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WIFI ClubElek INSA LyonLes bases de l’électricité et de l’électronique pratique
13/10/2019
Nicolas DE PINHO FERREIRAIngénieur Génie Electrique - INSA Lyon 2018
Au programme
1- Introduction - Electricité, Electronique, Electrotechnique ?…
2 - Bases de l’électronique analogique
- Lois et théorèmes fondamentaux - Ohm, Mailles, Nœuds
- Sources
- Tension ? Courant ? AC/DC
- Composants
- Passifs (RLC, diodes, transformateurs…)- Actifs (Transistors, amplis, relais,…)
- Briques technologies fondamentales
- Filtres, alimentations, puissance
3 - Bases de l’électronique numérique
- Logique- Portes, combinatoire, séquentielle
- Programmable !
- µC, µP, FPGA, avec OS ou « bare-metal » ?
- Bus de communications
- UART, SPI, I2C, OneWire, CAN, RSXXX
Disclamer
Cette présentation ne doit pas être utilisé comme document de référence pour votre apprentissage
Les domaines du Génie Electrique et de l’Informatique sont des domaines très vastes !
Il ne m’est pas possible dans le cadre de cette formation d’un volume horaire réduit de traiter en détail chaque domaine, composant, théorème …
Le but de cette formation est de vous offrir une vue d’ensemble des techniquesde l’électronique, c‘est ensuite à vous d’approfondir !
Pas de Fourier ! Pas de physique du SC ! Pas d’électromagnétisme !
Pour commencer …
Juste un petit questionnaire rapide pour savoir avec quelles bases on part
Ce montage, c’est quoi ?
1) Un pont diviseur
2) Un pont de brook
3) Aucune idée
Un relais permet de ?
1) Piloter des charges
2) Amplifier de l’audio
3) Aucune idée
Pour créer une horloge j’utilise ?
1) Un quartz
2) Un variac
3) Aucune idée
La loi des mailles c’est ?
1) La base
2) L’autre nom de U=RI
3) Aucune idée
Pour commencer …
Juste un petit questionnaire rapide pour savoir avec quelles bases on part
L’impédance d’une inductance ?
1) 𝑍 = 𝑗𝐿𝛚
2) 𝑍 = 1/(𝑗𝐿𝛚)
3) Aucune idée
Ce filtre est de type ?
1) Passe bas
2) Passe haut
3) Aucune idée
En DC un condensateur est ?
1) Un court circuit
2) Un circuit ouvert
3) Aucune idée
Que représente β sur un transistor ?
1) Limite de saturation
2) Gain en courant
3) Aucune idée
Pour commencer …
Juste un petit questionnaire rapide pour savoir avec quelles bases on part
Quel est ce montage ?
1) Gyrateur
2) Suiveur
3) Aucune idée
Un convertisseur buck c’est ?
1) Un redresseur
2) Un conv. DC/DC
3) Aucune idée
Avec une MCC un pont en H permet?
1) De modifier son sens
2) Augmenter le rendement
3) Aucune idée
Un pont de diodes permet ?
1) Une conversion AC/DC
2) Un augmentation du FP
3) Aucune idée
Pour commencer …
Juste un petit questionnaire rapide pour savoir avec quelles bases on part
Une netlist c’est ?
1) Utilisé en CAO
2) En réseau TCP/IP
3) Aucune idée
Que désigne LTSpice ?
1) Un type de filtre
2) Un simulateur
3) Aucune idée
Un erreur de DRC peut être rencontrée ?
1) Sur une mémoire
2) Lors d’un routage
3) Aucune idée
Que désigne la référence ‘’7805’’ ?
1) Un ampli-op JFET
2) Un régulateur linéaire
3) Aucune idée
PARTIE 1
IntroductionElectricité, Electronique, Electrotechnique WTF…
Introduction
Electrotechnique ?
Alternateur 1300MW - 20kV © EDF
Ligne THT 400kV
Carte µC ~100mW
Carte analog.
Electronique ?
Electricité ? Electrotechnique ? Electronique ?
Fortes tensions, forts courants, fortes puissances …
~100V et au-delà…
Basses tensions, faibles courants, puissances basses…
UAC < 50V & UDC < 120V
Introduction
Alimentation ~20W
Electricité ?
Une frontière pas toujours très nette …
Electrotechnique : #Convertisseurs de puissance, #machines tournantes, #Alimentations, #AmplificateursElectronique : #Amplificateurs, #Alimentations, #Pilotage, #Commande, #Gestion, #Interface
Onduleur triphasé 10kW
Electrotechnique ? Electronique ?
Ampli audio 50W
Introduction
Quelque soit le domaine, il y a un point commun !
Spoiler : On peut mourir avec l’électricité ! Mais pas que …
Introduction
Ne faites pas ça chez vous … ni au ClubElek !
Attention lorsque vous réparez ou modifiez des appareils reliés au secteur !
