Remarques préliminaires
Les dispositifs électroniques sont partout et ils interagissent de multiples façons avec leur environnement, tant pour le sonder que pour le modifier. Il existe donc une diversité considérable de composants électroniques et il n'est pas question de les couvrir de manière exhaustive.
Ce site est consacré aux micro-contrôleurs RISC‑V, donc nous passerons ici en revue uniquement les composants utilisés relativement souvent en conjonction avec des micro-contrôleurs.
Nous passerons aussi délibérément sous silence les composants utilisés en moyenne et haute tension (ex. triacs, moteurs à courant alternatif) car nos expérimentations seront limitées à des applications en courant continu basse tension.
Je donne des exemples pour chaque composant, la plupart du temps sur le site d'une distributeur appelé LCSC, et ce pour 2 raisons :
LCSC distribue des composants de marques asiatiques. Or, si vous voulez des micro-contrôleurs RISC‑V aujourd'hui, c'est auprès de marques chinoises qu'il faudra chercher. La Chine est très largement en avance sur le reste du monde sur cette technologie.
Pour chaque composant, le site de LCSC donne une ou plusieurs photos, son prix, et sa data sheet, c'est-à-dire sa fiche descriptive détaillée. Je vous engage vivement à jeter un coup d'oeil à celle-ci, même si vous ne comprenez pas tout. Pour les data sheets en chinois, Google Translate fait des merveilles.
Je rappelle que, quel que soit le site (LCSC ou AliExpress), je ne touche aucune commission sur les achats que vous pourriez y faire.
Assemblage des composants, circuits imprimés
Les composants électroniques se différencient de nombreuses façons, la plus structurante étant la manière dont on veut pouvoir les assembler.
Certains sont reliés aux autres par des fils équipés de cosses, comme cet interrupteur ou ce pont redresseur, par exemple, mais la plupart sont conçus pour être soudés sur un circuit imprimé - en anglais, printed circuit board (PCB).
Un circuit imprimé est un sandwich de couches isolantes et conductrices. Chaque couche conductrice est formée d'un ensemble de pistes, qu'on peut considérer comme des fils plats. Les pistes des différentes couches peuvent être reliées par des "vias", c'est-à-dire des trous contenant un tube conducteur reliant deux couches ou plus. On peut donc réaliser des câblages très complexes en très peu de place - l'épaisseur d'un circuit imprimé est typiquement comprise entre 1 et 2 mm.
Si vous vous êtes procuré le matériel listé dans les prérequis, vous avez sous les yeux plusieurs exemples de circuits imprimés : la carte de développement à CH32V003, le programmeur WCH-LinkE, les modules d'affichage LCD et OLED... Vous pourrez constater que les circuits imprimés peuvent être de différentes couleurs et qu'ils sont recouvert d'un vernis isolant et d'inscriptions - ce qu'on appelle la sérigraphie.
Il y a 2 façons de monter un composant sur un circuit imprimé, selon sa nature :
- Les composants dits through-hole, dotés de "pattes" prévues pour être insérées dans un trou du circuit imprimé pour y être soudées. Ce terme technique n'a pas d'équivalent en français.
- Les composants pour montage en surface, dits SMD, en anglais (surface mount devices), sans pattes mais avec des contacts qui viennent se placer sur une partie élargie de la piste où ils reçoivent directement le minimum de soudure nécessaire. Le terme français pour SMD est "CMS" (composants montés en surface).
Les composants SMD sont le cas général car ils ont l'avantage d'être beaucoup plus petits que les composants "through-hole" et de coûter moins cher. Il y a cependant certains composants qui n'existent qu'en through-hole à cause de leurs caractéristiques mécaniques, comme certains connecteurs ou encodeurs rotatifs, par exemple.
Cependant, nous aurons besoin de composants through-hole pour nos expériences car ce sont les seuls que nous pouvons insérer dans une breadboard (voir page sur les exercices de câblage). Si ces composants n'existent qu'en version SMD, nous devons acheter un module comportant un circuit imprimé avec les composants souhaités et des broches permettant de relier le module à la breadboard avec des jumper wires (pas d'équivalent français pour ce terme). C'est le cas avec les modules d'affichage, par exemple.
