DOMESTIQUE

8 Elektor 1/2003

Les notions de télécommande et de télé-opé-ration faisant appel aux moyens de télécom-munication actuels ne sont pas des inconnuespour un lecteur assidu d’Elektor. Cela fait plusde 10 ans que nous vous avons proposé unsystème de cette famille à réaliser soi-même,appareil auquel on pouvait s’adresser parsignal DTMF pour l’activation et la mise hors-

fonction de 7 sorties de commuta-tion. Autres points forts de l’histoired’Elektor, le mini-serveur Web [1], unPC enfoui capable de travailler viaEthernet et Internet et une télécom-mande par portable et SMS [2], cartecapable, entre autres, de télé-initierdes action à l’aide de messages SMS.

La rampe multi-prise intelligente objetde cet article combine, en ce quiconcerne ses possibilités, les caracté-ristiques du premier projet évoqué, etcelles du second quant à sa technique: une paire de prises (auxquelles pour-ront être connectées toutes sortes decharges et d’appareils) peuvent êtreactivées ou mises hors-tension par lebiais de messages SMS.Cette commande (d’activation ou decoupure) pourra se faire immédiate-ment, mais on pourrait aussi imagi-ner de programmer une horloge entemps réel de manière à ce que lesopérations en question se fassent àun instant bien déterminé.

Modem GSMComme cela a été le cas dans les 2projets évoqués plus haut, nous fai-sons appel à un module spécial qui secharge de l’ensemble de la télécom-munication (figure 1). Nous n’avonspas à nous inquiéter de l’envoi et dela réception des SMS. En ce quiconcerne le module, il s’agit d’undéveloppement de la société françaiseWavecom (www.wavecom.com) qui a2 distributeurs dans l’Hexagone,Erco-Gener et Axess Technologie.Le modèle utilisé ici, un WMOi3, estun modem GSM bi-bamde pour 900et 1 800 MHz. Il est à son affaireavec la téléphonie, la messagerie

Rampe multi-priseintelligenteCommutation par SMS

Projet : Ali Elallali Unitronic

Ce montage permet, par le biais d’un message SMS, de mettre en et hors-fonction, indépendamment l’un de l’autre, 2 appareils alimentés par lesecteur et ce à un moment prédéterminé.

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91/2003 Elektor

(Start/Stop timer), lecture/écriture de don-nées en mémoire Flash (Read/Write datain flash memory), initiation, accès, libéra-tion de la mémoire (Init/Get/releasememory), effacement (Delete) d’objetsstockés dans la mémoire Flash.

– FCM APIqui ouvrent l’accès aux fonctions dugérant de contrôle de flux (Flow ControlManager), qui permet un accès sûr à l’in-terface RS-232 (V24) et aux lignes d’en-trées/sorties de données (Data-I/O) pourcertaines fonctions (Open/close flow,

vocale (Voicemail), l’envoi et laréception de SMS, la transmission detélécopies (de groupe 3) et biend’autres fonctions encore, sansnécessiter l’ajout de matériel addi-tionnel.Le petit boîtier en acier, de dimen-sions inférieures à celles d’un paquetde cigarettes, comporte un porte-carte SIM, une entrée antenne et unconnecteur à 50 contacts assurantde multiples fonctions et servant enmême temps de bus-système : four-niture de la tension d’alimentation,une paire d’amplificateurs pourmicro, 2 amplificateurs de puissanceBF, une interface RS-232 complète,un convertisseur analogique/numé-rique (CAN), un terminal clavier, unbus SPI et un bus I2C, une possibi-lité de connexion de lecteur de carteSIM externe, une paire d’entrées/sor-ties numériques ainsi que quelqueslignes de commande.Rassurez-vous, parmi toutes les pos-sibilités offertes par l’interface à 50contacts, notre rampe multi-priseintelligente n’utilise que les 2 lignesd’entrées/sorties numériques, unepaire de lignes de commande (on/offet busy) ainsi que l’interface RS-232qui n’est d’ailleurs nécessaire qu’aucas où l’on aurait oublié le mot depasse et que l’on voudrait revenir auparamétrage par défaut.

OpenATLe « coeur » de la rampe multi-priseintelligente est loin d’être bon mar-ché, mais il vaut son pesant d’or : lemodem se laisse en effet program-mer par le biais d’un langage spéci-fique baptisé OpenAT. Il n’est pasnécessaire partant de faire appel àquelque circuit à microcontrôleurque ce soit, contrairement à ce àquoi on pouvait s’attendre.Comme le laisse supposer son nom,ce langage repose sur le set d’ins-tructions AT standardisé pour lesmodems, une vieille connaissance detous ceux qui ont fait leurs premierspas sous DOS. Une application Ope-nAT comporte une application utili-sateur spécifique enfouie (embed-ded), développée à l’aide de la biblio-thèque OpenAT et intégrée à cettedernière. Cette bibliothèque à sontour repose sur toute une série deAPI (Application Programming Inter-face) développées par Wavecom :

– Application Mandatory APIà utiliser impérativement par l’ap-plication enfouie

– AT Command APIqui assurent l’accès aux fonctionsAT (commandes Send AT, indica-tions subscribe to unsolicited/intermediate)

– OS APIqui donnent accès aux fonctionsdu système d’exploitation (tempo-risateur de lancement/arrêt

User EmbeddedApplication

AT CommandTransportation

facility

OS relatedfacility

Standard'C'

Library

Flow ControlManagement

facility

SerialI/O Control

facility

BUSfacility

Input/outputfacility

Wavecom CoreSoftware

Open AT Library

Wavecom Module

Open AT Library

Open AT application

User Embedded Application

020157 - 12

Open AT APIs (Event & Functional driven)

Figure 1. Le coeur (et le cerveau) de notre projet : le modem GSM programmable.

Figure 2. L’intercommunication des API et de l’application utilisateur.

Send/Receive Data).

– I/O-APIPour le pilotage de la liaison sérielle et desGPIO (les 2 prises !).

– BUS APIqui permet le pilotage par le biais desbus-système SPI et I2C.

– Standard APIqui met à disposition toute une série defonctions C standard.

La figure 2 illustre la coopérationentre les API et l’application utilisa-teur dans le module du modem GSM.Il ne vous cependant pas vous laissersubjuguer par un sentiment depanique, ce projet ne requiert pasque vous ayez des connaissances deprogrammation spéciales. Le modemest en effet fourni accompagné dulogiciel nécessaire à la réalisation dece projet. Contrairement à nos habi-tudes (hors exceptions), nous ne pou-vons pas vous proposer ce logiciel autéléchargement depuis notre site

(www.elektor.fr) et cela pour des rai-sons évidentes : OpenAT (que lesspécialistes connaissent égalementsous la dénomination de plate-formeMUSE) coûte de l’ordre de 6 000 €,sans même parler du compilateurARM qu’il requiert (4 000 € addition-nels à débourser). De telles dépensesne peuvent se justifier (et se rentabi-liser) que dans le cas d’applicationsprofessionnelles. Il est plus écono-mique et plus simple, pour les proto-types et les petites séries, de faireeffectuer le développement du logi-

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1920

2122

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2526

2728

2930

3132

3334

K5

3536

3738

3940

4142

4344

4546

4748

4950

Modem

K4DB9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

C8

100n

C9

100µ 16V

+5V

C3

1µ63V

C4

1µ63V

C5

1µ63V

C6

1µ 63V

C7

1µ 63V

+5V

K2 K3

K1K6

F

TR1

B1

C10

220µ 16V

C1

100n

C2

100n

IC1

78S05 +5V

R2

1k

T1

BC547

R1

15

0Ω

+5V

D1

R4

1k2

T3

BC547

R5

56Ω

T5

BD139

RE2D3

1N4148

R8

15

0Ω

+5V

D5

R3

1k2

T2

BC547

R6

56Ω

T4

BD139

RE1D2

1N4148

R7

15

0Ω

+5V

D4

RE1 RE2

230V

230V 230V

SPIO_1

SPIO_0

FLASH_LED

020157 - 11

MAX232

T1OUT

T2OUT

R1OUT

R2OUT

R1IN

IC2

T1IN

T2IN

R2IN

C1–

C1+

C2+

C2–

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V-

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6

Figure 3. La « cour » du modem GSM est réduite à sa plus simple expression.

l’état actif (haut) de la sortie SPIO x concer-née, le BC139 entre en conduction ce qui per-met la circulation d’un courant dans la bobinedu relais dont le contact se ferme de sorteque la prise secteur concernée, K2 ou K3, setrouve reliée à la tension du secteur. Ce chan-gement d’état est visualisé par l’allumaged’une LED, D4 ou D5 selon le cas.L’alimentation est on ne peut plus classique,comportant un transformateur secteur, unpont de redressement, des condensateurs defiltrage et de lissage et un régulateur de ten-sion intégré stabilisant la tension à 5 V. Il y a2 aspects dont il faut tenir compte au niveau

ciel à un bureau spécialisé dans cedomaine; dans notre cas, c’est Uni-tronic en RFA qui s’en est chargé.

