Monostables

Qu'est qu'un monostable ? Un monostable est un circuit électronique dont la sortie se trouve dans un état électrique stable (par exemple à l'état bas, sortie à zéro volt) quand il est au repos, et qui lorsqu'il reçoit une impulsion appelée impulsion de déclanchement, fait basculer sa sortie dans l'état électrique opposé (par exemple sortie à l'état haut, +5V), pendant un "certain temps". Ce nouvel état est instable, et la sortie retrouve son état initial au bout de ce "certain temps". Un monostable peut donc servir de base à la construction d'un temporisateur

Caractéristiques principales

Un monostable présente quelques caractéristiques de base qu'il convient de connaître. Si on en parlait ?

Impulsion de déclanchement (ou impulsion d'entrée)

Il s'agit de l'événement qui conduit la sortie du monostable à changer d'état logique. Il peut s'agir d'une impulsion ou d'un simple changement d'état logique sans retour à l'état initial. Attention, la durée de l'impulsion doit être suffisamment grande pour que le monostable la voie. Le célèbre circuit intégré "timer" NE555 demande une impulsion dont la largeur doit être de l'ordre de 1 ms. Le monostable TTL SN74123 accepte quant  lui une impulsion dont la largeur est de quelques dizaines de nanosecondes seulement (même s'il faut 100 ns, ça nous donne un rapport de 10000 tout de même). D'autres circuits plus rapides encore (série ECL) travaillent sans faillir avec des impulsions de seulement quelques nanosecondes. Intuitivement, on se rend compte que la fréquence maximale de travail peut être fortement limitée si la largeur de l'impulsion doit être large. 

Polarité de l'impulsion de déclanchement

Elle peut être positive (bas-haut-bas ou bas-haut) ou négative (haut-bas-haut ou haut-bas). 

Impulsion de sortie

C'est ainsi que l'on nomme l'état instable dans lequel le monostable se trouve lorsqu'il vient d'être déclenché, c'est à dire quand l'état logique de sa sortie se trouve à l'opposé de l'état logique présent au repos. 

Polarité de l'impulsion de sortie

Au repos, la sortie du monostable peut être à l'état haut ou à l'état bas, et sur présence d'une impulsion de déclanchement, passer à l'état opposé, bas ou haut.

Durée de l'impulsion de sortie

C'est la durée du "certain temps", pendant lequel la sortie du monostable reste dans son état instable, et ce que l'on ait affaire à une durée de 100 ns (cent nanosecondes) ou de 100 s (cent secondes). Pour moi, une impulsion est un événement bref, mais mettons de côté mes états d'âme, le temps de cet article.

Redéclanchable ou non redéclanchable

Un monostable non redéclanchable est un monostable dont la durée de l'impulsion de sortie est immuable, même si pendant l'état instable, surviennent plusieurs impulsions de déclanchement. Un monostable redéclanchable est un monostable dont l'impulsion de sortie est "réactivée" à chaque impulsion de déclanchement. Si une nouvelle impulsion de déclanchement a lieu alors que la sortie du monostable n'est pas encore retourné à son état stable (de repos), ou dit autrement, si le temps qui sépare deux impulsions de déclanchement est inférieur à la durée de l'impulsion de sortie, la durée de l'impulsion de sortie est prolongée d'un temps égal à la durée d'une impulsion de sortie unique. Nous verrons plus en détail cela plus loin.

Utilisations

Le monostable est un circuit très utilisé. Il permet :

de fixer la durée d'un événement

de retarder la production d'un événement

de contrôler la présence ou l'absence d'un signal périodique (surveillance rotation ventilateur par exemple)

Fonctionnement de base

Pour commencer, examinons le fonctionnement d'un monostable simple travaillant en logique positive. Le schéma simplifié ci-après représente le monostable sous la forme d'une "boite noire" dotée des points de connexion suivants :

une entrée CLK (Clock, horloge) qui est l'entrée de déclanchement, active sur un front montant

une entrée RESET que nous n'utilisons pas et qui est reliée à la masse,

une sortie Q qui est la sortie principale "positive",

une sortie Q barre (Q avec point d'exclamation à gauche, c'est la façon de représenter la sortie Q barre dans le logiciel d'électronique que j'utilise) qui est la sortie complémentée ("négative" ou inverse) de la sortie Q, et que nous n'utilisons pas ici.


monostables_001a

Sur l'entrée CLK, nous appliquons une impulsion de déclanchement positive Imp, et nous regardons ce qui se passe sur la sortie Q (Out).

Graphe aa Ce premier graphe montre ce qui se passe avec une impulsion de déclanchement positive Imp dont la durée (50 ms) est inférieure à la durée de l'impulsion de sortie Out (500 ms).

