SCHEMA ET PLAN ELECTRONIQUE (partie 1/4)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de ce chapitre l’élève sera capable de - installer et configurer les logiciels **Proteus** (version 8.10 ou supérieure) et **Arduino IDE** (2.0 ou supérieure) sur un poste de travail sous Windows 10/11, - créer un schéma électronique dans Proteus, y intégrer une carte Arduino virtuelle, charger un sketch et exécuter une simulation fonctionnelle, - lire et interpréter un schéma électronique ainsi qu’un plan de câblage (PCB) selon les normes IEC 60617 et IPC‑2221, - appliquer les règles de sécurité électrique et d’hygiène en atelier lors de la manipulation de circuits sous tension. **Prérequis** : - notions de base en électricité continue et alternative (tension, courant, résistance, loi d’Ohm, loi des nœuds), - connaissance des composants passifs (résistances, condensateurs, bobines) et actifs (diodes, transistors, circuits intégrés logiques), - familiarité avec la numérotation binaire et les portes logiques élémentaires, - capacité à lire un plan technique simple (cotes, échelles, symboles de base). --- ## Introduction contextualisée Dans les filières techniques du secondaire au Cameroun (série MIE, électrotechnique, électronique), la maîtrise des outils de simulation et de programmation devient incontournable pour préparer les élèves aux métiers de technicien supérieur en électronique, en automatisme ou en maintenance industrielle. Les logiciels **Proteus** (environnement de simulation mixte analogique‑numérique) et **Arduino** (plateforme de prototypage ouvert) sont largement utilisés dans les bureaux d’études, les ateliers de fabrication de cartes électroniques et les centres de formation professionnelle. Leur combinaison permet de valider un schéma avant la réalisation physique, réduisant ainsi les coûts de prototypage et les risques liés à des erreurs de câblage. Ce chapitre présente donc, de façon progressive, la découverte de ces outils, leur mise en œuvre pratique et la lecture de schémas et de plans électroniques conformes aux référentiels du MINESEC/IGE. --- ## I. Leçon 14 : Présentation des logiciels Proteus et Arduino ### 14.1 Présentation de Proteus Proteus (Labcenter Electronics) est un environnement de CAO électronique qui intègre : - un éditeur de schémas (ISIS) permettant de placer des composants provenant de bibliothèques normées (IEC, ANSI), - un simulateur SPICE avancé pour l’analyse en régime continu, transitoire et en fréquence, - un module de co‑simulation avec des microcontrôleurs (AVR, PIC, ARM) grâce à la bibliothèque **VSM** (Virtual System Modelling). > **>** Proteus version 8.10 supporte la simulation en temps réel de cartes Arduino Uno et Nano (ATmega328P) ainsi que Mega (ATmega2560) grâce aux modèles AVR correspondants intégrés. Le logiciel fonctionne sous Windows 7 SP1 ou supérieur ; une licence éducative est disponible gratuitement pour les établissements camerounais après validation auprès du MINESEC. ### 14.2 Présentation d’Arduino Arduino est une plateforme matérielle et logicielle ouverte basée sur des microcontrôleurs AVR (ex. ATmega328P) ou ARM (ex. SAMD21). Ses caractéristiques essentielles sont : | Élément | Valeur typique | Unité | |---------|----------------|-------| | Tension d’alimentation | 7‑12 (via VIN) ou 5 (via USB) | V | | Courant de sortie par broche I/O | ≤ 20 | mA | | Fréquence d’horloge | 16 | MHz | | Mémoire Flash | 32 | kB | | Mémoire SRAM | 2 | kB | | Mémoire EEPROM | 1 | kB | L’IDE Arduino (version 2.0+) fournit un éditeur de code, un vérificateur, un téléverseur via USB et un moniteur série. Les bibliothèques standards (ex. `Servo.h`, `Wire.h`) permettent de piloter facilement des périphériques courants. > **>** La licence Arduino est ouverte (GPL v2) ; le code source du firmware et de l’IDE est librement téléchargeable sur arduino.cc. ### 14.3 Intégration Proteus‑Arduino Dans Proteus, la bibliothèque **ARDUINO** contient les modèles virtuels des cartes Uno, Mega, Nano, etc. En plaçant un composant Arduino dans le schéma ISIS, on peut : 1. double‑cliquer dessus pour ouvrir l’éditeur de code intégré, 2. coller ou écrire un sketch (fichier `.ino`), 3. lancer la simulation ; le microcontrôleur virtuel exécute le code en temps réel, permettant d’observer les états des broches, les valeurs sur le moniteur série ou le comportement d’un afficheur LCD. Cette co‑simulation évite de devoir programmer physiquement une carte pour chaque test de fonctionnalité. --- ## II. Leçon 15 : Utilisation des logiciels Proteus et Arduino ### 15.1 Installation et configuration **Étapes sous Windows 10/11 (cadre scolaire camerounais)** 1. **Téléchargement** - Proteus 8.10 SP : depuis le site Labcenter (section *Education*). - Arduino IDE 2.0 : depuis arduino.cc → *Software* → *Windows ZIP* (ou installeur EXE). 2. **Exécution** - Extraire le ZIP de Proteus dans `C:\Proteus8` (pas d’espace dans le chemin). - Lancer `Install.exe` → accepter le contrat, choisir *Typical* → redémarrer si demandé. - Pour Arduino, exécuter le fichier `arduino-ide_windows.exe` → suivre l’assistant (choisir *Install USB drivers*). 3. **Vérification** - Ouvrir Proteus → *File* → *New* → *Design* → vérifier que la barre d’outils comporte les boutons *Component Mode* et *Virtual Instrumentation*. - Ouvrir Arduino IDE → *Tools* → *Board* → sélectionner *Arduino Uno* → *Port* → choisir le port COM correspondant (généralement COM3 ou COM4 après branchement d’une vraie Uno pour tester le driver). > **>** En milieu scolaire, il est recommandé de désactiver l’antivirus pendant l’installation des drivers USB afin d’éviter les blocages de signature. ### 15.2 Création d’un projet simple dans Proteus **Objectif** : réaliser un circuit de base comportant une résistance de 220 Ω, une LED rouge et une source de tension 5 V. 1. Lancez ISIS → *File* → *New* → *Design*. 2. Dans la barre *Component Mode*, cliquez sur le bouton **P** (Pick from libraries). 3. Recherchez : - **RESISTOR** → valeur `220` → unité `Ω`. - **LED** → couleur *Red* (modèle `LEDRED`). - **VSRC** (source de tension) → valeur `5` → unité `V`. 4. Placez les composants, puis utilisez l’outil **Wire** (raccourci `W`) pour connecter : - borne + de la source → anode de la LED, - cathode de la LED → une extrémité de la résistance, - seconde extrémité de la résistance → borne – de la source (masse). 5. Double‑cliquez sur la source → réglez *DC* à 5 V. 6. Lancez la simulation (*Play* button) → la LED doit s’allumer. ### 15.3 Simulation d’un circuit avec Arduino (Blinking LED) **Schémas** : - Carte Arduino Uno placée dans le schéma. - Broche **D9** reliée à une résistance de 330 Ω puis à l’anode d’une LED ; la cathode de la LED reliée à la masse (GND) de l’Arduino. **Étapes** : | Étape | Action | Résultat attendu | |-------|--------|------------------| | 1 | Double‑cliquer sur le composant Arduino → ouvrir l’éditeur de code. | Fenêtre de code apparaît. | | 2 | Copier le sketch suivant :<br>`void