La bascule D et le monostable
L'électronique facile et amusante







La bascule D - Le monostable









Du Monostable au Bistable





Salut Nicolas,
- Tu sais aujourd'hui, on ne va pas faire dans le Bla-bla-bla... On passe la vitesse supérieure,  je dois faire un montage.
Je résume le problème :
- Un ami golfeur a décidé d'installer une télécommande sur son chariot électrique. Sympa comme idée, mais vois-tu, il s'est trompé dans son achat. Il a cru faire une bonne affaire en achetant une télécommande pas chère celle-ci est prévue pour être installée dans une voiture pour l'ouverture centralisée des portes. Mais voilà, c'est incompatible avec son chariot de golf, car elle fonctionne en monostable alors qu'il faut une télécommande bistable.

Hum... Tu m'expliques la différence !

- Monostable signifie un état stable qu'il faut maintenir. C'est  comme un bouton-poussoir, tant que tu appuies dessus le contact se fait, tu relâches et le contact s'arrête. Le bistable au contraire a un état stable qui dure tant que tu n'as pas donné un ordre d'arrêter. C'est comme un interrupteur classique, tu peux relâcher l'interrupteur la lumière reste allumée.
- Pour lui, lorsqu'il appuie sur sa télécommande le récepteur fournit 2 impulsions à un relais (environ 1 seconde pour les deux). Suffisant pour une centrale d'ouverture de portes de voiture, mais incompatible avec un chariot électrique de golf.
Imagine la tête de ce cher André HAMOL lorsqu'il a vu que sa télécommande ne fonctionnait pas convenablement. Il m'a donc demandé si je pouvais lui arranger la chose

Tu lui as donc acheté un Kit qui transforme ce monostable en bistable. Et on va le souder vu que maintenant, je sais faire des soudures.

Quoi ! Un Kit !!!

- Tu as presque raison sauf que des Kits, je n'en ai jamais acheté. Cela fait un mois que je t'explique l'électronique, ce n'est pas pour acheter des Kits. Je vais faire comme d'habitude, tout faire de A à Z. Il me faut du papier, une gomme et un crayon et éventuellement, une machine à calculer.
Puisque tu es là, je vais te montrer la logique qu'il faut pour concevoir un circuit électronique. Comment faire le calcul du schéma, et faire le circuit imprimé. Tu verras que c'est du boulot. Bon vas me chercher des feuilles, une gomme et un crayon..


Il me reste du Paracétamol si tu veux...
Du quoi ? Je vais t'en faire moi... Du paracé... Pas quoi ?

Cé - Ta - Mol...

- Tu me troubles Nicolas

- Avant toute chose, il faut dresser un cahier des charges, c'est-à-dire établir précisément ce que l'on souhaite obtenir.
- Trouver comment réaliser le circuit et avec quels composants.
- Vérifier si les composants sont disponibles dans mon stock, Mr Hamol est pressé, ce sera trop long de commander les composants.      
- Imaginer la  dimension du projet du point de vue de la surface du circuit imprimé.
- Est-ce bien réalisable par moi ?
- Estimer les chances de réussite... Si c'est trop complexe autant laisser tomber.

Dans le cas qui nous préoccupe le problème est de garder en mémoire une information électrique.
Voici le schéma synoptique de sa télécommande.

Shéma synoptique

- Impossible donc que le chariot avance, car le relais du récepteur ne commute que brièvement 2 fois. Il faudrait qu'il reste commuté en permanence jusqu'à une nouvelle action sur la télécommande.
Je résume: un appui sur la télécommande active un relais à la sortie du récepteur, un nouvel appui désactive le relais. Ce relais câblé sur l'alimentation du moteur met en route ou arrête le chariot.
- Donc il nous faut une mémoire. En électronique, la mémoire la plus simple est la "Bascule D".
Vu que la tension de la batterie du chariot est de 12 Volts, nous prendrons des Circuits intégrés CMOS (ils peuvent travailler de 5 à 15 Volts) ainsi le circuit intégré CD 4013 fera parfaitement l'affaire.
- Il nous faut également un relais suffisamment puissant (le moteur du chariot demande jusqu'à 15 Ampères sur 12 Volts),  je prendrais donc un relais pour voiture, il peut commuter cette  intensité.
- Pour piloter le relais, il faudra un transistor à la sotie du CD 4013. Le célèbre 2N1711 fera l'affaire.

