EDC de Mara

Sommaire.

Introduction à l'électronique............................................p2

Chapitre I: Les signaux électroniques..............................p3

Chapitre II: Convertisseur Analogique-Numérique..........p9

Chapitre III: Convertisseur Numérique-Analogique.......p16

Chapitre IV: Les principaux composants........................p18

Conclusion.....................................................................p20

Introduction à l'électronique.

L'électronique est une branche de la physique appliquée.

Elle utilise l'électricité comme support pour le traitement, la transmission et le stockage d'informations. L'information, dans le domaine de l'électronique, est une grandeur qui peut évoluer en temps réel: la température, l'accélération, le champ magnétique, le temps etc.

___
Une grandeur, qu'est-ce que c'est?
Tout ce qui peut être mesuré ou calculé, où le résultat peut être exprimé grâce à un nombre réel, ou complexe, avec une unité de mesure précise est une grandeur.
Exemple: 23°C est une grandeur de température. °C, ou celsius, est l'unité de mesure de la température.
___

L'électronique utilise des composants matériels - voir le chapitre IV sur les principaux composants matériels - pour traiter des signaux électroniques. Ils peuvent être portés par une tension électrique, un courant, un champ électrique ou encore magnétique.

Chapitre I: Les signaux électroniques.

Un signal se divise en deux parties:

signal = signal utile + bruit

Le signal utile est le signal contenant l'information recherchée. Le bruit représente les perturbations altérant le signal utile et est donc une gêne pour la bonne compréhension de l'information que contient le signal utile.

Il existe différent moyen de diminuer voir de supprimer le bruit. Dans le domaine de l'électronique, cela consiste à mettre en place des mesures visant à protéger les circuits électroniques, à l'aide d'un blindage.

Trois types de signaux sont distingués: Les signaux analogiques, les signaux numériques et les signaux de puissance.

Les signaux analogiques s'intéressent au traitement continu de l'information, car les valeurs physiques traitées évoluent elles-mêmes de façon continue. Exemple: la température évoluera de façon continue, bien que sa grandeur puisse être stable sur une certaine période de temps.

Le point fort de l'électronique analogique est qu'il n'existe aucun temps de latence: l'information est traitée en continue. Son point faible est qu'il n'est pas possible de stocker de l'information ou d'effectuer des produits ou des divisions par des variables.

L'électronique numérique est en opposition à l'électronique analogique. Le champ des possibilités est déterminée et permet donc de s'affranchir du bruit. Les valeurs sont codées en binaires et ne peuvent avoir que deux états, soit 0, soit 1.

Les champs d'application de l'électronique analogique et de l'électronique numérique sont opposés, comme ce fut expliqué précédemment.

Opposé ne veut pas dire qu'il faille choisir l'un, ou l'autre, dans l'opération que l'on veut mener.

Au contraire, ils sont complémentaires.

En effet le convertisseur analogique-numérique (CAN) ou encore le convertisseur numérique-analogique (CNA) servent d'interface entre l'électronique analogique et l'électronique numérique. On parle alors d'électronique mixte lorsque ces deux systèmes coexistent.

Exemple: la température peut être prélevée puis mesurée par un système analogique, la mesure est ensuite convertie par le CAN, pour que son résultat soit affiché sur un écran numérique.

Cas pratique de l'électronique mixte pour aller plus loin:
Vous désirez conserver la température d'une pièce à 23°C.

Comment va se comporter votre système pour cela?

Comme cela a été dit dans l'exemple précédent la température est prélevée puis mesurée par un système analogique. Le CAN va pouvoir ensuite traduire cette valeur numériquement afin d'être exploitée dans un langage fiable et fini.

L'électronique numérique comparera la valeur finie avec la valeur à respecter, dans notre cas 23°C. Le système enverra les instructions nécessaires pour que la température de la pièce soit de 23°C, tout en analysant parallèlement avec l'électronique analogique la température de la pièce pour vérifier que cette grandeur est respectée.

La pièce se réchauffera alors si il y a lieu de la réchauffer, ou se refroidira si il y a lieu de la refroidir, à l'aide des équipements nécessaires.

L'électronique de puissance est le changement de forme de l'énergie électrique. Son application est de modifier la tension électrique ou le courant en les découpant à très haute fréquence. Le dispositif qui permet une telle modification est appelé convertisseur de puissance.

