L'INTUITION ET LE BON SENS EN ELECTRONIQUE
L'INTUITION ET LE BON SENS EN ELECTRONIQUE
Ou comment sentir la physique des choses...
Ph Dondon © Copyright 2001
Les élèves, bien souvent, sont gavés depuis la naissance, de connaissances théoriques et scientifiques sans toujours bien comprendre les phénomènes physiques de bases sous jacents.
De plus, certains enseignants se plaisent à assommer les étudiants de formules mathématiques complexes telles, que ceux ci ont du mal à les relier à la réalité des choses. Le passage à la pratique (projet de conception par exemple) est alors une source de difficultés importante.
Ce petit texte sans ambition et écrit, suite à la suggestion d'élèves, a pour but :
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de faire (res)sentir l'électronique au plus grand nombre par quelques considérations de bon sens et analogies simples.
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de répondre à la question "à quoi servent les composants de base résistance, condensateur, inductance, diode et transistor ?"
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d'approcher la théorie de la contre réaction et de l'oscillation par analogie avec la vie quotidienne.
- de donner quelques conseils de cablage...
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Quel rapport y a-t-il entre la plomberie et l'électronique ? A première vue, aucun et pourtant, cela coule de source !: |
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A partir d'analogies simples, vous allez tout comprendre. Vous aurez tout loisir alors de théoriser, modéliser en connaissance de cause. Regardons par exemple les équivalences simples entre les domaines électronique et hydraulique |
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Electronique
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Hydraulique
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Tension
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Pression
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Courant
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Débit
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Résistance
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Obstacle à l'écoulement
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Inductance
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Bassin de rétention
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Condensateur
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Réservoir avec un fond en membrane
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Diode
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Clapet anti retour
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Transistor
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Vanne commandée
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Une résistance est un composant semblable à un rocher dans une rivière : c'est un obstacle au passage du courant. Elle fait chuter la tension comme le rocher fait chuter la pression ou la force de l'eau en aval. De plus, Une partie de l'énergie de l'eau est consommée pour user et détruire le rocher. Dans une résistance, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. Si, le rocher (la résistance) est trop gros(se), l'eau (le courant) cherchera un autre passsage plus facile en parallèle : En présence de branches parallèles, le courant passe toujours majoritairement par la branche la moins résistive... Au passage un petit rappel code des couleurs... |
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C comme Seau, Citerne, Cumulus, Condensateur |
Un condensateur est un composant capable de stocker de l'énergie sous forme de charge électrique. Un réservoir ou chateau d'eau est une bonne image de ce phénomène : Plus le réservoir est grand (plus la valeur du condensateur est grande), plus l'énergie stockable est importante. De plus, même si on coupe l'alimentation en amont, le réservoir (le condensateur) pourra se substituer à la source et fournir en eau le village (en courant le montage) tant que la pression dans le réservoir (la tension à ses bornes ) sera suffisante. Enfin, le chateau d'eau (le condensateur) constitue une isolation entre la source et l'utilisateur : les pressions (les tensions continues) en amont et en aval peuvent être différentes mais les variations sont transmises. Enfin, n'oubliez jamais qu'un condensateur est comme une (bonne) bouteille : Quand on croit l'avoir vidée (déchargé), il reste toujours toujours quelques gouttes au fond. |
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Pour terminer, pensez que, même si un village possède un château d'eau, un cumulus dans chaque habitation ou appartement est indispensable. (cela évite de subir des baisses de pression lorsque le voisin tire de l'eau chez lui !) En traduisant : il faut un "gros condensateur" de découplage sur l'alimentation à l'entrée d'une carte et un condensateur de proximité placé juste à côté de chaque boitier monté sur la carte. Cela évite les baisses de tension momentanées sur un boitier et donc les mauvais fonctionnements d'un ou plusieurs circuits sur la carte... |
