Circuits logiques

Le calcul booléen inventé par le logicien George Boole est basé sur 2 valeurs 0 et 1. Ces deux valeurs peuvent être représentées physiquement par des mécanismes électroniques (transistors) : une tension strictement positive représente 1, une tension nulle représente 0. Ouvrir ou fermer le circuit revient à passer de 1 à 0 et réciproquement.
Les circuits logiques, que l’on fabrique avec des transistors, sont les composants de base du microprocesseur.
Les circuits de base sont appelés portes logiques et réalisent les opérations de base du calcul booléen:
NON : cet opérateur inverse la valeur de l'entrée.
ET : Cet opérateur renvoie la valeur 1 si les deux entrées sont à 1.
OU : Il renvoie 1 si au moins une des entrées est à 1.

Sirène deux tons à base de 555

Le premier circuit est un oscillateur basse fréquence qui va moduler la fréquence émise par le deuxième circuit qui fournit une fréquence audible.
Schéma du circuit:

R₁=47kΩ               C₁=10µF

R₂=47kΩ               C₂=22µF

R₃=10kΩ               C₃=100nF

R₄=10kΩ               C₄=100nF

R₅=10kΩ               HP de 8Ω

Le transistor

Un transistor est un semi conducteur à trois électrodes appelées base (B), collecteur (C) et émetteur (E). Sa fonction principale est amplificateur de courant. Laissons pour le moment la théorie des semi conducteur de côté et passons à la pratique.

Nous allons tracer les caractéristique d'un transistor en mesurant différentes tensions et en déduire la valeur des intensités à l'aide de résistances.

En mesurant U1, U2 et U3, on déduit les valeurs suivantes:
UBE=U2
UCE=U3
IB=(U1-U2)/R1
IC=(V1-U3)/R2
Les mesures ont été réalisées avec un transistor BC547B et l'acquisition des données grâce aux entrèes analogiques de l'arduino afin d'automatiser les mesures. A défaut on peut utiliser un voltmètre.

Voyons le résultat sous forme graphique:

La courbe 2 (Ic en fonction UBE) est similaire à la caractéristique d'une diode. Elle nous dit que le courant de collecteur n'est pas mesurable pour une tension de base inférieure à 0,5V et que cette tension ne dépasse pas 0,7V. On retiendra que la plage utile de cette tension de base se situe pour l'essentiel entre 0,6 et 0,7V.

La courbe 1 (Ic en fonction de Ib) montre d'abord que Ic croît en même temps que Ib puis n'augmente plus lorsqu'il atteint un peu moins de 5mA. Le transistor est dit saturé lorsque Ic n'augmente plus. Cette valeur limite de Ic est égale à V1/R2=5/1000=5mA pour U3=0. Si Ic n'atteint pas 5mA c'est qu'il existe une tension résiduelle UCE=0,1V.

Pour conclure on retient que le transistor a un état bloqué lorsque UBE<0,6V, dans cet état, Ic=0, Ib=0 et UCE=V1-R2xIc=V1=5V. Le transistor se comporte comme un interrupteur ouvert.

Il a un état saturé où 0,6V<UBE<0,7V, UCE=0,1V et Ic a atteint sa valeur maximale. Le transistor se comporte à peu près comme un interrupteur fermé.

Entre les deux un état linéaire que l'on voit sur la courbe 3 (UIN=U1) et où Ic varie avec Ib.

Le gain β du transistor correspond au rapport Ic/Ib, d'après les mesures, il atteint un maximum de 340. C'est la pente de la partie linéaire de la courbe 1.

Multivibrateur astable

Ce circuit permet d’obtenir un signal carré à partir d’une tension continue. Il utilise deux transistors NPN.

Composants:
2 transistors BC547B
2 condensateurs électrolytiques de 10µF
2 résistances de 1kΩ
2 résistances de 100kΩ

2 LED

Fonctionnement :
Le fonctionnement n'est pas évident à comprendre et à expliquer. Il faut avoir des connaissances de bases en électricité (loi d'ohm, charge d'un condensateur) et sur les transistors bipolaires.

Les transistors alternent un état saturé et bloqué. Lorsque T1 est saturé, T2 est bloqué.

On peut écrire : VCE1 = Vcc-R1IC1 en supposant que le courant traversant C₁ est négligeable.

Lorsque T1 est bloqué, IC1=0 donc VCE1=Vcc

Lorsque T1 est saturé, VCE1=0

Donc lors du passage de l’état bloqué à l’état saturé, le potentiel VC1 diminue brutalement de Vcc. Comme la tension UC1=VC1-VB2 aux bornes du condensateur C₁ ne peut pas évoluer aussi brutalement, la chute de potentiel est répercutée sur VB2. La tension UBE2=VB2-0 devient négative et bloque le transistor T2.

A ce moment, T1 est saturé et T2 est bloqué. D1 est allumée et D2 est éteinte.

Le condensateur C₁ va se charger à travers la résistance R₃, plus ou moins rapidement suivant sa valeur jusqu’à ramener le potentiel VB2 à une valeur suffisante pour débloquer le transistor T2 qui passe en mode saturé. De la même manière que le passage de T1 de bloqué à saturé a provoqué le blocage de T2, maintenant c’est T2 qui provoque le blocage de T1, et il se produit la même chose, cette fois c’est C₂ qui se charge.

On voit sur cette simulation, en orange VCE1 qui passe de Vcc (bloqué) à 0 (saturé). Lorsqu’il est bloqué, on voit la tension VBE1 augmenter lentement depuis une valeur négative jusqu’à VBEsat=0,6V grâce au condensateur.

Cette simulation a été réalisée sur l'application EveryCircuit disponible sur Android.

La période peut être modifiée en changeant les valeurs des condensateurs.

Inspiré par l'article paru dans le magazine Elektor de Septembre 2012, Retour aux sources (7).