Toujours travailler hors tension et derrière un transfo d’isolement
MONO TRI
Introduction
PARTIE 2
Bases de l’électronique analogiqueLes lois et théorèmes fondamentaux
La loi d’Ohm
Fondamental : Lie courant, tension et …. résistance !
U = R*IVersion ohmique
U = Z*IVersion généralisée Version graphique ?...
Normalement c’est connu pour tout le monde depuis le collège …
Z Symbole de l’impédance, c’est une grandeur complexe !
La notion d’impédance
Fondamental : C’est une notion plus générale
U = Z*IVersion généralisée
L’impédance est une grandeur complexe … Mais pas forcément, l’impédance d’une résistance, c’est R
𝑍 = 𝑗𝐿𝛚 + R𝑅𝑒(𝑍) = R
𝐼𝑚(𝑍) = 𝐿𝛚
𝑍 = 𝑅2 + 𝐿𝛚 2
Z
arg 𝑍 = tan−1𝐿𝛚
𝑅
Ici Z est l’association série d’un ‘R’ et d’un ‘L’
Loi des nœuds, loi des mailles
Fondamental : Répartition des tensions et courants (Kirchhoff)
[1] « La somme des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des courants sortants »
[2] « La somme des tensions dans une maille est toujours nulle »
Loi des nœuds Loi des mailles
Théorème de Millman
Fondamental : Tension en un point d’un circuit
« La tension en un point d’un circuit est égale à la somme des contributions multipliés parl‘admittance de la branche le tout divisé par la somme de ces admittances »
Formulation générale
Exemple d’application !
Pont diviseur de tension
Pratique : Mais malheureusement sa version « multiplieur » n’existe pas…
Exemple d’application !
U = I*(R1+R2)
U2 = I*R2
I=U/(R1+R2)
U2 = U*(R2/(R1+R2))
Finalement, c’est juste une application de la loi d’Ohm !
Pertes et puissance
Puissance : Quelques rappels utiles …
P=U*I*cos(φ)
P=R*I² P=V²/R Pertes Joules
Puissance
Les conventions émetteur et récepteur, c’est ok ?
Pas de miracles !
PARTIE 2
Bases de l’électronique analogiqueLes sources de tension, courant, AC, DC
Les sources
Continues (DC)
Batterie, Piles, Alimentation labo Source AC labo, GBF, Alternateur, Variac
Alternatives (AC)
Quelques exemples de sources de tension réelles…
Les composants passifs
Notion de signal
Signal dans le domaine temporel Signal dans le plan complexe
Signal est un terme générique, il peut désigner en réalité une grandeur homogène à une tension, un courant ou même une puissance …
La notion de phase est aussi importante !
Enfin, pour qualifier « le retard » ou le « décalage » entredeux signaux, il existe la notion de phase, généralement exprimée
en degrés ou radians, selon vos gouts et vos valeurs ;)
PARTIE 2
Bases de l’électronique analogiqueLes composants passifs
Les composants passifs
La résistance
Une propriété intrinsèque à tous les conducteurs…
CMS ~1/10W Traversant 1/4W Bobinée 25W
Composant caractérisé
Une valeur de résistance (Ω)
Une tolérance de la valeur (%)
Un coefficient de dérive en t° (Ω/°C)
Une puissance maximale admissible (W)
Un boitier(CMS, TH)
Vitrifiée 1W
Les composants passifs
La résistance
Lecture des codes valeur des résistances CMS Lecture des codes valeur des résistances CMS
Les composants passifs
La résistance
Association de résistances en série Association de résistances en parallèle
Jusque là, c’est simple non ?
Les composants passifs
Le condensateur
Un stockage d’énergie sous forme de charges …
Composant caractérisé
Une valeur de résistance (F)
Une tolérance de la valeur (%)
Une tension de service (V)
Un coefficient de dérive en t° (F/°C)
Un boitier(CMS, TH)
ESR, type de diélectrique …
Et il en existe une multitude !
Les composants passifs
Le condensateur
Attention, certains sont polarisés !
Les composants passifs
Le condensateur
« Un condensateur s’oppose à une variation brutale de la tension à ses bornes »
i(t)
u(t)
« Un condensateur est un composant dont la résistance* varie en fonction de la fréquence »
« Un condensateur c’est une réserve d’énergie »
Equation « temporelle »
Z(ω)U(ω)
Equation « fréquentielle »
𝛚 = 2𝜋𝐹
𝑍𝐶 =1
𝐶ω→ 𝐻𝑜𝑚𝑜𝑔è𝑛𝑒 à 𝑑𝑒𝑠 𝑜ℎ𝑚𝑠 (Ω)
« Un condensateur c’est quand même vachement utile »
arg 𝑍𝐶 = −π
2→ 𝐷é𝑝ℎ𝑎𝑠𝑎𝑔𝑒 𝑑𝑒 − 90°
Les composants passifs
Le condensateur
Observons un peu son comportement dans le domaine temporel …
i(t)
u(t)
Pour le plus grand plaisir des matheux on va résoudre ça en temporel (Cœur sur toi Pierre-Simon de Laplace)
C.I
Les composants passifs
Le condensateur
Après la torture … place au domaine fréquentiel !