Graphe ab
Alors que ce graphe montre ce qui se passe avec une impulsion de déclanchement positive Imp dont la durée (500 ms) est supérieure à la durée de l'impulsion de sortie Out (50 ms).


Dans les deux cas, une seule et unique impulsion est née en sortie Q (Out) du monostable. Premier point à retenir : pour un déclanchement isolé, la durée de l'impulsion de déclanchement n'a pas besoin d'être inférieure (ni supérieure) à la durée de l'impulsion de sortie. Le fonctionnement observé ici est identique pour un monostable non-redéclanchable et pour un monostable redéclanchable.

Durée de l'impulsion de sortie

Dans le schéma simplifié ci-avant, aucun élément visible ne permet de modifier la durée de l'impulsion de sortie. C'est normal, car c'est un schéma simplifié, les éléments "de réglage" sont cachés. Dans un montage réel, on emploie généralement une résistance et un condensateur pour fixer la durée de l'impulsion de sortie (voir plus loin, paragraphe Exemples pratiques).

Impulsions négatives

Dans l'exemple précédent, les impulsions de déclanchement et de sortie étaient toutes deux de type positives. L'entrée CLK du monostable était active sur le front montant de l'impulsion de déclanchement. Sur le front montant ? Oui, le front montant désigne le passage de l'état logique bas (zéro volt) vers l'état logique haut (+5V par exemple). Normal qu'on appelle ça front montant, puisque la tension monte. Même chose pour le front descendant, qui désigne le passage de l'état logique haut (+5V par exemple) vers l'état logique bas (zéro volt) : la tension descend.  Il est tout à fait possible de travailler avec des impulsions négatives ou de travailler sur des fronts descendants. Ce qui n'est pas du tout la même chose, comme on va s'en rendre compte avec les graphes suivants, où nous observons maintenant l'état électrique des deux sorties Q et Q barre.

monostables_001b

 

monostables_001ba
 

Graphe ba
Déclanchement sur le front montant d'une impulsion positive
 

monostables_001bb

Graphe bb
Déclanchement sur le front descendant d'une impulsion positive

monostables_001bc

Graphe bc
Déclanchement sur le front descendant d'une impulsion négative
 

monostables_001bd

Graphe bd
Déclanchement sur le front montant d'une impulsion négative
 


Côté sortie Q (Out) et Q barre (Out_b), pas de réelle surprise : quand Q (Out) est à l'état haut, Q barre (Out_b) est à l'état bas. Et inversement. Si le monostable possède de nature ces deux sorties complémentées, cela permet de disposer immédiatement de la polarité désirée, ce qui peut dans certains cas éviter l'emploi d'un inverseur additionnel. Côté entrée de déclanchement (entrée CLK, signal Imp), les dessins (graphes) valent mieux qu'un grand discours. Aussi, prenez bien le temps d'observer les différences entre les quatre graphes. 

Impulsion de sortie retardée

Tout est clair ? Bien, maintenant, imaginez ce qui se passe si l'impulsion de déclanchement est positive et "longue", et que le monostable réagit sur le front descendant de l'impulsion. Vous préférez un petit graphe ? Vous avez raison, on voit mieux de quoi on parle. En voici donc un ci-après qui illustre ce contexte.
 

monostables_001be

Graphe be
Déclanchement sur le front descendant d'une impulsion positive, l'impulsion de déclanchement étant cette fois plus longue. L'impulsion de sortie du monostable est déclenchée avec un retard égal à la durée de l'impulsion de déclanchement. Cela était déjà le cas dans les graphes bb et bd, mais ici, c'est beaucoup plus visible.
 


Application première : ajout d'un retard, dont la durée est aussi facile à spécifier que l'est la durée de l'impulsion de sortie principale elle-même. Bien, mais comment créer une impulsion de déclanchement qui joue le rôle de retardateur ? Et bien avec un second monostable, par exemple... Voyez le schéma qui suit, où deux monostables sont branchés en série.

monostables_001c

On utilise la sortie Q barre du monostable 1 pour déclencher le monostable 2 via son entrée CLK. La sortie Q barre du monostable 1 produit une impulsion négative, et l'entrée CLK du monostable 2 est active sur un front montant, ce qui permet de se retrouver avec la même configuration de fonctionnement que celle qui a conduit au résultat affiché sur le graphe be précédent. Afin de mieux coordonner les événements qui ont lieu dans ce circuit, un point de mesure TP1 a été ajouté (TP = Test Point, point test). Voici ci-après le graphe ca, qui dévoile le chronogramme de fonctionnement du circuit.
 

monostables_001ca

Graphe ca
Déclanchement du monostable 1 sur le front montant d'une impulsion positive : l'impulsion de sortie a lieu immédiatement. La sortie Q barre du monostable 1 (TP1) passe donc aussitôt à l'état bas. Comme l'entrée CLK du monostable 2 (TP1 aussi) est uniquement sensible aux fronts montant, il faut attendre que le monostable 1 repasse dans son état de repos, c'est à dire que la sortie Q barre repasse à l'état haut, pour que le monostable 2 soit déclenché. A cet instant, une impulsion est produite par le monostable 2.
 


