Comprendre le fonctionnement des enseignes et des afficheurs à LED, depuis les petites enseignes à motifs fixes jusqu'aux écrans géants à LED. Apprendre à les fabriquer et à les programmer les microcontrôleurs qui les pilotent. Ce cours va vous permettre de comprendre comment fonctionnent les enseignes et les afficheurs à LED, depuis les montages les plus simples jusqu’aux des matrices de LED multicolores. Les concepts électroniques nécessaire vous seront donnés, ainsi qu’une introduction aux microcontrôleurs, tant du point de vue matériel que pour la programmation en C. Chaque semaine, il vous sera possible de programmer des enseignes et afficheurs à distance et voir le résultat par vidéo. Vous serez encouragés à fabriquer vos propres enseignes et afficheurs. Des techniques de réalisation de complexitié progressive vous seront proposées.
1.2 Circuits électriques
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Do curso por École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Enseignes et afficheurs à LED
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SEMAINE 1
Introduction aux enseignes et afficheurs à LED. Circuits électriques. Nombres et champs de bits. Circuits logiques combinatoires. Synthèse de circuits combinatoires. Le microcontrôleur.
Conheça os instrutores
Pierre-Yves RochatChargé de cours
EPFL, Génie mécanique
Mamadou Lamine NDIAYEMaitre de conférences
ESP-UCAD, Génie électrique
Alain Bertin TIEDEUProfesseur
ENSPY, Département des Mathématiques et Sciences Physiques
Yves TiecouraEnseignant-chercheur
INP-HB, Génie électrique et électronique
[AUDIO_VIDE]
Bonjour.
Nous commençons ce MOOC sur les enseignes et afficheurs à LED
par un rappel sur les circuits électriques.
Il sera peut-être inutile pour un certain nombre d'entre vous,
mais je pense que c'est quand même utile de faire ces rappels.
Nous allons parler des électrons libres et du courant électrique,
de la tension, de la résistance et de la loi d'Ohm.
Nous allons parler également de la puissance,
et évoquer les montages en série et en parallèle.
Nous savons tous que la matière est composée d'atomes,
que ces atomes sont composés d'un noyau avec des protons et des neutrons,
et autour d'un certain nombre d'électrons, un nuage d'électrons,
et ces électrons sont disposés en couches successives.
Ce qui est intéressant, c'est que les électrons de la dernière couche sont
parfois capables de se déplacer d'un atome jusqu'à un atome voisin.
C'est la raison pour laquelle on parle d'électrons libres.
Eh bien, lorsque le mouvement de ces électrons libres est ordonné,
on parle de courant électrique.
Les électrons se déplacent du pôle négatif vers le pôle positif,
ce qui est normal puisque les électrons ont une charge négative.
Il faut savoir que ces électrons se déplacent extrêmement lentement,
quelques millimètres par heure.
Par contre, ce qu'on appelle le courant électrique qui a été inventé bien avant
qu'on sache même l'existence des électrons, on va dire qu'il se déplace
conventionnellement du pôle positif au pôle négatif.
Et ce qui est intéressant, c'est que ce courant électrique se propage
extrêmement rapidement, pratiquement à la vitesse de la lumière.
On sait aussi qu'un certain nombre de matériaux qui
permettent ce phénomène sont appelés des conducteurs,
qu'il y a évidemment d'autres matériaux qui sont des isolants.
Les conducteurs sont principalement des métaux dont notablement le cuivre et
l'aluminium qui sont bons conducteurs, tout étant, raisonnablement, bon marché.
En présence de ce qu'on appelle une force électromotrice,
un courant va se produire dans un conducteur.
Cette force électromotrice, on l'appelle aussi la tension électrique.
Alors, prenons un exemple tout simple, une pile.
Aux bornes de cette pile, on aura une force électromotrice, une tension,
le courant va pouvoir circuler ici à travers ces deux composants,
une résistance et une LED, et on va voir une lumière sortir au niveau de la LED.
Les électroniciens ont l'habitude de dessiner des schémas avec des symboles
conventionnels, ici le symbole d'une pile avec le + et le -, ici le symbole d'une
résistance, ici le symbole d'une LED.
Il y a donc équivalence entre ce montage et ce schéma.
On a l'habitude de raisonner sur un schéma
et naturellement de fabriquer des montages.
La tension électrique s'exprime en Volt, noté V.
Ce qu'il faut savoir c'est qu'une tension de plus de 25 volts est dangereuse
pour le corps humain, non pas tellement que la tension soit dangereuse,
mais une tension appliquée sur la peau, de 25 volts, entre deux points du
corps va engendrer un courant, et le courant à l'intérieur des tissus
est extrêmement dangereux, en particulier s'il passe par le cœur, qui peut avoir
un fonctionnement sérieusement perturbé en cas de passage de courant électrique.