Dans le domaine des BF le circuit présente une haute impédance, en HF au contraire, il présente une basse impédance
Z(ω)U(ω)
Pratique non ? Il bloque le continu mais laisse passer des signaux alternatifs ! Mmmmh intéressant …
BF -> HighZ
HF -> LowZ
Les composants passifs
Le condensateurSauf que dans la vraie vie, rien n’est idéal …
Il faut donc se méfier, et selon vos applications, aller vérifier le comportement en fréquence du condensateur !
Modèle plus réaliste
Les composants passifs
Le condensateur
Association de condensateurs en série Association de condensateurs en parallèle
Beaucoup d’informations en peu de temps ?
Les composants passifs
L’inductance
Un stockage d’énergie sous forme de champ magnétique …
Composant caractérisé
Une valeur d’inductance (H)
Une tolérance de la valeur (%)
Un courant max admissible (A)
Une fréquence ‘’max’’ (Hz)
Et il en existe une multitude !
Les composants passifs
L’inductance
« Une inductance s’oppose à une variation brutale du courant qui la traverse »
i(t)
u(t)
« Une inductance est un composant dont la résistance* varie en fonction de la fréquence »
« Ca existe mais on en voit moins que les condensateurs … »
Equation « temporelle »
Z(ω)U(ω)
Equation « fréquentielle »
𝑼 = 𝑳𝒅𝑰
𝒅𝒕
𝒖(𝒕) = 𝑳𝒅𝒊(𝒕)
𝒅𝒕
𝒁𝑳 = 𝒋𝑳𝛚
𝛚 = 2𝜋𝐹
𝑍𝐿 = 𝐿ω → 𝐻𝑜𝑚𝑜𝑔è𝑛𝑒 à 𝑑𝑒𝑠 𝑜ℎ𝑚𝑠 (Ω)
arg 𝑍𝐶 =π
2→ 𝐷é𝑝ℎ𝑎𝑠𝑎𝑔𝑒 𝑑𝑒 + 90°
Les composants passifs
L’inductance
Comme pour les condensateurs, on peut regarder l’aspect fréquentiel
Et là encore… rien n’est idéal ! Mais « au quotidien » d’un électronicien, c’est moins gênant que les condensateurs …
Les composants passifs
En résumé sur les composants R,L,C…
𝛚 = 2𝜋𝐹
Une petite diapositive qui résume tout ce que l’on vient de voir sur ces composants
Stockage d’énergie ?
Filtres ?
Couplage ?
…
Les composants passifs
La diode
Wow attention ! C’est un semi-conducteur ! Elle ne laisse passer le courant que dans un sens …
Principales caractéristiques
Un courant maximum admissible (A)
Une tension de seuil (V)
Une tension maximale inverse (V)
Une rapidité de commutation (s)
Un courant de fuite (A)Attention aux polarités !
Les composants passifs
La diode
Caractéristique d’une diode …
Diode avec seuil … (Vf~0.7V) Diode idéale … (Vf=0V)
Les composants passifs
La diode Zener
C’est comme une diode mais avec une deuxième région … la Zener !
Caractéristique I-V d’une diode Zener Régulateur à diode Zener simple
Principales caractéristiques
Une tension zener (V)
Une puissance max (W)
Les composants passifs
La diode Schottky (va là ? inspecteur gadget !)
C’est « comme » une diode PN classique, mais avec une tension de seuil plus faible
Caractéristique I-V d’une diode SchottkyExemple d’application : protection ESD
Principales caractéristiques
Courant de fuite (µA)
« Rapidité de commutation » (ns)
Pratique pour se protéger des transitoires rapides (IEC 61000-4-2)Mais il faut se méfier, ces diodes ont tendance à présenter
des courants de fuite importants, surtout quand T° augmente.
Les composants passifs
La diode électroluminescente
C’est aussi un semi-conducteur, mais qui a le bon gout de produire de la lumière !
Principales caractéristiques
Un courant nominal (A)
Une tension de seuil (V)
Une longueur d’onde principale (m)
Les composants passifs
Les relais électromécaniques
Permettent la commande d’un fort courant à partir d’un courant + faible
Relais Reed 0,5A Relais 16A Relais 25A
Composant caractérisé
Une tension de commande (V)
Une résistance de bobine (Ω)
Un courant maximum admissible (A)
Une tension maximum (V)
Contacteur 35A
Les composants passifs
Les relais électromécaniques
Les configurations disponibles sont multiples …
Single Pole Simple Throw Single Pole Double Throw
Double Pole Simple ThrowDouble Pole Double Throw
Certes, facile et pratique à mettre en œuvre, mais commutations à basse vitesse !(spoiler : pas de PWM avec un relais !)
