Scratch et Raspberry Pi : Composants

Le livre Scratch et Raspberry Pi, que j’ai cosigné avec Sarah LACAZE, met en œuvre  des composants ou des modules qui se connectent au port GPIO du Raspberry Pi. Ces composants externes sont commandés ou lus via le langage graphique Scratch. Cette page donne des informations sur ce matériel et sur son utilisation.

Les composants et modules utilisables avec Scratch

Les prérequis

Cliquez pour avoir une information sur les niveaux

L’utilisation des composants requiert un minimum de connaissances en électricité de base. Cette page présente les composants utilisables avec le Raspberry Pi mais ne prétend pas Pyramide comportant les principales formules utilisées en électroniqueamener la totalité des informations nécessaires (notions de courant, tension, résistance, puissance…). Il vous appartient de les acquérir par ailleurs, par exemple sur Positron libre.
Même si la connaissance “par cœur” des formules n’est pas nécessaire, elle peut permettre de comprendre certains dysfonctionnements et d’éviter la destruction des composants et/ou du Raspberry Pi. La pratique “essai-erreur” pour apprendre se révèle vite coûteuse en électronique.
Il existe d’ailleurs de nombreux moyens pour utiliser les formules sans les connaître forcément par cœur, comme cette Pi-Ramide imprimable présentée par Manu sur framboise314.

Ces notions de base pourront également vous servir si vous utilisez une carte Arduino, comme l’Arduino Uno ou une autre carte microcontrôleur.

A qui s’adresse cette page ?

Cette page est à destination des utilisateurs du Raspberry Pi qui découvrent qu’on peut faire autre chose, avec ce nano-ordinateur, que regarder des vidéos ou surfer sur le web. Une des raisons du succès du Raspberry Pi est la possibilité de recevoir des informations du monde extérieur, et de réagir en  pilotant le fonctionnement de systèmes extérieurs.

Exemple d'utilisation du Raspberry Pi dans un système domotique

Exemple d’utilisation du Raspberry Pi dans un système domotique

C’est ce qui explique que le Raspberry Pi ait été vendu à ce jour (février 2018) à plus de 17 millions d’exemplaires depuis sa sortie en février 2012. C’est le troisième ordinateur le plus vendu de tous les temps.

Qu’est-ce qui n’est pas présenté ici

Comme précisé plus haut, les notions de base d’électricité et d’électronique qui sont utilisées dans cet article ne sont pas développées. C’est une présentation de composants et de modules, ainsi que leur utilisation avec Scratch. Ce n’est pas un cours d’électronique.
Pour trouver un cours d’électronique rendez vous par exemple sur http://arsene.perez-mas.pagesperso-orange.fr/ sur la page Électrocinétique. Arsène a été mon prof en cours du soir de microprocesseur au Lycée Branly de Lyon… dans les années 1980 😉

Les précautions à respecter

  • Épargnez les décharges d’électricité statique à votre Raspberry Pi. Évitez de “tripoter” la carte dans tous les sens. Vous transportez de l’électricité statique et elle n’attend qu’un conducteur pour s’échapper et faire des dégâts. Autant que ce ne soit pas dans votre Raspberry Pi !
      
  • Protéger le Raspberry Pi des court-circuits (trombones, agrafes, stylos métalliques, pinces… ) en le mettant dans un boîtier. L’investissement est minime, mais la protection est efficace.
     
  • Évitez de “tartouiller” les fils que vous allez brancher sur le GPIO. Quand on fait de nombreuses manipulations, surtout en tordant les pattes du connecteur GPIO, on les fragilise et elles arrivent à se casser. Le nombre de couches de circuit imprimé réduit fortement les chances de pouvoir réparer une pinoche sans faire d’autres dégâts.

    Pi Cobbler sur Raspberry Pi - https://www.bc-robotics.com/wp-content/uploads/2015/10/pi-t-cobbler-plus1.jpg

    Un exemple de Pi-Cobbler – Source bc-robotics


    Utilisez de préférence un câble de liaison qui restera connecté à demeure sur le Raspberry Pi, et un Pi-Cobbler qui s’enfiche sur une carte de prototypage. Vous réduirez les risques de détérioration et les quelques euros dépensés ne sont pas perdus, croyez moi…
     