Son application se retrouve dans des systèmes où les besoins des composants matériels diffèrent des uns et des autres, par rapport à l'énergie qui peut être fournie par le réseau électrique dont nous disposons. Les Services Techniques de la Ville (STV) nous fournissent une énergie qui possède une tension électrique et est un courant précis, à une fréquence précise.

___
Une fréquence, qu'est-ce que c'est?
En physique la fréquence est le nombre de fois qu?un phénomène période se reproduit par unité de mesure du temps. Plus le phénomène se répète plus sa fréquence est élevé. L'unité de mesure de la fréquence est le hertz.
___

Cependant l'énergie fournie par les STV peut ne pas convenir à certains systèmes. Il faut alors transformer cette énergie pour qu?elle soit exploitable par le système.

Exemple: un deck rétro utilise du courant faible. Les STV fournissent un courant fort. Le convertisseur de puissance va modifier, en entrée, l'énergie fournie par les STV, pour l'adapter, en sortie, au besoin du deck rétro.

Il serait tout à fait possible de créer l?équivalent d?un deck rétro qui exploite du courant fort. Ainsi il serait possible de s'affranchir de l'utilisation de l'électronique de puissance.

Quel est l'intérêt de l'électronique de puissance si on peut construire des systèmes dont les besoins en énergie peuvent être les mêmes?

L'électronique de puissance cherche à s?adapter à un réel besoin. Il n'y a pas lieu de dépenser beaucoup d'énergie, en physique appliquée, quand un petit peu suffit pour exploiter un système.

Exemple:
Vous êtes dans votre appartement, la personne avec qui vous discutez est à deux mètres de vous. Vous allez parler normalement. Certes, vous pourriez crier, mais vous n'allez pas le faire car ce serait une dépense inutile d'énergie. Si votre interlocuteur est à dix mètres de vous, vous allez probablement parler un peu plus fort pour être sûr que l?on vous entende. Vous allez adapter la puissance de votre voix a un besoin: celui d'être entendu.

L'électronique de puissance recherche la même chose: adapter l'énergie à un réel besoin. Pourquoi dépenser une énergie monstrueuse et élaborer de gros composants coûteux lorsqu'un petit apport d'énergie pour faire fonctionner de petits composants suffit?

Chapitre II: Convertisseur Analogique-Numérique (CAN)

Le Convertisseur Analogique-Numérique a pour fonction de traduire une grandeur analogique en une valeur numérique. Cette valeur numérique est codée sur plusieurs bits. Le CAN est, comme cela a été dit en précédemment, l'interface entre l'électronique analogique et l'électronique numérique.

Le signal numérique doit donc être exprimé, en sortie, de manière proportionnelle au signal analogique, en entrée. Ainsi il ne peut y avoir une même valeur numérique, pour des grandeurs analogiques différentes.

Un CAN performant peut être raisonnablement défini comme un CAN qui a une fréquence d?échantillonnage très élevée, capable de travailler sur un nombre de bits élevés afin d'obtenir la meilleure quantification possible.
___
Qu'est-ce que l'échantillonnage?
L'échantillonnage consiste à prélever les valeurs d?un signal à intervalles défini. Plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus il y a aura de valeurs prélevées sur une période définie. Plus le pas de quantification est élevé, plus il y aura de valeurs numériques différentes possibles en sortie.
___

Ainsi dans le cadre du contrôle de la température d?une pièce, il pourrait être pertinent d'exécuter un échantillonnage à une fréquence élevée, qui permet de connaître la température d'une pièce non pas toutes les secondes, mais tous les millièmes de seconde.

Analysons maintenant un cas concret:
https://sti2d.ecolelamache.org/courbe-ANbis.png

Le signal analogique, en noir, est converti en une valeur numérique à un instant t, en vert. Dans cet exemple le convertisseur travaille sur 4 bits, cela veut dire que sa valeur numérique en sortie peut être entre 0000 et 1111. Il y a 16 valeurs différentes possibles. 0000 correspond à une valeur numérique de 0 et 1111 correspond à une valeur numérique de 15.

Si le convertisseur travaillait sur 2 bits, cela voudrait dire que sa valeur numérique en sortie serait comprise entre 00 et 11. Il y aurait alors 4 valeurs différentes possible. 00 correspondant à une valeur numérique de 0 et 11 correspondant à une valeur numérique de 3.

Ainsi, si le convertisseur travaillait sur 16 bits, cela voudrait dire que sa valeur numérique en sortie serait comprise entre 0000 0000 0000 0000 et 1111 1111 1111 1111.