setup(){ pinMode(9,OUTPUT); }`<br>`void loop(){ digitalWrite(9,HIGH); delay(500); digitalWrite(9,LOW); delay(500); }` | Code chargé. | | 3 | Cliquer sur **Verify** (check) → aucune erreur. | Compilation réussie. | | 4 | Cliquer sur **Play** → la simulation démarre. | La LED clignote avec une période de 1 s (500 ms ON, 500 ms OFF). | | 5 | Ouvrir le *Virtual Instrument* → *Oscilloscope* sur la broche D9 → observer un signal carré 5 V/0 V. | Validation du fonctionnement. | > **>** La fréquence du signal carré est donnée par `f = 1/(2×delay)` ; avec `delay = 500 ms` → `f = 1 Hz`. ### 15.4 Utilisation de l’IDE Arduino (édition, téléversement, moniteur série) - **Édition** : coloration syntaxique, auto‑complétion des fonctions (`pinMode`, `digitalRead`). - **Vérification** : bouton *Check* → compilation avec `avr-gcc` ; les erreurs apparaissent dans le pane inférieur (ex. `expected ';' before '}'`). - **Téléversement** : bouton *Upload* → le bootloader de l’Arduino reçoit le binaire via USB (avrdude). - **Moniteur série** : icône *Serial Monitor* → baud rate réglable (ex. 9600 bauds) ; permet d’envoyer/recevoir des chaînes ASCII pour déboguer (`Serial.begin(9600); Serial.println("Valeur :");`). Dans un contexte professionnel camerounais, ces étapes sont reproduites dans les bureaux d’études des entreprises de télécommunications (ex. Camtel) pour valider des prototypes de capteurs environnementaux avant la fabrication en série. --- ## III. Leçon 16 : Lecture des schémas et plans cas 1 ### 16.1 Normes de représentation schématique Les schémas électroniques suivent la norme **IEC 60617** (symboles graphiques) et, pour les PCB, la norme **IPC‑2221** (conception de circuits imprimés). - Les **résistances** sont représentées par un rectangle zigzag (ou un simple rectangle selon la version). - Les **condensateurs** : deux lignes parallèles (polarisé : + | | −). - Les **diodes** : triangle pointe vers une ligne. - Les **transistors MOSFET** : ligne brisée avec flèche indiquant le type (N ou P). - Les **broches d’un microcontrôleur** sont étiquetées par leur fonction (ex. `D9`, `A0`, `VCC`, `GND`). > **>** Chaque symbole possède une désignation alphanumérique (ex. `R1`, `C2`, `U3`) permettant de le retrouver dans la liste des composants (BOM). ### 16.2 Lecture d’un schéma de puissance (alimentation 220 V/50 Hz) Considérons un bloc d’alimentation linéaire typique utilisé dans les laboratoires scolaires : 1. **Transformateur** : primaire 220 V / 50 Hz, secondaire 12 V / 2 A (symbole avec deux enroulements). 2. **Redressement en pont** : quatre diodes (symbole en flèche) formant un pont de Graetz. 3. **Filtrage** : condensateur électrolytique 470 µF / 25 V en parallèle avec la sortie du pont. 4. **Régulation** : régulateur linéaire 7805 (symbole à trois broches : INPUT, OUTPUT, GND) fournissant 5 V stabilisé. 5. **Découplage** : deux céramiques 100 nF placées au plus près des broches INPUT et OUTPUT du 7805. **Analyse** : - Tension secondaire RMS ≈ 12 V → crête ≈ 12 × √2 ≈ 17 V. - Après redressement, tension moyenne ≈ (2×Vcrête)/π ≈ (2×17)/π ≈ 10,8 V. - Le condensateur de filtrage réduit la ripple à moins de 5 % (valeur typique pour 470 µF à 100 mA). - Le 7805 nécessite une tension d’entrée d’au moins 7 V ; la condition est remplie. > **>** La dissipation thermique du 7805 se calcule par `P = (Vin – Vout) × Iout`. Avec Vin ≈ 10,8 V, Vout = 5 V, Iout = 100 mA → `P ≈ 0,58 W`. Un dissipateur de 10 °C/W maintient la jonction sous 85 °C. ### 16.3 