Voilà, vous venez de voir comment peut être constituée une alarme simple : le monostable 1, dont l'impulsion de sortie est calibrée à 10 secondes, permet de rentrer chez soi en laissant 10 secondes pour entrer un code, avant déclanchement de la sirène. Si au bout des 10 secondes le monostable 2 n'est pas inhibé, la fin de l'impulsion du monostable 1 d'éclanche le monostable 2, qui lui-même commande une sirène pendant un temps égal à la durée de son impulsion de sortie. Une application pratique de ce double monostable cascadé est proposée à la page Alarme 4. Bien entendu, ce n'est qu'une application parmi d'autres.

Détection de présence ou d'absence de signal périodique

Jusqu'à maintenant, nous n'avons parlé que d'impulsions de déclanchement uniques et isolées. Nous allons maintenant observer ce qui se passe quand plusieurs impulsions de déclanchement se succèdent. C'est ici que prend toute sa valeur la notion de redéclanchement. Mais là encore, quelques graphes valent mieux que des dizaines de lettres de l'alphabet. Ceux qui suivent émanent du circuit de base vu au tout début de l'article :

monostables_001a

Dans tous les exemples qui suivent, la durée de l'impulsion de déclanchement est de 50 ms, et la durée de l'impulsion de sortie du monostable est de 400 ms. Seule la durée qui sépare les impulsions de déclanchement n'est pas toujours la même.
 

monostables_001da

Graphe da
Monostable non redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclanchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclanchement, est supérieur à la durée de l'impulsion de sortie. La sortie du monostable est activée pendant une durée qui correspond à sa durée d'impulsion nominale. Fonctionnement identique à celui vu précédemment.
 

monostables_001db

Graphe db
Monostable non redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclanchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclanchement, est inférieur à la durée de l'impulsion de sortie, une nouvelle impulsion de déclanchement survient alors que le monostable est toujours dans son état instable. Là encore, la durée de l'impulsion de sortie correspond à la durée d'impulsion nominale.

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Graphe dc
Monostable redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclanchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclanchement, est supérieur à la durée de l'impulsion de sortie. Pas de différence là non plus, la sortie du monostable est activée pendant une durée qui correspond à sa durée d'impulsion nominale. 
 

monostables_001dd

Graphe dd
Monostable redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclanchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclanchement, est inférieur à la durée de l'impulsion de sortie. C'est ici que les choses changent. Le monostable est redéclanchée avant qu'il ne retourne à son état de repos : tout repart à zéro, sans tenir compte du temps déjà écoulé. 
 


Cas du graphe dd : La durée de l'impulsion de sortie est rallongée à chaque nouvelle impulsion de déclanchement, et comme cela se reproduit à intervalles réguliers, le monostable ne retourne jamais à son état de repos. Il reste continuellement dans son état instable. Nous avons vu que la durée de l'impulsion de déclanchement n'était pas très critique pour un déclanchement isolé, comme c'est le cas par exemple avec une commande de minuterie d'une cage d'escalier. Nous voyons maintenant que cette durée peut être critique si les impulsions de déclanchement sont rapprochées et que l'on a affaire à un monostable redéclanchable. Deuxième point à retenir, donc. Un peu perturbant, tout ça, non ? Toujours est-il que nous sommes ici en présence d'un excellent système de détection de présence ou d'absence d'un signal périodique.

Cas d'utilisation 1 - Utilisez un capteur optique ou magnétique placé vers un élément en rotation, qui génère une impulsion à chaque tour de l'élément en question, pour déclencher le monostable. Utilisez la sortie Q, qui reste à l'état haut tant que le monostable est redéclanché, et vous obtenez alors un système qui génère une information positive en présence de rotation. Utilisez maintenant la sortie Q barre, qui reste à l'état bas tant que le monostable est redéclanché, et vous obtenez alors un système qui génère une information positive en absence de rotation. 

Exemple pratique en page Alarme de non rotation 1. Cas d'utilisation 2 - Imaginez maintenant que les impulsions sont fournies par un logiciel, tant que ce dernier "tourne" correctement. En cas de plantage, les impulsions ne sont plus produites, et le monostable effectue un reset "hard", dont le fonctionnement ne peut pas être perturbé par le plantage logiciel. Bien entendu, il ne s'agit là que d'applications entre autres.