  • Utilisez une alimentation digne de ce nom. Évitez d’utiliser des chargeurs ou alimentations de téléphone, tablette… Même si les caractéristiques portées sur la plaque du chargeur semblent convenir, on a souvent des déboires car la tension est un peu faible, le courant limité, le câble de liaison trop fin (trop de pertes)…
    Alimentation Raspberry Pi micro USB officielle 5 volts  2,5 ampères https://www.kubii.fr/fr/chargeurs-alimentations-raspberry/1639-alimentation-raspberry-3-pi-5v-25a-640522710911.html

    Alimentation “officielle” – Source Kubii


    Investissez dans une alimentation “officielle” 5V/2,5A. Le fonctionnement des modules et des composants sera garanti. La sous-tension se manifeste à l’écran par l’affichage d’un éclair jaune en haut à droite de l’écran. Elle peut aussi provoquer des erreurs d’écriture/lecture sur la carte micro SD, compromettant l’intégrité du système.
     
  • Vérifiez vos connexions plutôt deux fois qu’une. Il est très facile de décaler un fil d’une position et cela peut avoir des conséquences dramatiques. Si vous choisissez de connecter vos fils directement sur les pinoches du GPIO, imprimez ou procurez vous une réglette comme la PortsPlus de rasp.io.Réglette PortsPlus http://rasp.io/portsplus/
    Raspberry Pi avec réglette PortsPlus http://rasp.io/portsplus/

    La réglette PortsPlus sur un Raspberry Pi 2


    Avec ce système les broches sont clairement identifiées et les erreurs réduites…
     
  • Les ports GPIO sont limités à 3,3 volts une tension supérieur leur est fatale. Ne pas connecter de tension supérieure sous peine de détérioration.

GPIO

Connecteur

La partie la plus importante pour ce qui nous concerne est le port GPIO. Ce connecteur à 40 points est le moyen fourni par les créateurs du Raspberry Pi pour nous permettre d’accéder aux ports d’entrée/sortie du processeur BCM2837.

Photo du GPIO du Raspberry Pi

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Intitulé des broches

Schéma du GPIO du Raspberry Pi : https://www.meetup.com/fr-FR/Hungarian-IoT-Creativity-Meetup/members/221492561/?op=&memberId=221492561

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Les ports du connecteur GPIO ont tous un rôle bien déterminé. On trouve des alimentations 5V et 3,3V ainsi que des masses.
Les ports GPIO sont identifiés par un chiffre ; GPIO1, GPIO2, … Certains ont une fonction supplémentaire précisée entre parenthèses. Cette fonction n’empêche pas d’utiliser les GPIO de façon classique, comme entrée/sortie numérique (0 ou 1).

Les GPIO utilisables comme entrée/sortie numérique sont au nombre de 26. Ils ne fonctionnent qu’en tout ou rien, 0 ou 1, 0V ou 3,3V. Il n’y a pas de port analogique (tension continument variable). Si vous avez besoin de plus de ports ou de ports analogiques, il faudra ajouter des cartes d’extension.

Attention !
L’utilisation des broches 27 et 28 (ID_SD et ID_SC) est interdite. Elle sont réservées à l’accès aux mémoires EEPROM des cartes HAT connectées sur le Raspberry Pi.

Limitations

Les entrées/sorties GPIO ne peuvent pas consommer/fournir un courant important. Des limitations existent, même si de nombreuses sources donnent des informations différentes.
Le courant maximum (en entrée ou en sortie) par broche est de 16mA et le courant total pour l’ensemble du GPIO ne peut pas dépasser 50mA.
Il vous appartient de dimensionner les composants pour ne pas aller au delà de ces limites, et de prévoir éventuellement un “buffer” (amplificateur) entre le GPIO et le composant externe (LED par exemple).

Attention !

  • Un sortie ne fournit que le courant demandé par ce qui est connecté sur la broche. Ce n’est donc pas parce que la sortie est à 1 que le courant est de 16mA.
  • Il n’y a pas de protection sur les entrées/sorties. Si le composant externe consomme plus que le courant maximum, la tension de sortie diminue et les niveaux logiques ne sont plus assurés.
  • Si le courant maximum pour une broche ou pour l’ensemble des broches est dépassé, cela peut provoquer la détérioration définitive de l’entrée/sortie et/ou du CPU complet.

 

Les composants

Carte de prototypage

Carte BreadBoard - Souce Kubii https://www.kubii.fr/gl/modules-adafruit/1706-plaque-d-essai-3272496005358.html

Carte BreadBoard – Source Kubii

Carte de prototypage encore appelée BreadBoard ou planche à pain - Photo François MOCQ

Carte de prototypage encore appelée BreadBoard ou planche à pain

Cette carte existe en plusieurs dimensions, plus ou moins longues, donc comportant plus ou moins de positions pour connecter des composants.

