Journal : Toute résistance n`est pas futile.

Journal:Touterésistancen’estpasfutile.
PostéparNicolasBoulayle16/11/16à11:18.LicenceCCby-sa
Tags:
robotique,électronique
Dansuncircuitnumérique,ilyaunedosed’électroniqueanalogique.“Malheureusement”,penserontcertain.Voyonslesrésistances.
Si on veut utiliser un microcontrôleur pour un projet de robotique ou de domotique, on doit parfois créer sa propre carte numérique, ou créer une carte de
périphérique,connectéàunecartenumériqueplusdensecommel’ArduinooulaRasperyPi.
Lebutdecetarticleestdemontrerlespiègesetembûchesàéviter,lorsquel’onessayed’appliquerlathéorie.
Unerésistanceestunbipède,quin’apasdesensdebranchement,enthéorie,maisaussienpratique.Sagrandeurprincipalesemesureenohms(Ω).Ellevade
quelquesdixièmesd’ohms(mΩ)àquelquegigaohms(GΩ).LapetiteéquationbienconnuestU=R*I.
Elle décrit une relation entre la tension (qui est un potentiel comme la gravité) qui traverse la résistance, et le courant (qui est un flux, un débit). C’est
comparableàunechuted’eausuruntorrent.Silarivièreestlarge(résistancefaible),lecourantestfort,silarivièreestétroite(résistanceforte),lecourantest
faible.Lahauteurdelachutereprésentelatensionauxbornesdelarésistance.
Unerésistancetransformedel’énergieélectriqueenénergiethermique.Cemodedefonctionnementpermetdelierlecourantetlatension.Unpeucommesila
pented’unechuted’eaupermettaitd’estimerlahauteur,enregardantledébit,ouàestimerledébit,enconnaissantlahauteurdelachute.
La puissance typique d’une résistance traversante est le quart de watt, cela veut dire que la résistance ne peut pas dissiper plus que cette énergie, sans être
abîmée.LespetitesrésistancesCMS(composantmontéensurface)peuventêtreencoreplusfragile.Ilexistedesgrossesrésistances,deplusde10cmdelong,
insérésdansdesradiateursenmétal,quisupporteladissipationdeplusieursdizainesdewatt.
(licenceCC–wikipedia)
Ladéfinitiondel’énergieélectriqueconsommé(lapuissance)estP=U*I,quelquesoitlecomposantélectronique.DonconaP=R*I²ouP=V²/Rpourune
résistance.Selonl’application,onpourracalculerfacilementlapuissancedissipéemaximum.
Cetteformulepermetdecomprendrepourquoisurunamplificateuraudiodontlatensionestfixée(environ30Vpourunampli“100W”),lademandedepuissance
est plus forte avec des haut-parleurs 4 ohms que 8 ohms (P=V²/R donc la demande de puissance est doublé). Ou à l’inverse l’emploie de haut parleur 4 ohm
permetdelimiterlatensiondel’amplificateur,toutengardantlamêmepuissance,commedanslesvoitures,quiontunebatterie12V.
Oucomprendrepourquoi,uncasqueaudiohifide600ohmsabesoind'unampli«pluspuissant»qu'uncasquede32ohms.Enfait,ilbesoind'unetensionplus
élevée,pasdeplusde"puissance".
Lecodecouleurclassiqueaunpeuévoluéavecl’augmentationdeprécisiondisponible.Undigitestajoutéesurcertainerésistancesousformed’unanneaude
couleurdeplus,etilexistedesgradesdeprécisionde1%etmoins(0.01%existe).
Seule
Une grosse résistance peut être vu comme un générateur de courant. U = R.I => I = U/R si U varie cela donne i = U/R + deltaU/R, plus R est grand moins
l’intensitévarieavecunemodificationdelatension.
On les voit souvent dans les alimentations de led dont le fonctionnement nominal est spécifié en ampère (20mA typiquement). Mais c’est une mauvaise
alimentationcardel’énergieestperduenchaleur,le'rendement'estfaible.
Unerésistancepermetaussid’imposerunetensionde“rappel“surunfil,“pull”enanglais.