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Une inductance est un composant capable de stoker de l'énergie grâce à un courant qui la traverse. Un bassin de rétention ou un lac alimenté par une rivière est l'image parfaite de ce phénomène. De plus, même si on coupe l'alimentation en amont, le flux continue de s'écouler en aval jusqu'à vidange complète du bassin : le courant dans une inductance ne peut pas s'annuler instantanément... Les deux composants condensateur et inductance apportent l'un et l'autre une "inertie" : Il peuvent donc "lisser" ( le débit) et donc filtrer un signal. (Plus de détails sérieux sur le filtrage)
Une diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un sens à l'image d'un clapet anti retour monté sur un réseau d'assainissement qui laisse passer l'eau claire mais empêche le retour des eaux usées. (Plus de détails sérieux sur la diode) |
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 transistor élémentaire |
Un transistor n'est autre qu'une vanne dont on contrôle le débit en ouvrant plus ou moins le robinet...Trois états sont possibles : Robinet fermé : il ne passe aucun flux (courant), on dit que le transistor est bloqué Robinet moyennement ouvert : le débit est proportionnel à l'angle d'ouverture de la vanne. Le transistor est dans sa zone linéaire. Robinet totalement ouvert : Le débit est maximum et ne peut plus augmenter quelque soit l'action sur le robinet. Le transistor est saturé. Plus de détails techniques sérieux sur les transistors, cliquer ici. |
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Plus grande sera la manette, plus faible sera le couple (la force) à exercer pour ouvrir la vanne : Plus grand sera le Beta (gain en courant du transistor), plus petit sera le courant de commande à fournir sur la base. Un transistor peut donc servir d'interrupteur et/ou d'amplificateur suivant sa zone d'utilisation. limpide non ? (normal pour de l'eau !) |
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cellule élémentaire |
Voici une illustration de ce que l'on vient de voir plus haut avec l'exemple d'une ligne à retard analogique (utilisé par exemple dans les effets écho ou réverb en musique)
Une ligne à retard comporte n cellules élémentaire en série : Une vanne (k) ( un transistor) permet de transférer le contenu du seau (k-1) (un condensateur) dans de seau (k). Le temps de retard complet est égal à n fois celui généré dans la cellule élémentaire k. Il dépend de la contenance du seau ( du condensateur) du nombre de cellules et de la fréquence de transfert régit par la vanne ( par l'horloge du système). C'est clair comme de l'eau de roche (normal pour de l'eau !) |
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| Autre exemple bien connu : le réseau R,L,C parallèle. Supposons un des deux réservoirs L ou C plein et l'autre vide. A la manière des vases communiquants sous vide, le liquide passe alternativement d'un réservoir à l'autre. S'il n'y pas d'obstacle dans le tuyau de liaison, le mouvement du liquide continuera indéfiniment.(on a fabriqué un oscillateur ) Sinon l'échange s'arrêtera au bout d'un certain temps (débit ou courant nul) car à chaque passage de fluide une partie de l'énergie sera perdue sur l'obstacle d'où des oscillations amorties. | ||
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Voici enfin une analogie pour le Transformateur encore avec la plomberie mais élargie aux phénomènes naturels. (L'eau se trouvant dans la nature sous trois formes possibles) : La neige tombe en montagne avec une faible pression (flocons légers) et un grand débit (flocons denses). Elle s'entasse sur les glaciers qui excercent une forte pression mais délivrent un mince filet d'eau (faible débit). Petite pression (tension) et grand débit (grand courant) en entrée ; Grande pression (tension) et faible débit (courant) en sortie : c'est un exemple de transformateur élévateur. attention : "rien ne se perd, rien ne se créer, tout se transforme" : le produit Pression.débit (U.I) homogène à une puissance, reste constant si le système est sans perte...(rendement en puissance <1 !!!) |
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Une dernière mise au point concenant les lampes. (Pas d'analogie hydraulique). Une lampe est constituée d'un filament (tungstène), d'une ampoule et d'un culot. A froid, la résistance du filament est très faible. A chaud, elle augmente.(La résistance d'un métal augmente sous l'effet de la chaleur car l'agitation des électrons croit et il s'en suit des "bousculades" peu favorables au passage du courant). A la mise sous tension, il apparait donc un pic de courant. C'est pour cela que les lampes rendent généralement l'âme au moment de l'allumage. Pour ménager la durée de vie des lampes, on peut par exemple ajouter en série, une petite inductance... |
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Plus de détails sérieux sur les composants (identification, code couleur, boitiers etc)
Et les portes logiques ?
En discret ou en FPGA, ce ne sont que des associations de vannes ouvertes ou fermées... Il faut juste faire attention au diamètre pour les raccorder entre elles ! le débit de la précédente (le courant de sortie) doit être suffisant pour actionner la vanne (porte) suivante. (notion de "Fan out" statique et dynamique).
Et les ampli opérationnels ?
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Comment identifier les entrées + et - sur un schéma d' AOP ?
