EDC de Mara

Introduction.....................................................................p3

Chapitre I: Les capteurs...................................................p5
..................La photodiode................................................p6
..................Capteur d'inclinaison.....................................p7
..................Interrupteur de position................................p8

Chapitre II: Interface utilisateur......................................p9

Chapitre III: Les principaux composants analogiques....p11
.....................La résistance.............................................p11
.....................Le condensateur........................................p12
.....................La diode....................................................p14
.....................La diode électroluminescente (DEL).........p15
.....................La bobine.................................................p16
.....................Le transistor.............................................p17
SUITE SOMMAIRE..........................................................p2

.....................Le photocoupleur......................................p18
.....................Le memristor.............................................p19
.....................Le régulateur de tension...........................p20

Chapitre IV: Les principaux composants numériques.....p21
....................Le microprocesseur....................................p21
....................La mémoire................................................p23
....................Le quartz...................................................p24
....................Le microcontrôleur.....................................p25

Chapitre V: Électronique de puissance...........................p26

Chapitre VI: Prototypage, le matériel existant................p28

Introduction.

Ce livre est destiné aux personnes familières avec l'électronique - lire 'Les Bases de l'électronique' de Mara - id 65041 - et s'attachera à mettre en avant le rôle des principaux composants utilisés dans l'électronique analogique, numérique et de puissance.

Au delà de leur rôle théorique, il sera proposé des images afin de pouvoir reconnaître et, le cas échéant dessiner, le symbole de ces composants sur un schéma.

Nous verrons les différentes plaques qui permettent de réaliser un prototype de circuit électronique, bien que la platine de prototypage - appelée également platine d'expérimentation - restera à jamais la préférée de l'auteur!

Les composants électroniques sont généralement listés en fonction de leur domaine de prédilection. Cependant il est important de garder à l'esprit que les domaines de l'électronique sont interdépendants.

Il y a les capteurs, les composants liés à l'interface utilisateur-machine, l'électronique analogique, numérique et de puissance.

Si un composant électronique peut accomplir à lui seul une fonction précise, il peut intervenir dans d'autres champs d'applications si celui-ci est utilisé simultanément, ou en parallèle, avec d'autres composants.

Il ne sera jamais assez dit et écrit que le monde de l'électronique est un monde complexe où la diversité est synonyme de complémentarité.

Chapitre I: Les capteurs.

Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur exploitable. Le capteur ne sert que d'interface, à ce titre il n'est pas autonome et se distingue donc des instruments de mesure.

On nomme capteur passif un capteur qui nécessite un apport en énergie pour pouvoir fonctionner. Par opposition, un capteur actif convertit directement le phénomène physique en une grandeur électrique.

Les capteurs font également l'objet d'une classification par type de sortie. Si en sortie il y a une grandeur électrique alors on parle d'un capteur analogique. Si il s'agit d'une suite d'états logiques, qui forment un nombre, on parle alors d'un capteur numérique. Enfin, si la suite est un état logique noté 0 ou 1 il s'agit d'un capteur logique.

Un capteur peut détecter un phénomène physique de deux façons. Détection avec contact: le capteur entre en contact physique avec le phénomène. Détection sans contact: le capteur détecte le phénomène lorsqu'il se produit à côté de celui-ci.

À noter qu'en robotique mobile il est important de distinguer le capteur proprioceptif, qui effectue une mesure par rapport à ce qu'il perçoit localement du déplacement du robot, du capteur extéroceptif, qui se base sur une mesure prise par rapport à l'environnement global dans lequel évolue le robot.

La photodiode: composant semi-conducteur capable détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.