Les composants passifs
Les relais solid-state
SolidState 40A - 250V Relais statique 2A - 24V
Composant caractérisé
Une tension de commande (V)
Un pouvoir de coupure (A)
Une tension maximale admissible (V)
Une limite d’isolation (V)
On les appelle également relais statiques
Relais SolidState 60A
Les composants passifs
Les transformateurs
Permettent par couplage magnétique d’augmenter ou diminuer une tension alternative, ou simplement, d’isoler…
𝐦 =𝐍𝟏
𝐍𝟐=𝐕𝟏
𝐕𝟐=𝐈𝟐
𝐈𝟏
Principe physique• Quand un courant traverse un conducteur, un champ magnétique se
crée autour.• Quand un conducteur est traversé par un champ magnétique, un
courant est induit.
En pratique• Fonctionne uniquement pour une tension alternative• Peut servir à abaisser ou augmenter la tension, ou simplement isoler
Transfo ‘’audio’’Transfo ‘’étrier" 230V-12V Transfo ‘’moulé’’ 230V-2x15V Transfo ‘’d’impulsion’’ 30W
Les composants passifs
Les transformateurs
Permettent par couplage magnétique d’augmenter ou diminuer une tension alternative, ou simplement, d’isoler…
𝐦 =𝐍𝟏
𝐍𝟐=𝐕𝟏
𝐕𝟐=𝐈𝟐
𝐈𝟏
Passons à autre chose …
PARTIE 2
Bases de l’électronique analogiqueLes composants actifs
Les composants actifs
Le transistor
Transistor Bipolaire (NPN)
« C’est un semi-conducteur, comme la diode, mais avec un troisième terminal »
MOS-FET (N) J-FET (N) IGBT
Il en existe une multitude ! Mais 4 familles se distinguent principalement !
Les composants actifs
Le transistor
Le principe de base avec une analogie hydraulique qui vaut ce qu’elle vaut …
Collecteur
Emetteur
Base
Collecteur
Emetteur
Base
Les composants actifs
Le transistor
Regardons le transistor bipolaire de plus près …
Deux modes de fonctionnement possiblesLinéaire ou commutation
𝐼𝐶 = 𝛽. Ib𝑉𝐵𝐸 ≅ 0,8𝑉
𝑉𝐶𝐸𝑆𝐴𝑇 ≅ 0,2𝑉*
𝑉𝐵𝐸 ≅ 0,8𝑉
𝐼𝐸 ≅ 𝐼𝐶 𝐼𝐸 ≅ 𝐼𝐶
Permet d’amplifier des signaux si utilisé correctement dans le domaine linéaire !
Saturé BloquéLinéaire
Les composants actifs
Le transistor
De nombreux paramètres existent en fonction des types de transistors, mais on distingue principalement :
Transistor Bipolaire
- Gain courant : hfe ou β- VCE maximum (V)- VCB maximum (V)- VEB maximum (V)- ICE maximum (A)- PD max (W)
‘’800mA, 30V’’2N2222
‘’25A, 150V’’2N6338
Transistor MOSFET
- Seuil VGS(TO) (V)- Résistance canal RDS(ON) (Ω)- Tension VDS maximum (V)- Tension VGS maximum (V)- Courant IDS maximum (A)- Puissance dissipée max (W)
Transistor IGBT
- Tension VDS maximum (V) - Courant IDS maximum (A)- F. commutation max (Hz)- PD max (W)
Commandé en courant
‘’2,5V, 0,5Ω, 1A, 20V’’BSH105
‘’10V, 0,04Ω, 50A, 200V’’IRFP260N
Commandé en tension Commandé en tension
‘’1200V, 3600A,1MBI1200U4C
‘’1200V, 5A,2N120
Les composants actifs
Le transistor
Exemple d’application en mode commutation (saturé/bloqué)
Pilotage de la bobine d’un relais avec un NPN
1) Savoir combien consomme le relais (100mA)2) Connaitre la valeur du gain du transistor (~hfe=100)3) Connaitre la tension de commande (5V)4) Calculer la valeur du courant de base
5) Calculer la valeur de R1 :
6) La résistance R2 est une résistance de pull down
𝐼𝑏 =𝐼𝑐
ℎ𝑓𝑒=100
100= 1𝑚𝐴
𝑅1 =𝑉𝐶𝐷𝐸 − 0.6
𝐼𝑏=5 − 0.6
10−3= 4400 𝑂ℎ𝑚𝑠
Les composants actifs
Le transistor
Pour conclure, parce que c’est quand même fondamental
Exemple d’amplificateur audio
Linéaire
- Amplificateur- Source de courant
- Etage de puissance
Commutation
- Séparation CDE/Puissance- Commande moteur- Pilotage charges
Les composants actifs
Drivers à transistors
Un réseau de transistors utilisables en commutation
Permet par exemple, le pilotage d’un ensemble de relais ou les enroulement d’un moteur pas à pas
µC
Puissance
Les composants actifs
Amplificateur opérationnel
Schéma interne d’un amplificateur opérationnel
Maintenant qu’on a des transistors, on va pouvoir faire des trucs plus compliqués …
Symbole d’un amplificateur opérationnel
On utilise quasiment toujours la vision macroscopique du composant …
Les composants actifs
Amplificateur opérationnel
Caractéristique d’un amplificateur opérationnel
Tout comme le transistor, il dispose de deux régimes de fonctionnement : linéaire et commutation
Linéaire
V+ = V-Ɛ = 0V
i+ = i- = 0A
« L’amplificateur fera tout son possible pour conserver V+ = V- »
Ɛ
Commutation
V+ < V- alors Vs = -VeV+ > V- alors Vs = +Ve
« C’est un fonctionnement comparateur »
Les composants actifs
Amplificateur opérationnel
Amplificateur non inverseur
Et comment faire pour ‘’savoir’’ quel est le régime de fonctionnement ?