- Tu vois que là, cela commence à prendre tournure...






- Mais parlons un peu du circuit CD 4013 qui est un circuit intégré avec 2 Bascules D.

- Le circuit intégré CD 4013, fait partie d'une famille de 4 bascules. Les bascules RS - RSH - D et JK  . Les deux premières se montent avec des portes logiques NAND et NOR les secondes sont présentées dans un circuit intégré.
L'utilité de la bascule D est une fonction de mémoire et on peut l'utiliser aussi en compteur diviseur par 2, tu regardes  le détail du CD 4013.

Eh bien voilà... Tu as trouvé, on branche la sortie de sa télécommande à notre circuit, vu qu'il garde en mémoire jusqu'à une nouvelle action de la télécommande c'est bon. Il ne reste plus qu'à faire le schéma définitif.


Eh non... J'ai vraiment l'impression que tu ne suis pas.

- Nicolas traîne les baskets. Le genre, j'écoute le Papi radoter en attendant Midi... Suffit de patienter.
- Eh bien moi Nico j'ai comme des impatiences... Des démangeaisons dans le pied droit... Envie de jouer au Platini avec ton fessier...Je viens tout juste de t'expliquer et tu radotes des vannes histoire de passer le temps...
Alors tu reluques les détails du CD 4013 que j'ai fait en bas de page. Et tu me proposes autre chose... BANANE...

Bon... ben... Je crois que ce matin, je ne suis pas en forme... J'ai dû faire le Banania trop épais... J'aurai du m'en douter quand  j'ai eu du mal à enfiler mes baskets pour venir...

Pas la peine de me le dire,  j'ai remarqué ! J'ai écrit dans les "détails du CD 4013" que c'est aussi un compteur diviseur par 2

Eh alors !

   Eh bien vu qu'à la sortie de sa télécommande il y a deux impulsions, si l'on branche directement la sortie sur le CD 4013 celles-ci seront simplement divisées par deux, soit une impulsion. Il faut, je te le rappelle que la sortie reste active tant qu'il n'y a pas une nouvelle sollicitation de la télécommande.

- Regardes:


- Au départ Q=0 et Q =1 (Sortie complémentaire)
La sortie Q prend l'état de l'entrée D à chaque front montant sur C
Donc, au premier front montant sur C  la sortie Q passe à 1. Deuxième front montant Q passe à 0

- Mais dis donc ! Dans un CD 4013, il y a 2 bascules D, si on les met bout à bout cela devrait fonctionner. Fais moi voir un câblage dans ce sens que je t'explique.

Tu veux dire comme cela ?

Bascule D

- Oui regardes, un premier appui sur la télécommande (commande 1) la sortie Q1 passe à l'état H durant une période et demi (normal il y a 2 fronts montants sur l'entrée C1), la sortie Q2 passe aussi à l'état H, mais reste dans cet état vu que sur l'entrée C2 il n'y a qu'un front montant. Q2 restera dans cet état tant qu'il n'y aura pas un nouvel appui sur la télécommande (commande 2) ce nouvel appui refait le cycle sur la bascule 1  et provoque donc un deuxième état H sur C2. Ceci met Q2 à l'état bas (L). Nous avons donc bien un état logique H sur Q2 durant un temps déterminé par l'utilisateur de la télécommande... C-Q-F-D

Hoo Puuuréee...Tu aurais du me prévenir... Et en plus avec un C-Q-F-D en fin de partition... Aucun bémol à la clef....
Attends voir que je vérifie... Hummm... Ma fois c'est vrai...
             Comment as tu fais pour trouver cela ?
J'ai digéré mon Banania...:-)

Ce que tu viens d'affirmer avec un CQFD est effectivement une solution. Mais je ne ferais pas le montage comme cela pour 3 raisons.

1- Je ne suis pas sûr que les 2 impulsions à la sortie de la télécommande ne soient pas entachées d'impulsions parasites ce qui conduirait à un fonctionnement erratique de la bascule D.
2- J'ai prévu aujourd'hui de te parler du Monostable en plus de la Bascule D.
- Et enfin...  Parce que... JE SUIS LE CHEF

Hum...