Valeurs normales
Les composants électroniques sont fabriqués industriellement, il n'est donc pas possible de trouver toutes les valeurs possibles dans les catalogues des fabricants. Pour beaucoup de composants, les valeurs disponibles sont données par des séries de valeurs normales.
Pour les résistances, inductances et condensateurs, il s'agit des séries E. Pour les fusibles, il s'agit des séries R10. A force de les utiliser, vous les saurez vite par coeur, ne vous en faites donc pas pour ça.
Résistances
Une résistance est un dipôle (un composant à 2 pattes) non-polarisé (peut être branché indifféremment dans les 2 sens) dont la fonction est de transformer de l'énergie électrique en chaleur.
Nous côtoyons dans notre quotidien beaucoup de résistances de grande puissance : plaques de cuisson, fours, sèche linge, sèche cheveux, fer à friser, chauffe biberon, lave vaisselle, lave linge, décapeur thermique, pistolet à colle, etc.
Avec les micro-contrôleurs, on utilise des résistances beaucoup plus petites et beaucoup moins puissantes. Dans ce cas, l'objectif n'est pas de produire de la chaleur, mais de dissiper seulement une partie de l'énergie, par exemple pour la ramener à un niveau convenant à l'utilisation qu'on veut en faire.
Les résistances through-hole typiques que nous utiliserons se présentent ainsi, mais il en existe aussi d'autres formes (un exemple) pour des usages spécifiques.
Les résistances SMD se présentent quant à elles sous cette forme.
La valeur des résistances through-hole est représentée sous forme de bagues de couleur codées quand elles sont trop petites pour l'inscrire directement dessus. Ainsi, jaune-violet-marron-or représente 470Ω avec une tolérance de 5% et marron-noir-noir-rouge-marron représente 10kΩ avec une tolérance de 1%.
Apprenez le code couleur en vous entraînant avec votre assortiment de résistances, ça vous sera bien utile par la suite ! Notez également que ce code ne sert pas que pour les résistances, mais aussi pour certains condensateurs, certaines inductances, les câbles en nappe (ribbon cable en anglais)...
La valeur des résistances SMD est représentée avec la même convention que le code couleur, mais en inscrivant directement les chiffres à la place des couleurs. Par exemple, 103 correspond à une valeur de 10kΩ, c'est-à-dire 10 (les 2 premiers chiffres de 103) multiplié par 103Ω (ce 3 étant le troisième chiffre de 103). De la même façon, 470 représentera 47Ω (47 x 100).
Si vous avez fait l'impasse sur l'achat de la loupe, les composants SMD vous le feront regretter...
Outre sa valeur nominale, les autres caractéristiques importantes d'une résistance sont :
La puissance maximale qu'elle est capable de dissiper en fonctionnement normal.
Sa tension de service maximale.
Sa tolérance, c'est-à-dire l'intervalle autour de sa valeur nominale dans lequel se situe sa valeur réelle.
Son coefficient de température, c'est-à-dire la variation de sa valeur réelle en fonction de sa température de fonctionnement.
En dehors des résistances "simples" décrites juste avant, il en existe une multitude d'autres avec des fonctions spécifiques. On citera en particulier les potentiomètres, bien connus des amateurs d'audio (dont la valeur dépend de la position d'un curseur), les trimmers (résistances ajustables à l'aide d'un tournevis), les photorésistances (dont la valeur dépend de l'intensité lumineuse), les thermistances (dont la valeur dépend de la température), les capteurs d'effort...
Voici les représentations schématiques de quelques types courants
de résistances :
Chaque symbole est associé à un repère (ici, la lettre R suivie d'un nombre) et d'une valeur (ex. 470R) ou d'une référence (ex. GL5528).
R1 est une résistance "simple". Le R qui suit la valeur remplace la lettre grecque Ω, peu commode à taper. La valeur indiquée doit donc se lire 470Ω. Pour la même raison, on omet le Ω dans les multiples de valeurs. On écrira donc 3.3K (voire 3K3) au lieu de 3.3kΩ. Le fait qu'il y ait une lettre dans la valeur permet de la différencier de la notation utilisée sur les résistances SMD, qui portent par exemple 471 au lieu de 470R.
