Xavier Nayrac

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Fonctionnement d'un oscillateur à base de CD40106

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Dernièrement j’ai écrit un article qui montre quelques oscillateurs simples, mais sans fournir d’explications sur le fonctionnement. Aujourd’hui je vais tenter d’expliquer ce qu’il se passe, comme j’aurais aimé qu’on m’explique quand j’ai débuté l’électronique.

Le CD40106 est un inverseur logique, il applique la fonction NOT. Si le signal en entrée est un 1 logique, le signal en sortie sera un 0 logique. Inversement, si le signal en entrée est un 0 logique, le signal en sortie sera un 1 logique.

C’est donc du numérique, et ça semble simple.

Mais qu’est ce qu’on entend par 0 et 1 logique ? Quand le circuit intégré CD40106 est alimenté par une pile 9 Volt, le 0 logique en sortie correspond à un signal de 0 Volt et le 1 logique correspond, toujours en sortie, à un signal de 9 Volt (à peu près). Par contre en entrée, c’est un peu plus compliqué, parce que l’électronique c’est jamais seulement numérique. Mais on y reviendra plus tard.

Voici l’oscillateur dont je parle dans la suite de l’article :

Le circuit

Lorsqu’on branche la pile, le signal au point A est un 0 logique, il n’y a pas de tension en entrée. Rien. Zéro. Nada. Donc le circuit intégré produit un 1 logique en sortie, au point B. Ce niveau de sortie durera jusqu’à ce que l’entrée s’inverse.

Une bonne partie des électrons vont se bousculer vers la sortie OUT (un haut-parleur par exemple). Mais comme l’électricité aime emprunter tout les chemins possibles, quelques électrons vont retourner au point A, via la résistance R1. Arrivé au point A, ces électrons sont attirés par le ground comme des fourmis par le miel. Mais ils n’atteindront jamais le ground, car ils vont se retrouver piégé à l’intérieur du condensateur C1. Et pendant ce temps, la sortie du circuit intégré est toujours à 9 Volt.

Arrive fatalement le moment où le condensateur C1 est plein et ne peut plus accueillir de nouveaux électrons. Mais ils arrivent toujours au point A par l’intermédiaire de la résistance. Ils vont alors emprunter l’entrée du circuit intégré. Et comme le CD40106 a maintenant un 1 logique en entrée il va produire un 0 logique en sortie.

Les électrons n’arrivent plus vers le point A via R1, puisque la sortie du circuit intégré est dorénavant à zéro. Par contre, le condensateur commence a libérer ses électrons, ce qui maintient l’entrée du CD40106 au niveau du 1 logique.

Et puis, quand le condensateur à épuisé toute sa réserve d’électrons, le point A passe de nouveau au 0 logique et le cycle peut recommencer. Ce qui produit une onde carrée.

Tout ça est très simplifié, et c’est un peu le monde des bisousnours numériques. Malgré tout, c’est un premier niveau de compréhension.

Entrée analogique et hystérésis

Comme je l’ai laissé entendre dans l’introduction, la grande simplification de l’explication précédente est de prétendre que le signal en entrée (point A) est numérique. C’est à dire 0 Volt ou 9 Volt. À cause du condensateur (ou grâce à lui, c’est selon le point de vue) le signal au point A est une onde de type plus ou moins triangulaire. Pendant une même période de temps, le condensateur en charge attire plus d’électrons quand il est vide que quand il est déjà un peu rempli. De même, il rejette plus d’électrons au début de sa décharge.

Pour cette raison, l’inverseur logique fonctionne avec un seuil. Quand le signal est en dessous du seuil, l’entrée est à 0, et inversement. Mais pour pouvoir réaliser un oscillateur, un seul et unique seuil ne va pas être suffisant. Sitôt le seuil franchi, l’état va s’inverser. Ce qui fera aussitôt franchir le seuil dans le sens inverse, et de nouveau inverser l’état. Etc. Le signal en entrée resterait coincé sur le seuil, ni vraiment 0, ni vraiment 1.

Le CD40106 fonctionne grâce au principe d’hystérésis, ou hystérèse. En pratique il y a deux seuils, et seulement l’un de ces seuils est actif à un instant donné. Le schéma suivant est extrait du datasheet et j’ai ajouté les point en rouge, qui représentent des instants dans le temps.

Au premier point rouge, la tension franchit le seuil VT+, qui est actif. Le circuit considère donc l’entrée comme un 1 et produit une sortie à 0. À partir de ce moment, le seuil VT+ devient inactif, et c’est le seuil VT- qui prend le relai et devient actif.

Au second point rouge, bien qu’on ai franchi plusieurs fois le seuil VT+ dans un sens et dans l’autre rien ne change.

Au troisième et dernier point, le signal franchit VT-, le seuil actif, et donc la sortie s’inverse.

C’est ça l’hystérésis, un changement d’état suivant un évènement externe et l’état actuel. Et c’est bien utile pour faire un oscillateur avec un inverseur.

C’est fini pour aujourd’hui. Si vous avez repéré des erreurs dans cet article, n’hésitez pas à le signaler dans un commentaire. Merci et à bientôt.

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