Tension, courant, résistances, condensateurs, transistors et diodes — tout ce qu'il faut savoir pour câbler vos microcontrôleurs
Un microcontrôleur ne vit pas seul. Pour qu'il interagisse avec le monde physique — allumer une LED, lire un capteur, piloter un moteur — il a besoin de composants électroniques autour de lui. Comprendre ces composants est indispensable pour concevoir des circuits fiables et éviter de griller votre matériel.
Ce tutoriel couvre les fondamentaux pratiques dont vous avez besoin pour tous les projets PIC, Arduino et ATmega de ce site. Pas de théorie abstraite inutile : chaque notion est illustrée par un exemple concret de montage avec microcontrôleur.
Toute l'électronique repose sur trois grandeurs liées entre elles :
La tension est la « pression » qui pousse les électrons à circuler. C'est la différence de potentiel électrique entre deux points. On la mesure en volts (V). Dans nos projets, les tensions typiques sont 5V (Arduino, PIC) et 3.3V (certains capteurs, ESP32).
Analogie : La tension est comme la pression de l'eau dans un tuyau. Plus la pression est forte, plus l'eau pousse fort.
Le courant est la quantité d'électrons qui circulent par seconde dans un circuit. On le mesure en ampères (A). Dans nos projets, on travaille généralement en milliampères (mA) : une LED consomme ~10 mA, un microcontrôleur ~20 mA, un moteur DC ~200 mA à 1 A.
Analogie : Le courant est comme le débit d'eau dans le tuyau. Plus le débit est fort, plus l'eau coule vite.
La résistance est l'opposition au passage du courant. Elle se mesure en ohms (Ω). Un fil de cuivre a une résistance très faible (~0 Ω), tandis qu'un isolant (plastique, air) a une résistance quasi infinie.
Analogie : La résistance est comme le diamètre du tuyau. Un tuyau étroit (haute résistance) laisse passer moins d'eau qu'un tuyau large (faible résistance).
La loi d'Ohm est LA formule fondamentale de l'électronique. Elle relie les trois grandeurs :
Ce qui donne aussi :
Vous voulez alimenter une LED rouge (tension de seuil 2V) à 10 mA depuis une sortie 5V d'un Arduino. Quelle résistance utiliser ?
R = (V_source − V_LED) / I = (5 − 2) / 0.010 = 300 Ω
→ Valeur normalisée la plus proche : 330 Ω (série E24)
C'est ce calcul que vous ferez à chaque fois que vous ajoutez une LED à un circuit. Il est si courant qu'il deviendra un automatisme.
Chaque composant dissipe de l'énergie sous forme de chaleur. La puissance se calcule avec :
Pourquoi c'est important ? Pour choisir la bonne taille de résistance. Les résistances les plus courantes (petites, avec des bandes de couleur) sont des résistances 1/4 W (0.25 W). Si votre calcul donne une puissance supérieure, il faut une résistance de puissance plus élevée (1/2 W, 1 W, 5 W).
Une résistance de 330 Ω avec un courant de 10 mA dissipe :
P = R × I² = 330 × (0.010)² = 0.033 W = 33 mW
→ Largement sous les 250 mW d'une résistance 1/4 W. Aucun problème.
La résistance est le composant le plus utilisé en électronique. C'est un composant passif (ne nécessite pas d'alimentation) et non polarisé (pas de sens de branchement).
Les résistances traversantes (à pattes) utilisent un code de bandes colorées pour indiquer leur valeur. Voici comment le lire pour une résistance à 4 bandes :
| Couleur | Chiffre | Multiplicateur | Tolérance |
|---|---|---|---|
| ⬛ Noir | 0 | ×1 | — |
| 🟤 Marron | 1 | ×10 | ±1% |
| 🔴 Rouge | 2 | ×100 | ±2% |
| 🟠 Orange | 3 | ×1 000 | — |
| 🟡 Jaune | 4 | ×10 000 | — |
| 🟢 Vert | 5 | ×100 000 | ±0.5% |
| 🔵 Bleu | 6 | ×1 000 000 | ±0.25% |
| 🟣 Violet | 7 | ×10 000 000 | ±0.1% |
| ⬜ Gris | 8 | — | — |
| ⬜ Blanc | 9 | — | — |
| 🥇 Or | — | ×0.1 | ±5% |
| 🥈 Argent | — | ×0.01 | ±10% |
Exemple : une résistance avec les bandes Rouge - Rouge - Marron - Or :
Bande 1 (Rouge) = 2 | Bande 2 (Rouge) = 2 | Bande 3 (Marron) = ×10 | Bande 4 (Or) = ±5%
→ Valeur : 22 × 10 = 220 Ω ± 5%
| Valeur | Usage typique avec microcontrôleur |
|---|---|
| 220 Ω | Limitation de courant pour LED (rouge, jaune) sur sortie 5V (~14 mA) |
| 330 Ω | Limitation LED (toutes couleurs) courant modéré (~10 mA) |
| 1 kΩ | Résistance de base pour transistor NPN, protection entrée |
| 4.7 kΩ | Pull-up pour bus I2C, pull-up pour capteur DS18B20 (1-Wire) |
| 10 kΩ | Pull-down pour boutons, pull-up externe, diviseur de tension avec LDR |
| 100 kΩ | Haute impédance, protection entrée analogique, filtrage RC |
Quand une broche d'entrée d'un microcontrôleur n'est connectée à rien, elle est dans un état indéterminé appelé « flottant ». Elle peut lire HIGH ou LOW aléatoirement, ce qui cause des comportements erratiques. Pour stabiliser l'état, on utilise une résistance :
La plupart des microcontrôleurs (ATmega, PIC) ont des résistances pull-up internes activables par logiciel, ce qui élimine le besoin d'une résistance externe pour les boutons.