Carte de prototypage encore appelée BreadBoard ou planche à pain - Photo François MOCQ

Carte de prototypage vue de dessus

Les trous sont reliés en rangées. Le schéma ci-dessous montre comment les trous sont connectés les uns aux autres.

Breadboard avec les ensembles de trous dessinés - Photo François MOCQ

Breadboard avec les ensembles de trous dessinés

De chaque côté de la plaque, un trait rouge et un trait bleu indiquent les “rails” d’alimentation. Il n’y a pas d’obligation de respecter le + et le – mais… c’est tellement plus simple 😉 On a donc 2 lignes + et – de chaque côté. Par exemple il est possible de dédier un côté au 5V et l’autre au 3,3V en repérant bien ce qu’on fait. N’hésitez pas à coller des étiquettes.
N’oubliez pas que votre Raspberry Pi n’accepte absolument pas de tension 5V sur ses GPIO… Je vous aurai prévenu (ça fait déjà 2 fois depuis le début de cet article).
Chaque trou peut être repéré par ses coordonnées : Numéro de ligne et lettre de a à j. Cela permet de relever les schémas très exactement, si nécessaire.

Breadboard avec composants. Image https://www.hobbyelectronics.net/breadboard_1-logic---basic-gates.html

Sur cet exemple on peut voir une breadboard avec des composants en place.

J’ai choisi un modèle court pour mes breadboards car cela permet de les “embarquer” par exemple sur un petit robot, ce qui est moins facile avec la version longue. Après, vous adapterez la taille de la plaque à vos besoins et à la disponibilité du matériel.

Bouton poussoir

Bouton poussoir - Photo François MOCQ

Bouton poussoir

Un bouton poussoir est un interrupteur qui fonctionne quand on appuie sur la partie supérieure. Il est muni d’un ressort de rappel qui interrompt le contact quand on relâche la pression.

Schéma de connexion du bouton poussoir. Source http://www.cs.uregina.ca/Links/class-info/207/Lab3/Ce schéma montre comment les contacts sont reliés aux pattes du bouton poussoir.
SI vous positionnez votre bouton poussoir comme sur le schéma, avec les pattes sortant par les côtés gauche et droit, le contact se fait entre les pattes du haut et les pattes du bas.
Vous pourrez vérifier cela avec une diode LED et une résistance, si besoin (voir plus loin).
Lots de boutons poussoirs - Photo François MOCQ

Résistance

Lot de résistances - Photo François MOCQ

Résistances axiales pour montage traversant

Résistance CMS - Source :http://www.distronic.fr/composants-passifs/2794-resistance-cms-0603-1-470ohms.html

Résistance CMS pour montage en surface

Définition

La résistance électrique traduit la propriété d’un composant à s’opposer au passage d’un courant électrique (l’une des causes de perte en ligne d’électricité). Elle est souvent désignée par la lettre R et son unité de mesure est l’ohm (symbole : Ω). Elle est liée aux notions de résistivité et de conductivité électrique.
La résistance est responsable d’une dissipation d’énergie sous forme de chaleur. Cette propriété porte le nom d’effet Joule. Cette production de chaleur est parfois un effet souhaité (résistances de chauffage), parfois un effet néfaste (pertes Joule) mais souvent inévitable. (Wikipedia)

Plus la valeur d’une résistance est élevée, plus elle “résiste” au passage du courant. La valeur d’une résistance s’exprime en OHM de symbole  Ω.

Technologie

Ici nous ne nous intéressons qu’aux résistances axiales (celles qui ont 2 fils) utilisables sur les cartes de prototypage.

Carbone aggloméré

La technologie d’origine des résistances axiales est le carbone aggloméré :

Technologie de la résistance à carbone aggloméré

C’est la technologie la plus ancienne. Un cylindre constitué de minuscules grains de carbone est aggloméré sous pression. Un fil est pressé à chaque extrémité du cylindre pour assurer le contact, une couche de résine protège l’ensemble.
Selon la taille des grains, la pression… La valeur de la résistance sera différente. La valeur est indiquée par un code de couleur (voir ci-dessous).
Ces résistances étaient tributaires des aléas de la fabrication, et souvent la valeur de la résistance différait de la valeur inscrite (tolérance 10 à 20%).