Lecture d’un schéma de commande (Arduino + capteurs) Exemple : schéma d’un système de mesure de température avec un capteur **LM35** et un afficheur LCD 16×2. - **LM35** : broches : VCC (5 V), OUT (signal analogique), GND. La sortie OUT est reliée à l’entrée analogique **A0** de l’Arduino via un condensateur de découplage de 0,1 µF en parallèle avec le signal (ou entre la sortie et la masse) pour filtrer le bruit. - **LCD** : interface 4‑bits : broches D4‑D7 reliées aux broches numériques D4‑D7 de l’Arduino ; RS → D12, EN → D11, RW → GND (écriture seule). - **Contraste** : potentiomètre 10 kΩ entre VCC et GND, curseur relié au pin V0 du LCD. - **Alimentation** : VCC et GND de l’Arduino distribués à tous les composants via des rails d’alimentation sur la breadboard (ou le schéma). **Points de contrôle** : - Vérifier que chaque entrée analogique possède une résistance de tirage vers GND (ou VCC) si le capteur peut être en circuit ouvert. - S’assurer que le courant total tiré des broches I/O ne dépasse pas 200 mA (limite du régulateur USB). > **>** La tension de sortie du LM35 est de 10 mV/°C ; à 25 °C, Vout = 250 mV. L’Arduino convertit cela en valeur numérique : `ADC = (Vout / Vref) × 1023` → avec Vref = 5 V → `ADC ≈ 51`. ### 16.4 Plan de câblage (PCB) cas 1 Le **plan de cas 1** fourni dans le manuel MIE représente une carte double face de 50 mm × 30 mm destinée à accueillir l’Arduino Nano, un convertisseur DC‑DC 5 V→3,3 V et deux connecteurs à vis pour l’alimentation externe. | Couche | Contenu | Règle d’espacement minimale | |--------|---------|-----------------------------| | Supérieure (Signal) | pistes, empreintes des composants, sérigraphie | 0,20 mm (8 mil) entre pistes, 0,25 mm (10 mil) entre piste et via | | Intérieure (Plan de masse) | cuivre continu relié à GND via des vias | 0,30 mm (12 mil) entre plan de masse et piste signal (pour éviter le couplage) | | Inférieure (Signal) | pistes de retour, connecteurs | mêmes règles que couche supérieure | | Overlay (masque soudure) | ouverture autour des pads | 0,10 mm (4 mil) de marge minimale | | Overlay ( sérigraphie) | texte, repères | pas de contrainte technique, lisibilité ≥ 0,25 mm | **Étapes de lecture** : 1. Identifier le **contour extérieur** (ligne épaisse) → dimensions du PCB. 2. Localiser les **empreintes** : - `U1` : empreinte QFN‑32 pour le régulateur 3,3 V (ex. MCP1700). - `J1` : connecteur à vis 2 pts (VIN, GND). - `J2` : brochette mâle 2×15 pour l’Arduino Nano (pas 2,54 mm). 3. Suivre les **pistes** : - piste large (0,5 mm) provenant de J1 → entrée VIN du régulateur. - piste fine (0,2 mm) du régulateur vers le rail 3,3 V distribué aux broches VCC de l’Arduino. - piste de masse (plan continu) reliée aux broches GND via des vias de 0,6 mm de diamètre. 4. Vérifier les **zones d’isolement** : aucune piste de signal ne traverse le plan de masse sans via dédié (respect de la règle d’écartement). 5. Lire la **sérigraphie** : repères `R1`, `C2`, `J1` facilitent le montage et le dépannage. > **>** En cas de dépassement de la température maximale du régulateur (85 °C), il faut ajouter une zone de cuivre supplémentaire sous le composant pour améliorer le dissipatif thermique (via thermique). ### 16.5 Exemple de lecture complète **Scénario** : on vous fournit le schéma suivant (description texte) et le plan de cas 1 correspondant. - Schéma : - Source de tension 9 V (batterie) → fusible 500 mA → régulateur LM7805 → sortie 5 V alimentant Arduino Nano et un module