Comparateur simple Comparateur à hystérésis
De façon générale, un AOP fonctionne en régime linéaire si il existe un lien électrique entre l’entrée ‘’V-’’ et la sortie (contre-réaction)
V+ < V- alors Vs = -VccV+ > V- alors Vs = +Vcc𝑉𝑠 = 𝑉𝐸 ∗
𝑅1𝑅2 + 𝑅1
Les composants actifs
Les circuits intégrés
Des semi-conducteurs, encore et toujours, et pour faire tout ce que vous voulez !
Moteur de recherche : ‘’programmable sine wave generator ic"
Terminé pour les composants élémentaires !
PARTIE 2
Briques technologies fondamentalesFiltres, alimentations, puissance
Briques fondamentales
Passer de la vision composants …
Front-end analogique d’un encodeur RDS
Maintenant qu’on dispose du ciment intéressons nous aux briques
… A la vision architecture systèmeVous avez déjà une bonne vue d’ensemble
Briques fondamentales
Un peu de vocabulaire …
Les électroniciens ont l’habitude d’utiliser tout un lot d’abréviations, de sigles et de noms qui leurs sont propre…
CMOS : Famille de circuits intégrés avec une plage d’alim de ~3V à ~15VTTL : Autre familles de circuits intégrés avec une alimentation de 5V max
GND : (Ground) c’est la masse, le 0VVCC : Tension d’alimentation positiveVDD : Idem, souvent dénommé ainsi sur les circuits intégrésVSS : Représente le potentiel d’alimentation le plus bas (alim négative ou masse)
Briques fondamentales
Le filtrage de signaux
C’est fondamental ! Les signaux peuvent porter quantité d’informations, mais parfois seules certaines sont utiles
T F
T T F
C’est un domaine très vaste qui implique pas mal de considérations mathématiques …On va aller au plus simple !
TF
‘’Fourier’’
TF
‘’Fourier’’
Briques fondamentales
Le filtrage de signaux
Et si on continue comme ça à ajouter des sinusoïdes avec les amplitudes et les fréquences qui vont bien …
PASSE BAS
PASSE HAUT
Briques fondamentales
Le filtrage de signaux
Il existe une multitude de structures et topologies de filtres différentes …
Filtrage
Passe Bas Passe Haut Passe Bande Coupe bande
Cellules du 1er ordre
RC / LR, Salen-KeyRauch
Cellules du 1er ordre
CR / RL, Salen-KeyRauch
Cellules du 2e ordre
RLC, Salen-Key, Rauch
Cellules du 2e ordre
RLC, Notch, Twin-T
Les filtres peuvent être passifs (pas d’apport d’énergie) ou actifs, par exemple avec des AOPs
Briques fondamentales
Le filtrage de signaux
Les cellules les plus élémentaires à base de circuits RC … (Mémo valeurs de gain : - 20 dB = 0,1 / -40 dB = 0,01 / -60 dB = 0,001)
Cellule passe haut RC du premier ordre Cellule passe bas RC du premier ordre
𝑭𝒄 =𝟏
𝟐𝝅𝑹𝑪𝑭𝒄 =
𝟏
𝟐𝝅𝑹𝑪
Briques fondamentales
La PWM (ou MLI)
Une technique fondamentale pour la commande d’actionneurs et la conversion D/A …
Pilotage luminosité Pilotage vitesse MCC Conversion D/A Bobine Tesla ?
Briques fondamentales
Le pont en H
Permet le pilotage de charges diverses et variés et l’accession à deux quadrants de commande (voir quatre !)
Exemple d’utilisation un pont en H : pilotage MCC Idem, mais avec des transistors + DRL
Utilisations très variés : Pilotage moteur CC, Onduleurs, Drivers LEDs, Convertisseurs DC/DC
Briques fondamentales
Pull-Up/Pull-Down
Permet de fixer le potentiel en un point du circuit dans le cas ou des E/S haute impédance sont utilisés
Note d’application TI : http://www.ti.com/lit/an/slva485/slva485.pdf
Entrée d’un circuit intégré Sortie collecteur ouvert
Si ces résistances n’étaient pas présentes, quels seraient les potentiels ?