Il y aurait alors 65 536 valeurs différentes possible. 0000 0000 0000 0000 correspondant à une valeur numérique de 0 et 1111 1111 1111 1111 correspondant à une valeur numérique de 65 535.

Voici un autre exemple un peu plus parlant: https://blog.sciencesetavenir.fr/statistique/wp-content/uploads/sites/16/2018/01/codage.2.png

Plus le convertisseur travaille sur un nombre de bits élevés, plus il transmet fidèlement le signal analogique en entrée. On appelle cela la quantification. En augmentant le nombre de bits sur lequel travaille le convertisseur, on augmente le pas de quantification.

En augmentant le pas de quantification, on augmente la possibilité d'obtenir des valeurs numériques pertinentes en sortie.

Ainsi, dans notre premier exemple, pour un convertisseur 4 bits le pas de quantification est de 0.25 volt, ou encore 250millivolt.

En effet dans notre premier exemple la valeur analogique possible est comprise entre -2volt et 2volt. Si la valeur analogique possible en entrée aurait été de -4volt à 4volt le pas de quantification aurait été de 0.5volt.

Pour un convertisseur 16 bits il serait de 61microvolt si la valeur analogique possible est comprise entre -2volt et 2volt.

Toujours dans notre premier exemple, la fréquence d'échantillonnage est de 4000 Hz. Cela veut dire qu?un échantillonnage est exécuté 4000 fois en une seconde.

Pour conclure ce chapitre sur le CAN avec notre exemple de toujours;:

La température que nous souhaitons maintenir dans la pièce est de 23°C. On considère une plage acceptable autour de cette température entre 22.5°C et 23.5°C. En deçà de 22.5°C notre système électronique mixte traitera l'information de sorte à ce que la pièce soit finalement réchauffée jusqu'à 23°C, grandeur recherchée.

Au dessus de 23.5°C notre système traitera l?information de sorte à ce que la pièce soit refroidie jusqu?à 23°C.

La sonde que nous utilisons est capable d'indiquer la température entre 0°C et 80°C. Pour cela à sa sortie elle est capable de faire varier la tension électrique entre 0v et 10v. Si la sonde enregistre 0°C elle a une tension de 0v, si elle enregistre 80°C elle a une tension de 10v.

Si la sonde est parfaite et produit une tension linéaire entre 0 et 10v pour une température située entre 0°C et 80°C alors pour une grandeur de 8°C elle aurait une tension de 1v. Pour 8.1°C, une tension de 1.0125v, 8.2°C, une tension de 1.025v, etc. On obtient un tension de 0.125v pour 1°C, donc une tension de 0.0125v pour 0.1°C.

Un CAN de 4 bits avec une fréquence d'échantillonnage de 50Hz prélèverait un échantillon cinquante fois par seconde, dont la valeur numérique serait comprise entre 0 et 15. Il n'y aurait donc que 16 valeurs différentes. Si l'on divise le signal analogique d'entrée par 16, cela voudrait dire que le pas de quantification est de 625millivolt.

Cela voudrait dire que la valeur numérique, en sortie, ne pourrait conclure qu'à seize températures différentes, comprises entre 0 et 80°C.

C'est bien trop peu dans une configuration où nous voulons osciller entre 22.5°C et 23.5°C pour atteindre finalement une grandeur idéal de 23°C.

Avec un CAN capable de travailler sur 8bits, c'est à dire d'avoir une valeur numérique, en sortie, comprise entre 0000 0000 et 1111 1111. Il y aurait 256 valeurs possibles, comprises entre 0 et 255.

Le pas de quantification serait alors, pour une entrée analogique comprise entre 0 et 10v, de 39millivolt.

Toutefois ce pas de quantification, dans notre exemple, ferait l'impasse sur des informations pertinentes: La valeur numérique ne pourrait déterminer la température de la pièce, qu'à 0.3°C près. Ainsi elle conclurait que la température d?une pièce à 23.4°C qui chuterait à 22.2°C, perdrait 0.3°C par 0.3°C.

En effet à 23.4°C le CAN donnerait, à sa sortie, une valeur numérique de 78. Si sa valeur numérique est de 77, alors le système conclurait à une température de 23.1°C. À 75, 22.5°C, c'est à dire le seuil encore acceptable avant une réaction du système.