HC‑SR04 (ultrason). - Le HC‑SR04 possède deux broches : TRIG (entrée) reliée à D2, ECHO (sortie) reliée à D3. La broche ECHO délivre un signal logique 5 V ; les broches des Arduino Uno/Nano sont tolérantes à 5 V, donc une connexion directe est possible. Si l’on utilise une carte fonctionnant à 3,3 V, il faut insérer un diviseur de tension (2 kΩ/1 kΩ) ou un niveleur de logique pour adapter le 5 V du capteur à la tension tolérée par le microcontrôleur. - Une LED d’état connectée à D13 via une résistance de 330 Ω. - Un bouton-poussoir (normalement ouvert) relié à D4 avec résistance de tirage vers GND de 10 kΩ. - Plan de cas 1 (double face) : - La batterie se connecte au bornier J1 (vis). - Le LM7805 occupe le coin supérieur gauche ; sa sortie alimente un rail 5 V large (0,6 mm) qui se divise en deux branches : une vers le brochage VCC de l’Arduino, l’autre vers le VCC du HC‑SR04. - Le rail GND est un plan de masse complet sur les deux couches, relié au boîtier du régulateur et au connecteur J2 (Arduino). - Les pistes de signal TRIG et ECHO sont routées sur la couche supérieure avec une largeur de 0,25 mm, évitant les zones sous le régulateur pour minimiser le couplage thermique. - La LED d’état et le bouton sont placés près du bord inférieur pour un accès facile. **Procédure de lecture** : 1. Repérer les blocs d’alimentation (source → protection → régulation). 2. Vérifier la cohérence des tensions : 9 V → LM7805 → 5 V (compatible Arduino et HC‑SR04 VCC). 3. Contrôler l’adaptation de niveau pour ECHO : si l’on utilise un Arduino Uno/Nano, connexion directe ; sinon, prévoir un diviseur de tension ou un niveleur de logique. 4. S’assurer que chaque entrée numérique possède une résistance de tirage (bouton) ou une résistance de pull‑up interne activée dans le sketch (`pinMode(D4, INPUT_PULLUP)`). 5. Confirmer que les pistes de courant (VIN, VOUT du régulateur) respectent la largeur minimale pour le courant attendu (I ≈ 150 mA → largeur ≥ 0,3 mm selon le tableau de chauffe). 6. Valider l’absence de boucles de masse qui pourraient créer du bruit sur la mesure d’écho. Cette lecture méthodique permet de passer du schéma théorique à la réalisation physique en toute confiance. --- ## Synthèse du chapitre - **Proteus** : environnement de simulation mixte (ISIS + VSM) permettant de placer des composants, simuler des circuits analogiques/numériques et co‑simuler des microcontrôleurs Arduino. - **Arduino** : plateforme open‑source (ATmega328P, IDE 2.0) utilisée pour programmer des cartes de prototypage ; alimentation 5 V, courant I/O ≤ 20 mA, fréquence 16 MHz. - **Installation** : télécharger les versions éducatives, vérifier les drivers USB, lancer les exécutables, choisir la carte et le port dans l’IDE. - **Création de schéma** : placer résistances, LED, sources, câbler avec l’outil Wire, régler les sources DC, lancer la simulation. - **Simulation Arduino‑Proteus** : écrire le sketch dans l’éditeur intégré, vérifier, jouer, observer les broches avec un oscilloscope virtuel. - **Utilisation de l’IDE** : édition, vérification, téléversement, moniteur série (baud rate réglable). - **Normes de représentation** : IEC 60617 pour les symboles, IPC‑2221 pour les PCB ; chaque composant possède une référence (R1, C2, U1…). - **Lecture d’un schéma de puissance** : identifier transformateur, redressement, filtrage, régulation ; calculer tensions, courants, dissipations. - **Lecture d’un schéma de commande** : repérer les entrées/sorties Arduino, résistances de tirage/decouplage, adaptation de niveaux. - **Lecture d’un plan de cas 1** : analyser les couches, largeurs de pistes, espacements, plans de masse, emplacements des composants, vérification thermique. - **Exemple complet** : passer d’une description texte (alimentation 9 V → régulateur → Arduino + HC‑SR04) au schéma puis au plan, contrôler chaque bloc, valider les valeurs de tension, courant et température. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Proteus** | Logiciel de CAO électronique intégrant édition de schémas (ISIS) et simulation SPICE avec co‑simulation de microcontrôleurs (VSM). | | **Arduino IDE** | Environnement de développement ouvert permettant d’écrire, compiler et téléverser du code sur les cartes Arduino. | | **VSM (Virtual System Modelling)** | Technologie de Proteus qui exécute le code du microcontrôleur en temps réel pendant la simulation analogique/numérique. | | **IEC 60617** | Norme internationale définissant les symboles graphiques utilisés dans les schémas électriques et électroniques. | | **IPC‑2221** | Norme de conception des circuits imprimés (largeurs de pistes, espacements, classes de qualité). | | **Bootloader** | Petit programme résidant dans la mémoire flash d’une carte Arduino qui permet le téléversement d’un sketch via USB sans programmateur externe. | | **Pull‑up / Pull‑down** | Résistance de tirage vers VCC (pull‑up) ou GND (pull‑down) utilisée pour définir un état logique connu sur une entrée flottante. | | **Diviseur de tension** | Circuit constitué de deux résistances en série permettant de réduire une tension d’entrée à un niveau inférieur proportionnel au rapport des résistances. | | **Ripple** | Composante résiduelle de fréquence du réseau (50 Hz ou 100 Hz) présente après le redressement et le filtrage d’une alimentation. | | **Dissipation thermique** | Puissance convertie en chaleur dans un composant, calculée par `P = V × I` ou `P = (Vin – Vout) × Iout` pour un régulateur linéaire. | | **Via** | Connexion métallique traversant une ou plusieurs couches d’un PCB permettant le routage vertical des signaux ou de l’alimentation. | | **Sérigraphie** | Couche d’encre appliquée sur le dessus d’un PCB pour imprimer les références des composants, les logos et les indications de montage. | | **BOM (Bill of Materials)** | Liste détaillée de tous les composants nécessaires à l’assemblage d’un circuit, avec leurs références, valeurs et quantités. | | **Étage de puissance** | Partie d’un circuit destinée à fournir ou commuter des courants ou tensions élevés (ex. régulateur, amplificateur de puissance). | | **Entrée analogique** | Broche d’un microcontrôleur capable de convertir une tension continue en valeur numérique via un convertisseur A/N (ADC). | --- ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Simulation d’un variateur de luminosité **Consigne** : Dans Proteus, réaliser un circuit où une résistance variable (potentiomètre 10 kΩ) commande la luminosité d’une LED via une sortie PWM de l’Arduino (broche D9). Le sketch doit lire la tension sur le potentiomètre (entrée analogique A0) et ajuster le rapport cyclique du PWM en conséquence. **Solution** 1. **Schéma** - Placer un potentiomètre (10 kΩ) entre +5 V et GND, le curseur relié à A0. - Placer une LED avec résistance de 220 Ω entre la broche D9 et la masse. - Relier l’Arduino Uno (modèle virtuel) au schéma, alimenter VCC et GND avec les rails 5 V et GND du schéma. 