LES CIRCUITS COMBINATOIRES ET SEQUENTIELS (partie 4/4)

## Introduction Bienvenue dans cette leçon sur les multivibrateurs, des circuits électroniques essentiels capables de générer des signaux carrés ou des impulsions. Nous allons nous concentrer sur le célèbre circuit intégré NE555, un composant polyvalent et très utilisé pour construire ces types de circuits. Vous apprendrez comment le NE555 peut être configuré pour différentes applications, notamment comme oscillateur (multivibrateur astable) ou comme temporisateur (multivibrateur monostable). ## Concepts Clés ### Qu'est-ce qu'un Multivibrateur ? Un multivibrateur est un circuit électronique qui produit un signal de sortie qui bascule entre deux états (souvent haut et bas) de manière répétée ou sur commande. Il existe trois types principaux de multivibrateurs : * **Multivibrateur Astable :** Produit un signal carré continu sans aucune intervention externe. C'est un oscillateur. Il n'a pas d'état stable, il change constamment d'état. * **Multivibrateur Monostable :** Possède un seul état stable. Lorsqu'il est déclenché par une impulsion externe, il passe temporairement à son état instable pendant une durée fixe, puis revient à son état stable. On l'appelle aussi temporisateur ou « monocoup ». * **Multivibrateur Bistable :** Possède deux états stables. Il reste dans un état jusqu'à ce qu'une impulsion externe le fasse basculer vers l'autre état, où il reste jusqu'à une nouvelle impulsion. Les bascules (flip-flops) en sont un exemple. Dans cette leçon, nous allons principalement étudier les modes astable et monostable du NE555. ### Le Circuit Intégré NE555 Le NE555 est un circuit intégré (CI) de temporisation très populaire et polyvalent. Il est utilisé pour une multitude d'applications, allant des simples minuteries aux générateurs d'impulsions, en passant par les modulateurs de largeur d'impulsion (PWM). * **Brochage Simplifié :** Le NE555 est généralement disponible en boîtier à 8 broches (DIL-8). * **Broche 1 (GND) :** Masse, référence 0V. * **Broche 2 (Trigger) :** Entrée de déclenchement. Le CI est déclenché quand la tension descend en dessous de \( rac{V_{cc}}{3} \). * **Broche 3 (Output) :** Sortie du signal, généralement 0V ou \( V_{cc} \). * **Broche 4 (Reset) :** Réinitialisation. Si cette broche est mise à 0V, la sortie est forcée à l'état bas. Elle est généralement connectée à \( V_{cc} \) pour un fonctionnement normal. * **Broche 5 (Control Voltage) :** Tension de contrôle. Permet de modifier la tension de référence interne du comparateur. Souvent connectée à un condensateur vers la masse pour filtrer le bruit, ou laissée libre si non utilisée. * **Broche 6 (Threshold) :** Seuil. Le CI détecte quand la tension monte au-dessus de \( rac{2V_{cc}}{3} \). * **Broche 7 (Discharge) :** Broche de décharge. Connectée à un transistor interne qui décharge un condensateur externe. * **Broche 8 (Vcc) :** Alimentation positive, généralement entre 4.5V et 16V. ### Le Multivibrateur Astable (Mode Oscillateur) Dans ce mode, le NE555 génère un signal carré continu dont la fréquence et le rapport cyclique peuvent être ajustés par des résistances et un condensateur externes. * **Fonctionnement :** 1. Le condensateur \( C \) se charge à travers \( R_1 \) et \( R_2 \) jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne \( rac{2V_{cc}}{3} \). La sortie est à l'état haut pendant cette phase. 