Un condensateur est un composant qui stocke de l'énergie électrique temporairement. Il se charge quand on lui applique une tension et se décharge quand on l'en retire. Sa capacité se mesure en farads (F), mais en pratique on utilise des sous-multiples :
Petits disques ou carrés plats marqués d'un code à 3 chiffres. Ils n'ont pas de sens de branchement. Le code se lit comme le code couleur des résistances : les deux premiers chiffres sont la valeur, le troisième est le multiplicateur en picofarads.
Cylindriques, plus gros, avec la valeur écrite dessus en µF. Ils ont un sens de branchement : la patte longue est le + (anode) et une bande marquée sur le boîtier indique le − (cathode). Les brancher à l'envers peut les faire exploser.
| Usage | Valeur | Type | Explication |
|---|---|---|---|
| Découplage VDD | 100 nF | Céramique | Placé entre VDD et GND au plus près du PIC. Filtre les pics de courant haute fréquence. Obligatoire sur chaque microcontrôleur. |
| Filtrage alimentation | 10 à 100 µF | Électrolytique | Placé à l'entrée d'alimentation. Lisse les variations de tension plus lentes. Complète le condensateur de découplage. |
| Anti-rebond bouton | 100 nF | Céramique | En parallèle avec le bouton, filtre les rebonds mécaniques. Alternative matérielle au debounce logiciel. |
| Quartz externe | 15 à 33 pF | Céramique | Deux condensateurs de charge entre chaque broche du quartz et GND. Valeur indiquée dans la datasheet du quartz. |
| Filtre RC (lissage) | 1 à 10 µF | Céramique ou électro | Combiné à une résistance, lisse un signal PWM en tension analogique quasi continue. |
⚠️ Règle d'or du découplage : Placez toujours un condensateur céramique de 100 nF entre VDD et VSS de chaque microcontrôleur, au plus près des broches d'alimentation. Sans ce condensateur, le PIC ou l'ATmega peut avoir des comportements imprévisibles : resets aléatoires, lectures ADC bruitées, communication série corrompue. C'est le composant le plus oublié par les débutants et la cause la plus fréquente de problèmes mystérieux.
La LED est le composant de sortie le plus utilisé dans les projets de microcontrôleurs. C'est une diode qui émet de la lumière quand un courant la traverse dans le bon sens. Elle a deux propriétés essentielles :
| Couleur | Vf typique | R pour 10 mA (5V) | R pour 10 mA (3.3V) |
|---|---|---|---|
| 🔴 Rouge | 1.8 – 2.0V | 300 – 330 Ω | 130 – 150 Ω |
| 🟠 Orange | 2.0 – 2.2V | 270 – 300 Ω | 100 – 130 Ω |
| 🟡 Jaune | 2.0 – 2.2V | 270 – 300 Ω | 100 – 130 Ω |
| 🟢 Vert | 2.0 – 3.0V | 200 – 300 Ω | 30 – 130 Ω |
| 🔵 Bleu | 2.8 – 3.5V | 150 – 220 Ω | ⚠️ Marge faible |
| ⚪ Blanc | 3.0 – 3.5V | 150 – 200 Ω | ⚠️ Marge faible |
Ne jamais connecter une LED sans résistance ! Sans résistance de limitation, le courant sera excessif et la LED grillera instantanément (ou la sortie du microcontrôleur sera endommagée).
Une diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens (de l'anode vers la cathode). La LED en est un cas particulier. Les diodes classiques les plus utiles :
C'est la diode de redressement la plus courante. Elle supporte jusqu'à 1A et 1000V en inverse. Utilisations typiques avec microcontrôleurs :
Contrairement à une diode normale, une diode Zener est conçue pour conduire en sens inverse à partir d'une tension précise (tension Zener). On l'utilise pour la protection des entrées (une Zener 5.1V protège une entrée contre les surtensions) ou la régulation basique de tension.
Un transistor est un composant à 3 broches qui agit comme un interrupteur commandé électriquement. Quand un petit courant (ou une tension) est appliqué sur la broche de commande, le transistor laisse passer un courant beaucoup plus important entre les deux autres broches. C'est le composant essentiel pour piloter des charges que le microcontrôleur ne peut pas alimenter directement (moteurs, relais, rubans LED, solénoïdes).