Couche de carbone

Technologie de la résistance à couche carbone

Ce modèle de résistance plus récent est constitué d’un cylindre en céramique sur lequel a été déposé un film de carbone. Ce film est découpé (mécaniquement ou au laser) selon une hélice, ce qui augmente le trajet du courant et donc la résistance. Plus précise, cette résistance à couche carbone offre une tolérance de ± 5%. Elle présente un coefficient de température de ± 300 à 1500 ppm/°C.

Couche métallique

Technologie des résistances à couche métallique

Sur ce modèle de résistance, la couche de carbone est remplacée par une couche métallique. La précision atteint cette fois ± 0,1 à 2% et le coefficient de température ne dépasse pas ± 100 ppm/°C.

Code des couleurs

Les résistances axiales sont repérées par un code de couleur :

Code couleur des résistances. Répartition des anneauxLes couleurs correspondent aux valeurs du tableau ci-dessous. En général le troisième chiffre est absent (sauf sur les résistances de précision).

Code de couleur des résistancesUn moyen mnémotechnique pour se souvenir de l’ordre des couleurs dans le code couleur des résistances est de connaitre la phrase suivante :
Ne Manger Rien Ou Jeûner Voilà Bien Votre Grande Bêtise
ou encore
Ne Mangez Rien Ou Je Vous Brûle Votre Grande Barbe“,
et une dernière phrase
Ne Mangez Rien Ou Je Vous Bats Violemment Gros Bêta
est intéressante car elle permet de repérer la position du violet à travers le mot “Violemment”. Chaque initiale correspond à la première lettre de chaque couleur.
(Wikipedia)

Exemple

Exemple de code de couleur sur une résistance : Vert Bleu Rouge = 5600 ohmsDans cet exemple, le code couleur pour la valeur de la résistance est  Vert  Bleu  Rouge.
Le troisième anneau est absent car c’est une résistance “normale” et pas une résistance de précision. C’est généralement ce type de résistance que vous utiliserez.

  • Vert = 5
  • Bleu = 6
  • Rouge =  x100

La résistance vaut donc 5600 Ω  ou encore 5,6 KΩ.

Lot de résistances 5600 O

Lot de résistances 5600 Ω

Ci dessus un lot de résistances 5600 Ω. C’est un cas réel. observez bien… Toutes les résistances ne sont pas dans le même sens. Repérez l’anneau vert 🙂 Ce modèle n’a pas d’anneau pour indiquer le coefficient de température. Juste un anneau couleur Or qui indique une précision de ± 5%.
Vous voyez qu’entre la théorie et la réalité, il y a parfois souvent toujours des différences ! Seule l’expérience et un bon appareil de mesure vous mettront à l’abri des erreurs.

Les résistances ont des valeurs normalisées, définies par la norme CEI 60063

Attention !
Si, comme moi, vous êtes daltonien, tout ce qui précède ne sert à rien. A vous de trouver comment ranger, étiqueter vos résistances. Pensez aussi à vous munir d’un multimètre pour vérifier les valeurs avant de connecter ces composants !

Mise en série des résistances

Lorsque vous mettez des résistances en série, leurs valeurs s’ajoutent :

Rtot = R1 + R2 +… + Rn

Exemple : si vous mettez en série 3 résistances de 100 Ω la résistance résultante vaudra 300 Ω .

Mise en parallèle des résistances

Pour simplifier nous allons prendre des résistances identiques (pour en savoir plus, voyez Wikiversity). Lorsque vous mettez des résistances identiques en parallèle la valeur finale vaut :

Rtot = R / n

Avec R : la valeur de chaque résistance et n le nombre de résistances.

Par exemple si vous mettez 3 résistances de 10 KΩ en parallèle, vous obtenez une résistance de

10 KΩ / 3 = 3300Ω

Les derniers chiffres ont peu d’importance compte tenu de la tolérance sur la valeur de la résistance. J’aurais pu écrire 3333 Ω mais si la résistance a une tolérance de ±5%, elle peut avoir n’importe quelle valeur entre 3499Ω et 3166Ω… donc 3300Ω est une valeur tout à fait acceptable (j’ajoute ça pour les pointilleux).

Si le cas des résistances de valeurs différentes mises en parallèle vous intéresse, consultez ce lien sur Wikipedia.

Utilisation

Les résistances sont utilisées principalement (en ce qui nous concerne) pour

  • Diviser une tension
  • Limiter le courant dans un composant (LED, transistor etc.)