R2 est une photorésistance - en anglais photoresistor ou LDR (light dependent resistor), dont vous trouverez différents modèles ici.
Condensateurs
Les condensateurs sont des dipôles dont la fonction est de stocker de l'énergie sous forme électrique. Ils peuvent être polarisés ou non, selon la manière dont ils sont fabriqués. Les condensateurs ont la propriété de s'opposer d'autant moins au passage d'un courant que la fréquence de celui-ci est élevée.
Outre la valeur nominale de sa capacité, les autres caractéristiques importantes d'un condensateur sont :
Sa tension de service maximale.
Sa tolérance, c'est-à-dire l'intervalle autour de sa capacité nominale dans lequel se situe sa capacité réelle.
Son coefficient de température, c'est-à-dire la variation de sa capacité réelle en fonction de sa température de fonctionnement.
Il existe de nombreux types de condensateurs pour faire face à différents cas d'utilisation. Voici quelques exemples d'usage très courant :
Les condensateurs céramique multi-couches, ou MLCC (multi-layer ceramic capacitors). Exemples : 1, 2.
Les condensateurs aluminium électrolytiques. Exemples : 1, 2.
La capacité d'un condensateur est indiquée :
soit en clair si son corps est suffisamment gros (ex. électrolytiques),
soit sous forme de code à 3 chiffres similaire à celui des résistances SMD, c'est-à-dire 2 chiffres pour la valeur suivis d'un chiffre pour la puissance de 10, le tout exprimé en pF (ex. 104 = 10 x 104 pF = 100 nF),
soit encore n'est pas indiquée du tout (condensateurs SMD de petite taille).
Notez que lorsque la valeur est exprimée en µF (microfarad), le µ est souvent replacé par un u minuscule, soit uF.
Voici les représentations schématiques courantes des condensateurs
fixes (il existe aussi des condensateurs variables et ajustables) :
C1 est un condensateur non-polarisé et C2 un condensateur polarisé.
Inductances
Comme pour les résistances, l'usage courant en français confond le composant et sa propriété. L'anglais distingue les deux : le composant est appelé inductor et la propriété inductance. En français, le composant est aussi appelé bobine.
Lorsque la bobine est utilisée comme électro-aimant, on l'appelle aussi solénoïde (anglais solenoid). On trouve par exemple des solénoïdes dans les serrures des portes d'entrée des immeubles afin de permettre leur ouverture depuis les appartements. En anglais, une électrovanne (utilisée par exemple dans les lave linge et lave vaisselle) est appelée solenoid valve.
Les inductances ont la propriété de s'opposer d'autant plus au passage d'un courant que la fréquence de celui-ci est élevée. Ceci leur vaut d'être utilisées pour "nettoyer" l'alimentation des convertisseurs analogique-numérique (ou ADC, un cours y est consacré). C'est à peu près le seul cas de figure où vous rencontrerez des inductances en compagnie d'un micro-contrôleur, ce qui fait que nous ne nous attarderons pas sur ces composants.
Il existe de nombreux types d'inductances pour faire face à différents cas d'utilisation. Voici quelques exemples :
Voici le symbole générique d'une inductance :
Diodes (LED incluses)
Une diode est un dipôle polarisé qui a la propriété de ne laisser passer le courant que dans un seul sens. Elles n'ont cependant pas un comportement idéal et elles provoquent une chute de tension dans le sens où elles conduisent. La valeur de cette chute de tension est une caractéristique importante des diodes, appelée forward voltage et notée VF, dont il faut tenir compte lors de leur utilisation.
Il existe de nombreux types de diodes avec des propriétés spécifiques (ex. diodes Zener, diodes varicap, LED). Dans un contexte d'utilisation avec un micro-contrôleur, nous n'en retiendrons que trois :
Les diodes de commutation avec l'exemple de la 1N4148: SMD, Through-hole.
Les diodes Schottky avec l'exemple de la 1N5819: SMD, Through-hole.
Les diodes électro-luminescentes ou LED (light emitting diodes), sur lesquelles nous allons nous attarder. Exemples : SMD, Through-hole.
