Le matériel utilisé

1. Principe

La résistance est un composant passif qui a pour principale fonction de s’opposer au passage du courant électrique. On peut la comparer à un nœud plus ou moins serré sur un tuyau d’arrosage souple. Elle prend généralement la forme d’un petit cylindre des extrémités duquel sortent les deux pattes.

2. Description

La valeur d’une résistance s’exprime en Ohms, le symbole de cette unité est la lettre oméga Ω. Quand cette valeur n’est pas explicitement imprimée, elle est codée sur le corps de la résistance avec quatre à six bagues de couleur qui définissent les premiers chiffres de la valeur, le multiplicateur et la tolérance. Voici le code couleur de ces bagues :

La première bague est la bague la plus proche d’une extrémité. Pour les tolérances inférieures à ± 2 %, une troisième bague est introduite en troisième position afin de définir un troisième chiffre. Il peut exister une sixième bague pour définir un coefficient de température.

Néanmoins, face à ce code couleur qui peut apparaître à première vue un peu déroutant et compliqué, il existe des séries de valeurs qui restreignent les valeurs de résistances dans une décade, et donc les combinaisons de codes couleur. La série la plus courante nommée E12 propose douze valeurs normalisées par décade, dont voici les deux premiers chiffres :

1. Principe

La LED pour Light Emitting Diode, ou « diode électroluminescente » en français, est une diode particulière qui émet de la lumière lorsqu’elle est traversée par un courant.

2. Description

Par définition, une diode n’est passante que lorsqu’elle est correctement polarisée. Dans le sens contraire, la diode bloque le courant. Par extension, la LED laisse passer le courant seulement dans le sens passant et ne s’illumine par conséquent que dans ce cas. Il existe donc un sens de branchement pour la LED.

Même dans le sens passant, il faut un minimum de tension pour « débloquer » le passage du courant. Cette tension appelée tension de seuil est différente en fonction de la couleur de la LED. Voici des ordres de grandeur de cette tension de seuil.

Généralement, c’est le fabricant qui publie ces tensions de seuil dans les caractéristiques électriques générales de la LED. Certains multimètres permettent aussi de mesurer cette tension de seuil. C’est bien utile avec des LED de récupération par exemple.

Le courant qui traverse la LED détermine le degré de luminosité. En règle générale, il ne faut pas dépasser 20 mA. Au-dessus, il existe un risque d’échauffement et de destruction irréversible de la LED.

Le symbole est celui de la diode auquel on adjoint deux petites flèches vers l’extérieur qui matérialisent l’émission de lumière par la diode.

Le sens passant est obtenu lorsque l’anode (côté triangle) est au potentiel positif...

1. Principe

Le transistor MOSFET pour Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou « transistor à effet de champ à semi-conducteur métal oxyde » en français, est un composant à trois pattes particulièrement adapté à la commande de gros consommateurs électriques depuis une source de faible puissance.

Attention, quand nous parlons de gros consommateurs, tout est relatif. Ne pensez pas piloter directement des moteurs d’ascenseur ! Mais dans le cadre du Raspberry Pi 5 et de la limite des sorties GPIO à une dizaine de milliampères, il sera désormais possible de commander des composants dont la consommation est de l’ordre de l’ampère sous certaines conditions. De quoi utiliser de nombreuses LED blanches, un relais, etc.

2. Description

Pour simplifier, nous allons ici nous concentrer sur une seule référence de transistor MOSFET particulièrement adaptée aux caractéristiques des sorties GPIO du Raspberry Pi : le BS170. Nous détaillerons pourquoi au fur et à mesure de la description.

Chaque patte du MOSFET porte un nom : D, S et G respectivement pour Drain, Source et Grid (vous pouvez aussi rencontrer le terme de Gate).

Il existe deux types de transistor MOSFET, le type P et le type N qui, en gros, définissent la polarité des différentes...

1. Principe

Le bouton-poussoir et l’interrupteur ont une fonction d’établissement de contact électrique sous une action mécanique généralement produite par un utilisateur.

Électroniquement, les deux sont identiques, la différence résidant dans le caractère momentané du bouton-poussoir : si plus d’action de l’utilisateur, le bouton-poussoir revient au repos. Dans le cas d’un interrupteur, c’est la mécanique interne qui ajoute la fonction de bascule.

2. Description

Que ce soit en poussoir ou en interrupteur, il existe une quantité infinie de formes, couleurs, et avec plus moins de pattes. L’idéal est de se référer à la documentation du fabricant pour connaître le brochage. Si uniquement deux broches sont disponibles, il n’y a pas vraiment de doute possible.

Voici le symbole général le plus utilisé :

Les boutons-poussoirs et les interrupteurs sont caractérisés par le courant et la tension qu’ils sont capables de couper et d’établir. Ils peuvent parfois coupler plusieurs liaisons électriques en même temps afin de commander plusieurs circuits électriques indépendants avec la même action mécanique. Dans ce cas, leurs symboles sont liés par une ligne discontinue....

1. Principe

La LED adressable est un boîtier regroupant trois LED de couleurs rouge, verte et bleue, chacune pilotable en luminosité sur 256 niveaux.

Ensemble, elles permettent donc la génération des 16 millions de couleurs habituelles. Certaines LED adressables disposent en plus d’une LED blanche afin de pouvoir générer un vrai blanc, la combinaison des trois couleurs primaires n’offrant pas forcément un résultat vraiment blanc à l’œil.