2. Lorsque la tension atteint \( rac{2V_{cc}}{3} \), le comparateur interne bascule, la broche de décharge (broche 7) s'active et le condensateur se décharge à travers \( R_2 \) et la broche 7, jusqu'à ce que la tension à ses bornes descende à \( rac{V_{cc}}{3} \). La sortie est à l'état bas pendant cette phase. 3. Lorsque la tension atteint \( rac{V_{cc}}{3} \), le comparateur bascule à nouveau, la broche 7 se désactive, et le cycle recommence. * **Formules de calcul :** * Durée de l'état haut (charge du condensateur) : \[ T_{haut} = (R_1 + R_2) C imes rac{\ln(2)}{1} \] \( ext{où } rac{\ln(2)}{1} ext{ est approximativement } 0.693 \) * Durée de l'état bas (décharge du condensateur) : \[ T_{bas} = R_2 C imes rac{\ln(2)}{1} \] * Période totale du signal (\( T \)) : \[ T = T_{haut} + T_{bas} = (R_1 + 2R_2) C imes rac{\ln(2)}{1} \] * Fréquence du signal (\( f \)) : \[ f = rac{1}{T} = rac{1}{(R_1 + 2R_2) C imes rac{\ln(2)}{1}} \] * Rapport cyclique (Duty Cycle) : pourcentage du temps où la sortie est à l'état haut. \[ ext{Rapport cyclique} = rac{T_{haut}}{T} = rac{R_1 + R_2}{R_1 + 2R_2} \] ### Le Multivibrateur Monostable (Mode Monocoup) Dans ce mode, le NE555 génère une seule impulsion de durée fixe en réponse à une impulsion de déclenchement externe. * **Fonctionnement :** 1. En état de repos, la sortie est à l'état bas, et le condensateur \( C \) est déchargé par la broche 7. 2. Lorsqu'une impulsion négative est appliquée à la broche Trigger (broche 2) et que sa tension descend en dessous de \( rac{V_{cc}}{3} \), le NE555 est déclenché. 3. La sortie passe à l'état haut, et la broche 7 de décharge est désactivée, permettant au condensateur \( C \) de se charger à travers la résistance \( R_1 \). 4. Lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint \( rac{2V_{cc}}{3} \) (broche Threshold 6), le comparateur interne bascule, la sortie repasse à l'état bas, et la broche 7 décharge le condensateur, ramenant le circuit à son état stable. * **Formule de calcul :** * Durée de l'impulsion (\( T \)) : \[ T = 1.1 R_1 C \] ## Vocabulaire * **Multivibrateur :** Circuit électronique qui génère des signaux périodiques ou des impulsions. * **Astable :** Multivibrateur sans état stable, oscillant continuellement entre deux états. * **Monostable :** Multivibrateur avec un seul état stable, produisant une impulsion de durée fixe après déclenchement. * **Bistable :** Multivibrateur avec deux états stables, qui bascule entre eux sur commande. * **NE555 :** Circuit intégré de temporisation universel. * **Période (T) :** Durée d'un cycle complet d'un signal périodique, mesurée en secondes. * **Fréquence (f) :** Nombre de cycles par seconde d'un signal, \( f = rac{1}{T} \), mesurée en Hertz (Hz). * **Rapport cyclique (Duty Cycle) :** Proportion du temps pendant lequel un signal est à l'état haut, exprimé en pourcentage ou en fraction. * **Déclenchement (Trigger) :** Impulsion ou événement qui initie le fonctionnement d'un circuit, par exemple le lancement de la minuterie d'un monostable. * **Impulsion (Pulse) :** Changement de tension ou de courant de courte durée. ## Exemples ### Exemple de Multivibrateur Astable (Clignotant LED) Vous voulez créer un clignotant LED avec une fréquence d'environ 1 Hz (un clignotement par seconde) et un rapport cyclique d'environ 75%. Nous choisissons \( C = 10 ext{ µF} \). Pour \( f = 1 ext{ Hz} \), \( T = 1 ext{ s} \). Nous avons \( T = (R_1 + 2R_2) C imes 0.693 \). Donc \( 1 = (R_1 + 2R_2) imes 10^{-5} imes 0.693 \). \( R_1 + 2R_2 = rac{1}{0.693 imes 