On trouve souvent des diodes de commutation ou des diodes Schottky associées à un micro-contrôleur pour empêcher son alimentation parasite via une liaison série (un cours est consacré à l'UART).
Les LED sont omniprésentes, à la fois en tant qu'indicateurs d'état (ex. pour signaler l'activité d'un port Ethernet ou son débit), pour transmettre des données (ex. LED infrarouge des télécommandes), ou en tant qu'éléments de décoration (les fameuses guirlandes de LED RGB).
Les LED sont caractérisées principalement par la longueur d'onde de la lumière qu'elles émettent (c'est-à-dire sa couleur) et par leur luminosité. Il existe des LED rouges, jaunes, orangées, vertes, bleues, violettes, blanches, mais aussi infrarouge et ultraviolet.
On trouve également des associations de 3 LED rouge, verte et bleue dites RGB qui permettent d'obtenir n'importe quelle nuance en combinant ces 3 couleurs de base. Les LED RGB sont tellement souvent utilisées avec des micro-contrôleurs qu'il en existe des spécialement conçues pour s'interfacer avec eux, comme par exemple la WS2812B.
Voici les représentations schématiques des types de diodes que nous
avons évoqués :
D1 est le symbole générique d'une diode, D2 celui d'une diode Schottky et D3 celui d'une LED. Le courant passe dans le sens indiqué par la flèche. La connexion à la partie triangulaire est appelée anode et l'autre connexion cathode.
les diodes actuelles sont composées d'une jonction PN. Il n'est pas utile dans notre contexte de rentrer dans les détails, il vous suffit de retenir que la partie triangulaire du symbole de la diode représente la partie P de la jonction. Ceci vous aidera à mémoriser les symboles des transistors lorsque nous les aborderons.
Les transistors bipolaires (ou BJT)
Un transistor bipolaire est un tripôle, donc un composant à 3 pattes nommées base (B, base aussi en anglais), émetteur (E, emitter en anglais) et collecteur (C, collector en anglais).
Il fonctionne comme un amplificateur de courant le courant qui circule entre le collecteur et l'émetteur est un multiple du courant qui circule entre la base et l'émetteur. Le rapport entre le courant de collecteur (IC) et le courant de base (IB) s'appelle "gain en courant", représenté par la lettre grecque minuscule β (bêta), et est une caractéristique importante du transistor.
Du fait de cette propriété, quand IB est nul, IC l'est aussi, c'est-à-dire qu'aucun courant ne passe. On dit que le transistor est à l'état bloqué. Quand IB est suffisamment grand, le transistor laisse largement passer le courant par son collecteur et la tension entre le collecteur et l'émetteur est très faible. On dit que le transistor est à l'état saturé.
En faisant passer IB de l'une de ces valeurs à l'autre, on peut donc faire fonctionner le transistor comme un interrupteur présentant l'avantage (du fait du gain en courant) de permettre de commander de gros consommateurs de courant (ex. un moteur électrique) à partir d'un courant très faible. Ce mode de fonctionnement est très largement utilisé dans les systèmes à base de micro-contrôleurs.
Il existe 2 types de transistors bipolaires, NPN et PNP, qui diffèrent par leur polarité. Pour qu'un transistor NPN soit saturé, il faut que IB soit positif, c'est-à-dire circule de la base vers l'émetteur ; IC est alors également positif, c'est-à-dire qu'il circule du collecteur vers l'émetteur. Pour un transistor PNP, c'est le contraire : pour le saturer, IB doit être négatif, c'est-à-dire circuler de l'émetteur vers la base ; IC est alors également négatif, circulant de l'émetteur vers le collecteur.
Il existe de nombreux modèles de transistors selon leurs cas d'utilisation. Dans mes cours, j'utiliserai surtout 2 références, les S8050 (NPN) et S8550 (PNP) qui se présentent ainsi : SMD et through-hole. En voici d'autres capables de commander des puissances plus grandes : 1, 2.
Voici les représentations schématiques des transistors bipolaires :
Q1 est un transistor NPN et Q2 un PNP. Dans les 2 cas, la connexion numérotée 1 est l'émetteur, la 2 est la base et la 3 le collecteur.