En combinaison avec une LED infrarouge son application principale réside dans la détection d'obstacles ou le suivi d'un chemin précis par un robot (généralement tracé par une ligne noire sur un fond blanc).
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Photo-diode.svg/1024px-Photo-diode.svg.png

Capteur d'inclinaison: Le principe d'un capteur d'inclinaison est très simple. Il faut le considérer comme un interrupteur, c'est à dire qu'il est soit ouvert (le courant ne passe pas), soit fermé (le courant passe).
Symbole d'un interrupteur ouvert: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/SPST-symbol.png

Pour que cet interrupteur soit fermé, il faut que la boule métallique située à l'intérieur du composant fasse la jonction entre les deux pôles du composant.

Pour que cet interrupteur soit ouvert, il suffit de pencher le capteur, la boule métallique cesse alors de créer le contact entre les deux pôles du composant. Le courant ne passe plus.

On retrouve par exemple des capteurs d'inclinaisons dans les bras robotiques chargés d'exécuter des opérations précises.

La plupart des capteurs de position sont de formes cubiques ou cylindriques muni de plusieurs pattes. Ainsi la position de la boule peut systématiquement faire la jonction entre deux pôles et transmettre cette information pour qu'elle soit traitée par le système en conséquence.

Interrupteur de position: indispensable dans de nombreux domaines, l'interrupteur de position est LE capteur de détection avec contact:
Schéma: https://images.app.goo.gl/whKRnB1L5isoj4sD8

Lorsque la tête de commande est enfoncée, l'interrupteur est fermé, le courant circule. Lorsque la tête de commande est relâchée, l'interrupteur est ouvert, le courant ne circule pas.

Il sert dans les butées de fin de course (ascenseur, porte automatique, volet électrique, etc) et peut être également utilisé dans le domaine de la sécurité (interrupteur de l'utilisateur mort).

Chapitre II: interface utilisateur

L’interface utilisateur permet à un opérateur de manipuler le système. Elle coordonne les interactions utilisateur-système pour permettre un fonctionnement et un contrôle efficace du système du point de vue de l'utilisateur.

Haut-parleur: permet de transmettre à l'utilisateur un son. Le son diffère selon l'utilisation du système. Cela peut être un son qui traduit une validation d'une action de la part de l'utilisateur (appuyer sur la touche d'un clavier), une erreur suite à une action de la part de l'utilisateur (le mot de passe est incorrect), etc.

La seule limite étant le langage et l'imagination!

Symbole: https://images.app.goo.gl/BwvuFwnNdSs3k8BPA
HP1, tout à droite du schéma, symbolise le haut-parleur du système.

Afficheur LCD: Écran purement textuel sur quelques lignes. Il permet de transmettre une information dans une langue précise à l'utilisateur du système.
Exemple: https://images.app.goo.gl/xjNdwtS6uiaHNBHh6

Clavier douze touches: Faut-il vraiment s'étendre là-dessus? Sortez de votre logement et.. surprise, un clavier à douze touches!

Illustration d'un clavier numérique seize touches: https://images.app.goo.gl/s5aEuZY1A7EbN12p8

Le clavier est symbolisé tout à gauche du schéma par les interrupteurs. À chaque fois qu'une touche est enfoncée l'interrupteur est fermé, le courant peut passer et peut donc être interprété en conséquence par le système.

Joystick: l'utilisateur peut commander le système en bougeant le manche du joystick et en utilisant les boutons à cet effet. Indispensable pour passer une bonne soirée!

Chapitre III: Les principaux composants analogiques

La résistance: composant présent en grande quantité dans n'importe quel système, elle a pour fonction principale de diminuer l'intensité d'un courant dans un circuit.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c3/Resistor_symbol_IEC.svg/120px-Resistor_symbol_IEC.svg.png

Elle intervient dans la réalisation de nombreux montages.

Montage RLC: En électrocinétique - l'étude du déplacement de l'électricité dans les milieux matériels - un montage RLC composé d'une résistance, d'une bobine et d'un condensateur permet de filtrer des fréquences. L'intérêt principal est alors de supprimer les parasites présents dans un système, comme un récepteur.

Pont diviseur de tension: Permet de créer une tension de référence stable ou d'atténuer un signal à basse fréquence à l'aide de deux résistances installées en série. Très utilisé pour les appareils de mesure et les convertisseurs analogique-numérique.