Voyons rapidement comment ça fonctionne.

Diviser une tension

Pont diviseur composé de 2 résistances

Lorsqu’on applique la tension de 5 volts sur les deux résistances, un courant circule dans les résistances. Ce courant noté I (Intensité) arrive par la borne +5 volts, traverse R1 puis R2 avant de rejoindre la masse. Il est identique en tous endroits du circuit, ce qui permet en appliquant les formules de base de l’électricité de calculer la tension présente aux bornes de chacune des résistances.

Les résistances en série s’ajoutent (voir ici)  RTotale=R1+R2  le courant vaut I=Vin/(R1+R2)

On peut donc calculer VR1= R1/I  et  VR2=R2/I. En “tritouillant” les équations on peut s’arranger pour calculer directement la valeur aux bornes d’une des résistances, sans calculer d’abord le courant. On arrive à

Le mieux est de prendre un exemple. La tension d’entrée est de 5 volts, R1 = 1KΩ et R2 = 2KΩ. Quelle est la tension aux bornes de la résistance R2 ?

Diviseur de tension - Pont diviseur de tension

La tension aux bornes de R2 vaut VR2 = 5 x (R1/R1+R2) soit 5 x (2K/1K+2K) = 5 x (2/3)
On arrive donc à une tension de 3,3 volts aux bornes de R2. Voilà qui est intéressant car un module qui fonctionne en 5 volts (comme le module PIR vu plus loin) peut ainsi s’interfacer avec nos GPIO qui n’acceptent pas de tension supérieure à 3,3 volts.

Calculateur de pont diviseur

Pour ceux que les calculs rebutent, je vous offre ce calculateur de tension de sortie pour le pont diviseur. Faites glisser le curseur pour choisir la tension (entre 0 et 24 volts) et saisissez la valeur de R1 et R2 en OHM. La tension de sortie s’affiche directement 🙂

Limiter le courant dans une LED

Nota : Ce paragraphe utilise une LED, composant qui sera vu plus en détail immédiatement à la suite.

Diode LED avec résistance de limitation du courantDans cet exemple, la LED rouge est alimentée à partir du 5 Volt. Comme dans le cas du pont diviseur à résistance vu précédemment, le même courant I circule dans la résistance et dans la LED. Du fait des caractéristiques de la diode LED, la tension à ses bornes est fixe et égale à environ 1,6 volts (tension caractéristique d’une LED rouge).

Comme on applique une tension Vin de 5 volts, celle-ci se répartit entre la résistance et la LED.

Vin = VR + VLED

On peut en déduire que VR = Vin – VLED.

Pour allumer une LED “normale” (c’est quoi normale ?) il faut tabler sur un courant de 10 mA environ (mais ça peut être plus… ou moins, selon la LED). Quelle valeur donner à la résistance R pour que le courant qui parcourt le circuit soit de 10 mA ?

Comme il y a 1,6 volts aux bornes de la diode LED rouge, il reste 5 – 1,6 = 3,4 volts aux bornes de la résistance. Comme j’ai choisi un courant de 10 mA cette résistance parcourue par un courant de 10 mA présente une tension de 3,4 volts à ses bornes…

VR = R x I

on peut en déduire la valeur de R :          R = VR/I

avec VR = 3,4 volts et I = 10 mA ce qui donne R = 3,4 / 0,010 = 340 Ω.

Là encore la précision n’est pas de mise. Si vous trouvez une résistance de 300Ω, elle fera l’affaire. Une résistance de 470Ω aussi 😉 simplement dans ce cas la LED éclairera un peu moins. SI vous ne trouvez que 2 résistances de 1KΩ, pas de souci, mettez les en parallèle, vous obtiendrez 500Ω, pas loin de 470Ω, et la LED s’allumera. Si vous avez 3 résistances de 1K, mettez les en parallèle, ça fera une résistance de 330Ω et… ça fonctionnera aussi etc.

Calculateur de résistance pour LED

Pour les LED blanches, la tension est normalement un peu supérieure à 3,3 v mais prévoyez quand même une résistance de protection (quelques dizaines d’ohm).