Donc on doit toujours être prudent lorsqu'on manipule des tensions de
plus de 25 volts.
On mesure la tension électrique entre deux points avec un voltmètre.
On peut dire que, aux bornes de cette résistance,
il va y avoir une certaine tension qui est mesurée.
Le courant par contre, lui, s'exprime en Ampère, noté A.
Lorsqu'on va concevoir par exemple des enseignes et afficheurs à LED,
il va falloir dans certains cas choisir des diamètres de fil électrique
compatibles avec le courant qui le traverse.
Par exemple, un fil relativement important, déjà, de un millimètre carré de
section ne pourra pas prendre un courant de plus de 16 ampères.
La mesure du courant électrique nécessite forcément la coupure du circuit.
On va couper le circuit en un point et le courant passera à
travers l'ampèremètre qui va mesurer le courant.
On aura plutôt tendance à faire des mesures indirectes en mesurant une
tension.
Et on verra qu'on peut en déduire,,
éventuellement un courant dans certains cas.
Voici un exemple de circuit électrique réalisé avec une source de tension,
par exemple une pile et une résistance.
Alors, on va avoir la tension aux bornes du générateur,
on va avoir un courant qui passe à travers la résistance.
Dans tout le circuit on aura le même courant qui circule, I1 est égal à I2.
On observe que ce courant est d'autant plus grand que la résistance est petite.
C'est ce qu'on appelle la loi d'Ohm, qui dit que, I, le courant résultant noté ici,
est proportionnel à la tension et inversement proportionnel à la résistance.
I égale, U sur R, avec U qui est la tension électrique exprimée en Volt,
I qui est le courant électrique exprimé en Ampère et la résistance R exprimée en Ohm.
Dans ce montage, on a de l'énergie qui est dissipée dans la résistance,
c'est ce qu'on appelle l'effet Joule.
Cette résistance va chauffer,
et la chaleur va sortir de cette résistance lorsque du courant la traverse.
La puissance c'est la quantité d'énergie par unité de temps, avec la formule,
P, puissance, est égal à U, tension fois I, courant.
La puissance qui est donc exprimée en Watt, W.
À noter dans ce schéma qu'on a un rendement de 100 %,
toute l'énergie électrique est dissipée en chaleur dans la résistance.
Dans le cas particulier du montage qu'on a vu tout à l'heure avec une résistance,
une LED, eh bien, ce qu'on souhaite,
c'est qu'une partie de cette énergie soit émise en lumière.
Une LED n'a évidemment pas un rendement de 100 %,
mais elle a un rendement qui est extrêmement élevé, qui s'exprime souvent
en dizaines de pour cent alors qu'une lampe à incandescence
traditionnelle a un rendement beaucoup plus faible, de quelques pour cent.
Dans ce schéma, deux résistances ont été montées en parallèle,
et on voit que, un certain courant va passer dans la première résistance,
un certain courant va passer dans la deuxième résistance.
Ce qu'on sait, c'est que la tension aux bornes de la pile est la même tension
qu'aux bornes de cette résistance, et qu'aux bornes de cette résistance.
Donc, U, la tension aux bornes de la pile, est égale à U1,
la tension aux bornes de la première résistance, est égale à U2, aux bornes de
la deuxième résistance, et on peut appliquer pour les deux cas, la loi d'Ohm.
,On peut donc calculer le courant I1, le courant, I2, de manière indépendante.
Alors maintenant, quel est le courant résultant, I, ici?
Eh bien, on comprend assez facilement que ça va être la somme de ces deux courants.
En effet, on voit mal que du courant puisse sortir au niveau du noeud.
Donc tous les courants qui entrent, ressortent,
c'est ce que dit la loi des noeuds de Kirchhoff.
La somme des intensités des courants qui entrent par un noeud
est égale à la somme des intensités des courants qui sortent du même noeud.
Ou en d'autres termes, la somme algébrique des courants est nulle.
Dans ce montage, on a des résistances,
cette fois montées en série, c'est-à-dire l'une après l'autre.
On comprend bien que, I1 est égal à I2, est égal à I.
C'est le même courant.
Qu'en est-il maintenant des tensions aux bornes de ces résistances?
Eh bien on pourrait les calculer,
si on connaissait, I, mais on ne le connait pas a priori.
On va utiliser la loi des mailles de Kirchhoff.
Dans une maille quelconque d'un réseau,
la somme algébrique des différences de potentiel le long de la maille est nulle.
Cela signifie
que, cinq volts, est égal à, cette tension plus cette tension.
Donc on peut dire qu'avec un montage en série, les tensions vont
s'additionner et par conséquent les résistances vont s'additionner,
la résistance globale sera la somme de ces deux valeurs.
Voilà, nous avons posé quelques bases de l'électricité en parlant du courant,
de la tension, de la résistance ; et en regardant quelques montages,
nous pourrons commencer à faire de petites enseignes à LED.
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