Le modem et sa périphérieUn coup d’oeil au schéma de lafigure 3 montre que l’électroniqueconnexe au modem se résume en faità un adaptateur de niveau, une pairede sorties de relais tamponnées etune alimentation. Le modem GSMvient se connecter à l’embase 50

contacts K5, le PC (si tant est quecela soit nécessaire) à l’embase sub-D à 9 contacts, K4, qui ne véhiculeen fait que les lignes RxD et TxD.Côté modem, les signaux RS-232 pré-sentent des niveaux TTL (0 et 5 V),alors que côté PC ces niveaux sontsymétriques et se situent, dans lecas idéal, à –15 et +15 V.Les 2 sorties de commutation sontidentiques et se composent d’untransistor-tampon du type BC547 quiattaque un transistor de puissancedu type BC139 lui. En cas de mise à

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111/2003 Elektor

Figure 4. La platine de notre multiprise intelligente.

020157-1(C) ELEKTOR

B1

C1

C2

C3

C4C5

C6

C7C8

C9

C10

D1

D2

D3

D4

D5

GAT1

GA

T2

GAT3

GA

T4

IC1

IC2

K1

K2

K3

K4

K5

PIJ

L2

PIJ

L3

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

RE1

RE2

T1

T2

T3

T4

T5

TR1

020157-1

~

~

~

~

~

~

020157-1(C) ELEKTOR

de l’alimentation : le transformateur secteurdoit être protégé contre les courts-circuits entoutes circonstances, le régulateur devra êtredoté d’un radiateur de dimensions et carac-téristiques thermiques adéquates.Il est un détail dont nous n’avons pas encoreparlé : le petit transistor de commande deLED, T1, pris dans la ligne FLASH LED. LaLED clignote lors de la réception de donnéespar le modem et reste allumée lors d’unecommunication, c’est-à-dire par exemple lorsde la mise sous tension, lorsque le systèmeessaie d’établir une liaison au réseau.

ConstructionNous avons, cela va de soi, pour un projet decette envergure, dessiné une platine pournotre rampe multi-prise intelligente, circuitimprimé qui respecte toutes les règles desécurité électrique. Le dessin des pistes decette platine représenté en figure 4 est àvotre disposition gratuitement sur le site Webd’Elektor si vous voulez réaliser cette platinesimple face par vos propres moyens. Si vousn’avez pas envie de vous « brûler » les doigtsà l’acide, cette platine est disponible toutefaite (en qualité Elektor) auprès des adresseshabituelles.Comme d’habitude il faudra utiliser un fer àsouder à pointe fine et de la soudure à faiblesection (pour un meilleur dosage) ceci pour lasimple et bonne raison que les contacts del’embase à 50 broches sont espacés de1,27 mm seulement. Il vous faudra, s’il devaitse faire, en dépit de toutes vos précautions,que vous ayez créé un court-circuit entre 2contacts, prendre votre courage à 2 mains etde la tresse à dessouder pour éliminer lecourt-circuit. Une fois cette opération de sou-dage terminée, il est recommandé d’examinerson travail à ce niveau à l’aide d’une loupe !Le reste de la réalisation tient plus du jeud’enfant, mais ici aussi le moindre pâté desoudure entre 2 pistes peut avoir (aura sansdoute faudrait-il dire) des conséquencesnéfastes sur le fonctionnement. Veillez à lapolarité correcte des composants en ayantune et n’oubliez aucun des 5 ponts decâblage dont 2 se trouvent en dessous dusupport de IC2.Une fois terminée et vérifiée, la platine pren-dra place dans un boîtier de dimensions adé-quates. Le montage doit être considérécomme un appareil de classe I. Peu importeque le boîtier soit métallique ou en plastique,TOUS les composants se trouvant sous ten-sion doivent être reliés entre eux et ensuite àla terre (!). Si vous voulez en savoir plus sur lesujet, nous vous conseillons la lecture de lapage SECURITE publiée à intervalle plus oumoins régulier dans Elektor.

Tests en tous genres

Il est important d’être conscient, lorsde toutes les opérations de test, dufait qu’il existe à l’intérieur du boîtierdes points véhiculant la tension dusecteur dont tout le monde connaîtle danger.Même si on est convaincu de la per-fection de sa réalisation suite àtoutes les vérifications que l’on auraeffectuées, il n’est pas question d’en-ficher le modem GSM (ô ! combiencoûteux) dans son connecteur lorsde la première mise sous tension. Lepremier test consiste à contrôler laprésence de la tension d’alimenta-tion de 5 V. Une fois que l’on auravérifié ce point, il faudra couper l’ali-mentation et passer à l’étape de pré-paration du modem GSM.Le modem GSM requiert bien évi-demment la présence d’une carteSIM qui ne devra pas être protégéepar code PIN. Si cela devait être lecas, vous pourrez tenter de désacti-ver le code PIN à l’aide d’un télé-phone portable (si tant est que votrefournisseur d’accès le permette).Relevez le numéro de téléphone cor-respondant à la carte SIM, de préfé-rence quelque part à l’intérieur duboîtier.On introduit ensuite la carte dans le

guide noir situé à proximité de l’en-trée d’antenne et on enfiche lemodem dans le connecteur prévu àcet effet sur le montage. On le fixerade préférence à l’aide de vis en évi-tant la mise en place de rondellesmétalliques qui risqueraient de pro-voquer un court-circuit. Il ne resteplus, pour finir, qu’à enficher l’an-tenne dans l’embase prévue.Lors de la mise sous tension, cer-tains des paramètres sont remis auxvaleurs par défaut.

PIN 0000Contrôle code PIN offRéponse on

Ces valeurs sont modifiables parSMS; il est recommandé de le fairedans la foulée pour éviter que n’im-porte qui puisse activer ou désacti-ver les 2 contacts de la multiprise.Le premier SMS envoyé vers lemodem doit déterminer le code PIN.L’instruction pour changer le codePIN possède le format suivant :

« change password;<ancien codePIN>;<nouveau code PIN> »

Supposons que nous choisissions lecode PIN 0815; l’instruction auraainsi la forme suivante :

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12 Elektor 1/2003

Liste des composants

Résistances :R1,R7,R8 = 150 ΩR2 = 1 kΩR3,R4 = 1kΩ2R5,R6 = 56 Ω

Condensateurs :C1,C2,C8 = 100 nFC3..C7 = 1 µF/16 V radialC9 = 100 µF/16 V radialC10 = 220 µF/25 V radial

Semi-conducteurs :B1 = B80C1500 rondD1 = LED 3 mm,

jaune à faible courantD2,D3 = 1N4148D4,D5 = LED 3 mm,

rouge à faible courantIC1 = 78S05IC2 = MAX232 (Maxim Integrated)T1 à T3 = BC 547BT4,T5 = BD139

Divers :Tr1 = Transfo 9 V/3VA6 protégé

contre les courts-circuits (tel que,par exemple, Gerth 387.09)

Re1,Re2 = relais inverseur unipolaireencartable tension de bobine de 6V/250 , 4 A tel que, par exemple,V23057 B0001-A101(Siemens)

K1 à K3 = bornier encartable à 2contacts au pas de 7,5 mm (RM7,5)

K4 = embase sub-D à 9 contactsencartable en équerre

K5 = embase à 2 rangées de 25contacts femelle au pas de 0,05”(Farnell 672-348)

embase d’entrée secteur à fusibleintégré (15 mA retardé) etinterrupteur secteur

modem GSM= WMOi3 (Wavecom,chez Axess Technologie, UnicomRFA)

Antenne avec connecteur MMCX(IMS Connectors Systems -www.imscs.com, Löfflingen, RFA)

2 embases secteur châssis avec mise àla terre

AT+WDWLIl est possible maintenant de charger un nou-veau programme dans le modem. Cette opé-ration se fait sous l’égide du protocole X-Modem, format que connaissent la plupartdes programmes de communication tels queHyperTerminal par exemple.

(020157)

« change password;0000;0815 »

Le modem modifie le code PIN etenvoie un message d’acquittement «Password changed ». Dès lors, lesprises ne peuvent être activées oudésactivées qu’à condition que l’ins-truction comporte le code PIN cor-rect.Nous allons le vérifier immédiate-ment et essayons d’activer l’un des2 contacts de la multiprise. L’ins-truction prend la forme suivante :

« <password>;<socket num-ber>,<on/off>,<date>,<time> »

Cela peut paraître compliqué au pre-mier abord, mais ne l’est pas vu qu’iln’est pas nécessaire de remplir tousles champs. Si nous envoyons unmessage contenant les caractèressuivants :

« 0815;1,1,, »

nous activons le contact numéro 1.Il ne faudra pas oublier l’une des vir-gules. Le tableau récapitule toutesles instructions disponibles.

Nous allons également tester l’inter-

face RS-232. Le paramétrage de l’in-terface sérielle est le suivant :8,N,1,9600. Dès après la mise soustension on a activation automatiquedu programme OpenAT. Le modemne réagit qu’aux instructions arri-vant par le biais de l’interface RS-232lorsqu’elles ont le format suivant :

AT+RESETRéinitialise le modem au paramé-trage par défaut. Cette instructionest précieuse lorsque l’on a oublié lecode PIN.