Cela permet de mettre une tension sur un fil qui est normalement coupé, ou en court-circuit comme avec un interrupteur. Un circuit ouvert (ou “haute
impédance”)apeudesensdanslacommunicationavecdunumérique,ilfautunetension(latensiond’alimentation,zéroouunetensionintermédiairedansle
casdel’usaged’unconvertisseuranalogiquenumérique).Siilyauneconnectionsparlarésistanceentrelefilsetlamasse,onappelcelaune“pulldown”,etsi
laconnectionsalieuentrelefilsetle“+”ducircuit,onappellecelaune“pullup”.
wikipedia
Aurepos,l’entréeestàlatensiond’alimentation.Quandl’interrupteurestfermé,l’entréeestmiseàlamasseetlarésistanceconsommeducourant.Onvoit
bienquesilarésistanceestfaible,ellevaconsommerbeaucoupdecourant,jusqu’aucourt-circuitentrel’alimentationetlamasse.Cegenrederésistanceest
typiquementde10ou100kΩvoirplus,pourlimitercetteconsommation.
Dansunecartecomportantunconvertisseuranalogiquenumériqueetuncapteurcommeunephotodiode,lecourantgénéréparlecapteurpeutêtretrèsfaible.
Danslecasd’uneliaisonanalogique,lesignal(ici,latension)estdoncsensibleauxperturbationsélectromagnétiques(le50hzdusecteur,unmoteuràcourant
continu,unealimentationàdécoupage,etc…).Sionrajouteunerésistancedepullsurlacartenumérique,onforcedelaconsommationélectriquedanslaliaison,
cequidiminuel'influencedu"bruit".Commelaphotodiodenepeutpasfournircecourant,ilfautrajouterunamplificateuropérationnelenmodesuiveursurla
carte capteur. Il réplique exactement la tension, en fournissant tout le courant demandé. Si on ne mets pas de résistance, le courant est toujours faible et la
tension vu par la carte numérique, peut fluctuer car les entrées ont une impédance très élevée, et donc une perturbation de faible énergie peut modifier la
tensionprésentéeauxentrées.
Aveclarésistance,lecâbledeliaisonentreles2cartes,mêmesiilfaitantenne,nedevraitpasêtreperturbélesignalqu’ilportesousformedetension.
Une résistance en série permet de limiter le courant en cas de court-circuit. Imaginez une connexion série qui sort directement d’un microcontrôleur ; vous
prévoyez un connecteur avec la masse, et les 2 fils de transmission série (Rx et Tx, de la norme RS232, celle que vous avez sur les vieux PC, où l’on pouvait
brancherunmodem).Sijamaislemicrocontrôleurémet,etquelefilsd’émissionestencontactaveclamasse,ilyauncourt-circuit.L’intensitéestmaximale,et
la"pin"desortiedumicrocontrôleurfinipargriller.
Sionrajouteunerésistancede100ohms,ensériedufilsd'émissionentrelemicrocontroleur,etleconnecteur,encasdecourt-circuit,larésistanceseretrouve
entreles2.Suruncircuit5V,ona5V/100Ω=10mAsoitl’ordredegrandeurmaximumdecegenredetechnologie(entre35et5mA,et15leplussouvent).La
pinnepourrajamaisgriller.
Aplusieurs
Les montages en série ou en parallèles sont assez connu. Dans le cas en séries, les 2 valeurs de résistances s’additionnent. Dans le cas parallèle, c’est plus
compliquémaissiles2valeurssontidentiques,celarevientàdiviserpar2larésistance(1/R=1/R1+1/R2).
Ilfautsavoirqu’unerésistancequigrilleasarésistancequiaugmente:celapeutsauveruncircuit.Ainsi,surunmontagesensible,siunerésistancegrille,elle
augmentejusqu’àallerjusqu’aucircuitouvert(coupé).Siilya2résistancesenparallèles,ladeuxièmepeutprendrelerelais.
Utiliser2résistancespermetaussid’obtenirdesvaleursexotiques,ouaugmenterpar2,l'énergiequel’onpeutconsommer.