Le condensateur: Il sert à stabiliser une tension électrique, en se chargeant en cas de surtension ou en se déchargeant, après avoir accumulé de l'énergie, en cas de baisse de tension.
Symbole: https://images.app.goo.gl/XsQ8zuXZNmVWoMx56

Le condensateur est également utilisé pour le filtrage et permet de séparer le courant alternatif du courant continu. Le courant continu est en effet bloqué par le condensateur.

Montage LC: Ce type de montage est utilisé dans les filtres, les tuners et les mélangeurs de fréquences. Son utilisation est très répandue dans les transmissions sans fil en radiodiffusion, autant pour l'émission que la réception.

Montage RC: Employé pour les filtres électroniques passe-bas (ou coupe-haut) ou passe-haut (ou coupe-bas).

Condensateur électrolytique: également appelé condensateur électrochimique. Il exécute la même fonction qu'un condensateur standard, à ceci près qu'il est polarisé en série et a donc un sens de montage précis.
Symbole: https://images.app.goo.gl/UuTcruGj9W32M4Nx9

Supercondensateur: Il permet de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs.

Il est moins sensible aux températures que les condensateurs et peut donc être retrouvé dans des systèmes soumis à des conditions climatiques extrêmes.

Nanocondensateur: Ou condensateur à nano couches. Il peut être rechargé extrêmement rapidement et sa capacité de charge peut surpasser celle des batteries.

Son application est très intéressante dans un système embarqué - c'est à dire un système électronique et informatique autonome - qui a besoin d'être rechargé en énergie très rapidement.

Diode: elle n'autorise le courant à passer que dans une seule direction, son sens de montage a donc une importance capitale.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f8/Diode-EN_A-K.svg/1920px-Diode-EN_A-K.svg.png

A pour anode, K pour cathode. Le courant ne peut aller que de l'anode vers la cathode.

Installée en série, dans un circuit, la diode est principalement utilisée pour redresser une tension, en convertissant le courant alternatif en un courant continu, semi-redressé.

Toujours installée en série, elle protège contre une erreur de branchement d'un circuit alimenté en courant continu en empêchant la circulation du courant dans le mauvais sens.

Installée en parallèle, elle protège des surtensions.

La diode intervient également dans les montages visant à servir de multiplicateur de tension.

Diode électroluminescente (DEL): un composant capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Tout comme la diode, elle n'autorise le courant à passer que dans un seul sens.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e5/LED_symbol.svg/1920px-LED_symbol.svg.png

En tant que dispositif très petit et capable d'émettre de la lumière on la retrouvera principalement dans les domaines de l'éclairage, de la signalisation et de la sécurité.

Sa petitesse, couplée à sa puissance, lui permet d'être présente dans la très grande majorité des systèmes électroniques puisqu'elle sert également de voyant lumineux.

Diode laser: Elle émet de la lumière monochromatique cohérente, ce qui permet de transporter un signal de télécommunications sur fibre optique à haut débit et à longue distance.

Elle a d'autres applications similaires à celle du laser, à ceci près qu'elle est moins coûteuse et est donc plus pertinente qu'un laser solide pour une utilisation grand public.

Bobine: Composant constitué d'un enroulement de fil conducteur (argent, cuivre, or, aluminium, ou zinc) autour d'un noyau. Le noyau peut être vide ou constitué d'un élément magnétique dur.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4b/Inductor.svg/220px-Inductor.svg.png

Elle permet de créer une impulsion de haute tension, généralement nécessaire pour démarrer certains systèmes ou dispositifs particuliers. Une lampe à décharge, un type de lampe utilisant du gaz pour produire de la lumière, a besoin d'une très grande tension en entrée afin que le gaz métallique présent dans la lampe s'ionise. Ce genre d'impulsion est également utilisé pour les armes électriques, comme le taser.

