Déclencheur de Schmitt : Conception, Fonctionnement et Applications Pratiques

Le déclencheur de Schmitt, initialement appelé « déclencheur thermionique », existe depuis des décennies. Il a contribué à des avancées technologiques majeures, notamment la commutation fiable entre deux états de tension. C'est un comparateur ou amplificateur différentiel doté d'un hystéresis offrant une immunité au bruit. Même sans hystéresis, il peut agir comme un comparateur générant des impulsions numériques propres.

Aujourd'hui, nous allons concevoir un circuit déclencheur de Schmitt, expliquer son fonctionnement et présenter ses principales applications.

1. Qu'est-ce qu'un Déclencheur de Schmitt ?

En résumé, c'est un comparateur régénératif. Il utilise une rétroaction positive pour créer un hystéresis de tension ou convertir une entrée sinusoïdale en sortie carrée. Souvent, la tension de sortie du déclencheur de Schmitt sert de tension de référence pour les formes d'onde d'entrée. Il convertit le bruit du signal analogique d'entrée en signal numérique.

Le déclencheur de Schmitt peut aussi être un circuit bistable, avec des niveaux de sortie haut et bas stables une fois que l'entrée franchit le seuil souhaité.

2. Types de Déclencheurs de Schmitt

De nombreux circuits intégrés logiques intègrent des déclencheurs de Schmitt. Nous nous concentrerons ici sur les versions réalisables soi-même (DIY).

Les deux types principaux sont :

• Le déclencheur de Schmitt basé sur amplificateur opérationnel (AOP), et
• Le déclencheur de Schmitt basé sur transistors.

Ces deux types sont détaillés dans la section sur les circuits courants.

3. Comment Fonctionne un Déclencheur de Schmitt ?

Le déclencheur de Schmitt exploite le concept de rétroaction positive : il prélève un échantillon de la sortie et le réinjecte à l'entrée, renforçant ainsi l'état de sortie.

(Explication de la rétroaction positive)

Ce renforcement permet à la sortie du comparateur de se stabiliser dans un état donné et d'y rester constant au niveau requis.

4. Circuits Courants de Déclencheur de Schmitt

Déclencheur de Schmitt à Transistors

Ce circuit utilise deux transistors (composants essentiels) et quelques composants externes de base pour établir le schéma fonctionnel.

Fonctionnement du circuit

Initialement, quand V_IN (tension d'entrée) est à 0 V, T1 ne conduit pas. La tension de référence V_ref est à 1,98 V, ce qui permet à T2 de conduire.

Au nœud B, le circuit se comporte comme un diviseur de tension. Avec les valeurs de composants données :

V_IN = 0 V, V_ref = 5 V

V_a = (R_a + R_b) / (R_a + R_b + R₁) × V_ref

V_b = R_b / (R_b + R₁ + R_a) × V_ref

La tension de conduction de T2 (1,98 V) est faible. La tension de base de T2 (1,28 V) est supérieure à sa tension d'émetteur (0,7 V), ce qui maintient T2 passant.

En augmentant V_IN, on franchit le seuil de conduction de T1. T1 se met à conduire, ce qui fait chuter la tension de base de T2. La conduction de T2 diminue, ce qui fait monter la tension de sortie.

Déclencheur de Schmitt à transistors

Puis, quand V_IN diminue, la tension de base de T1 repasse sous 0,7 V (tension d'émetteur), ce qui bloque T1. Le courant d'émetteur chute jusqu'à ce que T1 retrouve un mode actif direct. Les tensions de base de T2 et de collecteur remontent.

Parfois, un faible courant résiduel dans T2 peut maintenir T1 bloqué et faire chuter la tension d'émetteur. Il faut alors abaisser V_IN à environ 1,3 V pour désactiver complètement T1.

Finalement, on obtient deux tensions de seuil : 1,3 V (seuil bas) et 1,9 V (seuil haut).

Circuits Déclencheur de Schmitt à Amplificateur Opérationnel

Les circuits à AOP se divisent en deux catégories : entrée non-inverseuse et entrée inverseuse.

Circuit Déclencheur de Schmitt Inverseur

Pour le déclencheur de Schmitt inverseur, on applique le signal d'entrée sur l'entrée inverseuse de l'AOP. La sortie générée est de polarité opposée, et on la réinjecte sur l'entrée non-inverseuse pour obtenir la rétroaction positive.

Circuit déclencheur de Schmitt inverseur

Explication et formules du circuit inverseur ci-dessus :

Si V_IN > V_REF, la sortie du comparateur est -V_SAT. Inversement, si V_IN < -V_REF (plus négatif), la sortie est +V_SAT. La tension de sortie V_O ne peut donc être que -V_SAT ou +V_SAT. Les résistances R₁ et R₂ permettent de régler les tensions de seuil.

Formules des tensions de référence :

1. V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
2. V_O = V_SAT → V_REF = (V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)
3. -V_REF = (V_O × R₂) / (R₁ + R₂)
4. V_O = -V_SAT → -V_REF = (-V_SAT × R₂) / (R₁ + R₂)

V_REF est souvent appelé Tension de Seuil Supérieure (V_UT), et -V_REF Tension de Seuil Inférieure (V_LT).

Circuit Déclencheur de Schmitt Non-Inverseur

Ici, le signal d'entrée est appliqué sur l'entrée non-inverseuse de l'AOP. La résistance d'émetteur R₁ réinjecte la tension de sortie vers l'entrée non-inverseuse.

Circuit déclencheur de Schmitt non-inverseur

Supposons la sortie initialement à +V_SAT. Elle y reste tant que V_IN < V_LT. Si V_IN dépasse V_LT, la sortie bascule à -V_SAT. On peut aussi ajouter une tension de biais en série pour ajuster les tensions de référence.

La sortie reste à -V_SAT jusqu'à ce que V_IN remonte au-dessus de V_UT.

5. Applications des Déclencheurs de Schmitt

On trouve les circuits déclencheur de Schmitt dans de nombreuses applications :

• Circuits anti-rebond (switch debounce) pour contacts mécaniques.
• Oscillateurs à relaxation, surtout dans les boucles à réaction négative.
• Générateurs de fonctions et alimentations.
• Conversion d'onde sinusoïdale en onde carrée.
• Conditionnement de signal dans les circuits numériques pour éliminer les transitions parasites multiples.

Résumé

Cet article a détaillé les déclencheurs de Schmitt : leur fonctionnement, structure de circuit de base et applications.

Malgré leur grande efficacité, quelques précautions s'imposent : piloter un AOP jusqu'aux rails de tension augmente la consommation et nécessite une source d'alimentation plus robuste. Malgré cette limitation, on élimine les signaux bruités et on réduit les transitions de sortie multiples.

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