Lemontageendiviseurdetensionpeutêtreutilepouravoirunetensionparticulièreàdisposition.Ils’agitde2résistancessériesentrelamasseetl’alimentation,
dontonrécupèrelepointmilieu.Latensionestdûàuneégalisationducourantentrelesrésistances(V=Valim*R2/(R1+R2)).C’estunemauvaisealimentation
carsionconsommetropdecourant,latensiontombe.Elletomberad’autantplusvitequelesrésistancessontfortes,cartroppeudecourantcirculedansR2.
wikipedia
Cemontageestutile,parexemple,pourmesurerlatensiond’unebatterie12Vavecunmicrocontrôleuralimentéen5V.Ilsuffitdediviserlatensionpar2.4.Le
microcontrôleurpourramesurerlatensionsansvoirjamaisplusde5Vàsesbornes.Lecourantesticitrèsfaible,cequin'influencedoncpaslamesure.
wikipedia
LepontdeWheatstonepermetdemesurerprécisémentunerésistanceinconnueàl’aided’autresrésistances.Rx=R3/(R2*R1)quandiln’yapasdecourantqui
circuleentrelepointDetB.Onpeutlemesurerparungalvanomètre.Onpeutaussis’enservirpourmesurerdefaiblevariationderésistanced’unerésistance
variable,ouencoredefaiblevariationdeconsommationélectriqued’uncomposantquiestvuaupremierordrecommeunerésistance;parexemple,unepucede
carteàpuce,pourfairedel’analysedeconsommation(SPA,DPA).
AvecdescircuitsCMOS
Danslecasdecircuitsensible,parexemple,équipéd’ampli-opdeprécision,onveutpouvoirprotégercescircuitsd’unesurtension.Silaconsommationestfaible,
onpeutajouterunerésistancefaibleensérieentrel’alimentationetlapind’alimentationducircuit.Encasdesurtension,unepartiedel’énergieseraabsorbée
parlarésistanceetcelaleprotège.
Lespullupetpulldownsontutiliséspourfixerunevaleursurlesentréesnumériquesnonutilisées.Eneffet,sansconnections,lavaleurdupadd’entréechange
augrèsdesperturbationsélectromagnétiques,etàchaquepassageduseuil,letransistorinternebasculeetcelaentraînedelaconsommationélectriqueinutile,
voirsadestruction,sicelapartenoscillationsincontrôlées.
LescomposantsCMOSmodernespeuventavoirdespadscomplexes.Lesentrésontdetrèsfortesvaleurderésistancesinternes(consommationdonctrèsfaible)
etunecapacitéparasitetoujoursplusfaible.Cettecapacitéestà“remplir”pourfairebasculerlatensiond’entrée.Celadéterminelavitessedelaconnections
possibleetlaconsommationélectriqueassociée.
Sespadscomportentparfoisdesrésistancesdepullintégré.Ilnefautdoncpasrajouterunepullup,enplusd’unepulldowninterne.Celacrééundiviseurde
tension,quiaumieux,faitconsommerinutilementlecircuit.
Il faut faire aussi attention aux puces, dont la majorité des pins sont mises en sorties au reset pour éviter justement, le problème lié aux entrées libres qui
bagotent.Lasortieestensuiteconfiguréeenentréeparuneroutined’initialisation.Siunerésistancedepullestprésent,lapucevafournirducourantinutilement
avantl’initialisation.Celaparaitévidentmaiscen’estpasforcémentuneinformationfacileàavoirsuruncircuitdeplusieurscentainesdepins.
Lestransmissionsnumériquesbasiquesàbasedesignaux“carrés”,présentesdes“fronts”trèsraides.Cesfrontsreprésententdeschangementsrapidesentreles
2tensions.Sesfrontssontdonccomposésdefréquencestrèsélevées,quipeuventrayonnerensuitedanslerestedusystème.Cechangementrapidedetension
impliqueaussiunpicdecourantpourremplirlacapacitéparasitedel’entréenumérique.Sionrajouteunerésistanceensériesurunetelleconnexion,celacréé
un filtre passe-bas avec la capacité parasite de l’entrée. En effet, la présence de la résistance limite le courant qui peut être envoyé pour remplir la capacité
parasite,ainsilatensionmontepluslentement,lefrontestmoinsraideetlesfréquencesutiliséesplusfaible.Celapermetaussidelimiterlesappelsdecourant,
dansl’alimentationgénéral.
Lesappelsdecourantsontlespointesdeconsommationdel’électroniqueCMOS.Unetelletechnologieconsommepeuenstatiquemaisbeaucoupendynamique
surtout au niveau des entrés/sorties. Je parle des technologies accessibles aux hobbyistes, et non des derniers core i7, où la consommation de fuite devient
prépondérante.
Untelappeldecourantpeutvenird’IOnumériquede“puissance”,quicommuniquerapidementàdistance.