Exemples pratiques

Voici maintenant quelques exemples de réalisations pratiques de monostables, certainement plus recherchés et attendus que des explications purement théoriques, même de base. Il est possible de réaliser des monostables de différentes façons : 

avec des circuits intégrés spécialisés pour cet usage, tels les fameux CD4538 (CMOS) et SN74121 (TTL),

avec des portes logiques (portes ET, OU, etc.),

avec un NE555, circuit intégré "timer" très rependu et multi-usages,

avec des diodes et/ou des transistors (avec des diodes Tunnel, possibilité d'avoir des impulsions de sortie très courtes).

Utilisation d'un CD4538

Le CD4538 (ou CD4528) comporte dans un même boitier de 16 pattes, deux monostables que l'on peut utiliser de façon totalement indépendante. Dans l'exemple qui suit, le premier monostable U1:A est déclanchable par le front montant d'une impulsion de déclanchement, alors que le second monostable est déclanchable par un front descendant. La durée de l'impulsion de sortie est définie par la valeur des composants R et C (R1 / C1 et R2 / C2), selon la formule T = RC (R en ohms et C en farads). Par exemple, si R = 1 Mohms et C = 1 uF, durée impulsion de sortie = 1 seconde.

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Exemple d'utilisation : Chenillard 11aGénérateur d'impulsions 5Métronome 5.

Utilisation de portes logiques

Des portes logiques ET (AND), OU (OR), NON-OU (NOR), peuvent être mises à contribution pour réaliser des monostables. Selon le type de portes utilisées, le câblage peut légèrement différer. Dans les circuits suivants, la durée de l'impulsion de sortie est définie par la valeur des composants R et C (R1 / C1), selon la formule T = 0,5 x RC (R en ohms et C en farads). Par exemple, si R = 1 Mohms et C = 1 uF, durée impulsion de sortie = 0,5 seconde.

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Les schémas suivants ne mettent en oeuvre qu'une seule porte logique. Pour un fonctionnement correct, R2 doit être faible devant R1, et R2 doit être supérieure à 100K. Dans ces conditions, la durée de l'impulsion de sortie est définie par la valeur des composants R et C (R1 / C1), selon la formule T = RC / 1.5 (R en ohms et C en farads). Par exemple, si R = 1 Mohms et C = 1 uF, durée impulsion de sortie = 0,75 seconde. En pratique, la formule peut aussi être T = 0,5 x RC, si la valeur donnée à R2 est de 10K (rapport R1/R2 plus faible).

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Utilisation du NE555

Le NE555 est un exemple de réussite à lui tout seul. Il s'agit d'un circuit intégré qui permet un tas de choses, en tout cas dans le domaine du temps. Le schéma qui suit l'utilise en tant que monostable : sur une impulsion de déclanchement négative, il délivre une impulsion de sortie positive. Pour donner au schéma un côté plus "pratique" et un poil plus attrayant, j'ai ajouté un bouton poussoir pour produire l'impulsion de déclanchement, et une LED pour visualiser l'état de la sortie Out. 

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Si l'on souhaite déclencher le NE555 sur une impulsion positive, il est toujours possible de le faire précéder par un petit inverseur à un transistor, comme le montre le schéma suivant.

electronique_monostables_001zfb

Il est également possible de déclencher le NE555 avec les doigts et non avec un bouton poussoir ou avec une impulsion électrique :

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Description d'un tel montage à la page Temporisateur 3.

Utilisation de transistors ?

Il est vrai qu'un circuit intégré de type CD4028 (ou CD4038), une résistance et un condensateur suffisent pour réaliser un monostable qui peut être déclenché au choix sur un front montant ou sur un front descendant. Mais quid des transistors ? Ce type de composant peut-il être utilisé pour réaliser la fonction de monostable ? Pas impossible...

monostables_001zg

Ce circuit permet de produire une impulsion positive sur la sortie Out, déclenchée par une impulsion positive amenée sur l'entrée In. La durée de l'impulsion de sortie dépend de la valeur du condensateur C2 et de celle de la résistance R7. Les valeurs données ici aux composants permettent de définir une durée d'impulsion de 10 ms par paquet de 100 nF pour C2. Un condensateur de 220 nF amènera donc une durée d'impulsion voisine de 20 ms, et avec un condensateur de 1 uF on obtiendra une durée voisine de la seconde. Bien entendu ces valeurs sont théoriques et vous pourrez observer de petites différences avec votre maquette, l'important est de retenir l'ordre de grandeur.
 

 

 

 

 

 

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