Comme avec les diodes, la flèche figurant sur l'émetteur indique le sens de la jonction. Sur Q1, la flèche va vers l'extérieur, donc l'émetteur est une zone de type N, comme le collecteur, et la base est de type P, ce qui correspond bien à un type NPN. Sur Q2, la flèche va vers l'intérieur, donc l'émetteur est une zone de type P, comme le collecteur, et la base est de type N, ce qui correspond bien à un type PNP.
Les transistors MOSFET
Un transistor MOSFET est un tripôle, dont les 3 pattes sont nommées grille (G, gate en anglais), source (S, idem en anglais) et drain (D, idem en anglais).
Le MOSFET ressemble beaucoup au BJT, sauf que c'est la tension appliquée entre grille et source (VGS) qui fait varier le courant circulant entre le drain et la source (ID). Le courant circulant entre grille et source est quasiment nul.
Lorsque VGS est nul, ID est également nul et le MOSFET est bloqué. Lorsque VGS dépasse une certaine valeur, la tension entre le drain et la source est très faible et le MOSFET est saturé.
En faisant passer VGS de l'une de ces valeurs à l'autre, on peut donc faire fonctionner le MOSFET comme un interrupteur, d'une manière comparable au BJT.
Comme les BJT, les MOSFET existent en 2 versions selon le type de zone formant son canal (c'est-à-dire l'espace entre drain et source) : canal N et canal P.
Comme pour les BJT, il y a de nombreux modèles de MOSFET. Nous n'en citerons que 3 d'usage courant, le AO3400 (canal N), le AO3401 (canal P) et le 2N7000 (canal N) qui se présentent ainsi : SMD et through-hole.
Voici les représentations schématiques des transistors MOSFET :
Q3 est un MOSFET canal N et Q4 un canal P. Dans les 2 cas, la connexion numérotée 1 est la grille, la 2 est la source et la 3 le drain. On remarquera la présence d'une diode entre drain et source ; elle ne fait pas partie du transistor en lui-même, mais elle lui est adjointe pour le protéger.
Comme avec les diodes, la flèche noire située à droite de la grille représente une zone P. Si la flèche est tournée vers la grille, c'est qu'on a affaire à un canal de type N. Si elle part de la grille, c'est un canal P.
Les circuits intégrés (MCU inclus)
Quand un cuisinier prépare un plat, il utilise des fonctions prêtes à l'emploi dans son processus de production : casseroles, tamis, hachoirs, etc. Il ne lui viendrait pas à l'idée de fondre de l'acier inoxydable pour fabriquer lui-même ses casseroles.
C'est la même chose en électronique, on construit son processus de traitement de l'information en assemblant des fonctions toutes prêtes - ex. amplificateur, driver de moteur, fonctions logiques, etc. Ces blocs fonctionnels prêts à l'emploi sont proposés à l'électronicien sous plusieurs formes dont l'une est appelée circuit intégré, qui est littéralement une boîte noire dont l'utilisateur ne voit que les connexions extérieures. Ainsi, le concepteur peut se consacrer pleinement au problème qu'il veut résoudre plutôt que de réinventer une nème fois la roue.
Avec le développement de l'électronique digitale, les fonctions prêtes à l'emploi sont devenues de plus en plus élaborées, aboutissant entre autres aux micro-contrôleurs, qui sont équivalents voire plus sophistiqués que les ordinateurs personnels des années 80.
En voici quelques exemples tirés de la famille à laquelle appartient celui que nous allons utiliser : CH32V003J4M6, CH32V305FBP6, CH32V203C8T6.
Il existe différent symboles pour les circuits intégrés selon leur
fonction. La représentation générique consiste en un rectangle d'où
partent des connexions. Voici à titre d'exemple le symbole du CH32V003J4M6 :
Les dispositifs de protection
Lorsqu'un système est intégré dans son environnement se pose la question de la gestion des incidents. Nous verrons ici 2 mécanismes de protection, les fusibles pour protéger l'extérieur d'une défaillance du système (court-circuit), et les TVS pour protéger le système d'une surtension extérieure.
Il y a plusieurs types de fusibles mais on peut les regrouper en 2 grandes familles, les fusibles à usage unique (à remplacer lorsqu'ils ont joué leur rôle) et les fusibles "réarmables" appelés resettable fuses ou polyfuses en anglais.