C'est simple : il suffit de suivre le cheminement du signal entre l'entrée concernée et la sortie et de se rappeler les bases suivantes :
Quand on rentre sur la base d'un transistor :
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- Si le signal augmente sur la base, il augmente sur l'émetteur (en phase) et diminue sur le collecteur (en opposition)
Quand on rentre sur l'émetteur d'un transistor :
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- Si le signal augmente sur l'émetteur, il augmente sur le collecteur (en phase)...
Si la sortie est en phase avec l'entrée choisie pour l'analyse, vous avez identifié l'entrée +.....gagné !
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Qu'est ce qu'un asservissement ?
Prenons un exemple simple de la vie courante : vous souhaitez poser une casserole sur une plaque chauffante. Vous disposez pour cela d'un organe de décision (le cerveau), d'un actionneur (le bras), d'un capteur d'information (l'oeil).
| Votre cerveau donne l'ordre de déplacement de la casserole. Votre bras agit pour déplacer celle-ci et votre oeil contrôle en permance l'écart entre la position finale (la plaque chauffante) et la position actuelle de la casserole. Lorsque cet écart devient nul (casserole correctement positionnée à "sa valeur de consigne"), votre cerveau décide d'arrêter le mouvement de votre bras... Vous avez agit (sans le savoir) comme un système asservi. |
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asservissement |
D'où le schéma classique d'un asservissement ci contre. Dans le cas précédent, E représente la position finale ou valeur de consigne , e l'écart ou l'erreur mesurée par l'oeil, A l'actionneur " bras",S la position instantanée de la casserole (sortie) et B la fonction de transfert du capteur "oeil", R l'information de retour vers le cerveau et X l'organe de comparaison (votre cerveau)... |
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Remarque :
L'organe de comparaison est généralement affecté d'un signe + sur l'entrée E et d'un signe - sur l'entrée R. En effet, effectuer la comparaison de ces deux informations revient à mesurer l'écart donc a faire la différence algébrique des deux : ainsi e = E-R.
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Quel est l'intérêt d'un asservissement ?
Reprenons notre exemple et supposons qu'un petit malin vous mette un bandeau sur les yeux ; le retour d'information est alors supprimé : on dit que vous travaillez "en boucle ouverte". La vitesse d'exécution et la précision de votre mouvement risque d'être fortement dégradés (et la casserole se retrouver par terre)... Otez le bandeau et ouvrez à nouveau les yeux : Que votre bras soit "petit et faible" ou "gros et costaud", la casserole arrivera sur la plaque chauffante grâce à l'action de surveillance constante exercée par l'oeil (si celui-ci est fiable naturellement). Enfin, supposez que votre bras rencontre par malheur un obstacle sur son trajet. Toujours grâce à la chaine de retour (l'oeil) vous allez corriger la trajectoire. En boucle ouverte, l'obstacle aurait eu un impact supérieur (arrêt du mouvement ou renversement de la casserole par exemple).
En résumé : l'asservissement rend le système (quasiment) insensible aux performances de la chaine directe (l'actionneur bras dans l'exemple), minimise l'effet de facteurs extérieurs (perturbations, parasites, etc), améliore la précision et la fiabilité du sytème. Dans l'idéal, la qualité de l'asservissement ne dépend que de celle de la chaine retour.
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Deux types d'asservissement
Commande bang bang (ou tout out rien) : (A éviter en électronique) c'est le cas d'un chauffage individuel au gaz. Si la température est inférieure à la consigne fixée par l'utilisateur, la chaudière chauffe... Si la température dépasse la valeur de consigne, la chaudière est arrêtée. L'inconvénient est que la température de la pièce peut évoluer entre deux seuils bas et haut assez écartés.
Commande proportionnelle : c'est le cas de plaques chauffantes électriques, elles peuvent chauffer de 0 au maximum de façon continue. Le contrôle est plus souple et doux que dans le cas précédent.
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Pourquoi e ne peut pas être rigoureusement nul ?
Parce que si e était nul, il n'y aurait pas de commande appliquée à l'actionneur, donc pas d'action possible ! Cependant plus e tend vers zéro, plus l'asservissement est précis d'un point de vue statique (valeur de retour très proche et pratiquement égale à la valeur de consigne). Pour cette raison, on essaye toujours d'avoir le plus grand gain de boucle statique.
Et la stabilité? ou les conditions de barkausen à la sauce Ph.D
Tout d'abord il faut se souvenir que la loi de Murphy sévit partout en électronique, en particulier à propos de la stabilité des montages.
rappelez vous : Un montage réputé stable oscillera une fois cablé... Un oscillateur s'évertuera à ne pas démarrer. S'il démarre -dans le meilleur des cas- il oscillera à côté de la fréquence prévue !