Briques fondamentales
Clamping
Technique de protection pour l’entrée d’un circuit, permet entre autres, de limiter la dynamique d’un signal…
Clamping à diodes Zener
Clamping à diodes Schottky
Eviter d’utiliser pour autre chose que des transitoires … Ex : adaptation niveau !
Briques fondamentales
Découplage
Essentiel si vous commencez à designer des circuits un peu complexes avec des composants qui commutent …
Pourquoi découpler ?
Un choix de valeur pas forcément trivial à calculer mais généralement 100nF / circuit intégréSi vous avez la place, 1µF/100nF c’est encore mieux ! (pôle BF, pôle HF)
Les pistes des circuits imprimés ne sont pas parfaites !
Briques fondamentales
Découplage
Une pratique à mettre en œuvre également lorsque vous routez vos cartes électroniques !
Briques fondamentales
Anti-Rebond
Technique utile lorsque l’on veut relier un commutateur électromécanique sur une entrée numérique
Un interrupteur est un dispositif mécanique … … et n’est donc pas parfait ! Pas fou !
Un simple circuit RC peut suffire mais on peut ajouter un trigger de Schmidt !Mais le traitement anti-rebond peut également être implémenté en soft.
Briques fondamentales
Génération d’horloges
Beaucoup de systèmes électroniques reposent sur des horloges, carré, sinus, triangle
Quartz : précis, stable, ‘’HF’’ Facile, pratique Facile, sortie sinus
Là encore, un sujet très vaste dont nous n’avons pas le temps de parler plus en détail
Oscillateurs harmoniques : Fonction sinusoïdale en sortie (ou somme de sinusoïdes ?)
Oscillateurs à relaxation : Fonctions carrés, horloges numériques
Briques fondamentales
Alimentations AC/DC intégrés
Permettent de disposer de tensions d’alimentation continues directement à partir de la tension secteur 230V 50Hz.
Principales caractéristiques
Plage tension d’entrée (V)
Tension(s) de sortie(s) (V)
Courant de sortie (A)
Niveau d’isolation (V)
Pratique, permet d’économiser du temps de design sur la partie alimentation secteur …
Briques fondamentales
Convertisseurs DC/DC
Comment générer une tension d’alimentation continue pour vous montages et cartes électroniques ?
Principales caractéristiques
Topologie (buck, boost, buck-boost)
Tension d’entrée (V)
Tension(s) de sortie(s) (V)
Courant de sortie (A)
DC
DC
Il en existe de tous types et pour toutes les applications (single/dual output, isolés, non-isolés, abaisseurs, élévateurs…)
1W Isolated +/- 15V 10W isolated +5V 4W isolated +3.3V**Gaïa c’est cher, mais c’est le must !
Briques fondamentales
Convertisseurs DC/DC
Ils existent également en version ‘’non-intégrés », c’est à vous de rajouter les composants externes (self, capa…)
Note d’application TI TPS62202
Soyez particulièrement vigilants, ce sont des composants sur lesquels un soin tout particulier doit être apporté lors du routage ! Vérifiez également les diélectriques de vos capas de sortie !
Exemple d’application
Convertisseur buck (abaisseur) non isolé.Sortie 1.8V fixé 300mA maximum.
Parfois, des condensateurs à haut « ESR » sont requis pour assurerla stabilité du convertisseur DC/DC (LDO)
http://www.ti.com/lit/an/slva115/slva115.pdf
Briques fondamentales
Les LDO (ou régulateurs linéaires en général)
Idéal pour des fonctions de régulation de tension en local et l’abaissement de tensions d’alimentation
Principales caractéristiques
Type : V fixe ou V ajustable
Plage de tension d’entrée (V)
Tension de sortie (V)
Courant de sortie (A)LDO Fixe 3.3V
Régulateur linéaire ajustable
Briques fondamentales
Circuits d’alimentation
Comment générer une tension d’alimentation continue pour vous montages et cartes électroniques ?
Facile à mettre en œuvrePas de problèmes de CEM
Densité volumique de puissanceRendement excellent (80> n >95%)Composants critiques
Briques fondamentales
Circuits d’alimentation
Comment générer une tension d’alimentation continue pour vous montages et cartes électroniques ?