2. **Sketch** (à coller dans l’éditeur intégré de Proteus) ```cpp const int potPin = A0; // entrée analogique du potentiomètre const int ledPin = 9; // sortie PWM void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); // aucune configuration nécessaire pour A0 (entrée par défaut) } void loop() { int sensorValue = analogRead(potPin); // lecture 0‑1023 int pwmValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // mise à l’échelle 0‑255 analogWrite(ledPin, pwmValue); // génération PWM delay(10); // petite stabilisation } ``` 3. **Vérification** - Cliquer sur *Verify* → aucune erreur. - Lancer la simulation (*Play*). - Observer la LED : lorsqu’on tourne le potentiomètre vers le +5 V, la valeur lue augmente, le PWM augmente, la LED s’intensifie ; dans le sens inverse, elle diminue. - Ouvrir un oscilloscope virtuel sur la broche D9 → on voit un signal carré dont le rapport cyclique varie de 0 % à 100 % selon la position du potentiomètre. **Résultat attendu** : la luminosité de la LED varie linéairement avec la rotation du potentiomètre, démontrant la maîtrise de l’entrée analogique, de la fonction `map()` et de la sortie PWM. --- ### Exercice 2 – Lecture d’un schéma d’alimentation à découpage **Consigne** : On vous fournit le schéma suivant (description) d’une alimentation à découpage 12 V → 5 V basée sur un régulateur à commutation **LM2596** (module tournant à 150 kHz). - Entrée : connecteur J1 (12 V DC, fusible 1 A). - LM2596 : broches : VIN (pin 1), GND (pin 2), FB (pin 3), OUTPUT (pin 4), ON/OFF (pin 5). - Résistances de réglage : R1 = 1 kΩ entre VOUT et FB, R2 = 2 kΩ entre FB et GND. - Inductance : L1 = 100 µH, placée entre VOUT de LM2596 et la sortie VOUT du module. - Condensateurs : Cin = 22 µF électrolytique (entre VIN et GND), Cout = 22 µF céramique (entre VOUT et GND). - Diode de roue libre : Schottky 1N5819 entre la sortie de L1 et la masse (cathode vers VOUT). - Sortie : connecteur J2 (5 V, 2 A) alimentant un Arduino Nano. **Questions** : a) Calculer la tension de sortie théorique du LM2596 à partir des résistances R1 et R2. b) Vérifier que le courant de ripple dans l’inductance reste inférieur à 30 % du courant de charge nominal (2 A). c) Proposer une valeur appropriée pour la capacité de sortie Cout afin de limiter la tension de ripple à moins de 20 mV crête‑à‑crête. **Solution** **a) Tension de sortie** Le LM2596 réglable utilise une référence interne \(V_{REF}=1,23\;V\). La tension de sortie est donnée par : \[ V_{OUT} = V_{REF} \left(1 + \frac{R2}{R1}\right) \] Avec \(R1=1\;k\Omega\) et \(R2=2\;k\Omega\) : \[ V_{OUT} = 1,23 \left(1 + \frac{2\,k\Omega}{1\,k\Omega}\right) = 1,23 \times 3 = 3,69\;V \] Pour obtenir 5 V, il faut choisir un rapport tel que \(\frac{R2}{R1} = \frac{V_{OUT}}{V_{REF}} - 1\). Avec \(V_{OUT}=5\;V\) : \[ \frac{R2}{R1} = \frac{5}{1,23} - 1 \approx 3,065 - 1 = 2,065 \] Par exemple, prendre \(R1=1\;k\Omega\) et \(R2\approx2,1\;k\Omega\) (valeur normale 2 kΩ avec une légère adjustment) ou utiliser un module LM2596 pré‑réglé à 5 V qui intègre déjà le diviseur approprié. **b) Courant de ripple dans l’inductance** Le ripple de courant ΔI_L dans un convertisseur buck est approximé par : \[ \Delta I_L = \frac{V_{IN} - V_{OUT}}{L} \cdot D \cdot T_{SW} \] où - \(D = \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac{5}{12} \approx 0,417\) (rapport cyclique) - \(T_{SW} = \frac{1}{f_{SW}} = \frac{1}{150\,kHz} \approx 6,67\;\mu s\) - \(L = 100\;\mu H\) - \(V_{IN} - V_{OUT} = 12 - 5 = 7\;V\) \[ \Delta I_L = \frac{7}{100 \times 10^{-6}} \times 