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Quand doit on s'intéresser et analyser la stabilité d'un système ?
A chaque fois qu'on localise une boucle de retour entre la sortie et l'entrée. (ex moteur asservi en vitesse, turbo dans un véhicule, AOP monté en inverseur etc). Attention aux boucles cachées, celles qui ne sont pas sur le schéma : par exemple couplage thermique, optique, électromagnétique etc.
- Pourquoi doit on s'intéresser à la stabilité d'un système ?
En reprenant l'exemple de la casserole sur la plaque chauffante. Imaginez que (pour une raison ou une autre... alcool, sortie nocturne, fatigue...), votre bras se mette à trembler... Il y a peu de chance pour la position finale soit atteinte sans casse... Il faut alors prévoir dans le système bouclé, un correcteur visant à supprimer les risques d'instabilité. Dans l'exemple, cela peut être "souffler dans le ballon" avant de déplacer la casserole ou bien placer un raidisseur sous le bras porteur ou un filtre (passe bas) pour réduire les tremblements...
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Prenons l'exemple plus sérieux du turbo dans une voiture. Le principe est simple : on prélève sur la sortie gaz d'échappement, une partie de l'énergie qui est renvoyée à l'entrée du moteur. attention, pour augmenter momentanément la puissance disponible, cette énergie est ajoutée (cas particulier du signe + sur le comparateur,au lieu du signe - ) à la valeur de consigne donnée par le pied sur l'accélérateur. Le véhicule accélère donc brutalement. La vitesse des gaz d'échappement augmente, l'énergie ramenée à l'entrée augmente donc la vitesse du véhicule augmente etc etc..... C'est comme cela que certains ont fini dans les platanes lors des premiers essais de turbo sur les voitures... D'ou la notion importante de divergence ou d'instabilité d'un système... |
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Que sont les conditions de Barkausen ?
Les conditions limites qui font passer d'un système stable à un système instable. Bon d'accord, mais en pratique comment interpréter ces fameuses conditions mathématiques :
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la balançoire |
(A: gain complexe chaine directe) x (B : gain chaine de retour) =1 ? Prenons l'exemple simple de la balançoire ci contre : pour entretenir l'oscillation il faut deux conditions réunis simultanément : 1) Donner l'impulsion exactement en phase avec le mobile c'est à dire au sommet de la trajectoire. D'où la condition sur la phase du produit A.B. Celui ci doit être réel. Sa phase est alors de 0° ou 360°. Si l'on pousse avant ou après le bon moment , le geste est inefficace et le mobile s'arrêtera. 2) Apporter à chaque poussée, le complément d'énergie correspondant aux pertes par frottement qui ralentissent le mobile. Si l'on pousse au bon moment en apportant trop peu d'énergie, le mobile s'arrêtera (retour du sytème à une position stable) . Si l'on en apporte de trop, la balançoire (et l'enfant) feront le grand soleil comme autour d'une barre fixe (système divergent instable)...On doit donc avoir exactement : énergie du mobile + énergie apportée= constante =100%=1 d'où la condition sur le gain de boucle : |A.B| = 1 La réalisation de ces deux conditions assure l'oscillation du mobile à une fréquence parfaitement définie et unique (pour un environnement donné). |
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Pourquoi parle- t-on de marge de gain et de phase par rapport au point 1[-180° (et non 0° ou 360° comme indiqué plus haut) lorsqu'on étudie la stabilité du montage ?
Parce que tout est question de convention et de représentation. Il suffit de réfléchir à la représentation classique d'un système contréactionné (cf schéma bloc ci-avant) :
Dans le premier cas, on s'intéresse à A.B donc au point 1[-180°, dans le deuxième, on inclut le comparateur (et son signe -) dans l'analyse de la boucle et on regarde le point 1[360°...Méditez 30 secondes...
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Qu'est ce qu'un oscillateur ?
Un cas particulier de système bouclé instable et sans entrée de consigne
Pour plus de détails techniques sérieux sur les oscillateurs, cliquer ici.
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Oscillateurs sinusoidaux, carré, triangulaire, Et l'on parlait forme d'onde, correspondance temps >fréquence, spectre...
Pour plus de détails sur les aspects temporels et fréquentiels d'un signal (spectre), cliquer ici.
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Comment démarre un oscillateur à la mise sous tension ?