AT+WOPEN = 0Arrête le programme et fait repasserle modem en mode de fonctionne-ment normal. Après cet arrêt, lemodem se laisse piloter à l’aide desinstructions AT. Il est possible ainsid’installer le modem sous Windowset de réaliser ensuite une connexionà Internet. Cette liaison à Internetest uniquement possible à conditionque le modem ait été reprogramméavec le progiciel GPRS dernier-cri (etbien entendu que la carte SIM soitelle aussi capable de fonctionner enGPRS). Ce progiciel est disponibleauprès de certains des distributeurs(Unitronic RFA entre autres).

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131/2003 Elektor

Les instructions SMSSWITCHING OUTPUT

Format : « #<password>;<socket number>,<on/off>,<date>,<time> »

Cette instruction pilote une ou plusieurs sorties par le biais d’un message SMS. Il n’est pas nécessaire de remplir tous les champs vu quecertains d’entre eux sont optionnels.

Password Lorsque le contrôle PIN est actif il faudra entrer le code PIN à cet endroit.Socket number 1 = sortie 1, 2= sortie 2, 0 = les 2 sortiesOn/off 1= marche (on), 0 = arrêt (off)Date aa/mm/jj (par exemple 02/09/15 pour 15 septembre 2002).

Au cas où ce champ reste vide le système utilise la date actuelle.Time hh:mm (par exemple 13:30 pour 13h30). Si ce champ reste vide le système utilise l’heure actuelle.

Il est possible d’envoyer plusieurs ordres de commutation en un unique message SMS. Il suffit d’écrire la seconde instruction à la suite dela première. Il va sans dire que pour les instructions additionnelles il n’est plus nécessaire d’entrer le mot de passe #<password>;L’utilisateur pourra programmer ainsi un maximum de 16 fonctions de commutation.

Réaction : <command> : accepted

Exemples :#7324;1,1,, Activer la sortie 1#7324;2,1,02/09/15,12:00 Activer la sortie 2 le 15 septembre 2002 à 12h00#7324;1,0,02/09/15,13:00,2,0,03/09/15,13:01 Couper la sortie 1 le 15 septembre 2002 à 13h00, couper la sortie

2 le 15 septembre 2002 à 13h01

Bibliographie :[1] Mini-serveur Web,

numéros 279 à 281, septembre à novembre 2001

[2] Télécommande par portable et SMS, numéros 283 et 284, janvier et février 2002, pages 40 et suivantes et 32 et suivantes

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14 Elektor 1/2003

GET SWITCHES

Format : « switch? »

Cette instruction requiert les ordres destinées aux deux sorties. Le modem GSM envoie un message SMS mentionnant toutes les actionsreçues et acceptées.

Exemple :Instruction : « switch? »

Réaction : « 1,1,,;02,1,02/09/15,21:00;11,0,02/09/15,13:00;22,0,02/09/15,13:01;3 »

Le dernier chiffre de chaque ligne est un numéro d’ordre. Cet index est requis au cas où l’utilisateur envisagerait d’effacer certaines desactions.

DELETE SWITCH

Format : « delete switch;<password>;<index> »

Cette instruction efface une action.

Password Lorsque le contrôle PIN est actif il faudra entrer le code PIN à cet endroit.Index Le numéro d’index de l’action qui doit être effacée est reproduite dans GET SWITCHES.

Exemple :Instruction : « delete switch;7324;1 »Réaction : « Switch 1 : deleted »

Il est également possible d’effacer toutes les actions d‘un seul coup. Pour cela nous utiliserons l’index 16 :

Instruction : « delete switch;7324;16 »Réaction : « Switch 16 : deleted »

SET REAL TIME CLOCK

Cette instruction permet de paramétrer la date et l’heure.

Format : « rtc;<password>;<date>,<time> »

Date aa/mm/jj (par exemple : 02/09/15 pour le 15 septembre 2002)Time hh:mm (par exemple : 13:30 pour 13h30)

Exemple :

Instruction : « rtc;7324;02/29/07,10:49 »Réaction : « The rtc is set succesfully”

GET REAL TIME CLOCK

On procède à l’interrogation de la date et de l’heure paramétrées dans le modem GSM.

Format : « rtc? »

Exemple :

Instruction : « rtc? »Réaction : « 02/29/07,11:01 »

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151/2003 Elektor

CHANGE PASSWORD

Cette instruction sert à modifier le code PIN.

Format : « change password;<old password>,<new password> »

old password Ancien code PINnew password Nouveau code PIN

Exemple :

Instruction : « change password;7324,0123 »Réaction : « Password changed »

DISABLE/ENABLE PASSWORD

Activation et désactivation du code PIN

Format : « password;<password>;<enable/disable> »

password PINenable/disable 0 = désactiver la vérification, 1= activer la vérification

Exemple :

Instruction : « password;0123;0 »Réaction : « Password disabled »

DISABLE/ENABLE RESPONSE

Le modem GSM peut acquitter chaque entrée d’instruction lorsque cela est souhaité par le biais de l’instruction suivante :

Format : « response;<password>;<enable/disable> »

password PINenable/disable 0 = Désactiver l’acquittement, 1= Activer l’acquittement

Exemples :

Instruction : « response;0123;0 »Réaction : aucune, bien évidemment, nous venons tout juste de désactiver l’acquittement !!!

Instruction : « response;0123;1 »Réaction : « Response enabled »

GET REPORT

Cette instruction se traduit par l’obtention d’une information d’état du modem GSM.

Format : « report? »

Cette instruction est toujours suivie de réponse même si l’acquittement est désactivé.

Exemple :

Instruction : « report? »Réaction : « Socket 1 : on

Socket 2 : offPassword : enabledResponse : enabledTime: 11:05Date: 02/07/29 »

MICROCONTRÔLEUR

Elektor 1/200316

Parallax, une société ayant son siège à Rock-lin, en Californie, doit sa place sur la scènemondiale aux modules à microcontrôleur.L’idée de départ à la base de leur développe-ment étonnant était à la fois simple et révo-lutionnaire : mettre sur le marché un micro-contrôleur facile à programmer et à mettre enoeuvre de manière à permettre un dévelop-pement rapide d’une application sans avoir àconnaître l’assembleur. C’est ainsi que naquitle Basic Stamp, un petit module doté d’unPIC, ce dernier microcontrôleur incorporantun interpréteur BASIC, de la mémoire, unrégulateur de tension et un résonateur. Paral-lax existe depuis 15 ans maintenant et lenombre de Basic Stamp ayant trouvé le che-min non seulement des professionnels et desélectroniciens amateurs mais aussi desécoles, se compte par (dizaines de) millions.Le Basic Stamp n’a bien évidemment pas faitdu surplace pendant ces 15 ans; au cours deson développement on vit apparaître de nou-velles variantes possédant plusd’Entrées/Sorties, plus de mémoire et tra-vaillant à une fréquence d’horloge plus éle-vée : citons dans l’ordre les Basic Stamp 2, 2e,2sx et 2p24/2p40. Leur point commun estqu’ils se programment tous en PBASIC, unlangage développé par Parallax.Avec la présentation, l’été passé, du Jave-lin Stamp, Parallax a pris le taureau par lescornes et s’est essayé à un autre langage deprogrammation dont tous les utilisateursd’Internet ont entendu parler : Java. Ce lan-gage offre à l’évidence plus de possibilités

à l’utilisateur que PBASIC sachanten outre que nombre de program-meurs ont déjà fait leurs premièresarmes avec ce langage par l’écri-ture de programmes (pour Interneten particulier).

Caractéristiques tech-niquesComme les autres membres de lafamille, le Javelin Stamp prend laforme d’une minuscule platine à24 broches (cf. la photo en débutd’article). Il est compatible broche àbroche avec le Basic Stamp et peut

être implanté sur toute carte d’expé-rimentation à Basic Stamp dotéed’un support 24 broches.Parallax propose, outre le JavelinStamp « nu », un kit d’évaluationspécial (cf. figure 1) composé d’unmodule Javelin, de la carte d’évalua-tion, d’un CD-ROM avec logiciels etun set de composants permettant deprocéder aux différentes expériencesdécrites dans le manuel.Le microcontrôleur utilisé est un Ubi-com SX48AC. L’utilisateur a à sa dis-position 32 Koctets de RAM et32 Koctets d’EEPROM, 16 lignesd’Entrées/Sortie et 2 connexions RS-

Le Javelin StampLe successeur du BASIC Stamp parle Java(nais)

Harry Baggen

La société Parallax, représentée en France par Selectronic, doit sa notoriétémondiale à ses Basic Stamp, des modules à microcontrôleur qui se laissentprogrammer en BASIC. Le dernier rejeton de la famille offre non seulementplus de mémoire et de fonction que ses prédécesseurs, mais de plus parlerune autre langue. Sa programmation se fait en effet en Java !

MICROCONTRÔLEUR

1/2003 Elektor 17

à sa disposition un environnement de déve-loppement intégré (IDE pour IntegratedDesign Environment) qui comporte un éditeurpuissant, un débogueur et une fenêtre demessage (figure 2). Le débogueur offre, entreautres, les fonctions suivantes :– Points d’arrêt multiples– Examen rétroactif de la pile

232. Une alimentation à découpageen version miniature offre une plagede tensions d’alimentation étendueet des courants de sortie relative-ment importants. La mini-platinedouble face à trous métallisés estdotée de composants sur ses 2 faces.Le concept de l’architecture du Jave-lin Stamp diffère de celui des BasicStamp. Le programme à exécuter estbien stocké en EEPROM, mais, aucours de son exécution, les octets decode sont transférés dans unemémoire SRAM ultra-rapide. Le pro-giciel est conçu de telle façon qu’ilest possible d’effectuer diversestâches à l’arrière plan du programmeprincipal.