Protection Abaissement Redressement Filtrage Régulation Filtrage
𝑪 =𝑰
𝜟𝑼 ∗ 𝑭
Briques fondamentales
La conversion A/D
Permet la conversion de signaux analogiques en une grandeur numérique …
Là encore c’est un domaine très vaste avec beaucoup de théorie mais on va aller au plus simple
Principales caractéristiques
Type (bipolaire/unipolaire)
Plage de tension d’entrée (V)
Résolution (bits)
Fréquence d’échantillonnage(Hz)
Type de lien numérique
𝑞 =𝑉𝑅𝐸𝐹2𝑁
𝐹𝐸𝐶𝐻 = 2. 𝐹𝑀𝐴𝑋
𝑆𝑁𝑅 = 6,02𝑁 + 1,76
Briques fondamentales
La conversion D/A
Permet la conversion de signaux analogiques en une grandeur numérique …
Là encore c’est un domaine très vaste avec beaucoup de théorie mais on va aller au plus simple
Principales caractéristiques
Type (bipolaire/unipolaire)
Plage de tension de sortie(V)
Résolution (bits)
Fréquence d’échantillonnage(Hz)
Type de lien numérique
𝑞 =𝑉𝑅𝐸𝐹2𝑁
𝐹𝐸𝐶𝐻 = 2. 𝐹𝑀𝐴𝑋
Filtrage de restitution souvent critique !
Briques fondamentales
Les actionneurs électromécaniques
Permettent d’agir sur le monde physique, il en existe une multitude…
Là encore c’est un domaine très vaste avec beaucoup de théorie mais on va aller au plus simple
Moteur à courant continu Moteur asynchrone Moteur synchrone Moteur brushless
Facile à utiliserCommande simple
DC
Vitesse liée à latension d’alim.
Très bon marchéPeu d’entretien
AC
Vitesse liée à lafréquence d’alim.
Facilement réversibleCde. parfois complexe
AC
Vitesse liée à la fréquenced’alimentation.
C’est en fait unemachine synchrone
à aimants permanents
AC … DC … ça dépendde si l’électronique depilotage est intégrée.
Briques fondamentales
Les actionneurs électromécaniques
Permettent d’agir sur le monde physique, il en existe une multitude…
Là encore c’est un domaine très vaste avec beaucoup de théorie mais on va aller au plus simple
Moteur pas à pas Servomoteur Moteur linéaire
Permet d’effectuerdes positionnementsprécis … mais en BO !
AC
Très utilisé sur les imp. 3D
Pour du positionnementangulaire précis
C’est en fait une MCCasservie en position
Aéromodélisme …
Très cher
PARTIE 3
Bases de l’électronique numériquePortes, combinatoire, séquentielle
Bases de l’électronique numérique
Avez-vous les bases ?
Pour la suite, un certain nombre de prérequis sont nécessaires …
Binaire : 1011 (b) = 11 (d) Hexa : 17C (h) = 380 (d) Octal : 142 (o) = 98 (d)
Êtes vous binaire ?
1 - HIGH
0 - LOW
X - UNKNOWN
Comment vous portez vous ?
TTL / CMOS / LVDS
Bases de l’électronique numérique
Porte AND
Premier élément de logique combinatoire …
A B X
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Quad-2-Input AND gate 74HC08
Bases de l’électronique numérique
Porte OR
Il existe plusieurs façons de représenter les portes logiques, équations, symboles, tables de vérité
A B X
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Quad-2-Input OR gate 74HC32
Bases de l’électronique numérique
Porte XOR
Il existe plusieurs façons de représenter les portes logiques, équations, symboles, tables de vérité
A B X
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Quad XOR gate 74HC86
Bases de l’électronique numérique
Les portes de négation
Porte NON
y = a | y = ¬a | y = /a | y = ~a | y = non(a)
y = non(a . b)
y = non(a + b)
Porte NON-ET aussi connue sous le nom de NAND
Porte NON-OU aussi connue sous le nom de NOR
Bases de l’électronique numérique
Les diodes logiques ?
Avant de sortir toute la collection des portes logiques série 74XXXX pensez diodes !
Bases de l’électronique numérique
Bascule RS
Premier élément de logique séquentielle !
S R Q /Q remarque
0 0 Q /Q mémoire
0 1 0 1 mise à 0
1 0 1 0 mise à 1
1 1 0 0 état interdit
Symbole classique
Composants internes
Bases de l’électronique numérique
Bascule D
Très utile pour rendre un signal synchrone
Symbole classique
Composants internes
D CLK Q /Q remarque
d 1 d /D Q recopie D
X 0 Q /Q mémoire
CLK
Bases de l’électronique numérique
Le registre à décalage
Permet d’effectuer une conversion série parallèle et vice-versa
Vue fonctionnelle
Exemple de décalage
Bases de l’électronique numérique
Les compteurs
Il en existe de différents types, par exemple binaires ou à décades
Compteur binaire 4 bits
Compteur à décades 10 bits
Bases de l’électronique numérique
D’autres éléments divers et variés
On a pas le temps mais il existe de nombreux autres éléments logiques
Multiplexeur Démultiplexeur Transcodeurs
Bases de l’électronique numérique
Que faire de tous ces éléments logiques ?
De nombreuses applications et possibilités s’offrent à vous !
• Additionneur, soustracteur...
• Mémoire
• Transcodeur
• Diviseur de fréquence
• Décodeur
• Multiplexeur
Bases de l’électronique numérique
Que faire de tous ces éléments logiques ?
Mais il existe des applications un peu plus d’actualité, on utilise plus trop les portes logiques en CI.