La bobine a des propriétés électromagnétiques et se retrouve donc dans les électroaimants, les relais électromécanique (un dispositif qui permet de séparer un circuit dédié à la puissance, d'un circuit dédié à la commande, améliorant ainsi la sécurité de l'opérateur du système), les actionneurs ou encore les moteurs électriques.

La bobine intervient également dans le filtrage.

Transistor: Composant fondamental des systèmes électroniques et logiques, il peut contrôler une tension ou un courant sur une électrode de sortie, grâce à une électrode d'entrée.

Il existe trois familles de transistors.

Le transistor bipolaire, divisé en deux types - complémentaires - le PNP et le NPN. Ce transistor intervient sur le courant électrique.
Symbole: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:BJT_PNP_symbol_(case).svg?uselang=fr

Le transistor à effet de champ, divisé en plusieurs types, intervient sur le champ électrique.
Symbole: https://images.app.goo.gl/wCD2Nq1pTzp7Fzro8

Le transistor bipolaire à grille isolée est la combinaison du transistor bipolaire et du transistor à effet de champ. Il intervient principalement dans l'électronique de puissance.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/IGBT_symbol.gif

Photocoupleur: composant électronique capable de transmettre un signal d'un circuit à un autre, sans qu'il y ait contact entre eux.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/02/Optoisolator_Pinout.svg/150px-Optoisolator_Pinout.svg.png

Ce dispositif nécessite une diode électroluminescente (DEL) en guise d'émetteur et d'une photodiode en guise de récepteur.

L'application d'un photocoupleur n'a pas vraiment de limite. On le retrouve dans tous les systèmes où les circuits ont besoin d'être isolés des uns et des autres, mais où la communication entre ces circuits est recherchée pour faire fonctionner un système.

Cette séparation s'explique généralement parce que les circuits concernés utilisent des alimentations distinctes ou qu'il y a besoin de protéger un opérateur d'un circuit utilisant une grande puissance électrique.

L'avantage d'un photocoupleur par rapport à un relais, comme le relais électromécanique évoqué précédemment, réside dans sa petite taille et sa vitesse de transmission de l'information d'un circuit à l'autre.

Memristor: Il stocke l’information. La valeur de sa résistance électrique change, de façon permanente, lorsqu’un courant est appliqué.
Symbole: https://images.app.goo.gl/sbQN99vqpCYGgG6QA

Son fonctionnement et l'étendue de son domaine d'application pourraient faire l'objet d'un livre entier. En effet, le memristor est capable d'imiter les neurones et les synapses d'un cerveau biologique, à ce titre son domaine d'application est similaire à celui d'un cerveau.

Quand un réseau de memristors est exposé à de nouvelles données, il apprend et les synapses artificielles qui relient les neurones ajustent l’intensité des connexions des neurones entre eux.

Il n'a pas lieu de développer autrement qu'en vous encourageant à imaginer un cerveau biologique qui ne connaît aucune limite de rapidité, de stockage et de réflexion, autre que le nombre de memristors utilisés dans un système.

Si un système démarre instantanément et reprend ses protocoles exactement là où il les avait laissés avant d'être coupé, cette opération est très probablement réalisé grâce à un memristor.

Régulateur de tension: Ce composant est capable de maintenir une tension constante à sa sortie indépendamment de la charge et de la tension d'entrée. Il y a toutefois des limites à son fonctionnement.

On distingue deux types de régulateur de tension.

Le régulateur de tension linéaire, utilisé dans les circuits de faible puissance. Il génère très peu de bruit.

Le régulateur de tension à découpage, qui a un rendement beaucoup plus élevé que le précédent, mais est plus complexe à fabriquer et génère du bruit haute fréquence.

Les régulateurs sont utilisés en combinaison avec d'autres composants qui vont filtrer le bruit qu'ils génèrent et les protéger des pics de surtension.

Les régulateurs chauffant énormément, on les retrouve proches de dispositifs chargés de dissiper la chaleur ou, le cas échéant, de le convertir en énergie.