Java SpécialLe Javelin Stamp utilise une varianterestreinte de la version Java 1.2 deSun Microsystems. Il intègre desextensions progicielles (baptiséesVirtual Peripherals, VP pour lesintimes) chargés d’émuler certainspériphériques tels que UART, tem-porisateurs (timer) et autres conver-tisseurs A/N et N/A. Ces VP facili-tent énormément l’interfaçage avecdes circuits externes ou des péri-phériques. Ces VP ont pour consé-quence d’obliger à développer desprogrammes Java sensiblement dif-férents des programmes en Javaécrits pour un PC, mais pour peu quel’on ait déjà une certaine expériencede Java, l’adaptation nécessaire nedevrait guère poser de problème.Énumérons les VP disponibles :UART, MLI (Modulation en largeurd’impulsion = PWM pour PulseWidth Modulation), temporisateurs32 bits, compteur d’impulsions,mesure de largeur d’impulsion,génération d’impulsions, CNA 1 bit,CNA signal-delta, CAN avec tempo-risateur RC et master SPI (in Site Pro-gramming Interface).Les programmeurs habitués auBASIC devront eux aussi changerleur façon de penser, vu que le Javadiffère du tout au tout du BASIC. Legros manuel accompagnant le Jave-lin Stamp fournit heureusementnombre d’exemples de programmesqui devraient faciliter la transition.Nous vous proposons, à titred’exemple, dans le tableau 1, 2 pro-grammes remplissant la même fonc-tion, à savoir produire le clignote-

ment d’une LED tant que l’on appuiesur une touche. Le programme A estécrit pour le Basic Stamp, le pro-gramme B pour le Javelin Stamp.

Logiciel pour le PCAu niveau de son PC, l’utilisateur a

Figure 1. Le kit d’évaluation comporte tous ce qui est nécessaire pour faire ses premiers pasavec le Javelin Stamp.

Figure 2. L’environnement de développement du Javelin Stamp comporte un éditeurpuissant et un débogueur.

– Examen de toutes les variables et objets– Mode pas à pas, exécution, arrêt et réinitia-

lisation– Terminal sériel bidirectionnel intégré pour

les messages

Une Aide en ligne donne accès à une docu-mentation exhaustive consacrée aux libraryclasses et visualise certains liens Web versParallax.

SupportTout comme cela est le cas avec le BasicStamp, le site Internet de Parallax offre aussipour le Javelin Stamp un support efficacesous différentes formes. L’ensemble de ladocumentation et du logiciel PC existe dès

à présent dans sa version la plusrécente. Il existe une bibliothèqueJava ainsi qu’une page proposantun nombre limité d’applications,mais le temps aidant, elle devraits’étoffer des applications proposéespar les utilisateurs de plus en plusnombreux de cette nouvellevariante du Stamp. Les utilisateurspeuvent échanger leurs expériencesdans un Forum spécifique consacréau Javelin.

(020355)

MICROCONTRÔLEUR

18 Elektor 1/2003

Tableau 1A. Programme de clignotement de LED par action sur bouton-poussoir pour le BASIC Stamp.output 0 ‘ make P0 an outputout0=1 ‘ make P0 “high”Input 2recheck: ‘ a labelif in2=0 then blink ‘ check to see if P2 is a “0”, if it is

‘ then go and blink the LEDgoto recheck ‘ if P2 was a “1”, then go back

‘ and check againblink: ‘ a labellow 0 ‘ turn on the LEDpause 200 ‘ wait .2 secondshigh 0 ‘ turn off the LEDpause 200 ‘ wait .2 secondsgoto recheck ‘ loop back & do it again

B. Programme de clignotement de LED par action sur bouton-poussoir pour le Javelin Stamp.

import stamp.core.*;

public class ButtonLED

static boolean P0 = true;

public static void main()

while(true) if (CPU.readPin(CPU.pins[1]) == false) // If button pressedP0 = !P0; // Negate P0CPU.writePin(CPU.pins[0],P0); // LED [On]CPU.delay(1000);

// end ifelse CPU.writePin(CPU.pins[0],true); // LED [Off]

// end else // end while

// end main // end class declaration

Distributeur pour la France:Selectronic86, Rue de Cambrai – B.P. 51359022 Lille CedexTél. : 0 328 550 328Distributeur pour le Benelux :Antratek Electronicstél. : 010-450 49 49e-mail: info@antratek.nl

Adresses Internet :www.parallaxinc.comwww.javelinstamp.comwww.selectronic.frwww.antratek.nl

CIRCUITSdeLECTEURS

20 Elektor 1/2003

Des unités pilotées par I2C, il en existe unegrande variété, depuis le simple port d’en-trée-sortie jusqu’à des composants com-plexes comme l’EEPROM. Des périphériquessans interface I2C peuvent fort bien seconnecter à un bus I2C, il n’y a qu’à leuradjoindre un processeur muni du matérieladéquat. Du coup, le périphérique gagne en« intelligence », ce qui soulage le processeurprincipal, mais l’inconvénient, c’est le ren-chérissement du système et la nécessité d’unlogiciel particulier. Une piste plus intéres-sante consiste à prévoir une expansion deport I2C.

Organisation matérielleUne expansion de port s’opère par conversiondes messages I2C en données sur 8 bits enparallèle. L’outil le plus connu pour la réaliser,c’est le PCF8574. Il est capable, par exemple,

de commander des écrans alphanu-mériques secondaires, grâce aumode à 4 bits du HD44780 (cf. réfé-rence [1] ou [6]). De nombreuses uni-tés satellites nécessitent absolumentune interface encore plus élargie,avec 8 bits de données, quelquesbits d’adresse et les lignes de com-mande indispensables. Deux ou plu-sieurs PCF8574 pourraient y parve-nir, mais au prix d’un accroissementdu matériel et d’un certain désordredans le logiciel. Notre projet, lui, sebase sur le SAA1064 qui dispose dedeux ports à 8 bits capables d’ali-menter directement des LED (cf.figure 1).

On utilise d’habitude le SA1064 enmode multiplexé, ce qui permet d’at-taquer au total 32 LED [2], [6]. Maisla puce peut aussi bien fonctionneren mode statique, dans lequel 16 sor-ties sont disponibles. Le « pilote uni-versel I2C » décrit ici met en œuvre cemode statique et propose ainsi unbus à 8 bits d’adresse/données et unautre à 8 bits pour les signaux decommande. En fait, le montage imitele bus d’adresse/données et le busde commande du processeur 8051, àune exception près, puisque leSAA1064 n’offre que des sorties. Lebus de données ne permet pas de liredans l’unité secondaire. Une limita-tion qui, pour de nombreuses appli-cations, n’a pas de conséquence.

Projet matérielLa figure 2 associe le schéma dupilote I2C à un affichage alphanumé-rique de Hewlett Packard (qui s’ap-pelle aujourd’hui Agilent [3]).Voici comment le tout s’articule. Surle connecteur du bus I2C, on retrouveSDA, SCL, GND et le +5 V. Il y adeux connecteurs I2C pour permettrel’organisation en chaîne. Les signauxSDA et SCL passent par une résis-tance en série (R13 et R14), une pro-tection contre les tensions trop éle-vées. Il faut y ajouter, à l’extérieur,les résistances de rappel au niveauhaut pour le bus I2C.Le SAA1064 (IC1) reçoit et décode letrafic I2C et fournit les adresses/don-nées sur le port 1 (P1 à P8) et lessignaux de commande sur le port 2(P9 à P16). On peut attribuer auSAA1064 l’une des quatre adressespossibles de secondaire à l’aide descavaliers J1 à J3, qui fixent la ten-sion de la broche 1 :

J1 J2 J3 adresse secondaire– – X 0 1 1 1 0 0 0 R/W– – – 0 1 1 1 0 0 1 R/W– X – 0 1 1 1 0 1 0 R/WX – – 0 1 1 1 0 1 1 R/W

Le X indique qu’un cavalier y estplacé.R/W est le bit de poids le plus faiblede l’octet d’adresse. Ainsi, parexemple :

Pilote universel I2CAvec exemple

Wim Huiskamp

Dès qu’il faut commander des unités externes par microprocesseur, nouspensons tous à l’interface I2C, même si de nombreux périphériquestravaillent encore par port parallèle. Le présent article montre commentrelier des appareils dépourvus d’interface I2C grâce à une expansion deport peu onéreuse.

CIRCUITSdeLECTEURS

211/2003 Elektor

commande pour le secondaire. Il délivre lessignaux suivants :

– ALE - Address Latch EnableUne impulsion sur cette broche « gèle »l’adresse au moment du flanc descendant.

– ResetCe signal (actif au niveau bas) permet la miseà zéro des secondaires.

– C/D - Command/Not DataPermet de sélectionner le registre de com-mande ou de données d’un secondaire. Surl’écran LCD HD44780, ce signal s’appelle RS(Register Select).

