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Dernière mise à jour : 15/07/2012

Présentation

Qu'est qu'un monostable ? C'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 dite de déclenchement, fait basculer sa sortie dans l'état électrique opposé (par exemple sortie à l'état haut, +5 V), 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 déclenchement (ou impulsion d'entrée)

Il s'agit de l'évenement qui conduit la sortie du monostable à changer d'état. Il peut s'agir d'une courte impulsion ou d'un changement d'état logique sans retour à l'état initial. Attention, la durée de l'impulsion de déclenchement doit être suffisement grande pour que le monostable la voit. 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 limitée si la largeur de l'impulsion est large.

Polarité de l'impulsion de déclenchement

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 déclanché, 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 déclenchement, 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 évenement bref, mais mettons de côté mes états d'âme.

Redéclanchable ou non redéclanchable

Un monostable non redéclanchable délivre une impulsion de sortie dont la durée est immuable, même si pendant l'état instable, surviennent plusieurs impulsions de déclenchement. Un monostable redéclanchable délivre une impulsion de sortie qui se "réactive" à chaque nouvelle impulsion de déclenchement. Si une nouvelle impulsion de déclenchement 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 déclenchement 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 celà plus loin.

Utilisations

Le monostable est un circuit très utilisé. Il permet :

de fixer la durée d'un évenement
de retarder la production d'un évenement
de contrôler la présence ou l'absence d'un signal périodique (surveillance rotation ventilateur par exemple)
d'effectuer un filtrage (blocage d'un signal dont la fréquence ne répond pas à une certaine plage de valeurs)
de mesurer des fréquences, si on l'associe à un intégrateur RC.

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 connection suivants :

une entrée CLK (Clock, horloge) qui est l'entrée de déclenchement, 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.

Sur l'entrée CLK, nous appliquons une impulsion de déclenchement 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 déclenchement 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 déclenchement 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 déclenchement isolé, la durée de l'impulsion de déclenchement 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 élements "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 déclenchement et de sortie étaient toutes deux de type positives. L'entrée CLK du monostable était active sur le front montant de l'impulsion de déclenchement. 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 designe 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

	Graphe ba Déclenchement sur le front montant d'une impulsion positive
	Graphe bb Déclenchement sur le front descendant d'une impulsion positive
	Graphe bc Déclenchement sur le front descendant d'une impulsion négative
	Graphe bd Déclenchement 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 déclenchement (entrée CLK, signal Imp), les dessins (graphes) valent mieux qu'un grand discours. Aussi, prenez bien le temps d'observer les différences entre les quatres graphes.

Impulsion de sortie retardée

Tout est clair ? Bien, maintenant, imaginez ce qui se passe si l'impulsion de déclenchement 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.

Graphe be
Déclenchement sur le front descendant d'une impulsion positive, l'impulsion de déclenchement étant cette fois plus longue. L'impulsion de sortie du monostable est déclanchée avec un retard égal à la durée de l'impulsion de déclenchement. 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 déclenchement 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 déclancher 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 évenements 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.

Graphe ca
Déclenchement 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 déclanché. 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 déclenchement de la sirène. Si au bout des 10 secondes le monostable 2 n'est pas inhibé, la fin de l'impulsion du monostable 1 déclanche 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 004. 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 déclenchement uniques et isolées. Nous allons maintenant observer ce qui se passe quand plusieurs impulsions de déclenchement se succèdent. C'est ici que prend toute sa valeur la notion de redéclenchement. 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 déclenchement 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 déclenchement n'est pas toujours la même.

	Graphe da Monostable non redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclenchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclenchement, 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 précédement.
	Graphe db Monostable non redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclenchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclenchement, est inférieur à la durée de l'impulsion de sortie, une nouvelle impulsion de déclenchement 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.
	Graphe dc Monostable redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclenchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclenchement, 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.
	Graphe dd Monostable redéclanchable, avec plusieurs impulsions de déclenchement qui se suivent. Le temps qui sépare entre elles deux impulsions de déclenchement, 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 déclenchement, et comme celà se reproduit à intervalles réguliers, le monostabe 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 déclenchement n'était pas très critique pour un déclenchement 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 déclenchement 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 élement en rotation, qui génère une impulsion à chaque tour de l'élément en question, pour déclancher 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 001.
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 répendu 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 (ou CD4528)

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 déclenchement, 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.

Remarque : le datasheet du CD4538 de Fairchild indique qu'il faut relier la broche CX (borne 1 ou 15) à la masse, alors que le datasheet du CD4528 de NS (National Semiconductor) indique que la broche CX ne reçoit que la broche du condensateur et ne va pas à la masse. De mon côté je n'avais jamais prêté attention à ce détail. J'ai commencé avec des CD4528 et ai ensuite continué avec des CD4538, sans jamais raccorder ces broches 1 et 15 à la masse. J'ai eu certains retours de la part de bricoleurs qui m'ont dit avoir rencontré des difficultés de fonctionnement avec un CD4538 dont la broche 1 ou 15 n'était pas reliée à la masse. Une chose est sûre : si le constructeur dit qu'il faut le faire, il faut le faire.
Exemple d'utilisation : Chenillard 011a, Générateur d'impulsions 005, Métronome 005.