0,417 \times 6,67 \times 10^{-6} = 70\,000 \times 0,417 \times 6,67 \times 10^{-6} \] \[ \Delta I_L \approx 70\,000 \times 2,78 \times 10^{-6} \approx 0,195\;A \;(≈195\;mA) \] Le courant de charge nominal est 2 A, donc le ripple représente \[ \frac{0,195}{2} \times 100 \approx 9,8\% \] ce qui est bien inférieur à la limite de 30 % demandée. **c) Capacité de sortie pour limiter le ripple de tension** Le ripple de tension ΔV_OUT dû à la capacité de sortie est approximé par : \[ \Delta V_{OUT} \approx \frac{\Delta I_L}{8 \cdot f_{SW} \cdot C_{OUT}} \] On veut \(\Delta V_{OUT} \le 20\;mV_{pp}\). En utilisant le ΔI_L calculé (0,195 A) : \[ C_{OUT} \ge \frac{\Delta I_L}{8 \cdot f_{SW} \cdot \Delta V_{OUT}} = \frac{0,195}{8 \times 150\,000 \times 0,02} \] \[ C_{OUT} \ge \frac{0,195}{24\,000} \approx 8,1 \times 10^{-6}\;F = 8,1\;\mu F \] Pour assurer une marge de sécurité, on choisit une valeur standard supérieure, par exemple **22 µF** (céramique X7R ou tantale) en parallèle avec une petite capacité céramique de 0,1 µF pour filtrer les hautes fréquences. **Réponses** : a) Avec R1=1 kΩ et R2=2 kΩ, la tension de sortie théorique est de 3,69 V ; pour obtenir 5 V il faut ajuster le rapport R2/R1 à environ 2,065 (ex. R1=1 kΩ, R2≈2,1 kΩ) ou utiliser un module LM2596 pré‑réglé à 5 V. b) Le ripple de courant dans l’inductance est d’environ 0,2 A (< 30 % de 2 A). c) Une capacité de sortie d’au moins 8 µF est nécessaire ; on adopte 22 µF en pratique. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de mettre une résistance de tirage (pull‑up/down) sur une entrée numérique flottante. | L’entrée prend des états indéterminés → comportement erratique du programme. | Toujours ajouter une résistance de 10 kΩ vers GND ou VCC, ou activer la résistance interne (`INPUT_PULLUP`/`INPUT_DOWN`). | | 2 | Placer une LED directement entre une broche Arduino et la masse sans résistance limitante. | Courant de sortie > 20 mA → détérioration de la broche ou de la LED. | Insérer une résistance calculée par \(R = (V_{CC} - V_{F})/I_{LED}\) (ex. 220 Ω pour LED rouge, 5 V, 20 mA). | | 3 | Négliger le découplage d’alimentation d’un circuit intégré (absence de condensateur céramique 0,1 µF au plus près des broches VCC/GND). | Bruit d’alimentation, instabilité du fonctionnement, éventuel latch‑up. | Placer systématiquement un condensateur 100 nF céramique en parallèle avec chaque alimentation d’IC, à moins de 5 mm du composant. | | 4 | Utiliser une piste trop fine pour transporter le courant d’entrée d’un régulateur (ex. 0,1 mm pour 500 mA). | Chauffage excessif, chute de tension, risque de détérioration de la piste. | Se référer aux tableaux de largeur de piste selon le courant (ex. IPC‑2221) ; pour 500 mA, largeur ≥ 0,25 mm (10 mil) avec cuivre 35 µm. | | 5 | Oublier de désactiver l’alimentation avant de modifier un circuit sur breadboard ou PCB. | Court‑circuit accidentel, endommagement de composants, risque de choc. | Toujours couper la source d’alimentation, décharger les condensateurs (via une résistance de décharge) et vérifier l’absence de tension avec un multimètre avant toute intervention. | | 6 | Brancher l’Arduino directement sur une source de 12 V sans régulateur intermédiaire. | Dépassement de la tension maximale recommandée (5 V/7 V selon modèle) → destruction du régulateur USB ou du microcontrôleur. | Utiliser un régulateur adapté (ex. LM7805, module buck) ou l’entrée VIN prévue (avec protection contre les surtensions). | --- *Fin du cours.*