– WR - WriteWR (actif au niveau bas) lance les opérationsd’écriture vers le secondaire. Parfois (commesur le HD44780) c’est d’un signal actif auniveau haut dont on aura besoin.

– CE0, CE1 - Chip EnableIl y a quatre bits de commande d’usage com-mun qui sont disponibles. Ils permettent desélectionner un des périphériques, mais seull’un d’entre eux peut être actif à un momentdonné.

01110000 = 70HEX = écriture01110001 = 71HEX = lecture.On ne peut installer qu’un seul cava-lier, (la combinaison de J1 + J3court-circuiterait l’alimentation !).Le port 1 de IC1 imite le port multi-plexé d’adresses et de données, seslignes sont reliées au bus de don-

nées du poste secondaire et au ver-rou SN74ALS573 (IC2). Le verroumémorise les bits d’adresse àchaque flanc descendant par actionsur la broche ALE (Address LatchEnable). Les sorties du verrou for-ment le bus d’adresse du secondaire.Le port 2 de IC1 simule un bus de

K1

+VCC

K2

R14

330Ω

R13

330Ω

74ALS573IC2

12

13

14

15

16

17

18

19

EN

11C1

1D2

3

4

7

8

9

5

6

1

+VCC

R3

10

k

R4

10

k

R5

10

k

R6

10

k

R7

10

k

R8

10

k

R9

10

k

R10

10

k

AD0

AD1

AD2

AD3

AD4

AD5

AD6

AD7

+VCC

R15

10

k

R16

10

k

R17

10

k

R18

10

k

R19

10

k

R20

10

k

R21

10

k

R22

10

k

+VCC

+VCC

R12

10

k

R23

10

k

AD0

AD1

AD2

AD3

AD4

AD5

AD6

AD7

HDSP253X

DSP1

TEST

CLS

RST

CLK

A0

D7

15

16

30

A1

A2

A3

18

A410

D629

D528

D427

D326

D225

D121

D020

RD1911

WR13

CE14

FL

NC

NC

NC12

17

NC22

NC23

NC24

3

4

5

6

1

2

7

8

9

AD0

AD1

AD2

AD3

AD4

AD5

AD6

AD7

ALE

RES

C/D

WR

CE0

CE1

CE2

CE3

AD0

AD1

AD2

AD3

AD4

AD5

AD6

AD7

D2 D1

R1

10

k

R2

22

k

R11

18

k

J2

J3

J1

+VCC

SAA1064

IC1

CEXT

SDA

SCL

P13

P14

P15

P10

P11

P12

P16

ADR

P1

23

24

13

12

10

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

P915

19

20

21

16

17

18

22

2

9

8

7

6

5

4

3

1

+VCC

IC2

20

10

C1

100µ

C2

100n

R24

22

0Ω

D3

+VCC

020113 - 12

Figure 1. Diagramme fonctionnel du SAA1064.

Figure 2. Schéma du pilote I2C universel à affichage HDSP253x.

N.B. Il n’y a pas de signal RD- disponible, vuque le SAA1064 n’est pas en mesure de lirede données du secondaire. Veillez à ce qued’éventuels signaux de commande RD soientinactivés (par une résistance de forçage)pour éviter un court-circuit entre les sortiesdu bus de données du secondaire et le busd’adresse/données sur le port 1 duSAA1061. Toutes les sorties des ports, quisont constituées de collecteurs ouverts, sontdotées de résistance de rappel haut de10 kΩ (R3 à R10 et R15 à R22). Elles serventà définir sans ambiguïté les niveauxlogiques des secondaires.

HDSP253xLes différents modèles de « Smart Alphanu-meric Display » à huit caractères de lagamme HDSP253x de Hewlett Packard (par-don, Agilent) sont disponibles en plusieurscouleurs. Leur décodeur embarqué reconnaît128 symboles ASCII. Les codes de caractèressont inscrits en RAM interne et sont visiblessans cycle de rafraîchissement externe. Lapuce possède une fonction de clignotant,peut afficher sous 7 niveaux de brillance,plus différentes possibilités de suppressionet accepte 16 caractères à définir par l’utili-sateur qui désire inclure des symboles spé-ciaux (cf. figure 3).Siemens propose également des affichagessimilaires (le PD2435 par exemple), dont cer-tains ne comptent que quatre caractères(comme le SLR2016). Vous pouvez consulterà ce sujet les références [4] et [5]. Ces écransà LED diffèrent des HDSP par le format, lenombre de caractères et d’autres détails. Sivous utilisez des afficheurs de Siemens, ilvous faudra donc adapter le matériel et lelogiciel en conséquence, mais le principereste le même.Le diagramme temporel des lignes de don-nées, d’adresse et de commande est repré-senté à la figure 4. Le bus d’adresse sélec-tionne la position du caractère, le bus de don-nées en définit le code ASCII, tandis que WRexpédie le message à l’afficheur. La brocheCE ne peut pas rester basse en permanence,entre chaque opération de lecture ou d’écri-ture, elle doit changer de niveau.Le raccordement au pilote I2C universel duHDSP253x est simple : le bus de données duHDSP se branche aux broches AD0 à AD7 duport 1 du SAA1064, les lignes d’adresses A0 àA4 aux lignes correspondantes du verrou IC2.Pour la simplicité, FL est relié à A5 du verrou,cette ligne donne accès à la « RAM à éclipse »du HDSP. Les autres lignes de commande(RST, WR en CE0) sont disponibles sur leport 2 du SAA1064.Deux broches de commande du HDSP sont

pourvues de résistance de polarisa-tion : RD pour éviter les conflits debus et CLS pour sélectionner l’hor-loge interne.Dans cet exemple, les lignes res-tantes, CE2 et CE3, attaquent cha-cune une LED (D1, D2) comme indi-cation supplémentaire. Ici, nulbesoin de résistance en série, lessorties sont des sources de courant.

LogicielVous pouvez vous procurer gratuite-ment le logiciel pour l’interface sur lesite Web d’Elektor (www.elektor.fr).Le programme est écrit en assem-bleurs 8051 (Metalink). Le 8051 d’ori-gine de Intel ne comprend pas d’in-terface matérielle pour I2C et les rou-tines nécessaires ont été conçues au« bit par bit » à partir de deuxbroches du port décorées, pour lesbesoins de la cause, des appellationsSDA et SCL. Les routines qui sous-tendent la communication sérielleI2C, les routines d’aide et le logicielspécifique de pilotage des secon-daires se répartissent en modulesindépendants. Une simplificationpour la maintenance et le remploi dulogiciel. Tous les modules gardent lamême structure et se composent dedeux parties :– Mod_cnst.inc, qui contient les défi-

nitions des constantes et desvariables ;

– Mod_sub.asm, qui renferme lessous-routines et les constantes enmémoire, telles que les tables.

Abordons brièvement ici les moduleslogiciels. Vous trouverez davantaged’information et de commentairesdans le code source.

On peut allouer SCL et SDA à n’im-porte quelle broche des ports dispo-nibles en plaçant un « EQU » dans lecode source de « I2C_cnst.inc ». PourSetup et Hold-times des bits en I2C,on utilise des macros distinctes quisimplifieront l’adaptation du logicielà des versions plus rapides du 8051(p. ex. les modèles Atmel à 24 MHzou plus). Les valeurs par défaut sebasent sur un 8051/80C535 à11,059 6 MHz, auquel cas nul ralen-tissement n’est requis, le tempsd’exécution du programme corres-pond à la vitesse maximale autoriséesur le bus I2C.Le tranche primaire du logiciel fournitles séquences de démarrage et d’ar-rêt du bus. Les bons niveaux sontfixés dès la mise sous tension par« I2C_init ». Le deuxième tranche ducode s’occupe de préparer l’émissionet la réception, c’est Byte Send etReceive. La tranche supérieure gèrela transmission des messages sur lebus, y compris ma mise en conditionde départ et d’arrêt, l’envoi del’adresse du satellite et éventuelle-ment une adresse I?C plus détaillée.Ce sont des drapeaux qui servent aupositionnement et à la réception dubit d’accusé de réception (ACK).Le logiciel habituel pour l’interface àSAA1064 offre des routines pourmettre les valeurs sur le busd’adresses et de données et celui decommandes. Il y en a une aussi pourinscrire l’adresse dans le verrou, enenvoyant d’abord les données sur lebus commun aux adresses et auxdonnés, puis une commande ALEpour les mémoriser. On trouve aussides macros séparées de manipula-tion spécifique de chaque bit decommande. Les circuits du SAA1064

CIRCUITSdeLECTEURS

22 Elektor 1/2003

1

22

3

9

10

8

6 7

54

020113- 13

A0 - A4FL

CE

WR

D0 - D7

Figure 3. Diagramme temporel du HDSP253x.

etc.). Aussitôt terminée la phase de mise encondition de départ, « Test51 » entre dans uneboucle sans fin qui active l’afficheur à inter-valle défini et lui communique des chaînes decaractères. On peut analyser le fonctionne-ment du programme sur le port sériel à l’aided’un logiciel de terminal. Après la phase delancement, on peut saisir un texte à afficheret, à chaque itération dans la boucle, onobtiendra un signe « # ».

