Circuits électriques de base

Les circuits électriques sont évidemment du domaine du génie électrique et ont moins d'intérêt pour l'ingénieur informaticien ou logiciel. Par contre, il n'est pas nécessaire d'acquérir des notions très avancées en ce domaine pour avoir à une meilleure compréhension de certains aspects électriques du fonctionnement du robot.

Une explication assez détaillée a été fournie à propos du pont en H. Par contre, plusieurs petits sous-circuits apparaissent ici et là sur le robot. En analysant la situation de près, on se rend compte que la majorité d'entre eux sont, en fait, des variantes d'un seul circuit de base, le fameux diviseur de tension. Il est donc essentiel de revoir un peu ce circuit et de montrer comment il réapparaît sous diverses autres formes.

Le diviseur de tension

Deux résistances en série entre +Vcc et la masse. Voilà tout simplement ce qu'est un diviseur de tension. La tension entre les deux résistances, Vo, varie selon les valeurs relatives de R1 et R2. Autrement dit, en choisissant judicieusement les résistances, on divise la tension en deux parts, égales ou non, entre 0 et 5 volts.

Ici, +Vcc est fixé à 5 volts, car la carte mère fonctionne à cette tension tout simplement. Le principe reste applicable à toute autre tension. La masse pourrait aussi être remplacée par une autre valeur de tension. En particulier, elle pourrait être négative. On rencontre d'ailleurs souvent ce cas en électronique en général.

Variation de R2

Il va de soit que si l'une ou l'autre des résistances varie, la tension Vo changera également. Pour faciliter l'analyse, on s'intéressera au cas où R2 varie, bien que R1 pourrait tout aussi bien être considérée. Qu'est-ce qui fait que R2 peut varier? Il y a au moins 3 cas qui nous intéressent avec le robot.

Le premier est le cas des boutons-poussoirs sur la carte mère. En effet, un bouton-poussoir a une résistance quasi nulle lorsqu'il est enfoncé et infinie lorsqu'il est relâché. En conséquence, Vo prend respectivement les valeurs 0 et 5 volts dans ces deux situations (circuit A sur la figure).

Par ailleurs, le potentiomètre de la carte peut être ajusté à l'aide d'un tournevis. Sa résistance varie alors entre 0 et 10K. On a donc une variation de Vo qui peut aller de 0 à 2.5 volts si R1 est de 10K. Le symbole d'une résistance variable comme un potentiomètre est celui d'une flèche superposée à une résistance pour signifier la possibilité d'ajustement (circuit B sur la figure). Sur la carte mère, on souhaite plutôt que Vo varie entre 2.5 et 5 volts. Donc, le potentiomètre est plutôt en position R1 et la résistance fixe est R2.

Un troisième cas d'intérêt est la cellule photoélectrique (photocellule ou photorésistance) qui, tout comme le potentiomètre, est une forme de résistance variable. Sa particularité est que sa résistivité varie en fonction de l'intensité lumineuse. On symbolise souvent cette composante en plaçant des flèches ondulées près du symbole de résistance ce qui signifie que la lumière modifie son comportement (circuit C sur la figure). D'un point de vue électrique, Vo varie de la même façon que pour le cas précédent avec le potentiomètre sauf que la photorésistance varie entre 4 à 11 K environ.

De façon plus générale, on se rend compte que la variation de R2 permet de faire fluctuer ou d'ajuster la tension Vo. Cette façon de procéder est très rentable puisque la tension électrique est un phénomène physique très facile à mesurer. Cette remarque prend tout son sens lorsqu'on a accès à un convertisseur analogique/numérique. Si en plus ce convertisseur est utilisé avec un microprocesseur, on peut même effectuer une lecture en temps réel des fluctuations de tension Vo et facilement prendre des actions en fonctions des valeurs d'entrée. Le ATmega324PA de la carte mère réunit ces deux éléments en une seule puce pour moins de $5.00.

Un dispositif capable d'évaluer une variation d'un phénomène physique et de le traduire en un autre phénomène mesurable se nomme un transducteur. Ici, la variation de résistivité est convertie en grandeur de tension par le diviseur de tension. La dilatation du mercure dans un cylindre gradué pour évaluer la température est un autre exemple. Il s'agit d'un concept important de la science de la mesure, la métrologie. Dans le cadre du cours, il faudra garder ce principe en tête puisqu'il est à la base de tous les capteurs qui seront utilisés sur le robot.

