Electronique : La Bascule R/S
Faisant suite à l'article précédent, nous allons aujourd'hui étudier une bascule très simple : la bascule R/S. Historiquement il s'agit de la première bascule électronique.
Une bascule R/S est, en électronique, un moyen simple d'obtenir une mémoire à 1 seul bit. Elle se met à UN grâce à une impulsion sur son entrée S (SET), et se remet à ZÉRO grâce à une impulsion sur son entrée R (RESET).
1. Le schéma de base
On peut fabriquer une bascule R/S à l'aide de deux portes NON-ET (NAND) :
Au repos, les deux entrées R et S sont à UN, les sorties Q1 et Q2 sont dans un état indéterminé.
Il suffit d'un front descendant sur l'entrée S pour que la sortie Q1 passe à ZÉRO. La sortie complémentaire Q2 passe à UN.
Il suffit d'un front descendant sur l'entrée R pour que la sortie Q1 passe à UN. La sortie complémentaire Q2 passe à ZÉRO.
Il existe un cas pour lequel les deux sorties ne sont pas complémentaires : lorsque S et R sont toutes deux à ZERO, les sorties sont à UN. Il s'agit d'un état interdit.
Il suffit d'un front montant sur l'entrée S pour que la sortie Q1 passe à UN. La sortie complémentaire Q2 passe à ZÉRO.
Il suffit d'un front montant sur l'entrée R pour que la sortie Q1 passe à ZÉRO. La sortie complémentaire Q2 passe à UN.
Il existe un cas pour lequel les deux sorties ne sont pas complémentaires : lorsque S et R sont toutes deux à UN, les sorties sont à ZÉRO. Il s'agit d'un état interdit.
2. Application pratique
Voyons maintenant une application pratique : la commande d'une pompe.
Comme dans l'article précédent, imaginons que nous ayons une cuve d'eau à remplir. L'eau provient d'un puits. Un capteur de niveau est présent en haut de la cuve :
Il s'agit d'un capteur à contact sous ampoule (ILS), très fiable. Deux autres capteurs du même type sont montés dans le puits, en haut et en bas :
Afin de ne pas activer la pompe trop souvent, on désire qu'elle soit actionnée uniquement si le puits est plein.
Il y a donc deux conditions d'arrêt de la pompe :
- S1 est fermé : la cuve est pleine
- S3 est fermé : le puits est vide
Voici le schéma retenu :
Nous retrouvons ici une bascule R/S :
- l'entrée 1 de la porte NAND U1A représente l'entrée R
- l'entrée 6 de la porte NAND U1B représente l'entrée S
La porte U1C permet d'interdire le fonctionnement de la pompe si la cuve est pleine. Sur le schéma, son entrée porte un petit nom : ENABLE
La porte U1D permet d'inverser le signal de commande car le IRF520 est un MOSFET canal N, un niveau HAUT permet de le rendre passant. On aurait pu tout aussi bien utiliser un MOSFET canal P à la place du canal N, en obtenant le même fonctionnement, sans inverser le signal.
Le choix du MOSFET canal N n'est pas anodin : ce sont les MOSFETs les plus courants et le choix est immense. De plus le CD 4011 comporte 4 portes, il en reste donc une que l'on peut utiliser pour l'inversion.
Par défaut, si les 3 capteurs sont ouverts, cela veut dire plusieurs choses :
- SW1 ouvert : la cuve n'est pas pleine. La résistance R2 applique un niveau UN sur l'entrée ENABLE, autorisant le fonctionnement de la pompe
- SW2 ouvert : le puits n'est pas plein. La résistance R1 applique un niveau UN sur l'entrée S
- SW3 ouvert : le puits est vide. La résistance R3 applique un niveau ZERO sur l'entrée R, ce qui entraîne une coupure de la pompe
Les conditions de départ sont donc correctes : la pompe est coupée.
On peut remarquer également que l'état interdit ne peut pas exister. Si R et S sont à ZÉRO cela voudrait dire que SW3 est ouvert (le puits est vide) et que SW2 est fermé (le puits est plein), ce qui est impossible.
Voyons le fonctionnement des différents capteurs :
SW1 : s'il est ouvert, un niveau UN est présent sur l'entrée ENABLE, et autorise le fonctionnement de la pompe.
Si la cuve est pleine, SW1 se ferme et un niveau ZÉRO est présent sur l'entrée ENABLE, et interdit le fonctionnement de la pompe.
SW3 : s'il est ouvert (le puits est vide), un niveau ZÉRO est présent sur l'entrée R, et interdit le fonctionnement de la pompe.
Si le puits est en cours de remplissage, SW3 se ferme et un niveau UN est présent sur l'entrée R. Mais un front montant ne fait pas basculer la R/S et ne permet donc pas le fonctionnement de la pompe.
Si le puits est plein, SW2 se ferme et un niveau ZÉRO est présent sur l'entrée S. C'est un front descendant, la R/S bascule et met en marche la pompe.
La pompe va donc fonctionner jusqu'à ce que le puits soit vide, SW3 s'ouvre et l'entrée R passe à ZÉRO. C'est un front descendant, la R/S bascule et arrête la pompe.
Bien entendu, si la cuve est pleine, SW1 se ferme et l'entrée ENABLE passe à ZÉRO, ce qui arrête la pompe. Il suffira donc de vider partiellement la cuve pour que la pompe se remette en route.
L'avantage d'un tel montage est, comme dans l'article précédent, sa simplicité et son faible coût. Ici, une pompe 12V est utilisée. Une diode de roue libre permet d'absorber la surtension générée par le moteur de la pompe lors de la coupure.
Une alimentation 12V complète le tout. Sa puissance dépendra principalement de celle de la pompe.
Si on le désire, on peut très bien remplacer la pompe par un modèle 230V, actionnée par un relais 12V ou 5V (comme dans l'article précédent), suivant ce que l'on peut trouver dans ses fonds de tiroir. Il faudra simplement choisir l'alimentation qui convient. Dans ce cas, un petit modèle de 3W sera amplement suffisant.
3. Téléchargements
Pour télécharger le projet : https://bitbucket.org/henri_bachetti/rainwater-tank.git
Cette page vous donne toutes les informations nécessaires :
https://riton-duino.blogspot.com/p/migration-sous-bitbucket.html
Le projet se trouve dans le sous répertoire pump-control.
4. conclusion
Ce petit exemple peut paraître un peu plus complexe que celui de l'article précédent, car il fait appel à une bascule. Les habitués d'ARDUINO trouveront certainement qu'écrire quelques lignes de code est plus simple. Mais il ne faut pas oublier un détail : un montage en logique câblée permet d'éviter certains désagréments des microcontrôleurs : le plantage, qu'un simple parasite peut parfois provoquer, et dans le cas présent, en cas de plantage, une inondation est à craindre.
Un autre avantage est qu'un montage de ce type peut être facilement alimenté par batterie + panneau solaire, car il ne consomme presque rien, mis à part le faible courant circulant dans les résistances. On peut d'ailleurs changer leurs valeur de 100KΩ par des 1MΩ, ce qui divisera par dix la consommation.
Avec un microcontrôleur, il faudra faire beaucoup plus d'efforts pour arriver au même résultat :
- choisir la bonne carte : ARDUINO PRO MINI par exemple, et la modifier, à moins d'utiliser un ATMEGA328 nu
- utiliser le mode DEEP-SLEEP
- utiliser les interruptions pour le réveil
Certaines personnes seront plus à l'aise avec un ARDUINO, mais ce n'est pas forcément le cas de tout un chacun.
Cordialement
Henri
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