Expériences– Vous avez tout loisir de modifier à l’envi le

codage. La structure du logiciel est trans-parente, les modifications aisées à intro-duire. Quelques tuyaux :

– La génération bit après bit du flux I2C estrelativement lente, il n’y a normalement paslieu de prévoir de périodes d’attente.

– Dans les applications qui réclament abso-lument la relecture de données en prove-nance des secondaires, (pensons parexemple à la reproduction graphique danslaquelle un seul bit change dans la RAMd’affichage) il est possible de se tirer d’af-faire en conservant une copie des donnéesdans la RAM du processeur et d’y changerce qu’il faut avant d’en renvoyer le contenuau secondaire.

(020113)

Références :[1] affichage alphanumérique I2C,

Elektor février 94.[2] module à afficheurs 7 segments à LED

(pour bus I2C), Elektor mars 92.[3] www.agilent.com[4] Affichage modulaire à matrice de points,

Elektor juin 2001[5] Télémétrie par infrarouge, Elektor mai 2002[6] Le manuel du bus I2C,

schémathèque Elektor, ISBN 2-86661-068-7

inversent tous les niveaux de signal :lever un bit d’un port se traduit parun niveau bas en sortie, à cause desétages à source de courant. L’effetd’inversion est compensé par lesroutines à niveau bas, immédiate-ment avant que les données I2C nesoient envoyées au SAA1064.Les noms « hpd_cnst.inc » et« hpd_sub.asm » recouvrent des logi-ciels particuliers destinés à la com-mande de l’afficheur Hewlett Pac-kard, que la routine « I2C_HPDInit »va initialiser. Elle commence parchoisir le bon mode de fonctionne-ment du SAA1064 (par exemple sansmultiplexage), puis les niveaux detous les bits de commande (parexemple ALE au niveau bas), assurela mise à zéro du HDSP, programmeles registres de commande et finale-ment efface la mémoire d’affichage.Des routines plus évoluées tra-vaillent à l’écriture de caractères(I2C_HPDPutChar) et de chaînes (I2C_HPDPutStrCnst etI2C_HPDPutStrBuf). Le curseur d’af-fichage passe automatiquement à laligne suivante. On peut le régler aumoyen de la routine « I2C_HPD-GoTo ». D’autres fonctions d’aide(I2C_HPDUDC) permettent de char-ger des symboles particuliers, défi-nis par l’utilisateur (en matrice de5 bits sur 7).Le logiciel pour le port sériel (dans« ser_cnst.inc » et « ser_sub.asm »)se charge d’initialiser le matériel duport sériel du 8051/80C535. Ontrouve aussi des directives enassembleur pour la sélection entre4 800 et 9 600 bauds et la fréquenced’horloge de la CPU (11,059 ou12 MHz). Des routines de base pren-

nent en compte l’émission et laréception, aussi bien de caractèresque de chaînes, à destination du pro-gramme de terminal (HyperTerminalpar exemple).Le module UTL (« utl_cnst.inc » et« utl_sub.asm ») contient des fonc-tions auxiliaires, comme la conver-sion d’ASCII en hexadécimal et lepassage en lettres capitales. Il offreaussi des définitions de symboles etde caractères spéciaux à chargerdans le HDSP, comme le logo accu-mulateur vide/plein et quelquesicônes « pacman ».Le module principal est« Test51.asm » qui comporte l’appli-cation proprement dite et se sert desdirectives #include-assembler pouréditer les liens avec tous les autresmodules.D’initiative, le logiciel « Test51 »considère qu’il est en présence d’unprocesseur 80C535 scandé à 12 MHz,d’un port sériel à 9 600 bauds, queSDA est en P3.4, SCL en P1.0, que leHDSP se trouve sur le bus I2C àl’adresse de secondaire 76HEX (cava-lier J1 fermé). Mais on peut toutchanger, le type de processeur (8051ou 80C535) ou toute autre option(comme le débit en bauds) en acti-vant les directives de l’assembleur« Test51 » ou l’un de ses modules#included.Le logiciel « Test51 » initialise le pro-cesseur (port sériel, pile, etc.), lematériel de l’interface I2C (lignesSDA et SCL, drapeaux, etc.) et l’in-terface I2C, le SAA1064 par exemple.Finalement, c’est au tour de l’affi-chage satellite de faire l’objet d’uneinitialisation (effacement de lamémoire de texte, retour du curseur,

CIRCUITSdeLECTEURS

231/2003 Elektor

Figure 4. Exemples de caractères définis par l’utilisateur (UDC).

INFORMATIONS

24 Elektor 1/2003

Un convertisseur CC/CC (DC/DC) sert àtransformer une tension continue en uneautre tension continue. La tension produitepeut être plus élevée, moins élevée, inverséeou isolée de la tension d’entrée. Il y a doncplusieurs sortes de convertisseurs ; nous enexaminerons un certain nombre.Un récapitulatif des circuits de base est pré-senté dans la figure 1. Les tensions d’entréesont désignées par UENT, la tension de sortiepar USOR. Tous les circuits présentés ici ontun point commun : les fonctions essentiellessont accomplies par un interrupteur S, unediode D et un enroulement L.Considérons tout d’abord le circuit le plussimple, le convertisseur abaisseur de tension(down converter ou buck converter),dénommé aussi « dévolteur ». Il convertit unetension d’entrée en une tension de sortie plusbasse. Esquissons son principe de fonction-nement : si l’interrupteur S est fermé, l’in-ductance L est soumise à une tension posi-tive UL, car UENT> USOR). Le courant croîtdonc linéairement dans l’inductance. L’en-roulement emmagasine de l’énergie. Ouvronsmaintenant l’interrupteur S, le courant conti-nue à passer de l’enroulement dans lecondensateur de sortie, mais par la diode D.La tension de l’enroulement UL est à présentnégative : le courant décroît linéairement

dans la bobine. L’énergie accumuléepar celle-ci est transférée vers la sor-tie. Fermons de nouveau l’interrup-teur S, retour à la case départ.La tension engendrée à la sortiedépend de la façon dont l’interrupteur

est activé. Le courant peut se com-porter en gros de 3 façons différentes,comme le montre la figure 2. Si lecourant de l’enroulement n’est pasencore retombé à zéro lorsque l’inter-rupteur S est actionné, un courant

Petits convertisseursDC/DCLes convertisseurs continu–continu à la loupe

Prof. Dr. Ing Martin Oßmann

Il serait exagéré de prétendre que les électroniciens amateurs montrent unamour débordant pour les alimentations à découpage. Les composants spéciauxsont souvent difficiles à trouver et onéreux ; toute erreur est sanctionnée parune forte (et fort coûteuse) déflagration. Mais si on se borne aux faibles tensionset aux très faibles puissances, on dispose de quelques circuits universels etmodifiables permettant d’illustrer les principes les plus importants.

S

D

LP

UIN UOUT

ULa

S

DL P

UIN UOUT

ULb

D

L

P

UIN UOUTUL

Sc

DP

UIN UOUTUL

Sd

UL'

020180 - 11a 020180 - 11b

020180 - 11c 020180 - 11d

Figure 1. Quelques convertisseurs CC/CC a) Buck, b) Boost, c) Buck-Boost, d) Flyback.

INFORMATIONS

251/2003 Elektor

figure 1b. Si l’interrupteur S est fermé, la ten-sion de l’enroulement UL est égale à la ten-sion d’entrée et le courant qui y passe croîtlinéairement. Ouvrons maintenant l’interrup-teur S. L’enroulement continue à assurer lepassage du courant indépendamment de lavaleur de la tension de sortie. Le courantpasse ensuite par la diode D. En régime sta-tionnaire, la tension de sortie est plus élevéeque la tension d’entrée et la tension UL del’enroulement est négative : la décroissancelinéaire du courant passant par l’enroulementse poursuit donc. Au cours de cette phase,l’énergie de l’enroulement est, ici aussi,envoyé vers la sortie. Refermons S et toutrecommence. Pour transformer le circuit de la figure 3 en unconvertisseur survolteur, plaçons tout d’abordtous les transistors « la tête en bas » pourdéplacer l’interrupteur S « vers le bas »

passera constamment dans l’enroule-ment : c’est ce qu’on nomme le« mode continu » (CM, ContinousMode). Si le courant de l’enroulements’annule 2 fois comme en b), on par-lera de mode discontinu ou intermit-tent (DM, Discontinous Mode). Si l’in-terrupteur est refermé dès que le cou-rant de l’enroulement atteint le pointzéro, on parle de mode limite CM/DM.La durée de commutation ou le rap-port impulsion/pause permet deréguler la tension de sortie et lapuissance transmise. Voilà pour lathéorie. Passons maintenant à la pra-tique en nous basant sur un circuitpeu compliqué.