Limitation de courant

Dans les cas précédents, R2 varie alors que R1 est une constante. R1 n'est pas inutile pour autant puisqu'elle sert à limiter le courant consommé et même d'éviter un court-circuit (comme lorsque le bouton-poussoir est enfoncé). Ce rôle de limitation peut ressortir dans certains circuits, au point de devenir majeur. Il arrive même qu'on ne s'intéresse même plus directement à la valeur de Vo tant qu'on sait que le courant ne dépassera pas une certaine valeur. C'est ce qui se produit dans deux situations notoires sur le robot.

La première est pour limiter le courant qui circule dans une diode. Traditionnellement, la tension aux bornes des diodes était de l'ordre de 0.7 volt. Aujourd'hui, avec la variété des diodes sur le marché, il n'est pas rare que cette tension atteigne jusqu'à 2 volts. Par contre, la tension d'alimentation de la carte est toujours de 5 volts. La résistance R1 permet de combler la différence de potentiel tout en limitant le courant. Ainsi, plus R1 est faible, 330 ohms par exemple, plus une diode électroluminescente (del) sera lumineuse. Par contre, avec R1 très élevée, il sera même difficile de constater que la del est allumée tellement la luminosité est faible. Une valeur de 1.5K permet une intensité lumineuse acceptable sans trop consommer de puissance pour le cas de la carte mère.

L'autre cas où R1 joue un rôle de limitation de courant est pour l'application de tension aux bornes des moteurs. Il faut savoir qu'un moteur à courant continu qui démarre consomme énormément de courant et se comporte comme une résistance très faible. Cette situation se produit également lorsqu'une roue est bloquée (lorsque le robot est bloqué contre un mur par exemple). Comme on veut éviter cette trop grande consommation de courant, on place des résistances de puissance sur le pont en H qui sont en série avec les moteurs. Le prix à payer pour cet aspect sécuritaire est un moteur sous-alimenté et qui ne tire qu'une partie de la tension disponible de 8 volts des piles AA (en fait, entre 6.8 et 9 volts ou à peu près).

Les transistors

Un premier contact avec les transistors et souvent intimidant. On aperçoit des symboles un peu curieux et l'on a peine à imaginer ce qui se produit, tant au niveau électrique qu'au niveau logique. Pourtant, il est possible de partir du diviseur de tension pour comprendre un peu mieux leur fonctionnement. Il y a plusieurs types de transistors. Par contre, on peut dire qu'on les utilise pour deux fonctions précises de base.

La première consiste à tirer avantage d'un intervalle de fonctionnement linéaire pour les utiliser comme amplificateur. Ainsi, avec un signal analogique qui varie de 0 à 10 mV, on peut arriver à reproduire la même forme de signal, mais variant entre 0 et 200 mV par exemple. Pour des raisons de limitation de bruit et de précision dans la valeur des paramètres des composants d'un système d'amplification, la situation devient rapidement complexe. Concrètement, il faut un circuit constitué de plusieurs transistors et résistances pour produire l'effet désiré tout en atténuant les effets nuisibles. Comme l'électronique analogue fait moins partie de notre domaine d'étude, on s'intéressera moins à ce type de transistor.

Lorsqu'un transistor sort de sa région linéaire de fonctionnement, il devient soit saturé ou soit bloqué. Plus simplement, le transistor se comporte alors comme un interrupteur, tout simplement. Si un transistor a un voltage de 5 volts en entrée Vi, et s'il est de type P, il se comportera comme un circuit ouvert. Dans le cas inverse, si la tension d'entrée est nulle, le transistor se comporte comme une résistance presque nulle. Pour un transistor dit de type N, le comportement est inversé. Les termes P et N viennent de «positif» et «négatif» et ont surtout à voir avec la nature des matériaux utilisés pour les fabriquer. Utiliser les transistors comme s'ils étaient des interrupteurs est à la base du fonctionnement des portes logiques des systèmes numériques.