- Donc avant l'entrée de la bascule je vais mettre un circuit monostable. C'est quoi ? Et cela sert à quoi ? me  diras-tu...

Bon allez, je te le dis... Pfffff

Led
- Un monostable est un circuit possédant deux états logiques en sortie. Un état stable  et un état instable.
Ah elle est bonne ta définition... Cela se voit que tu es CHEF

Hum... Bon, pour expliquer rien de mieux qu'un schéma.

Figure 1   monostable non redéclenchable   Figure 2 - Redéclenchable

- Au départ, la sortie est stable, c'est-à-dire ici au zéro Volt. Une impulsion sur l'entrée E du monostable  provoque à la sortie S une impulsion de durée T  ( déterminée par un réseau RC  donc instable) puis revient à son état stable d'origine.
Il y a deux sortes de monostables.
 - Le non redéclenchable et le redéclenchable.
Pour le non redéclenchable  la durée T reste constante même s'il y a plusieurs impulsions sur l'entrée (dessin de Gauche)
Au contraire pour le redéclenchable la durée T repartira au moment de la dernière impulsion. (dessin de Droite)

Oublies-tu que je suis premier de ma classe !   C'est fastoche ce truc
                Heu... Cela sert à quoi un monostable ?


- Un monostable sert le plus souvent comme temporisateur, c'est-à-dire si tu veux qu'une action se déroule au bout d'un laps de temps. (exemple pour une alarme, la sirène ne se met en route qu'au bout d'un temps déterminé pour laisser le temps au propriétaire de la désactiver).
- Et aussi pour éliminer les impulsions parasites d'un contact. Car il ne faut surtout pas croire qu'un interrupteur mécanique établit le contact d'une manière instantanée il y a toujours des rebonds liés à la mécanique. Ces rebonds ont une durée très courte de l'ordre de la milliseconde, mais suffisant pour entraîner un disfonctionnement des opérateurs logiques, qui eux réagissent quasi instantanément. Il y aurait donc plusieurs fronts Hauts à l'entrée de la bascule et ceux-ci seraient pris en compte.
- C'est  pour cela que je fais précéder la bascule D d'un monostable, ainsi, je suis sûr qu'il n'y aura pas ce genre de problème.
De plus, c'est facile à faire, car il y a l'incontournable, l'illustrissime, le prodigieux NE 555.
Dès le début de son apparition, on en a parlé dans toutes les chaumières, et même ailleurs, c'est te dire...
- Je ne parlerai ici que de la fonction monostable du NE 555.
NE 555


- En résumé, il nous faut pour le montage un CD 4013,  le NE 555 plus un transistor 2N1711. Tu regardes dans les casiers du labo, si l'on a ces composants actifs en stock.

Tous sauf un le NE 555...

Cela ne m'étonne pas c'est souvent comme cela...
Tu sais Nicolas en électronique il y a une loi que tout électronicien doit connaître, c'est la loi de Murphy. L'un des corollaires qui s'applique ici est.
S'il faut N composants pour réaliser un projet, il y en a (N-1) en stock". Non non, ne cherches pas dans les autres casiers... Mr Murphy veille, tu n'en trouveras pas.

On fait quoi alors...
 Et bien, on va esquiver l'incontournable NE 555...On peut faire d'autres temporisateurs sans le NE 555. Par exemple avec des portes logiques. Je te donne les schémas.


Figure 3:

Monostable Nand et NOR

- Pour les portes NOR, tu vois que le monostable est déclenché par un front montant a son entrée et sur un front descendant pour les portes NAND le temps T2 est égal à 0,7 R*C.A la sortie de la télécommande on sait qu'il y a 2 impulsions qui durent un peu moins d'une seconde il faudra donc que le monostable ait une durée supérieure, nous aurons ainsi une seule impulsion sur l'entrée de la Bascule D... Environ 1,3 seconde.

- Pour le calcul  R doit être en Ohm et C en Farad: Exemple R=150K C=20uF. T= (150000*0,000020)*0,7= 2,1 Secondes



 
Donc maintenant je te présente le schéma fini.