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 cablage 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.

Les schémas suivants ne mettent en oeuvre qu'une seule porte logique. Pour un fonctionnement correct, R1 doit être faible devant R2, et R1 doit être supérieure à 100 kO. 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 MO 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 10 kO (rapport R1/R2 plus faible).

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. Rappelons sa structure interne :

Le schéma qui suit l'utilise en tant que monostable : sur une impulsion de déclenchement 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 déclenchement, et une LED pour visualiser l'état de la sortie Out.

Si l'on souhaite déclencher le NE555 avec une impulsion positive, on peut le faire précéder par un transistor monté en inverseur logique, comme le montre le schéma suivant.

On peut aussi déclencher le NE555 avec les doigts, et non plus avec un bouton poussoir ou une impulsion électrique :

Description d'un tel montage à la page Temporisateur 003.
Un câblage différent du NE555 est possible, comme en atteste le schéma suivant, dans lequel la pauvre broche 7 est laissée à l'abandon.

Dans ce montage, le NE555 est utilisé en simple comparateur et la sortie est active tant que la tension aux bornes de C1 est inférieure aux deux tiers de l'alimentation (soit un seuil de 6 V pour une alimentation générale de 9 V). Le bouton poussoir SW1/Start, lorsqu'il est enfoncé, court-circuite le condensateur C1 et la temporisation démarre dès cet instant. Notez que la charge du condensateur ne peut pas s'amorcer tant que SW1 est enfoncé. La durée totale de temporisation (d'activation de la sortie) est égale à la somme de la durée nécessaire à la charge du condensateur C1 pour atteindre 2/3 de Valim et de la durée d'appui sur SW1. Avec les valeurs du schéma, on obtient une temporisation de durée comprise entre une seconde et deux minutes environ (durée enfoncement SW1 non comprise), selon la position du curseur du potentiomètre RV1. Le test doit se faire sans l'extension secteur, avec pour seul élément de contrôle la LED D1. L'extension secteur est totalement facultative et constitue un exemple simple de commande d'une charge résistive au travers d'un triac, dont la gachette G (broche de commande) est reliée à la sortie (broche 3) du NE555. Attention si vous réalisez ce montage avec le triac car une des broches du secteur (celle marquée Neutre sur le schéma) se trouve reliée à la masse (le montage fonctionne aussi si les fils Neutre et Phase sont inversés). Et comme vous le savez, le secteur n'est pas une pile de 1,5 V. L'avantage de ce montage est que le NE555 est capable d'injecter un courant suffisant (ici environ 50 mA) dans le triac, ce qui assure un déclenchement plus sûr même avec des triacs "peu sensibles". Le montage qui précède produit une "impulsion" positive, c'est à dire que la sortie est active pendant la durée de la temporisation. Avec le même NE555, il est possible de travailler à l'envers, c'est à dire avec la sortie qui s'active au terme de la temporisation. C'est ce que montre le schéma suivant, où on se contente finalement d'intervertir condensateur et résistance de temporisation.

Comment ? Oui, vous avez raison, c'est peut-être mieux que de chaîner deux monostables de type CD4528 ou CD4538. Ca fait moins de pattes. Mais... avec ce schéma à NE555, la sortie reste activée après temporisation, alors qu'avec deux monostables CD4538, on dispose d'une temporisation active après une temporisation d'attente. Comme quoi il y a toujours de la place pour tout le monde. A quoi sert la diode D2 ? A décharger rapidement le condensateur quand le montage est mis hors tension, elle est facultative. Ah oui, j'avais oublié de vous le dire. Ce montage s'active automatiquement à la mise sous tension, le poussoir SW1 n'est là que pour relancer la machine en cas de besoin. Ce type de montage peut donc servir à mettre en route un équipement au bout d'un certain temps après sa mise sous tension (la LED D1 et sa résistance série peuvent être remplacées par un relais avec diode de roue libre câblée en parallèle dessus et en inverse).

Utilisation de transistors ?

Il est vrai qu'un circuit intégré de type CD4528 ou CD4538, une résistance et un condensateur suffisent pour réaliser un monostable qui peut être déclanché au choix sur un front montant ou sur un front descendant. Mais quid des transistors ? Ce type de composant pourrait-il être utilisé pour réaliser la fonction de monostable ? Pas impossible...

Ce circuit permet de produire une impulsion positive sur la sortie Out, déclanchée 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.

Historique

15/07/2012
- Ajout schéma monostable "mise en route retardée" avec NE555 (electronique_monostables_001zfd).
08/07/2012
- Ajout schéma "mise en route temporisée" avec NE555 (electronique_monostables_001zfc).
24/06/2012
- Ajout monostable avec transistors (electronique_monostables_001zg.gif).