[Electronique] : Les circuits bistables

09 mai 2021 rdorigny 0 commentaires

Le bistable est un circuit électronique à deux états stables, c’est-à-dire où la commutation entre ces deux états est provoquée par une action extérieure, comme un bouton poussoir. Un bistable conserve l'information qui a été appliquée sur son entrée et constitue donc une cellule mémoire.

Les solutions de circuits électronique au sujet de cette fonctionnalité sont nombreuses, et je ne prétends pas être exhaustif dans cet article. Mais je vais vous proposer sur quelques exemples concrets, le principe étant commun.

Le bistable le plus connu est bien sûr la bascule. Mais ce n'est pas mon sujet ici, dans cet article nous allons étudier plutôt les bistables électroniques les plus simples fabriqués avec quelques transistors. Il est possible de réaliser ce type d'interrupteur avec une bascule (ou des portes NAND). Mais cela implique d'intégrer des portes logiques, et comme nous allons le voir, il y a beaucoup plus simple.



1) Le circuit de Ecless-Jordan

C'est un circuit assez peu connu, et pourtant il constitue le principe des bascules flip-flop. Les initiés reconnaitrons une ressemblance avec le circuit multivibrateur astable, et en effet il s'agit d'un variante pour obtenir un bistable. Le schéma du circuit ci-dessous.



Le fonctionnement est assez délicat à comprendre. Le circuit a été pensé pour que si un transistor est passant, son homologue soit bloqué. Prenons pour hypothèse de départ que Q1 est passant et Q2 est bloqué sur un état de repos initial. Si Q1 est passant, la tension aux bornes de C1 Vc1 est faible, alors que Vc2 est proche de la tension d'alimentation. D1 est passante et D2 bloquée. Si on presse sur le bouton, en régime transitoire C1 se décharge négativement, ce qui a pour effet de rendre très passant la diode qui pompe tout le courant et surtout la tension Vbe devient négative. Q1 se bloque.

Si Q1 est bloqué, la base de Q2 étant alimentée par R6, Q2 devient passant et D2 devient passante au moment où on relâche le bouton sur le front négatif. Nous avons alors un nouveau état stable, Q1 est bloqué alors que Q2 est passant. Si on presse SW1, on produira l'effet inverse avec Q1 passant et Q2 bloqué.


A noter que le bouton SW1 peut amener des rebonds, ce qui donnera des résultats parfois aléatoires... Mais pour en avoir le cœur net, j'ai remplacé SW1 par un signal carré au GBF (trace jaune). Plus de rebonds dans ce cas, on observe bien que la sortie Q (trace violette) se comporte comme un bistable au front descendant.

2) Le Latch Power Switch (interrupteur d'alimentation à loquet)

L'interrupteur d'alimentation à loquet est plus connu sous l'anglicisme de Latch Power Switch (LPS). Il s'agit d'un principe électronique qui a pour objectif principal de proposer une réponse à la commutation électrique pour alimenter un circuit avec un bouton poussoir.

Le Latch Power Switch ci-dessous est adapté à des commutations électrique derrière une régulation courant/tension continue. Pour la commutation secteur ou de puissance, je déconseille l'utilisation direct d'un LPS sans ajouter une isolation galvanique, qui est nécessaire pour protéger l'utilisateur... Pour ce faire, ce n'est pas si complexe, il suffit de commander avec un LPS un système à base de Solid State Relay (comme déjà évoqué ici), d'un optocoupleur ou d'un relais.



Concernant le fonctionnement, la pression sur le bouton pressoir SW1 va alimenter la base de Q2 par R3. Le transistor Q2 devient passant en saturation et ramène la tension de grille du Mosfet Q1 à une tension quasi nulle. S'agissant d'un Mosfet canal P dont la source est en entrée et le drain en sortie, nous avons ainsi une tension VGS qui passe sous le VGSth. Le Mosfet devient passant, et il est maintenu passant par R2. Le Mosfet Q1 étant passant, le condensateur C1 se charge et dès que son VBE est supérieur à 0.7v, Q3 devient passant également.

Si on appuie à nouveau sur SW1, Q3 court-circuite la base de Q2 ce qui le fait passer à l'état bloqué, puis Q1 également bloqué puisque sa grille n'est plus à la masse. Le condensateur C1 va maintenir Q3 actif quelques instants et ceci juste suffisamment de temps pour déconnecter Q1 et Q2. Le condensateur C1 se déchargera via R4 et R5, ce qui va faire baisser la tension VBE de Q3 jusqu'à le rendre bloquant (dés que VBE<0.6V).

Cas du Soft Latch Power Switch :
Le Soft Latch Power Switch (SLPS) est un usage particulier du LPS, puisque la déconnexion est réalisé par un microcontrôleur ESP32. A quoi ça sert? Et bien notamment, dans le cas d'un besoin utilisateur pour produire une action domotique lancée par la pression d'un bouton pressoir. Une fois l'action terminée, le microcontrôleur arrête le circuit électriquement. Ci-dessous un exemple de circuit SLPS.



Alors comment fonctionne ce circuit? Q1 est transistor Mosfet de canal P dont la source est connectée au VCC et le drain au VDD du microcontrôleur (ESP32). Initialement, il est bloqué puisque la tension VGS est nulle du fait que SW1 est ouvert et le transistor Mosfet Q2 (canal N) est bloqué. Si on presse quelques instants le bouton poussoir, la gate de Q1 est mise à la masse. La tension VGS qui est négative pour un canal P, va réaliser la condition VGS inférieure à VGSth. Q1 devient passant et alimente l'ESP32. Le condensateur C1 se charge très rapidement et maintient la tension sur le microcontrôleur qu'il charge son programme.

Le microcontrôleur alimente immédiatement la gate de Q2 par sa sortie IO26. Q2 devient passant grâce à la polarisation de R1, ce qui permet de maintenir la gate Q2 à la masse. Et donc Q1 reste passant et continue d'alimenter l'ESP32. Cela permet au microcontrôleur de réaliser son programme. Quand il a terminé, il coupe la tension sur IO26 ce qui avoir pour effet de ramener la gate à la masse par R2. Q2 se bloque et enchaine un blocage de Q1, ceci à pour effet final de couper l'alimentation de l'EPS32 qui s'éteint.

L'intérêt de ce circuit SLPS est évidemment l'économie d'énergie puisqu'il permet d'alimenter le montage électrique uniquement le temps que l'on en a besoin. Par ailleurs, les transistors Mosfet sont très performants et on en trouve qui présente des résistances de transfert RDSon très faible ce qui permet de dissiper peu d'énergie par effet joule résistif.

Conclusion

Les bistables les plus connus sont les systèmes à bascule. Impossible de tous les évoquer, c'est un vaste sujet. Mais il me semblait utile de comprendre leur principe de fonctionnement, car plutôt que sortir une bascule dans un circuit, il peut être plus judicieux de reconstruire le bistable avec quelques composants.



Références :
  • World's Simplest Soft Latching Power Switch Circuit
  • Soft Latching Power Switch - Auto-maintien d'un circuit d'alimentation par uC
  • Latch and Toggle Power Circuits. MOSFET transistor circuits power an embedded system ON and OFF with the push of a button.
  • Latching Power Switch Circuit (Auto Power Off Circuit) for ESP32, ESP8266, Arduino








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