Encapteur
En robotique ou domotique, on cherche à avoir des informations du monde extérieur. Les capteurs sont rarement parfaits, et on est toujours à la recherche
d'élémentfiableetpeucoûteux.
Pour relier le capteur au système, je conseil d’utiliser le plus souvent des entrées convertisseurs analogique au lieu de pure entrées numériques, si cela peut
éviter la création de montage complexe de détection de seuil, de comparateur ou de comparateur à hystérésis, qui ne seront même pas programmable. Ces
montagesimpliquentsouventdesamplis-op,descomposantspassifetdespotentiomètrepourréglerlesseuils.
En rentrant le plus vite possible dans le monde numérique, il est possible de faire des anti-rebonds et des seuils complexes de façon logiciel. Le changement
d’état d’un interrupteur n’est jamais propre, il fournit une oscillation, appelé “rebond”, qui pourrait être interprété comme plusieurs mouvements au lieu d’un
seul.
Un potentiomètre est une résistance variable mécanique montée en pont diviseur et relié à un convertisseur analogique numérique d’un microcontrôleur. La
valeurnumériquelueestproportionnelàl’angledel’axe.
Un doigt de métal se déplace sur un morceau de matériaux résistant (graphite). Il existe des boîtiers multi-tours, plus précis. Pour les plus courant, la tige de
sortienefaitpasuntourcomplet.Celapeutêtreunbonmoyendefaireuncapteurd’angle.
J’enaiutilisépourseconderdesservomoteursdansunrobot.Unservomoteurforcepourfairerespectersaconsignemais,quandilnepeutpaslarespecter,le
robotdoitlesavoir.Cegenredecapteurestprécieux,carpeusensibleauxperturbations,peucouteux(parrapportauxrouescodeuse),facileàmettreenœuvre
etassezprécis.
Laprécisiondelamesureprovientdumontagemécanique,maisaussidelaprécisiondupotentiomètrelui-même.Ilestpossibledemesurerlesvaleursextrêmes
dupotentiomètreetnepasprendrecommeréférencesavaleurnominal.L’idéeestquelavariationdel’erreurdansletempsestfaible,parrapportàl’erreurde
baseelle-même(dûauxmoyensdefabrication).
Parcontre,departlanaturemécaniquedumontageetdufrottement,untelsystèmenedoitpasêtretrèsdurable.
Multi-boutons
Ilestpossibledelirel’étatde6boutonsavecuneseulentréeconvertisseuranalogique/numérique.Enmettantensérie8résistances,oncrééungranddiviseur
detension(0V,1V,2V,3V,4V,5vparexemple).Chaqueboutonpoussoirmetencontactundespointsdel’échelle.Lalecturedelavaleurdelatensionmesuré
donneleboutonpressé.Parcontre,onnepeutdétecterqu’unseulboutonappuyéàlafois.
Ilestpossiblededétecterplusieursboutonsavecuneéchelle“R2R”,quiestaussiutilisépourfairedesconvertisseursnumériqueanalogique.L’idéeestd’avoir
uneéchelledetensioncomme0,2.5V,1.25V,0.625V(avecdespoidsderésistancemultiplede2n).Mêmeaveccestensionsadditionnés,onpeutretrouverquels
boutonssontappuyés.Parexemple,sionlit1.875V,celanepeutêtrequelaconnectionsde1.125V+0.625V.
Lalimitetypiqueestautourde8,ensuite,ilyaunproblèmedeprécisiondesrésistances(28=256soituneprécisionde1/256cequirevientàuneprécision
inférieurà1%pourchaquerésistance).
Commentchoisirlesvaleurs
Les résistances ne sont jamais parfaites. Il y a toujours des effets inductifs parasites, tout comme un fil. Cet effet inductif est faible donc cela ne se voit qu’à
hautefréquence(signaldefréquencebienaudelàduMhz).
Celaveutdirequ’unerésistancevoitsavaleurrésistiveaugmenteraveclafréquence.Cetteinductanceparasitedépendengrosdelatailledel'élément,plusil
estgros,plusl’effetestprésent.Pluslecourantestimportantetvariefortement,plusl’effetsefaitsentirégalement(U=Ldi/dt,latensionaubornedelabobine
estproportionnelauvariationdecourant,etàl'inductanceparasite).