Voici un exemple de fusible d'usage courant en cartouche 5x20 et 2 exemples de polyfuses, l'un en SMD, l'autre en through-hole.
Les TVS sont des diodes spéciales qui limitent la tension à leurs bornes lorsqu'elle dépasse un certain seuil. Placés sur les entrées d'un micro-contrôleur, elles permettent de les protéger contre des surtensions accidentelles. Vous trouverez des exemples de TVS dans cette rubrique.
Voici leurs symboles :
F1 est un fusible ordinaire, F2 un polyfuse, D1 un TVS unidirectionnel (donc polarisé) et D2 un TVS bidirectionnel (non polarisé).
Les commutateurs
Le mot commutateur désigne un ensemble très vaste de dispositifs électro-mécaniques permettant de changer le trajet d'un circuit électrique. En anglais comme en français, on préfère toujours utiliser des termes plus précis comme push button, slide switch ou rotary encoder.
Les plus connus sont les interrupteurs - ceux que vous avez dans votre appartement ou leurs cousins plus discrets qu'on trouve sur les appareils électroniques. Une variante courante de l'interrupteur est l'inverseur, qui permet de choisir d'établir un circuit parmi deux possibilités. On trouve également des commutateurs rotatifs qui accroissent encore les possibilités offertes par les interrupteurs. Un autre type de commutateur que nous rencontrerons fréquemment est le bouton poussoir.
Voici quelques exemples : poussoir, inverseur à glissière, inverseur à levier, interrupteur à bascule.
Une autre famille de commutateurs à mentionner est celle des encodeurs rotatifs. Il en existe 2 sous-familles, ceux qui produisent des impulsions en quadrature lorsqu'on les tourne (rotary encoder en anglais) et ceux qui produisent un code binaire reflétant leur position (rotary coded switch en anglais).
Notez que le terme rotary encoder désigne aussi un capteur de position angulaire incrémental utilisé conjointement avec des moteurs. En anglais, 2 autres termes sont utilisés de préférence pour désigner ce capteur, quadrature encoder et incremental encoder. En français, on préfèrera parler de codeur incrémental pour ce capteur.
Je vous invite à prendre le temps d'explorer cette rubrique pour vous faire une idée de tout ce qui existe.
Nous ne verrons que quelques symboles, vous trouverez les autres
dans les data sheets des exemples que vous visualiserez :
SW1 est un bouton poussoir, SW2 un interrupteur, SW3 un inverseur, et SW4 un encodeur rotatif muni d'un bouton poussoir.
Les connecteurs
Les connecteurs sont des dispositifs mécaniques qui permettent de relier électriquement deux sous-systèmes. Le terme anglais est connector.
Vous devrez en souder dès réception de votre carte de développement : deux rangées de pin headers sur lesquelles vous viendrez brancher les jumpers (munis d'un connecteur femelle) qui la relieront aux modules que vous voulez lui associer.
Un autre exemple de connecteur est celui qui vous permet de brancher un kit piéton sur un téléphone. Vous avez là en réalité 2 connecteurs : un connecteur femelle sur le téléphone et un connecteur mâle au bout du câble du kit piéton.
Même chose concernant les périphériques USB : vous avez un connecteur femelle côté PC et un connecteur mâle sur la clé USB ou sur le câble.
Il existe une très grande variété de connecteurs. Je vous invite à prendre le temps d'explorer cette rubrique pour vous faire une idée de tout ce qui se fait.
Les capteurs
Un capteur est un dispositif permettant d'obtenir des informations sur l'environnement dans lequel se trouve le système électronique. Le terme anglais est sensor.
Nous avons déjà vu quelques capteurs, même s'ils n'ont pas été présentés comme tels sur le moment : la photorésistance et les commutateurs, dont les microswitches.
Il existe autant de capteurs que de grandeurs et d'événements physiques à observer, donc il est impossible d'être exhaustif. Je vous invite à prendre le temps d'explorer cette rubrique pour vous faire une idée d'une partie de ce qui se fait.
Les actionneurs
Les actionneurs sont des dispositifs qui permettent d'agir physiquement sur l'environnement du système électronique. Le terme anglais est actuator.