LED

Définition

Crédit photo : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diodos_LED_foto.png

Photo Wikipedia

Une diode électroluminescente (abrégé en DEL en français, ou LED, de l’anglais : light-emitting diode), est un dispositif opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l’inverse étant le sens bloquant) et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu’un courant la traverse. (Wikipedia)

Technologie

Par Nicolas4192 — http://nicolas_pousset.perso.neuf.fr/Recherche.htm (Soutenance), Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11238502

Image Wikipedia

Le LED est une diode “comme les autres” qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Elle est constituée de deux semiconducteurs, un de type N et un de type P. Dans une diode “normale” la recombinaison des paires électrons-trous provoque une émission faible de photons infrarouges. La diode LED est spécialement conçue pour que la recombinaison électron-trou provoque l’émission de photons nombreux et situés dans le “visible”.

LED - Photo François MOCQ

Photo F. MOCQ

La LED est incluse dans un boîtier transparent. La partie inférieure de la LED (appelée substrat = support)  est fixée au fond d’une coupelle servant de réflecteur. On voit cette coupelle ci-dessus. Elle fait partie de la plaque large de connexion. C’est la cathode de la diode (reliée au pôle de l’alimentation). On peut voir un fil qui descend dans la coupelle. ce fil est relié à l’autre patte de la diode LED : l’anode (reliée au pôle + de l’alimentation).

LED - Photo François MOCQ

Photo F.MOCQ

Quand on regarde la LED depuis le dessus, on voit la coupelle (cercle sombre et plusieurs cercles concentriques au centre), le petit carré au milieu de la coupelle est le cristal de la LED. Les deux électrodes apparaissent de chaque côté sous forme d’un rectangle et on voit le fil qui relie la patte droite de la LED à l’anode. Remarquez le côté gauche de la LED qui comporte un méplat. C’est un des moyens pour repérer la cathode (pôle de la LED).

LED - Photo François MOCQ

Photo F.MOCQ

Sur cette image on voit le petit cube au centre de la coupelle et le fil de connexion à l’anode (côté + de la LED). Cette fois la cathode (le méplat) est sur la droite.

LED - Photo François MOCQ

Photo F.MOCQ

La coupelle est très réfléchissante, ce qui garantit qu’un maximum de lumière sera renvoyé dans la bonne direction. Le boîtier de la LED est fait d’une résine transparente ou translucide colorée. Dans le cas ci-dessus il s’agit d’une LED rouge super brillante sans lentille (le dessus du boîtier est plat) dont le boîtier est totalement transparent.

LED Monochrome

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ledmrp.jpg

Photo Wikipedia

LED bleue - Photo F.MOCQ
LED Blanche - Photo F.MOCQ

LED Jaune - Photo F.MOCQ

Photos F.MOCQ

Les LED représentées ci-dessus sont toutes monochromes. Elles émettent une seule couleur pour laquelle elles ont été fabriquées. Certaines LED sont transparentes, d’autres sont fabriquées à partir d’une résine colorée en fonction de la couleur émise par la LED. Vous en apprendrez plus sur les LED en lisant, par exemple, cet article sur le site de Sonelec.

Moyen mnémotechnique

Comment repérer l’anode (côté +) et la cathode (côté ) d’une LED ?

Regardez la représentation de la diode… D’un côté vous avez une lettre A, de l’autre un K : le A représente l’Anode et le K… la Kathode.

Encore mieux ! La patte la plus Kourte, celle qui est Koupée, correspond aussi à la Kathode : K = Courte, coupée, cathode !

Photos F.MOCQ

Et pour finir, le méplat (à gauche ci-dessus) est lui aussi KOUPÉ, c’est donc la Kathode de notre LED, la patte qui va rejoindre le pôle de l’alimentation…

Photos de LED

Photo de LED - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - merci de mettre un lien vers framboise314.fr si vous utilisez cette photo / LED photo - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - please put a link to framboise314. fr if you use this photo / Photo de LED - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - merci de mettre un lien vers framboise314.fr si vous utilisez cette photo / LED photo - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - please put a link to framboise314. fr if you use this photo / Photo de LED - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - merci de mettre un lien vers framboise314.fr si vous utilisez cette photo / LED photo - Francois MOCQ - CC-BY-NC-SA - please put a link to framboise314. fr if you use this photo /
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Cliquez sur les photos pour agrandir l’image

Ci-dessus des images de LED réalisées pour la préparation des articles et du livre sur Scratch. Elles sont en CC-BY-NC-SA et vous pouvez les utiliser comme vous voulez. Merci de mettre un lien vers cette page 😉

LED RGB

La LED RGB est un composant constitué en fait par 3 LED montées dans le même boîtier : une LED Rouge, une LED Verte, une LED Bleue. En français ont dit RVB et en anglais RGB (RedGreenBlue). Elle comporte donc 4 pattes, une par couleur plus une patte commune qui peut être l’anode ou la cathode. Vous en saurez plus sur ces LED et leur utilisation sur ce site.