Comme on l'a vu plus haut, on a toujours avantage à limiter le courant qui traverse un interrupteur d'où l'utilisation du diviseur de tension. Ici, même avec des transistors utilisés comme interrupteurs, cette remarque reste vraie. En réalité, on a même avantage à remplacer les deux résistances R1 et R2 d'un diviseur de tension par deux transistors, un de type N et un de type P. De cette façon, un des deux est en circuit ouvert alors que l'autre agit comme en circuit fermé (court-circuit) et ce, en tout temps, quelle que soit la tension d'entrée Vi de 0 ou 5 volts. On obtient alors un circuit très connu appelé l'inverseur logique (figure plus bas). Cette façon d'utiliser les transistors P et N en paire est généralisable aux autres portes logiques (ou, et, ou-exclusif, etc.) D'ailleurs, le terme CMOS vient de «Complementaty Metal Oxyde Semi-conductor». L'aspect complémentaire vient de l'utilisation systématique de deux transistors complémentaires. Le terme MOS réfère au type de matériaux utilisés pour les réaliser.

On voit donc que le diviseur de tension est à la base de nombreux circuits. On pourrait même reprendre le circuit du pont en H et montrer qu'il est, en réalité, un diviseur de tension double, tout simplement! En fait, la sortie Vo de chaque diviseur de tension peut être connectée directement aux bornes d'un moteur. En s'assurant que le Vo d'un côté est à 0 volt alors que l'autre est à la tension maximale, le moteur se mettra en marche.

Breadboard

Comme on le voit, un circuit n'a pas besoin d'être très complexe avant de devenir fort utile. C'est pourquoi on désire souvent former rapidement un circuit avec quelques composants. Une façon d'y arriver est d'utiliser un breadboard. Le terme français de «montage expérimental» ne correspond pas très bien à la réalité de ce que l'on veut décrire ici, même s'il s'agit de la traduction officielle pour un breadboard. On veut surtout distinguer le breadboard du concept de circuits imprimés génériques qui suivra.

Un breadboard est constitué de plusieurs trous sur le dessus pour permettre d'insérer les broches des composants. Sous ces trous, des languettes métalliques jouent un double rôle. Elles agissent d'abord comme des pinces qui retiennent fermement les broches des composants. En plus, ces languettes permettre de connecter électriquement les broches des composants. La disposition des languettes peut varier suivant le type de breadboard. Par contre, la plupart des modèles de breadboard ont une section plastifiée en leur milieu sur le sens de la longueur. Cette section, dans le cas du modèle qu'on utilise sur le robot, comporte en plus deux trous qu'on utilise pour le montage avec des vis 4-40. Cette section sépare deux rangées de languettes dorées. Chaque languette relie les trous sur le sens de la largeur.

Les breadboard sont moins utilisés qu'à une certaine époque, tout simplement parce que les circuits modernes deviennent très complexes et beaucoup plus gros. De plus, la technologie des circuits imprimés s'est beaucoup développée au cours des dernières années en tant que méthode alternative. Pour toutes ces raisons, le breadboard employé sur le robot coûte assez cher comparativement aux autres pièces sur le robot. La raison vient de la faible demande pour un tel produit sur le marché. Par contre, il nous permet toujours de monter et de démonter de nombreux circuits très rapidement.

Circuits imprimés génériques

L'utilisation d'un breadboard amène certains problèmes. D'abord, des pièces peuvent s'en détacher facilement, surtout si le breadboard a de l'âge et qu'il y a eu usure des languettes. De plus, on ne peut pas utiliser des signaux à haute fréquence, car le breadboard amène nécessairement des effets parasites dans un tel cas. Enfin, on vient de le voir, son coût est important et on peut utiliser la technologie des circuits imprimés dans bien des cas.

Passer au développement de circuits imprimés devient également souhaitable si on désire conserver le circuit assemblé pour une longue période de temps après avoir testé sommairement le comportement sur un breadboard. Le développement d'un circuit imprimé demande certaines connaissances spécialisées et dépend du circuit désiré. Il existe cependant un compromis possible avec l'utilisation de circuits imprimés génériques. Il s'agit en fait de circuits imprimés qui permettent le même genre de connexions que sur un breadboard comme le montre la photographie. On peut utiliser ces circuits imprimés comme substitution au breadboard. De plus, ils sont faciles à trouver et relativement économiques.

Enfin, on peut adapter le pourtour de ces circuits imprimés pour que des connecteurs spécifiques ou des trous de montage se retrouvent aux bons endroits.

On en retrouve même intégrés à des cartes à microcontroleur parfois comme on peut le voir sur cette dernière photographie.