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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 …


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 …


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 …


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


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


La résistance

Lecture des codes valeur des résistances CMS Lecture des codes valeur des résistances CMS


La résistance

Association de résistances en série Association de résistances en parallèle

Jusque là, c’est simple non ?


Le condensateur

Un stockage d’énergie sous forme de charges …


Une valeur de résistance (F)


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 !


Le condensateur

Attention, certains sont polarisés !


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°


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


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


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


Le condensateur

Association de condensateurs en série Association de condensateurs en parallèle

Beaucoup d’informations en peu de temps ?


L’inductance

Un stockage d’énergie sous forme de champ magnétique …


Une valeur d’inductance (H)


Un courant max admissible (A)

Une fréquence ‘’max’’ (Hz)

Et il en existe une multitude !


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°


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 …


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 ?

…


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 !


La diode

Caractéristique d’une diode …

Diode avec seuil … (Vf~0.7V) Diode idéale … (Vf=0V)


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


Une tension zener (V)

Une puissance max (W)


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


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.


La diode électroluminescente

C’est aussi un semi-conducteur, mais qui a le bon gout de produire de la lumière !


Un courant nominal (A)

Une tension de seuil (V)

Une longueur d’onde principale (m)


Les relais électromécaniques

Permettent la commande d’un fort courant à partir d’un courant + faible

Relais Reed 0,5A Relais 16A Relais 25A


Une tension de commande (V)

Une résistance de bobine (Ω)

Un courant maximum admissible (A)

Une tension maximum (V)

Contacteur 35A


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 relais solid-state

SolidState 40A - 250V Relais statique 2A - 24V


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 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 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 !


Le transistor

Le principe de base avec une analogie hydraulique qui vaut ce qu’elle vaut …

Collecteur

Emetteur

Base

Collecteur

Emetteur

Base


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


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


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


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


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


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 …



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 »



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 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


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)


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’’



Et si on continue comme ça à ajouter des sinusoïdes avec les amplitudes et les fréquences qui vont bien …

PASSE BAS

PASSE HAUT



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



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


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 ?


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


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 ?

http://www.ti.com/lit/an/slva485/slva485.pdf


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 !


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 !


Découplage

Une pratique à mettre en œuvre également lorsque vous routez vos cartes électroniques !


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.


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


Alimentations AC/DC intégrés

Permettent de disposer de tensions d’alimentation continues directement à partir de la tension secteur 230V 50Hz.


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 …


Convertisseurs DC/DC

Comment générer une tension d’alimentation continue pour vous montages et cartes électroniques ?


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 !


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)




Les LDO (ou régulateurs linéaires en général)

Idéal pour des fonctions de régulation de tension en local et l’abaissement de tensions d’alimentation


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


Circuits d’alimentation


Facile à mettre en œuvrePas de problèmes de CEM

Densité volumique de puissanceRendement excellent (80> n >95%)Composants critiques


Circuits d’alimentation


Protection Abaissement Redressement Filtrage Régulation Filtrage

𝑪 =𝑰

𝜟𝑼 ∗ 𝑭


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


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


La conversion D/A

Permet la conversion de signaux analogiques en une grandeur numérique …



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 !


Les actionneurs électromécaniques

Permettent d’agir sur le monde physique, il en existe une multitude…


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.


Les actionneurs électromécaniques

Permettent d’agir sur le monde physique, il en existe une multitude…


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


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


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


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


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


Les diodes logiques ?

Avant de sortir toute la collection des portes logiques série 74XXXX pensez diodes !


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


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


Le registre à décalage

Permet d’effectuer une conversion série parallèle et vice-versa

Vue fonctionnelle

Exemple de décalage


Les compteurs

Il en existe de différents types, par exemple binaires ou à décades

Compteur binaire 4 bits

Compteur à décades 10 bits


D’autres éléments divers et variés

On a pas le temps mais il existe de nombreux autres éléments logiques

Multiplexeur Démultiplexeur Transcodeurs


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


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


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


Les microcontrôleurs

C’est quoi un microcontrôleur (µC) ?



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



Exemple avec le MSP430

UART0I2C

VREF

TIMERS



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



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



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.)



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

• …


L’UART ou Universal Asychronous Receiver TransmitterTrès utile par exemple pour discuter en un PC et un µC …


Le bus I2C

Bus de communication sur carte (ou plus si affinités)


Le bus SPI

Communication série semblable à l’I2C mais avec quelques lignes en plus …


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

Conclusion

Merci pour votre attention, avez-vous des questions ?

[email protected]

https://www.youtube.com/watch?v=4469WzNALn8

mailto:[email protected]

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 …)

formation wifi clubelek

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