Circuit d’attaque de LEDLe circuit [1] de la figure 3 alimenteavec un haut rendement une LED àpartir d’une tension d’alimentationde 9 V. Les composants du circuitd’origine ont été adaptés aux condi-tions européennes. Examinons sonfonctionnement de plus près.Le transistor T1 joue le rôle de l’in-terrupteur S. La diode D1 et l’enrou-lement Ll constituent les autres com-posants de ce convertisseur dévol-teur. Lorsque la commutation esteffectuée, R3 fournit un courant debase préliminaire à T2 (en effet, la

tension à l’état passant de D2 estplus élevée que 0,7 V) et T2 com-mence à conduire. Mais T1 obtientaussi un courant de base par l’inter-médiaire de T2 ; il devient donc éga-lement conducteur. La tension aug-mente au point P et fournit alors uncourant de base élevé à T2. Lepoint P se trouve à présent à environ9 V, le courant commence à augmen-ter dans L1. La vitesse d’augmenta-tion du courant est déterminée parl’inductance et la tension qui lui estappliquée. L’augmentation du cou-rant cause une chute de tension auxbornes de R1. Lorsque celle-ci atteint0,7 V (à environ 70 mA), T3 com-mence à conduire et soutire le cou-rant de base de T1. Le courant pas-sant par L1 ne peut plus augmenter ;la tension diminue donc au point P,ce qui bloque T2, puis T1. Le cou-rant, qui passe alors par L1 puis parD1, diminue jusqu’à s’annuler. Latension sur T2 remonte et le cyclerecommence. Le montage des tran-sistors en tétrode thyristor assure laréaction positive produisant lesoscillations. T3 bloque T1 lorsque lavaleur spécifiée du courant estatteinte. Le convertisseur fonctionneà la limite CM/DM. La figure 4 estune photo du prototype.

ModificationsSi, plutôt que d’attaquer des LED, onessaie d’utiliser ce circuit pour en ali-menter un autre, il refusera d’oscillerpour de nombreuses valeurs de lacharge qui empêchent la commuta-tion initiale de T2 par R3. Un conden-sateur (0,1 µF) entre le point P et labase de T2 améliorera les choses. Uncondensateur électrolytique (10 µF)à la sortie assure le lissage de la ten-sion. Ce convertisseur, qui fonc-tionne sans régulation, constitue plu-tôt une source de courant que detension. Mais il devrait suffire pourun grand nombre d’applicationssimples.

Convertisseur survolteurde 5 V à 12 VPeut-on réaliser un convertisseursurvolteur basé sur le mêmeconcept ? Examinons tout d’abord lefonctionnement du convertisseursurvolteur (boost converter, conver-tisseur élévateur de tension) selon la

I [A]

t

a

continuous mode CM

I [A]

t

b

discontinuous mode DM

I [A]

t

c

CM - DM boundary020180 - 12

Figure 2. Formes de base du courant.

C1

10µ

R3

10

0k

R2

10

k

R1

10

Ω

T2

BC550

T1

T3

BC560

L1

470µH

D1

BAT43

D2

LED

+9V

2x

020180 - 13

Figure 3. Convertisseur down pourfonctionnement de LED.

Figure 4. Prototype du convertisseur LED.

comme l’exige le schéma de principe de lafigure 1. Interchangeons aussi les positionsde la diode D1 et de l’enroulement L1. Laréaction de T1 à T2 est modifiée et quevoyons-nous ? Le circuit de la figure 5 fonc-tionne. La diode zener D2 permet même d’assurer larégulation de la tension de sortie à 12 V. Si latension de sortie devient trop élevée, le pointde travail de T2 se déplace, de sorte que T1sera activé moins longtemps ou moins fré-quemment. La tension de sortie est position-née à 12,6 V pour un courant de sortie de20 mA. Le courant d’entrée s’élève alors à64 mA pour une tension d’entrée de 5 V. Lerendement atteint donc 77 %, ce qui n’est passi mal pour un circuit aussi simple. Le mon-tage expérimental est reproduit dans lafigure 6.

Dévolteur à régulation Peut-on simplifier encore davantage en secontentant de 2 transistors ? Réponse affir-mative. La figure 7 montre un convertisseurrégulé abaissant la tension de 20 V à 12 V. Ilest décrit dans l’article [2] et la seule modifi-cation consiste à adapter les composants auxconditions européennes.Les composants centraux de ce dévolteursont le transistor T1, la diode D1 et l’enroule-ment L1. On reconnaît ici aussi la combinai-son de transistors pnp/npn assurant la réac-tion. Le blocage du transistor T1 de ceconvertisseur ne se produit pas lorsque lecourant de l’enroulement atteint le maximum,mais il est commandé par lacombinaison RC C2/R4. Parallèlement, ladiode zener D2, dont la sortie est reliée àl’émetteur de T2, assure la régulation de ten-sion. Si l’on en croît les indications données,

le rendement de ce convertisseuratteindrait 90 %.

Convertisseur survolteurde 1,2 V à 5 V Ce dévolteur peut être lui aussi« converti » en un survolteur. Lerésultat est présenté dans lafigure 8. Par rapport à celui de lafigure 5, ce circuit présente l’avan-tage de fonctionner parfaitementlorsque la tension d’entrée n’est quede 1,2 V. Le transistor T1, l’enroule-ment L1 et la diode D1 assurent iciaussi la fonction d’élévation de ten-

sion. La diode zener D4 qui, dans cecas également, commande la régula-tion, agit toutefois sur la base de T2. Ce circuit génère la tension de fonc-tionnement 5 V d’un système à par-tir d’un élément NiCd (1,2 V). Il nefournit que 10 mA sous 5 V, mais celasuffit de nos jours pour un micro-ordinateur à faible consommation.Un faible courant supplémentairefourni par une tension d’alimentationnégative est parfois nécessaire, parexemple pour un amplificateur opé-rationnel ou comme polarisation d’unaffichage LCD. Ce circuit a étépourvu de cette fonctionnalité. Le

INFORMATIONS

26 Elektor 1/2003

T1

2N2219

T2

BC550

T3 BC560

C3

10µ

C1

10µ

R4

1k

R3

47

k

R1

3Ω

9

R5

1k

R2

470Ω

D1

BAT43

D2ZPD12

L1

330µH

C2

100n

+12V

+5V

20mA

020180 - 14

Figure 5. Convertisseur de 5 à 12 V à régulation.

Figure 6. Montage du convertisseur de lafigure 5.

T2

BC550

T1

2N2905

R5

2k2

R1

47

0Ω

R2

100Ω

R3

2k2

R4

100Ω

C2

220µ

C1

1000µ

C3

470µ

L1

120µH

D1

BAT43

D2

C12

12V

15...20V

020180 - 15

Figure 7. Convertisseur down à régulation basé sur 2 transistors.

20 pour cent. Le courant de base élevé requispour commuter « énergiquement » les tran-sistors réduit encore davantage le rendement.

De 5 V à ±12 V et plusIl ne manque plus à la liste d’alimentations àdécoupage que le convertisseur inverseur quitransforme une tension positive en une ten-sion négative. La figure 1c en illustre le prin-cipe de base. Lorsque l’interrupteur S estfermé, le courant augmente ici aussi linéaire-ment dans l’inductance. Ouvrons l’interrup-teur ; le courant continue à passer par l’en-roulement et, bien entendu, par la diode D. Ils’ensuit une tension de sortie négative. Ceconvertisseur se distingue par ailleurs légè-rement des précédents : le convertisseurinverseur ne transfert jamais directementl’énergie de l’entrée à la sortie. L’énergietotale est toujours préalablement emmagasi-

née dans l’inductance. Les convertisseursabaisseurs et élévateurs de tension passentpar contre toujours par des phases bien défi-nies de transfert direct d’énergie de l’entréeà la sortie. Selon son mode de fonctionne-ment, la tension de sortie du convertisseurinverseur sera plus ou moins élevée que latension d’entrée. C’est pourquoi ce conver-tisseur est dénommé dévolteur-survolteur(up-down ou buck-boost). Le prototype de lafigure 10 peut engendrer une tension de–12 volts à partir de 5 V. Le circuit de base estune fois encore à celui des figures 3 et 7.

Convertisseurs à isolation galvaniqueIl ne reste plus qu’à expliquer comment pro-duire une tension isolée. La figure 1d illustre le

condensateur C4 et les diodes D2 etD3 forment un convertisseur simpleà pompe de charge fournissant uncourant maximum de 0,5 mA pourune tension de –5 V sans régulation. Le rendement avoisine 60 %. Pasexactement de quoi flipper mais,

lorsque la tension de fonctionnementest déjà basse, chaque diminutionde celle-ci a son importance. Unechute de tension de 0,2 V entre col-lecteur et émetteur du transistor decommutation à l’état passant corres-pond déjà à une perte d’énergie de

INFORMATIONS

271/2003 Elektor

T2

BC T1

BCR5

1k

R1

1k

R2

100Ω

R3

100Ω

R4

2k2

C5

10µ

C1

10µ

C3

1µ

C2

10n

C4

100n

D1

BAT43

D2

BAT43D2

D4

C5V1

L1

270µH200mA

550

560

+1V2

+5V

2x

10mA

–5V020180 - 16

0mA5

Figure 8. Convertisseur boost de 1,2 V à 5 V.

Figure 9. Montage du convertisseur de lafigure 8.