Il en existe une grande variété et nous nous contenterons de citer ceux qui seront le plus facilement utilisables dans nos expérimentations :
Les relais sont des dispositifs électromécaniques qui permettent de commander un appareil électrique de grande puissance en l'isolant galvaniquement de la partie électronique.
Fonctionnant exactement sur le même principe que le relais, citons les électrovannes et les électro-aimants
Les moteurs à courant continu, y compris les pompes.
Les servos, dont la position angulaire est asservie au rapport cyclique du signal de commande, et qui sont très utilisés en radio-modélisme et en robotique.
Les moteurs pas-à-pas (stepper motors), très utilisés dans les équipements industriels, mais aussi les appareils photo numériques, les disques durs et les lecteurs de CD/DVD.
Voici quelques exemples de symboles :
M1 est un moteur à courant continu, M2 un servo, M3 un moteur pas-à-pas unipolaire et K1 un relais.
Piles et batteries
Le terme de pile désigne en français une source d'énergie électrique à usage unique. Lorsqu'elle est usée, on la recycle, c'est tout. Les piles dites rechargeables sont des accumulateurs. Le mot batterie désigne un assemblage de plusieurs éléments de piles ou accumulateurs. En anglais, le mot "battery" est générique, on l'utilise indifféremment pour parler d'une pile, d'un accumulateur ou d'une batterie de l'un ou l'autre. Pour parler d'un élément, on utilise le mot "cell". Une pile bouton est appelée "coin cell". Les boîtiers dans lesquels on peut installer une ou plusieurs piles sont appelés "battery holder".
Il existe 2 symboles selon que la pile est composée d'un seul élément
(BT1), ou de plusieurs éléments (BT2) :
Lire un schéma
Nous utiliserons le schéma de la carte d'évaluation "officielle" de WCH pour le CH32V003F4P6 afin d'illustrer la manière de lire un schéma électronique. Ce schéma se trouve dans l'archive CH32V003EVT.zip, il s'agit de son fichier EVT/PUB/CH32V00xSCH.pdf. Le voici converti en JPEG ci-dessous par commodité (cliquez pour la voir en plus grand dans un nouvel onglet) :
les symboles ressemblant à des ressorts représentent des résistances - le schéma de WCH utilise les symboles américains, alors que je vous ai indiqué les symboles européens. En dehors de ça, vous ne serez pas perdus.
La première chose qu'on remarque, c'est que le schéma est éclaté en plusieurs parties selon leur fonction. Il y en a une pour l'alimentation électrique (POWER), une pour le micro-contrôleur (MCU), une pour les LED, une pour le connecteur USB, une pour les pin headers (PIN), une pour le bouton de remise à zéro (RST = reset) et une pour les amplificateurs opérationnels (OPA).
Les lignes continues bleues représentent les connexions entre les composants. Les points situés à l'intersection entre 2 lignes bleues indiquent qu'elles sont reliées entre elles. Si 2 lignes se croisent sans qu'il y ait de point à leur intersection, elles sont électriquement distinctes (non connectées).
Les textes placés contre les lignes bleues sont des étiquettes (label, en anglais). Toutes les lignes portant la même étiquette sont reliées entre elles. Par exemple, on retrouve l'étiquette VCC rouge de la partie POWER dans la partie MCU, dans la partie LED et dans la partie PIN. Cette convention permet d'alléger le schéma et donc d'en faciliter la lecture.
Les composants sont associés à plusieurs textes. Dans tous les cas, ils ont un repère unique (ex. U1, LED2, R3, P4). Dans la quasi-totalité des cas, ils ont aussi une valeur ou une référence (ex. 1K, 2.2uF, CH32V003F4P6). Enfin, certains composants ont des numéros de broches (ex. 1 et 3 sur Y1), qui se rapportent à la position de la broche sur le boitier, et des noms de broches (ex. Vin, Vout et GND pour U1) qui en rappellent la ou les fonctions.
Les composants dont la valeur comporte la mention NC (Not Connected) ne sont pas installés lors de la fabrication, mais le circuit imprimé prévoit un emplacement pour pouvoir les ajouter par la suite si besoin.