Schema Monostable

- Comme j'ai beaucoup de CD 4011 en stock c'est celui ci que je vais utiliser, mais il faut inverser les impulsions de départ, car il se déclenche sur des fronts descendants, idem pour la sortie.

- Pour ce qui est des composants:
R4 abaisse l'impédance d'entrée de la porte NAND
R2 = 390K et C1 4,7 uF
R1 = 120k C2 = 100n (Ce couple RC génère une impulsion de Remise à zéro des sorties de la bascule)
R3 = 12k
C3 = 100uF
Diode D2 1N4148
Diode D1 1N4007
T1 = 2N1711


La diode D2 ne doit jamais être oubliée lorsqu'un transistor commute un relais. En effet à la mise sous tension, la bobine génère une surtension qui peut détruire le transistor.

La diode D1 est ici pour éviter la destruction du montage lors d'une inversion de polarité. Ne pas oublier qu'une diode présente une chute de tension de 0,6 volt environ. Pour ce montage, il n'y a pas de problème. Mais avec une alimentation par pile cela peut certaine fois présenter un inconvénient.

C3 est une capacité dite de découplage. Toujours mettre une capacité à l'entrée d'un montage. 100 uF est bien. Pour ma part, je mets toujours des capacités,
1- A l'entrée du montage (100uF)
2- A chaque circuit intégré logique (100nF) et ce au plus près du circuit intégré (Si on peut le faire bien sur... Question de place)

Pour ce montage vu que l'alimentation vient d'une batterie 12 Volts, je considère qu'elle est suffisamment "propre" pour se passer de ces condos aux pieds des circuits intégrés.


- Le réseau R1 C2. Ce réseau sert de remise à zéro de la bascule. En effet, quelque fois à la mise sous tension du circuit les sorties peuvent prendre n'importe quel état logique. Q peut être à 1 (H) et dans ce cas le chariot avancerait des la mise sous tension. Donc il est bon de faire cette RAZ (remise à zéro) pour les circuits logiques.

Comment cela se passe-t-il ?
Et bien, tu regardes ce petit dessin.

Impulsion RAZ
RAZ


- À la mise sous tension, une brève impulsion qui va du 0 volt à la tension d'alimentation apparaît au point nodal de C et R. Cette impulsion (vue à gauche) est suffisante pour faire un reset sur les C-Intégrés logiques. Mais il peut arriver qu'il y ait beaucoup de circuits logiques et il n'est pas inutile dans ce cas, de mettre en forme cette impulsion. Sur certains circuits il faut un état H et sur d'autres un état L pour faire un Réset, c'est la fonction inverseuse des portes NAND.
La valeur des composants n'est pas critique. Pour la capa de 100 à 220 nF et pour la résistance de 100 K à 220 k

- Le réseau R2 C1, sont les deux composants qui déterminent la durée T du monostable.
- Reprenons la formule T= 0,7 R*C.  (R en ohms et C en Farad)

  - Rappel: Les résistances se mesurent en Ohm...

 M= Méga= Million... K= Kilo= Mille
 1 Méga Ohm = 1000 K Ohms = 1000000 ohms
 1 Kilo ohm= 1000 ohms
  Les condensateurs se mesurent en Farad et sous multiple
  uF= Micro Farad= 1 Farad/1000000= 0,000001 Farad
  nF=Nano Farad= uF/1000

- Ainsi... R2=390 K ohms=390000 ohms et C1= 4,7 uF= 0,0000047 F
- Donc   T=(390000 ohms * 0,0000047) * 0,7 = 1,3 secondes

En réalité, les condensateurs électrochimiques ont une tolérance de 10 à 20%, pour ces condensateurs les valeurs sont généralement sous dimensionnées. Ainsi un condo de 4,7uF fera plus vraisemblablement 5 uF que 4,7 uF. Donc il faut s'attendre pour T une valeur de 1,5 seconde.

Voilà Nicolas, tu vois qu'un tout petit montage génère beaucoup de questions sur pas mal de choses...

Bon, il ne faudrait pas croire que cela est fini, il nous reste à faire le circuit imprimé... Ce sera l'objet d'une prochaine discussion... En attendant ton retour, je vais mettre cela au propre sur une page spéciale pour toi. Je l'appellerai "Le pense Bête Hanico"

Voilà, Salut Nico...


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