Composants programmables
PARTIE 3
Bases de l’électronique numériqueComposants programmables
Composants programmables
Deux grandes familles de composants programmables
Traitement parallèleTraitement numérique haute vitesse
‘’Grand volume de données’’
+ Cher / + Conso / + Temps design
FPGA / CPLD …
Traitement monoFacilités de programmation
+ Low cost / + Low power / + Facile
Microcontrôleurs
Composants programmables
Les microcontrôleurs
C’est quoi un microcontrôleur (µC) ?
Composants programmables
Les microcontrôleurs
Un aperçu des caractéristique d’un µC et de ce que l’on peut trouver dedans
Caractéristiques
• Programmable
• Périphériques
– Communication : UART, SPI, I²C, CAN, etc.
– Commande PWM
– Sorties analogiques : DAC
– Entrées analogiques : ADC
– Entrées / Sorties Numériques : GPIO
• Interruptions
– Externes
– Timers
– Internes (ADC…)
Grandes familles • ARM
– STM32 - STMicroelectronics– TM4C - TI
• MSP-430 - TI• AVR - Atmel• PIC - Microchip
Composants programmables
Les microcontrôleurs
Exemple avec le MSP430
UART0I2C
VREF
TIMERS
Composants programmables
Les microcontrôleurs
On peut encore les classer en deux sous familles
µC / SoC avec OS• Raspberry PI (et dérivés)• BeagleBone Black (et dérivés)• Arietta G25• CHIP (nouveau)• Pine 64
µC sans OS• Arduino• ST Nucleo• TI LaunchPad
Composants programmables
Les microcontrôleurs
Famille des µC / SoC avec un système d’exploitation
Avantages
• OS haut niveau (Linux)
– Environnement familier, proche du développement sur PC
• Nombreux langages de programmation disponibles
• Nombreuses interfaces de communication
– Ethernet, Wi-Fi → Interface web, connexion SSH, FTP, etc.
– USB → Périphériques standards : clavier, souris, imprimante, clé USB, etc.
– Bluetooth
Inconvénients
• Plus chers
• Complexe à intégrer sur une carte → Nécessite l’usage d’une carte du commerce
• OS qui n’est pas temps réel
• Opérations simples comme l’accès aux GPIO, la PWM, les ADC/DAC sont plus complexes à mettre en place
Composants programmables
Les microcontrôleurs
Que choisir alors ?
Microcontrôleur (sans OS ou OS simple)
• Projet simple
• Petit budget / Nombre important
• Besoin de beaucoup de GPIO, d’UART, etc.
• Rapidité et précision dans la génération de signaux
(PWM par exemple)
• Contraintes temps-réel
• Système sur batterie / piles qui doit
consommer peu
Microprocesseur / SoC
(avec OS haut niveau type Linux)
• Tout ce qui nécessite des périphériques
qu’on ne peut pas implémenter facilement
sur un µC, type Ethernet, Wi-Fi, USB, etc.
• Si on veut faire une interface graphique
• Si on veut programmer autrement qu’en C
• Besoin d’une certaine puissance de
calcul (ex : recherche de chemin, traitement d’images, etc.)
Composants programmables
Les microcontrôleurs
Et si on arrive pas à choisir et/ou qu’on a besoin des deux ?
Solutions hybrides, avec un µC et un SoC qui communiquent entre eux et se répartissent les tâches
PSOC Zynq (Xilinx)
PARTIE 3
Bases de l’électronique numériqueBus de communications
Bus de communications
On peut rapidement être amené à vouloir communiquer …
Dialoguer avec une mémoire EEPROM
Communiquer avec un PC …
• Bus Parallèle
– Classique
• Bus Série
– Asynchrone
• UART
• Bus CAN
• …
– Synchrone
• SPI
• I²C
• …
Bus de communications
L’UART ou Universal Asychronous Receiver TransmitterTrès utile par exemple pour discuter en un PC et un µC …
Bus de communications
Le bus I2C
Bus de communication sur carte (ou plus si affinités)
Bus de communications
Le bus SPI
Communication série semblable à l’I2C mais avec quelques lignes en plus …
Bus de communications
Le LVDS : Pas vraiment un ‘’bus’’ mais plutôt un support PHY
Low Voltage Differential Signaling : Utile pour les longues distances à haute vitesse
On le trouve typiquement sur les écrans …
Références bibliographiquesUn peu de lecture
Références bibliographiques
Références bibliographiques
Conclusion
Merci pour votre attention, avez-vous des questions ?
nicolas.de-pinho-ferreira@insa-lyon.fr
https://www.youtube.com/watch?v=4469WzNALn8
Tutoriaux et formations à venir
Quelques autres sujets possibles …
1. Techniques avancées en électronique analogique(détection synchrone, PLLs, modulations, transmissions …)
2. Bonne pratiques de développement électronique(organisation, approvisionnement, validation …)
3. Fabrication des circuits imprimés(méthodes chimiques, gravure par CNC …)
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