Chapitre IV: Les principaux composants numériques.

Processeur: Un processeur (ou unité centrale de traitement, UCT) est un composant qui exécute les instructions machine des programmes informatiques.

Un processeur construit en un seul circuit intégré est appelé microprocesseur. Plus un microprocesseur contient de transistors (voir chapitre III, page X) plus il peut réaliser des opérations complexes et traiter des nombres de grande taille.

Dans les faits un microprocesseur peut exécuter des opérations simples (additionner deux nombres, comparer deux nombres pour déterminer s’ils sont égaux, comparer deux nombres pour déterminer lequel est le plus grand, multiplier deux nombres, etc) mais peut les exécuter extrêmement rapidement.

La vitesse d'une opération dépend de l'horloge du microprocesseur. Son rôle est de cadencer le rythme du microprocesseur. Plus la vitesse de l’horloge est élevée, plus le microprocesseur exécute d'instructions en une seconde.

Les limites d'un microprocesseur peuvent être repoussées en employant une méthode de surcadençage.

Elle consiste à augmenter la vitesse de l'horloge du microprocesseur au delà de sa limite théorique. Cela n'est pas sans conséquence sur la durée de vie du composant et sa consommation électrique.

Si les instructions qu'un microprocesseur doit exécuter ne sont pas inter-dépendantes (c'est-à-dire que le résultat de l'exécution de chacune d'entre elles ne modifie pas les conditions d'exécution de l'une des autres), il devient possible de les exécuter simultanément.

Le microprocesseur n'interagissant pas seul avec son environnement, il faut que les restes des composants aient les capacités de gérer une cadence élevée de l'exécution des opérations.

À titre de comparaison analogique, imaginez une machine capable de remplir six-cent bouteilles de pixelienne à la seconde, mais que l'autre ne peut en encapsuler que cinq-cent à la seconde. Les embouteillages vont être énormes!

Mémoire: dispositif ayant pour rôle de stocker l'information, la mémoire joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications. La mémoire artificielle - puisqu'il n'est question que de ça ici - pourrait faire l'objet d'un livre entier tellement le sujet est vaste.

Il existe plusieurs supports qui permettent de stocker la mémoire. En théorie il y a peu de limite sur le type de support. En effet un système a seulement besoin de pouvoir identifier deux éléments différents, qui pourraient être traduits par 0 ou par 1.

Dès lors qu'il est possible de traduire quelque chose en nombre binaire, un système électronique est capable de l'interpréter en conséquence. Il serait donc théoriquement possible d'enregistrer des données sur du vivant: une plante, le pelage d'un animal, etc.

Bien évidement enregistrer une donnée sur du vivant impliquerait de devoir maîtriser entièrement l'évolution du vivant et d'arrêter, le cas échéant, son évolution. Il s'agit juste ici d'éprouver la théorie et de connaître ses limites.

Quartz: composant qui a comme propriété d'osciller à une fréquence stable lorsqu'il est stimulé électriquement. Sa composition est minérale.
Symbole: https://images.app.goo.gl/AURqYShcEUEY9Lme7

Les quartz sont conçus pour vibrer à des fréquences allant de la dizaine de kilohertz (kHz), à quelques dizaines de mégahertz (MHz). La fréquence d'oscillation dépendra de la dimension du quartz.

Le quartz est utilisé dans les équipements de test et de mesure. Il est également utilisé dans les systèmes de radiocommunication, pour les références de fréquences, mais aussi pour réaliser des filtres de bande étroits.

Il est indispensable pour les systèmes dont le fonctionnement repose sur une base de temps.

Microcontrôleur (µc, ou uc): Il est un circuit intégré qui rassemble plusieurs éléments: processeur, mémoires, unités périphériques et interfaces d'entrées-sorties.
Exemple: https://images.app.goo.gl/m2xJGUY2whiwZP5cA

Il se distingue par son haut degré d'intégration (il peut accueillir un très grand nombre de composants, comme le transistor), une plus faible consommation électrique et une vitesse de fonctionnement plus faible par rapport à un microprocesseur.