La réaction du système se ferait alors à une valeur numérique de 74, ou moins, soit 22.2°C ou moins. La température comprise entre 22.4°C et 22.3°C ne serait pas prise en compte pour le système, car pour lui elle n'existe pas, car elle n'est pas échantillonnée et ne peut pas avoir de valeur numérique entre 75 et 74.

Lors de la conception d'un système électronique mixte il est indispensable d'adapter le CAN à nos besoins. Une conversion entraînera toujours des pertes, même infimes. Il faut alors identifier dans quelle mesure une perte d'information, dans le système, est acceptable pour que le système remplisse ses fonctions correctement.

Chapitre III: Convertisseur Numérique-Analogique (CNA)

Le Convertisseur Numérique-Analogique (CNA) a pour fonction de traduire une valeur numérique en une valeur analogique proportionnelle à la valeur numérique codée.

Cette valeur analogique se traduit généralement par une tension électrique à la sortie du CNA. La tension électrique varie en fonction d'un réseau de résistances.

Il existe plusieurs façons d?utiliser ce réseau de résistances afin que le poids de chaque bit d?information soit pondérée par sa valeur analogique.

Le réseau unaire s'appuie sur l'utilisation d'une seule valeur de résistance et autant de résistances qu'il y a de valeurs de sortie possibles, montées en pont diviseur.

Ce réseau devient très vite limité car il utilise un nombre exponentielles de résistances en fonction du nombre de bits.

Un réseau unaire finirait par prendre beaucoup de place sur une carte électronique si il devait traiter un grand nombre de bits.

Le réseau binaire utilise des résistances de différentes valeurs, la valeur de chaque résistance correspond au poids binaire de chaque bit. La valeur des résistances doit être d'une grande précision, surtout pour les bits de poids forts. Il faut alors installer des résistances de grande qualité pour reproduire le plus fidèlement possible le signal numérique en la tension électrique qui lui correspond.

Le réseau R-2R (ou R/2R), utilise des résistances de deux valeurs différentes. R (par exemple, 125ohm) et 2R (250ohm, donc). Il n'y a donc plus le défaut inhérent à la grande dynamique de valeurs des résistances.

L'électronique numérique et l'électronique analogique sont complémentaires, comme nous l'avons vu précédemment. Il en va de même pour le réseau unaire, binaire et R-2R. Un système peut tout à fait les intégrer tous les trois et les rendre complémentaires en exploitant les avantages de chacun.

Le réseau unaire pourrait être privilégier pour les bits de poids fort et le réseau binaire pour les bits de poids faible.

Chapitre IV: Les principaux composants d'un circuit électronique.

Un circuit électronique est un système incluant plusieurs composants électroniques associés.

Le mot circuit vient du fait que le traitement s'effectue grâce à des courants électriques circulant dans les composants interconnectés.

La résistance a pour fonction principale de diminuer l'intensité d'un courant dans un circuit.
Plus la valeur d'une résistance, exprimée en ohms, est élevée, plus le courant diminue.
Symbole: https://images.app.goo.gl/odPxosGk58jpiDAz7

La diode n'autorise le courant à passer que dans une seule direction. Un pont de diodes sert par exemple à redresser le courant alternatif monophasé en un courant continu.
Symbole: https://images.app.goo.gl/DAJ9yBehSM5gog1K6

Le transistor sert d'interrupteur, d'amplificateur ou de modulateur de signal ou de courant. Il est indispensable dans beaucoup d'applications industrielles, notamment dans la commande des moteurs. On distingue deux types de transistor, NPN ou PNP.

Comme toujours en électronique deux choses différentes sont utilisées de manière complémentaire.
Symbole: https://images.app.goo.gl/7N7bJ7jz9RzUQEPr6

Le condensateur 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.

On parle de supercondensateur lorsque celui-ci a pour vocation de stocker de l'énergie.

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.
Symbole: https://images.app.goo.gl/XsQ8zuXZNmVWoMx56

Conclusion.

L'électronique et l'intérêt que l'on peut y porter amène une autre manière de penser: ce n'est pas parce qu'un système électronique A est à l'opposé d'un système électronique B, qu'ils ne peuvent pas être complémentaires pour donner un système électronique C.

Comme nous l'avons vu précédemment, l'électronique mixte est pertinente dans son application.

Il n'existe pas un composant ou un montage particulier qui prévaut sur tout le reste. Chaque composant et chaque montage réalisé à partir de ces composants répondent à un besoin précis.