Comment choisir la valeur des résistances quand on a le choix ? On cherche à diminuer la consommation du circuit (augmentation des valeurs), diminuer
l’influencedeparasites(diminutiondesvaleurs).
Évitezd’avoir36valeursdifférentspourunemêmecarte,permetdegérerunelistedecomposantspluspetites,ilexistedes“séries”devaleurs,plusoumoins
courantesetdonc+ou–chère.
Voilapournotrepetittourdédiéàl’usagedesrésistancesdansdesmontagesprincipalementnumériques.Enrésumer,nousvenonsdevoirquelesrésistances
avaientunegrandeurenOhms,maisaussiunepuissancededissipationmaximal,etl’existencedeleurrésistance/inductanceparasite.
Vouspouvezretrouveruneactiviténormale(commeregarderlesréseauxsociaux).
(imageswikipediaetpersonnelle)
touterésistanceest…ahonl'adéjàfait.
Postéparjseb(pageperso)le16/11/16à11:42.Évaluéà10(+8/-0).
Excellentjournal,trèsbienécritettrèsclair.
ÇachangedesjournauxsurLinux:)
Sérieusement,merci!
Re:touterésistanceest…ahonl'adéjàfait.
PostéparElectronLibre63le16/11/16à14:45.Évaluéà2(+1/-0).
Quelquespetitescoquilles:
Onpeutaussis’enservirpourmesurerdefaible svariation sderésistanced’unerésistancevariable,ouencoredefaible svariation sdeconsommation
Celadéterminelavitessedelaconnectionsconnexionpossible
Celacréécréeundiviseurdetension
surtoutauniveaudesentré e s/sorties
àlarecherched'élément sfiable setpeucoûteux
Lavaleurnumériquelueestproportionnel leàl’angle
avecuneseul eentréeconvertisseur
Lalecturedelavaleurdelatensionmesuré e
uneéchelle“R2R”,quiestaussiutilisé  e
Mêmeaveccestensionsadditionné e s
latensionau xborne sdelabobineestproportionnel leau xvariation sdecourant
unelistedecomposantspluspetite s
unepuissancededissipationmaximal e
Sinon,effectivement,articlesympa.
Merci
Re:touterésistanceest…ahonl'adéjàfait.
PostéparNicolasBoulayle16/11/16à15:06.Évaluéà3(+1/-0).
Quelques?tuestropgentil.
JepensaisavoirtuéunedeuxièmefoisLouis-NicolasB.
--
"Lapremièresécuritéestlaliberté"
V?
PostéparOntologia(pageperso)le16/11/16à13:11.Évaluéà2(+0/-0).
P=V²/Rpourunerésistance
QuereprésenteV?
--
«Iln’yapasdechoixdémocratiquescontrelesTraitéseuropéens»-Jean-ClaudeJunker
Re:V?
Postéparpulkomandy(pageperso)le16/11/16à13:22.Évaluéà1(+0/-0).
Latension(notéeUdanstouteslesautreséquations,pourquoiunVici?).
Re:V?
Postéparohmle16/11/16à13:28.Évaluéà5(+4/-0).
IlfautlireU,latension.P=U.I=R.I.I=R.I²=R.U²/R²=U²/R
VestparfoisconfonduavecUdanslesrelationsélectriques.Entouterigueur,Vestlepotentielélectriqueenunpointducircuit;latensionétantunedifférencede
potentiels(V1-V2,expriméenvolts),larelationrestehomogène.
TheobligatoryXKCDreference
PostéparUnixJunkiele16/11/16à13:39.Évaluéà10(+14/-0).
imagemanquante
PostéparNicolasBoulayle16/11/16à13:41.Évaluéà9(+7/-0).
Ilmanquedesexemplesdepotars.Ilsnesontpasagrandaxe.C'estpluspourfairedesréglages:
--
"Lapremièresécuritéestlaliberté"
Vidéosurlarésistance
PostéparteoBle16/11/16à18:06.Évaluéà4(+3/-0).
Chouette,l'électroniquevadeveniràlamodesurLinuxfr ?unjournalsurlarésistance&enmêmetempsunedépêcheencoursderédactionsurl'oscilloscope :)
Unevidéoenfrançaisrelativementcomplètesurlarésistance :106-Guideultimedudébutant:larésistance.
Note:lescommentairesappartiennentàceuxquilesontpostés.Nousn'ensommespasresponsables.