Lorsque R10 (marquée NC) n'est pas installée, le courant passe par le circuit intégré U1, qui est un régulateur de tension, c'est-à-dire un dispositif permettant d'avoir une tension constante de valeur bien définie sur sa sortie. En anglais, vous rencontrerez le terme LDO (Low Drop Out voltage regulator). Il se trouve que le 6219P33M est prévu pour fournir une tension de sortie de 3.3V, donc par défaut, le micro-contrôleur est alimenté avec une tension de 3.3V.
La résistance R10 est non seulement NC, mais elle a une valeur de 0R, c'est-à-dire 0 Ohm, donc un court-circuit. Cela signifie que si on veut alimenter le micro-contrôleur en 5V via la prise USB (suivre l'étiquette +5V pour faire le lien), on peut souder un bout de fil ou une résistance de 0 Ohm à l'emplacement prévu (du fait du NC) pour court-circuiter U1, qu'on peut alors dessouder.
Dans la partie MCU, on voit qu'on a par défaut un quartz et 2 condensateurs d'installés et de reliés à XI et XO sur le micro-contrôleur, mais on voit aussi 2 résistances (R4 et R5) de 0R marquées NC, donc non installées par défaut. Cela signifie que lorsqu'on reçoit le circuit imprimé terminé, celui-ci est prévu pour que le micro-contrôleur fonctionne avec un quartz et que par conséquent, les ports PA1 et PA2 ne sont pas disponibles.
Si pour une application particulière on a besoin de PA1 et PA2, on peut dessouder Y1, C7 et C8, puis souder 2 court-circuits aux emplacements réservés pour R4 et R5. Le micro-contrôleur fonctionnera alors avec son oscillateur RC interne au lieu du quartz et PA1 et PA2 seront disponibles sur le pin header P1.
On notera encore que le port PD7 n'est pas non plus disponible sur ce système. En suivant l'étiquette NRST, on voit que cette broche est reliée à S1 et C11. Si on veut pouvoir utiliser PD7, il faudra donc dessouder C11 (et ne pas appuyer sur S1, ou le dessouder aussi).
Enfin, on voit que les LED LED1 et LED2 sont reliées d'un côté à VCC et de l'autre au pin header P4 via une résistance de 1kΩ. Si vous ne faites rien de spécial, elles resteront donc éteintes puisqu'elles sont en circuit ouvert. Pour vous en servir, vous devrez utiliser un "jumper wire" (voir Breadboarding) afin de relier la patte de P4 correspondant à la LED de votre choix à un des ports du micro-contrôleur exposés sur les pin headers P1 et P2 (ou à la masse pour faire un test rapide).
Créer vos schémas
Pour créer vos propres schémas, et même les circuits imprimés correspondants, vous pouvez utiliser le logiciel open source (et donc gratuit) KiCad. Ce logiciel est utilisé par beaucoup de professionnels et, à moins de concevoir des circuits imprimés hautement complexes (ex. carte mère de serveur), vous n'aurez jamais besoin d'un logiciel payant.
Qui dit logiciel riche et puissant dit beaucoup de choses à apprendre. Prenez votre temps, suivez des tutoriels, et commencez par quelque chose de simple.
Vous pouvez par exemple commencer par faire le schéma d'une carte de développement à base de CH32V003 en vous inspirant du schéma précédent et en enlevant toutes les options qui ne vous intéressent pas (ex. supprimer le quartz et le circuit de reset pour pouvoir utiliser PA1, PA2 et PD7).
Ensuite, à partir de ce schéma, vous pourrez sélectionner les boîtiers des composants (outlines) et générer le circuit imprimé correspondant (placement des composants sur le circuit et routage des pistes). Enfin, vous pourrez générer les fichiers nécessaires à la fabrication et les envoyer à JLCPCB pour recevoir votre carte de développement 100% personnalisée !
Même si vous ne faites pas fabriquer de circuit imprimé, vous devriez toujours faire un schéma pour vos projets personnels et le conserver avec les sources du firmware. Il est en effet impossible d'écrire le code sans avoir le schéma et tout aussi impossible de comprendre un code qu'on n'a pas écrit (ou qu'on a écrit il y a un moment) sans le schéma correspondant.