Mélangeur de couleurs


Cliquez sur l’image pour ouvrir le mélangeur…

En bougeant les curseurs vous pourrez déterminer la couleur finale de la LED RGB. En mode tout ou rien (1 ou 0) regardez par exemple ce que produit R à 255, V à 255 et B à 0.
Pour obtenir des mélanges de couleurs avec des valeurs intermédiaires (entre 1 et 254) il faudra utiliser le mode PWM pour obtenir un nombre de couleurs plus important (256x256x256).
On travaille ici en synthèse additive des couleurs… Les résultats obtenus ne sont pas intuitifs si vous n’avez pas l’habitude de manipuler les couleurs Cyan Magenta et Jaune 😉

LED RGB à Cathode commune

 

Les LED RGB que j’ai utilisées avec Scratch sont des modèles à cathode commune. La cathode sera reliée à la masse et les anodes de chaque LED seront connectées à un port GPIO. La patte la plus longue des 4 est la cathode. L’image ci-dessus vous indique comment sont connectées les anodes des 3 LED.

Connexion au Raspberry Pi de la LED RGB

Connexion de la LED RGB cathode commune aux GPIO du Raspberry Pi - Dessin Fritzing - François MOCQ - CC BY NC SAVoici un exemple de connexion au Raspberry Pi de la LED RGB à cathode commune. Le fil noir est relié à la masse. Les fils de couleur RVB sont connectés à des sorties GPIO. Il faudra noter le numéro de ces GPIO pour les utiliser dans vos programmes.

Tester une LED

En la connectant au 5v

J’ai souvent été interpelé dans les ateliers par des participants qui m’appellent en me disant : “J’ai bien suivi le tuto, j’ai relu le programme mais… la LED ne s’allume pas !“. Je leur demande si “avant” ils avaient testé la LED et sa connexion… Du coup j’obtiens un regard interrogateur du genre “Mais qu’est-ce qu’il raconte ?“… Je vous explique : quand vous connectez une LED, rien de plus simple. Mais :

  • est-ce que la LED fonctionne ?
  • est-ce que les fils sont bons ?
  • est-ce que la résistance a la valeur qu’il faut ?
  • est ce qu’elle est connecté dans le bon trou de la breadboard ?
  • est-ce que les fils sont connectés sur les bonnes broches du GPIO ?

Comme je le dis souvent, dépanner ce n’est pas de la voyance ! Il faut vérifier, être sûr et certain, tester, réfléchir. Sinon on suit le tuto et si on a un peu de bol, le montage “tombe en marche” 😀

Il est préférable de connecter d’abord les différents fils, sans mettre le Raspberry Pi sous tension. Quand tous les fils sont connectés, les connexions vérifiées (plutôt deux fois qu’une), vous pouvez relier le Raspberry Pi à son alimentation.

Prenons un exemple : vous souhaitez allumer une LED en passant un GPIO à 1. Il sortira du 3,3v. Avant de connecter la LED au GPIO, on va tester l’ensemble du montage avec une alimentation 3,3v du Raspberry Pi. Si ça fonctionne, si tout est correct, la LED va s’allumer. Il n’y aura plus qu’à déplacer le fil de la broche 3,3v du Raspberry Pi vers la sortie GPIO que vous lui avez attribuée.

A défaut, si la LED ne s’allume pas, en général, le réflexe est de se dire que le programme c’est de la m… ne fonctionne pas  et de se lancer dans des recherches plus ou moins à tâtons pour essayer de trouver où ce @$*!! d’auteur a pu faire une erreur 😉 Rarement la personne qui a câblé le montage remet en cause SON câblage (je suis le meilleur, je ne peux pas me tromper!). Et pourtant… Dans 80% des cas, la panne se situe entre la chaise et le clavier.

On va donc procéder méthodiquement. Connectez votre LED comme ceci : La cathode reliée par un fil noir à une broche de masse du connecteur GPIO. L’anode connectée via la résistance que vous utiliserez “en vrai” à la borne 3,3v du Raspberry Pi. Mettez le Raspberry Pi sous tension. La LED s’allume ? Tout va bien. Vous pouvez passer à l’étape suivante.