Le transistor NPN (ex : 2N2222, BC547) a 3 broches :
Quand la base reçoit un petit courant (~1 mA), le transistor devient conducteur entre le collecteur et l'émetteur, laissant passer le courant de la charge (jusqu'à ~500 mA pour un 2N2222, ~100 mA pour un BC547).
Sortie PIC/Arduino (5V ou 3.3V)
|
[R 1kΩ] ← résistance de base
|
B
VDD ──[charge]──C (transistor NPN)
E
|
GNDLa résistance de base (1 kΩ) limite le courant de base à environ 3–5 mA, ce qui est suffisant pour saturer le transistor et le faire conduire à pleine charge.
R_base = (V_out − V_BE) / I_base
V_out = 5V (sortie MCU), V_BE ≈ 0.7V (tension base-émetteur), I_base ≈ I_charge / hFE
Pour un 2N2222 (hFE ≈ 100) et une charge de 100 mA : I_base = 100/100 = 1 mA → R = (5−0.7)/0.001 = 4.3 kΩ
En pratique, on surdimensionne pour assurer la saturation : 1 kΩ est un choix sûr et universel.
Le MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) est commandé par tension et non par courant. Il ne consomme quasiment aucun courant sur sa grille (Gate), ce qui est idéal pour les microcontrôleurs. Ses 3 broches :
Les MOSFET les plus utilisés avec les microcontrôleurs :
| MOSFET | Type | I max | Vgs seuil | Usage |
|---|---|---|---|---|
| IRLZ44N | N-channel | 47A | 1–2V | Rubans LED, moteurs DC (logic-level gate) |
| IRF520 | N-channel | 9.2A | 2–4V | Moteurs, chauffage (nécessite 5V sur gate) |
| 2N7000 | N-channel | 200 mA | 1–3V | Petites charges, conversion de niveau logique |
💡 NPN vs MOSFET — Quand utiliser lequel ?
NPN (2N2222, BC547) : charges jusqu'à ~500 mA, circuits simples, très bon marché.
MOSFET (IRLZ44N) : charges de 1A à 50A+, rubans LED, moteurs puissants, commutation rapide. Préférez les modèles « logic-level gate » (Vgs < 3V) pour fonctionner directement avec des sorties 3.3V ou 5V.
Le diviseur de tension est un montage de deux résistances en série qui permet d'obtenir une tension inférieure à la tension d'entrée. C'est l'un des circuits les plus utiles en électronique embarquée.
⚠️ Attention : Un diviseur de tension ne régule PAS la tension — il ne fait que la diviser de manière proportionnelle. Si la charge consomme du courant, la tension de sortie chute. Pour alimenter un circuit, utilisez un régulateur de tension (7805 pour 5V, AMS1117 pour 3.3V), pas un diviseur.
Un régulateur de tension fournit une tension stable et constante en sortie, quelle que soit la variation de la tension d'entrée (dans les limites). C'est le composant qui alimente votre microcontrôleur.
| Composant | V sortie | I max | V entrée min | Usage |
|---|---|---|---|---|
| 7805 | 5V | 1A | 7V | Alimentation classique 5V pour PIC et Arduino |
| AMS1117-3.3 | 3.3V | 800 mA | 4.5V | Alimentation capteurs 3.3V, ESP8266/ESP32 |
| LM317 | 1.25–37V | 1.5A | V_out + 3V | Tension ajustable via deux résistances |
Un régulateur linéaire comme le 7805 nécessite toujours un condensateur de 100 nF en sortie (stabilité) et un électrolytique de 10 à 100 µF en entrée (filtrage). Consultez la datasheet pour les valeurs recommandées.
La breadboard est le support de prototypage incontournable. Comprendre son câblage interne est essentiel :
💡 Astuce : Sur certaines breadboards longues (830 points), les rails latéraux sont coupés au milieu. Vérifiez avec un multimètre en mode continuité, et si nécessaire, reliez les deux moitiés du rail avec un fil.
| Je veux... | Composant | Valeur typique |
|---|---|---|
| Allumer une LED sur une sortie 5V | Résistance + LED | 220–330 Ω |
| Stabiliser l'alimentation d'un PIC | Condensateur céramique | 100 nF entre VDD et VSS |
| Lire un bouton sans état flottant | Résistance pull-up (ou pull-up interne) | 10 kΩ |
| Piloter un moteur DC depuis un MCU | Transistor NPN + diode de roue libre | 2N2222 + 1N4007, R base 1 kΩ |
| Piloter un ruban LED 12V | MOSFET N-channel logic-level | IRLZ44N |
| Mesurer une batterie 12V avec l'ADC | Diviseur de tension (2 résistances) | R1=10 kΩ, R2=3.3 kΩ |
| Alimenter un circuit en 5V stable | Régulateur 7805 + condensateurs | 7805, 100 nF sortie, 10 µF entrée |
| Connecter un capteur I2C | Résistances pull-up sur SDA et SCL | 4.7 kΩ |
| Protéger un relais / moteur (back-EMF) | Diode de roue libre | 1N4007 en parallèle inverse |