki).

Bien sûr il est possible de d'avoir deux autres opérateurs triviaux :

S = 0 et S = 1 il n'y a pas vraiment de notation mais ceux qui suivent ce MOOC savent que c'est une histoire de résistance qu'on appelle pulldown ou pullup, ça mérite pas un opérateur pour ça !

Mais on ne va pas aller très loin avec juste ça en poche…

Et si on s'amusait plutôt avec deux entrées A et B ? Du coup il y a beaucoup plus de combinaisons possibles, voyons ce que l'on peut faire. Si maintenant je souhaite allumer ma LED que si A et B sont à 1, ça donnera la table de vérité suivante :

A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Table de vérité du ET logique

C'est l'opérateur et (and) mais on peut l'assimiler aussi à la multiplication car :

  • $0 \times 0 = 0$
  • $0 \times 1 = 0$
  • $1 \times 0 = 0$
  • $1 \times 1 = 1$

On le note donc sous la forme d'une multiplication (en utilisant le point comme symbole) :

S = A . B mais S = A et B est tout à fait compréhensible aussi.

Déjà c'est plus intéressant. Un exemple d'utilisation est pour une machine outil dangeureuse : on veut s'assurer qu'au moment où la découpeuse à plasma va fonctionner l'opérateur aura les deux mains en dehors de la zone dangeureuse, posées sur des gros boutons excentrés A et B. Tant que l'on a pas A et B, S restera à 0 et n'alimentera pas le générateur de plasma.

Autre opérateur intéressant : le ou inclusif (or), c'est une addition sans retenue, voici sa table de vérité :

A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Table de vérité du OU logique

ou S = A + B

On parle de ou inclusif car dans le cas où les deux entrées sont à 1 on choisit de mettre la sortie également à 1. Mais on peut imaginer un ou exclusif (xor) qui lui, dans ce cas, mettrait la sortie à zéro :

A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Table de vérité du XOR, "OU exclusif"

ou S = A ⊕ B (un signe + placé dans un cercle).

Il y a une notation que l'on utilise pour les schémas électroniques, voici la symbolique des opérateurs (plutôt que d'opérateurs on parle de portes logiques en électronique) que nous avons vu :

Symbole des portes logiques

Attention : c'est le petit cercle en sortie de la porte non qui indique que l'opérateur non s'applique.

Vous disposez maintenant de l'ensemble des ingrédients pour faire la partie logique d'un microprocesseur !

Allez, on continue un petit peu : comment on va arriver à compter jusqu'à 2 vu que 1 . 1 = 1, 1 + 1 = 1 et que 1 ⊕ 1 = 0 ?

Il va falloir deux bits pour pouvoir représenter cette valeur donc on va avoir notre sortie S et puis une autre sortie que l'on va appeler C. C contiendra le débordement de l'addition, la retenue ou carry en anglais. Avant de donner la solution, écrivons la table de vérité :

A B C S
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 0 1
1 1 1 0

Table de vérité de l'opération

Quand cela déborde C passe à l'état 1, donc 1 + 1 = 10 en binaire !

Regardons les deux sorties une à une. Pour S on voit que c'est la table de vérité du ou exclusif et pour C la table de vérité du et. Dès lors on peut réécrire notre système comme ceci : S = A ⊕ B ; C = A . B

En version schéma électronique cela donne ça :

Un additionneur 2 bits

C'est un additionneur 1 bit, on peut étendre ce principe pour travailler sur 2, 3, 4,…, x bits mais cette forme n'est pas la plus efficace car il y un délai lié à la propagation de la retenue en cascade, mais cela fonctionnera.

On peut en reliant les deux sorties S et C à un ou inclusif suivi d'un non (une porte non ou ou nor en anglais) détecter quand le résultat est zéro, etc. Avec beaucoup (vraiment beaucoup) de petites briques comme cela on construit effectivement un microprocesseur.

Bon alors maintenant vous vous situez dans la catégorie 00 ou 01 ? ;-)