2. Description

Pas de calcul de résistance à faire, elles sont toutes intégrées au boîtier. La LED adressable doit être alimentée via ses deux pattes d’alimentation + et - afin de fournir l’énergie nécessaire à l’ensemble des LED, ainsi qu’au circuit de pilotage interne. Certains boîtiers fonctionnent en 5 volts, d’autres en 12 volts.

Pour le piloter, chaque boîtier dispose d’une broche d’entrée D_in qui recevra un signal série composé de trois octets représentant les valeurs rouge, verte et bleue à produire. Pour les boîtiers avec une LED blanche supplémentaire, il y a aura quatre octets à fournir sur la broche D_in.

Toute seule, une LED adressable ne présente pas vraiment d’intérêt. Son principal avantage réside dans...

1. Principe

Nous l’avons vu au paragraphe précédent, la LED adressable n’a d’intérêt que dans une chaîne. Il existe donc des rubans de LED découpables aux ciseaux permettant de disposer d’un ensemble de LED pilotables en couleur et en luminosité.

D’autres formats comme l’anneau ou la barre existent, avec un nombre de LED fixes.

2. Description

Bien sûr, l’anneau ou la barre disposent aussi d’une sortie D_out afin de pouvoir chaîner plusieurs anneaux ou barres ensemble. Il faut donc les voir comme un ensemble qui peut lui aussi être chaîné avec d’autres constitués du même type de LED. Eh oui, pour que la chaîne fonctionne, toutes les LED d’un ensemble et de tous les ensembles doivent être identiques. Les caractéristiques de l’ensemble (tension d’alimentation, consommation de courant, etc.) sont donc définies par les caractéristiques d’une LED.

3. Utilisation

Les rubans doivent disposer impérativement de leur propre alimentation électrique. En effet, chaque LED peut consommer, en fonction des références, jusqu’à 60 mA à pleine luminosité. Multiplié par trois pour chaque boîtier adressable et par le nombre total de LED, cela dépasse très rapidement...

1. Principe

À l’inverse d’un moteur classique qui tourne indéfiniment du moment qu’on l’alimente en énergie électrique, le servomoteur est un ensemble mécanique doté d’un moteur électrique qui est capable de maintenir une position angulaire donnée.

Cette position angulaire est vérifiée plusieurs fois par seconde, voire corrigée en fonction de l’effort appliqué sur son axe afin de toujours être au plus proche de la position envoyée de manière électronique.

Les servomoteurs sont à différentier des moteurs pas à pas. Ces derniers peuvent faire tourner leur axe plusieurs tours de suite. Un servomoteur ne dépassera jamais le débattement prévu par son fabricant qui peut être au maximum d’un tour, soit 0 à 360°.

2. Description

Les servomoteurs sont très utilisés en modélisme par exemple. Ils disposent en accessoires de différents bras de levier ou de roues perforées interchangeables sur leur axe. Un servomoteur est caractérisé par son angle de débattement maximal, exprimé en degrés.

3. Utilisation

Nous allons utiliser dans cet ouvrage une référence très courante : le SG90.

De nombreux clones existent avec des références différentes selon...

1. Principe

Un codeur rotatif est un composant qui transforme la position de son axe en une valeur numérique.

Le codeur rotatif absolu va donc présenter sur ses sorties une valeur numérique en binaire représentative de la position de son axe.

2. Description

Il existe de nombreux codeurs rotatifs absolus. Leurs principales caractéristiques sont :

Le modèle ci-dessus est sans butée : vous pouvez tourner l’axe autant de tours que vous voulez dans un sens sans être bloqué mécaniquement. La valeur de sortie revient à zéro à chaque tour. Il possède huit sorties : il est donc capable de coder 128 positions angulaires. Sa précision est d’un peu moins de 3° (2,8125° pour être précis). Il faudra tourner l’axe de 3° pour passer d’une valeur à la suivante. Sa structure mécanique interne est conçue pour produire un code binaire qui n’est pas linéaire, mais répond à une table de vérité un peu déroutante au début. Néanmoins, après conversion logicielle, vous disposerez d’une valeur entre 0 et 127, plus représentative...

1. Principe

En apparence, un codeur incrémental est similaire à un codeur absolu, au nombre de pattes près.

En effet, il ne dispose que de trois pattes. De ce fait, il est impossible de connaître la position absolue de son axe. Lors d’un mouvement, généralement ponctué de crans, il transmet simplement un sens de rotation.

2. Description

Comme pour le codeur absolu, les principales caractéristiques sont sa précision angulaire, c’est-à-dire le nombre de crans présents par tour, l’absence de butée, et le fait qu’il ne mémorise pas de valeur d’angle. C’est au logiciel de gérer une valeur qui sera initialisée au démarrage.

Le mouvement de l’axe va générer deux signaux carrés sur les deux sorties, le signal sur la sortie B étant légèrement déphasé par rapport à la sortie A.

Le principe est de comparer les niveaux des sorties juste après un changement d’état de la sortie A. Si les niveaux sont différents, c’est un mouvement en sens horaire, si les niveaux sont égaux, c’est un mouvement en sens anti-horaire.

3. Utilisation

Là encore, il convient de voir ce codeur comme deux boutons-poussoirs. Leur patte commune est mise à la masse et leurs deux sorties reliées à deux...