Si elle ne s’allume pas, inutile de continuer. Votre programme n’allumera JAMAIS la LED. Cherchez la panne, l’erreur, le composant défectueux. Dites vous que c’est une chance si ça ne fonctionne pas ! si ça fonctionne, on n’apprend rien. On apprend en cherchant, en testant.

Connectez la LED au GPIO que vous avez prévu dans le programme. Maintenant si le programme fait passer la sortie GPIO à 1 (3,3v) la LED va s’allumer. Utilisez par exemple le programme Scratch du livre pour allumer la LED.

Testez la LED avec un script SHELL
Si vous voulez tester la LED avec un script shell c’est également possible. Rendez vous sur cette page pour en savoir plus.

Allumer une LED avec un bouton poussoir

Pour commencer on va allumer une LED avec un bouton poussoir. Le Raspberry Pi sert uniquement à alimenter la LED. Pas besoin de programme Python, C ou Scratch pour l’instant.

Reliez le + 3,3v à une broche de l’interrupteur par un fil rouge. L’autre broche de l’interrupteur est connectée à la résistance. La résistance rejoint ensuite l’anode de la LED. La cathode de la LED rejoint une broche de masse (fil noir) du connecteur GPIO. Mettez le Raspberry Pi sous tension. La LED est éteinte. Appuyez sur le bouton poussoir. La LED s’allume.
Si elle ne s’allume pas voyez ci-dessus

Lorsque c’est testé, vous avez une LED qui s’allume et un bouton poussoir. Allez, on branche le poussoir sur un port GPIO et la LED sur un autre port. On va allumer la LED avec un programme Scratch (voir livre Scratch et Raspberry Pi page 232). Un appui sur le bouton poussoir va piloter la LED (allumage, extinction, clignotement etc.)

Hello World !
Les grognons vous diront que c’est bien compliqué puisqu’il suffirait de connecter la LED et le bouton poussoir directement. C’est vrai ! Pourquoi passer par le Raspberry Pi pour allumer une LED ? Bin… Quand on sait comment allumer une LED, rien n’empêche de remplacer la LED par autre chose (un radiateur, un volet roulant…) et le bouton poussoir par un détecteur de lumière, un détecteur de présence…) et voilà le tout début d’une installation domotique. Et puis un appui sur le bouton poussoir produit un contact momentané. Quand vous relâchez, le contact est interrompu. Pourtant la LED s’allumera, s’éteindra, clignotera (plus ou moins vite) en fonction de vos actions sur le seul bouton poussoir…
Quand un programmeur découvre un nouveau langage, il commence souvent par faire afficher à l’écran “Hello World“. Cela lui permet d’appréhender les bases du langages et d’envoyer un message visible sur l’écran, ce qui confirme le bon fonctionnement. Allumer une LED c’est le “Hello World” du maker. C’est le début d’une longue aventure au pays des composants électroniques !

Module LED Laser

 

Module détecteur de lumière

Photo-résistance

Une photorésistance est composée d’un semi-conducteur à haute résistivité. Si la lumière incidente est de fréquence suffisamment élevée (donc d’une longueur d’onde inférieure à la longueur d’onde seuil), elle transporte une énergie importante. Au-delà d’un certain niveau propre au matériau, les photons absorbés par le semi-conducteur donneront aux électrons liés assez d’énergie pour passer de la bande de valence à la bande de conduction. La compréhension de ce phénomène entre dans le cadre de la théorie des bandes. Les électrons libres et les trous d’électron ainsi produits abaissent la résistance du matériau1.

Lorsque le photon incident est suffisamment énergétique, la production des paires électron-trou est d’autant plus importante que le flux lumineux est intense. La résistance évolue donc comme l’inverse de l’éclairement. Cette relation peut être modélisée par la relation suivante1 :

R ( L ) = R 0 L − k {\displaystyle R(L)=R_{0}L^{-k}}

Les matériaux utilisés dans les photorésistances sont le plus souvent des composés des colonnes II-VI de la classification périodique des éléments. Pour une utilisation dans le domaine visible et à faible coût, on utilise le plus souvent le sulfure de cadmium (CdS) ou le séléniure de cadmium (CdSe). Pour des utilisations dans l’infrarouge on utilise le sulfure de plomb (PbS).

Détecteur infra-rouge PIR

Module Buzzer

Capteur de distance à ultrasons

Servomoteur SG90

Moteur Pas à Pas

Le moteur Pas à Pas 28BYJ8

Carte de commande pour 28BYJ8

Moteur courant continu

Moteur

Circuit intégré L293

 

 

 

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