En pratique, pour qu'un oscillateur démarre à la mise sous tension (et pour éviter de rencontrer le bien nommé Murphy), il faut que le gain de boucle soit légérement plus grand que 1. Mettre l'alimentation sur le circuit revient à appliquer un échelon de tension sur un point particulier du montage, en l'occurence les fils d'alimentation. Cet échelon, riche en harmonique, suffit à exciter le circuit sur sa fréquence de résonance et à démarrer les oscillations.
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Pourquoi certains systèmes apparemment stables peuvent osciller dans certaines conditions ?
Prenons l'exemple d'un tristement célèbre pont suspendu. Stable en condition normale d'utilisation (Heureusement), il avait cependant, comme tout système physique, sa propre fréquence de résonance. C'est ainsi que, suite au passage d'une troupe militaire traversant au pas (et excitant ainsi malencontreusement le pont sur sa fréquence), le tablier est entré en oscillation jusqu'à la rupture...
Un exemple de l'électronique : un condensateur a lui aussi sa propre fréquence de résonance. Dans certains cas (alimentation de moniteur TV fatiguée par exemple), on peut l'entendre "chanter" car cette fréquence est dans le domaine audible. attention, c'est peut être le chant du cygne car les vibrations mécaniques générées peuvent entraîner la destruction du composant.... (comme celle du pont ci-dessus)
N'oubliez pas non plus que, plus un corps quelconque est gros, plus sa fréquence de résonance propre est basse. Ce qui explique que lorqu'on on monte en fréquence, on doit utiliser des petits condensateurs pour être sur qu'ils se comportent comme des vrais condensateurs à la fréquence de travail.
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La stabilté des filtres numériques sans les maths ?
(Pour plus de détails sur les problèmes de stabilité des filtres numériques)
attention : la principale difficuté en électronique réside dans le passage 2D à 3D : Ce n'est pas parce que un circuit "semble" fonctionner en simulation (sur écran plat 2D !) qu'il sera opérationnel une fois réalisé en 3D. Une règle d'or : ne jamais prendre pour argent comptant les résultats fournis par un simulateur. Car le simulateur, aussi fin soit il, ne reproduira jamais parfaitement la réalité. Une analyse "intellectuelle" du schéma est donc indispensable pour maximiser les chances d'un fonctionnement correct une fois le montage cablé. Autrement dit, le cerveau d'un bon ingénieur doit savoir se montrer critique et systématiquement se demander "si cela ne marche pas en simulation, pourquoi cela ne marche pas?" mais "si cela marche en simulation, pourquoi cela marche t il ?"
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l'électronique 3D selon Ph.D |
Puis avec des simulations plus fines, en ajoutant des éléments parasites (R,C) représentatifs d'imperfections de cablage, aux endroits stratégiques, on pourra estimer l'impact de ces éléments sur les caratéristiques essentielles du circuit (bande passante, stabilité etc.). Il faudra également simuler la mise sous tension et l'extinction du montage pour éviter toute surprise
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Et comment réussir le câblage d'une carte ?
A ce stade, une différence apparaît entre la plomberie et l'électronique : On doit parler de soudure en plomberie et de brasure en électronique. Mais souvent, par abus de langage, on emploi le terme de soudure dans les deux cas.
Pour plus de détails techniques sérieux sur les alliages et flux de brasage, cliquer ici.
L'acte de cablage doit donc chercher sa comparaison dans un autre domaine, celui de la danse ou de la gymnastique : un mouvement efficace et bien réussi est un mouvement esthétique, une soudure ( par abus de langage) réussie est une belle soudure.
Evidemment il existe des machines industrielles soudure à la vague, phase vapeur, qui garantissent une qualité irréprochable mais tout le monde ne dispose pas forcément de ces matériels... Alors...
Votre soudure doit avoir la forme d'un volcan parfait, dont le cône contient la queue du composant. Cette forme n'est pas quelconque, elle permet d'encaisser au mieux les contraintes thermomécaniques que subit une carte au cours de sa vie. Les risques de défaillance sont alors minimisés. Il ne reste plus ensuite qu'à relier vos cartes entre elles... avec les fils ou câbles appropriés. Monobrins ou multibrins ? quels diamètres ? sont les deux questions essentielles... Pour plus de détails techniques sérieux sur le choix des câbles, cliquer ici. Si vous avez compris cela , vous avez (presque) tout compris de l'électronique, source : http://uuu.enseirb.fr/~dondon/elecaveclesmains/electroniqueaveclesmains.htm
et des couleurs brillantes. Sinon annuler et recommencer.