10^{-5}} ext{ } \approx 144300 ext{ } \Omega \). Pour un rapport cyclique de 75% (\( 0.75 \)) : \( 0.75 = rac{R_1 + R_2}{R_1 + 2R_2} \) \( 0.75 (R_1 + 2R_2) = R_1 + R_2 \) \( 0.75 R_1 + 1.5 R_2 = R_1 + R_2 \) \( 0.5 R_2 = 0.25 R_1 \) \( R_1 = 2 R_2 \) En substituant \( R_1 = 2R_2 \) dans \( R_1 + 2R_2 = 144300 \) : \( 2R_2 + 2R_2 = 144300 \) \( 4R_2 = 144300 \) \( R_2 = 36075 ext{ } \Omega \). On peut prendre \( R_2 = 36 ext{ k}\Omega \) (valeur standard). Alors \( R_1 = 2 imes 36075 = 72150 ext{ } \Omega \). On peut prendre \( R_1 = 72 ext{ k}\Omega \) (ou des valeurs plus proches avec des résistances ajustables). ### Exemple de Multivibrateur Monostable (Temporisateur de lumière) Vous voulez une lumière qui reste allumée pendant 10 secondes après avoir appuyé sur un bouton. Nous choisissons \( C = 100 ext{ µF} \). Pour \( T = 10 ext{ s} \), nous utilisons la formule \( T = 1.1 R_1 C \). \( 10 = 1.1 imes R_1 imes 100 imes 10^{-6} \) \( R_1 = rac{10}{1.1 imes 10^{-4}} = rac{10}{0.00011} ext{ } \approx 90909 ext{ } \Omega \). On peut choisir \( R_1 = 91 ext{ k}\Omega \) (valeur standard). ## Exercices 1. **Calcul de fréquence (Astable) :** Un multivibrateur astable est configuré avec \( R_1 = 10 ext{ k}\Omega \), \( R_2 = 47 ext{ k}\Omega \) et \( C = 22 ext{ nF} \). * Calculez la durée de l'état haut (\( T_{haut} \)). * Calculez la durée de l'état bas (\( T_{bas} \)). * Calculez la période (\( T \)) et la fréquence (\( f \)) du signal de sortie. * Calculez le rapport cyclique. 2. **Calcul de durée (Monostable) :** Un multivibrateur monostable est configuré avec \( R_1 = 100 ext{ k}\Omega \) et \( C = 1 ext{ µF} \). Quelle est la durée de l'impulsion générée ? 3. **Identification :** Un circuit basé sur un NE555 est déclenché par l'appui sur un bouton et allume une LED pendant 5 secondes, puis l'éteint automatiquement. S'agit-il d'un multivibrateur astable, monostable ou bistable ? Justifiez votre réponse. ## Devoirs 1. **Conception d'un Astable :** Concevez un circuit multivibrateur astable à base de NE555 pour générer un signal carré avec une fréquence d'environ \( 2 ext{ kHz} \) et un rapport cyclique d'environ \( 60 \% \). Choisissez des valeurs de résistances \( R_1 \), \( R_2 \) et de condensateur \( C \) standard ou approchées. Justifiez vos choix. 2. **Conception d'un Monostable :** Concevez un circuit multivibrateur monostable à base de NE555 pour générer une impulsion de \( 3 ext{ secondes} \). Choisissez des valeurs de résistance \( R_1 \) et de condensateur \( C \) standard ou approchées. 3. **Recherche :** Recherchez et décrivez brièvement deux autres applications pratiques du circuit intégré NE555 (en dehors des clignotants et temporisateurs simples). ## Résumé Dans cette leçon, nous avons exploré le monde des multivibrateurs et, plus spécifiquement, le fonctionnement du circuit intégré NE555. Nous avons appris que le NE555 est un CI polyvalent capable de fonctionner en mode astable pour générer des signaux carrés continus, et en mode monostable pour produire des impulsions de durée fixe après déclenchement. Les formules clés pour calculer la période, la fréquence et le rapport cyclique pour le mode astable, ainsi que la durée de l'impulsion pour le mode monostable, sont basées sur les valeurs des résistances et du condensateur connectés au NE555. La maîtrise de ces concepts est fondamentale pour comprendre et concevoir des circuits électroniques de temporisation et de génération de signaux.