De part sa petite taille, le microcontrôleur est le composant privilégié de l'électronique embarquée (communicateur, deck, AITL, terminal portable, etc) mais la taille des programmes et la quantité de mémoire dont il dispose est modeste.

Le microcontrôleur a des capacités mathématiques limitées, il passe donc par une série d'opérations mathématiques simples (addition, soustraction et décalage des octets) pour pouvoir accomplir une opération mathématique évoluée.

Chapitre V: les principaux composants de l'électronique de puissance.

Le disjoncteur: Indispensable pour protéger les systèmes d'une surcharge électrique ou d'un court-circuit, le disjoncteur est un dispositif qui interrompt automatiquement le courant électrique en cas d'incident sur le circuit.
Symbole: https://images.app.goo.gl/e9kcwcKpRCqHhprs5

Le thyristor: Équivalent d'une diode - voir chapitre III page X - le thyristor est toutefois privilégié pour intervenir des systèmes utilisant une puissance électrique forte avec une fréquence basse.
Symbole: https://images.app.goo.gl/hUyY7YndMazmdH8n7

On les retrouve principalement dans les gradateurs (variateur de puissance), les redresseurs (convertisseur alternatif/continu), les onduleurs (convertisseur continu/alternatif) et pour la commande des moteurs électriques.

Parasurtenseur: À ne pas confondre avec le paratonnerre, le parasurtenseur protège les installations électriques et de télécommunications contre les surtensions en général.

Elles peuvent avoir pour origine la foudre mais également la manoeuvre d'appareils électriques.

Bobine d'arrêt: Voir bobine - chapitre III page X. À la différence que la bobine d'arrêt est dimensionnée pour filtrer principalement les hautes fréquences.

Transformateur: Il permet de modifier les valeurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs différentes, mais de même fréquence et de même forme.
Symbole: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Transformer_Iron_Core.svg/800px-Transformer_Iron_Core.svg.png

Chapitre VI: Prototypage, le matériel existant.

Le prototypage consiste à réaliser un prototype. Un prototype est un exemplaire incomplet et non définitif de ce que pourra être le produit ou l'objet final.

En électronique il existe plusieurs matériels qui permettent un prototypage. Le choix du matériel est principalement motivé par des questions de coûts et de méthodologie.

Il n'est pas rare de procéder au prototypage directement sur un circuit imprimé, dont l'architecture aura été préalablement dessinée à l'aide des logiciels dédiés. Cette méthode implique de souder les composants et empêche leurs réutilisations dans d'autres applications.

La perfboard, appelée également planche perforée, est pré-perforées à intervalles réguliers suivant une grille de forme carrée.
Vue du dessus: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/CopperCladPerfboard_1.png/220px-CopperCladPerfboard_1.png
Vue du dessous: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e1/CopperCladPerfboard_2.png/220px-CopperCladPerfboard_2.png

Elle est polyvalente puisque l'on peut souder directement les composants dessus, ou les wrapper.
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Le wrapping consiste à remplacer les soudures par des fils enroulés sur les broches des composants. Cette méthode possède l’avantage de pouvoir réutiliser les composants dans d'autres applications puisqu'ils sont simples à défaire.

Les connexions sont plus solides et l’absence de soudure évite les problèmes de corrosion. Cependant le wrapping n'est pas du tout adapté au prototypage d'un système utilisant des fréquences élevées. Des glitchs peuvent apparaître.
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La configuration de la perfboard peut toutefois la rendre laborieuse à utiliser: il est nécessaire d'enlever le cuivre sur la planche là où l'on ne souhaite pas de connexion.

La platine d'expérimentation ne nécessite aucune soudure, elle présente donc l'avantage de pouvoir être réutilisée dans d'autres applications.
Exemple: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Breadboard.svg/250px-Breadboard.svg.png

Les connexions se réalisent avec des câbles mâles.