T2

BC550

T1

2N2905

R3

2k2

R1

10

0Ω

C3

10µ

C1

10µ

C4

10µ

R2

100Ω

C2

100n

D3

BAT43

D1

BAT43

D2ZPD13

L1a

330µH

L1b

330µH

+5V

+12V

–12V30mA

30mA

020180 - 17

1 : 1

Figure 10. Convertisseur inverseur/flyback en un.

principe de base. Au lieu d’être constituée parune seule bobine, l’inductance comporte2 enroulements. Lorsque l’interrupteur Sconduit, le courant croît linéairement dans lepremier enroulement (primaire) comme dans lecas du convertisseur inverseur. L’inductanceemmagasine l’énergie. L’interrupteur S est alorsouvert, de sorte que le courant ne passe plusdans l’enroulement primaire, mais seulementdans l’enroulement secondaire à travers ladiode D. L’énergie passe de l’inductance à lasortie. Ce convertisseur se nomme aussiconvertisseur flyback ou convertisseur de blo-cage, car l’énergie s’écoule vers la sortie quandle transistor est bloqué. Avant d’atteindre lasortie, la totalité de l’énergie doit tout d’abordêtre stockée dans l’inductance comme dans lecas du convertisseur inverseur. C’est pourquoion parle plutôt ici d’une inductance à 2 enrou-lements que d’un transformateur. Le convertisseur flyback est tellement simi-laire au convertisseur inverseur qu’il estsuperflu d’en donner le schéma. Il suffit deplacer un second enroulement sur la bobinedu convertisseur inverseur (attention au sensde l’enroulement) pour obtenir une sortie sup-plémentaire séparée galvaniquement.Comme le rapport des nombres de tours est1:1, les 2 tensions de sortie sont égales. Enmodifiant le rapport de transformation d’unconvertisseur flyback, on peut atteindre unetension de sortie considérablement plus éle-vée ou plus basse sans recourir à un rapportcyclique par trop extrême. Dans le cas de lafigure 10, notons que seule la sortie duconvertisseur inverseur est soumise à unerégulation ; la deuxième sortie (flyback) nel’est pas. Ce circuit, dont le rendement estaussi de l’ordre de 60 %, permet d’obtenirfacilement une tension d’alimentation posi-tive et négative pour amplificateurs opéra-tionnels à partir d’une source 5 V.

Les selfsLes inductances constituent lesseuls composants spéciaux de cescircuits. Quelques remarques s’im-posent. On trouve de petites induc-tances fixes dans les commercesspécialisés, mais leur résistance éle-vée en courant continu les disquali-fie pour notre type d’application. Onpeut en fait se rabattre sur desmodèles de plus grande taille dontl’intensité maximale admissible estplus élevée. Les supports en« bobine à fil » que l’on voit sur la

figure 11 (diamètre et hauteur de10 mm environ) s’avèrent particuliè-rement simples à utiliser. On lesdéniche parfois dans d’anciennes ali-mentations de PC et il suffit de lesrebobiner. Dans le cas de nos spéci-mens, du fil entre 0,2 et 0,3 mm dediamètre a fait l’affaire. Un « entre-fer » considérable empêche la satu-ration du noyau. Lors du bobinage,veiller à assurer un excellent cou-plage entre les enroulements de l’in-ductance double destinée au conver-tisseur flyback. La bobine du conver-tisseur de la figure 10 répond à cettecondition car les 2 enroulementssont bobinés sous forme bifilaire(pratiquement avec un fil double).

Conclusion Nous avons vu comment réalisersimplement les alimentations àdécoupage les plus variées. De telsconvertisseurs bon marché sont sou-vent utilisés dans des produits élec-troniques « économiques », et consti-tue un vrai cauchemar pour les tech-niciens du service après-vente car lepremier pépin risque aussi d’être ledernier. C’est l’inconvénient de cesconvertisseurs en régime auto-oscil-lant.

(020180)

INFORMATIONS

28 Elektor 1/2003

Figure 11. Supports en tambour pour bobines.

Aller de l’avantIl se pourrait que le présent article ait attisé votre envie de réaliser des alimenta-tions à découpage à haut rendement. Pourquoi ne pas faire un tour sur les sitesInternet des fabricants de semi-conducteurs suivants et y télécharger la littératurequ’ils proposent à ce sujet… :

Motorola devenu ON-Semiconductor http://www.onsemi.comTexas Instruments / Unitrode http://www.ti.comLinear Technology http://www.linear-tech.comMaxim http://www.maxim-ic.comInfineon http://www.infineon.comSTMicroelectronics http://www.st.comInternational Rectifier http://www.irf.com

Littérature [1] J.S. Rohrer, LED Switching driver Cuts Current Draw to 3 mA,

Electronic Design, August 7.th, 2000, page 130

[2] Eugene E. Mayle, Low-Cost Step-Down Regulator, Electronic Design, February 6.th 1995, page 118

faut partant veiller à ce que ledomaine de l’EEPROM soit utiliséaussi équitablement que possible.La mission du temporisateur duchien de garde (watch-dog) est desurveiller le processeur en perma-nence. Le logiciel déclenche le chiende garde à des intervalles pouvantaller de 10 à 2 048 ms. Il faudraveiller à ce que le programme encours d’exécution réinitialise le tem-porisateur à intervalle régulier. Si, àun instant quelconque, le système setrouve dans un état de programmeinattendu, ces instructions de réini-

MICROCONTRÔLLEUR

30 Elektor 1/2003

La tâche paraît parfaitement plausible : uncompteur d’impulsions doit, par exemple,comptabiliser les processus de traitementd’un automate et pouvoir être interrogé à toutinstant par un PC. Les impulsions de comp-tage (contact ou TTL) sont appliquées à l’en-trée P1.0. L’important ici est la sécurité defonctionnement et la sauvegarde des don-nées. Il faudra, s’il devait arriver que, pour uneraison ou une autre, la tension d’alimentationdisparaisse inopinément, procéder à la sau-vegarde de l’état du compteur. Il faut en outreque, s’il devait arriver qu’à la suite d’impul-sions électro-magnétiques parasites le contrô-leur cesse de fonctionner correctement, lecontrôleur soit automatiquement réinitialisé.On pourra utiliser, pour la sauvegarde desdonnées, l’EEPROM interne du AT89S8252dont la taille est de 2 Koctets (2 048 octets).L’EEPROM se manifeste comme de lamémoire de données externe; elle s’adresse,comme dans le cas de RAM externe, par lebiais de l’instruction movx. Cette approcherequiert cependant la prise d’un certainnombre de dispositions, à savoir le paramé-trage du registre WMCOM en vue de l’activationde l’EEPROM. Les opérations de lecture sefont à vitesse normale. Il faut cependant pré-

voir, après chaque opération d’écri-ture, une pause au cours de laquellese fait la programmation d’un octetdans l’EEPROM. Le fabricant garan-tit 100 000 opérations d’écriture. Àpremière vue, ce nombre impres-sionnant devrait permettre de faireface à toutes les éventualités, maisaprès mûre réflexion cela pourraitdonner lieu à de mauvaises sur-prises. Si, dans l’exemple donné, oneffectue, à répétition, des opérationsd’écriture à la même adresse, ilarrive que cette limitation soit, à unmoment ou à un autre, atteinte. Il

Compteur d’impulsionde longue durée à basede AT89S8252EEPROM et temporisateur chien de garde

Burkhard Kainka

S1P1.0

GND

P1.0

5V TTL

GND

021004 - 11

89S8252 89S8252

Figure 1. Connexion du compteur.

De nombreuses applications requièrent la garantie d’une sécurité defonctionnement et de sauvegarde des données même en l’absence detension d’alimentation. Pour ce faire, le contrôleur AT89S8252 implantésur la carte Flash utilise, dans l’ordre, son temporisateur du chien degarde) et son EEPROM de données interne.

tialisation « brilleront par leurabsence ». Dans ces conditions, aubout du temps correspondant à ladurée d’intervalle prédéfinie, le tem-porisateur entre dans un état dedépassement, instant auquel ildéclenche automatiquement uneréinitialisation qui se traduira par unredémarrage du programme.En fonctionnement normal, cettesituation ne devrait jamais se pro-duire, mais cette sécurisation addi-tionnelle ne peut qu’être rassurantepour le programmeur.

MICROCONTRÔLLEUR

311/2003 Elektor

Tableau 1 Contenu du registre SFR WMCON

PS2 à PS0: Bits de prédivision pour le temporisateur du chien de garde.000 = 16 ms, 111 = 2 048 ms

EEMWE: Validation d’écriture de l’EEPROM ; à mettre à 1 par movx avant toute opération d’écriture

EEMEM: Validation de l’EEPROM, EEMEM=1 permet un accès RAM sur l’EEPROMDPS: Sélection du second pointeur de donnéesWDTRST: Écriture seule : Réinitialisation du chien de garde par mise à 1RDY/BSY: Bit à lecture seule à à 1 lorsque l’EEPROM est prête pour un accès en écritureWDTEN: Validation (1) ou inhibition (0) du temporisateur du chien de garde

7 6 5 4 3 2 1 0

PS2 PS1 PS0 EEMWE EEMEN DPS RDY/BSY WDTEN

Listage 1Programme complet du compteur

‘——————————————————————————-‘ Counter.bas‘ select 89s8252.dat‘——————————————————————————-$timeoutDim I * 2000 As WordDim Count As WordDim Countinput As WordDim Command As ByteDim Address As Word

‘read last countAddress = 2048Count = 0While Count = 0Address = Address - 2Readeeprom Count , AddressIf Address = 0 Then Exit WhileWend

‘initConfig Watchdog = 2048Start WatchdogEnable InterruptsEnable SerialOn Serial RequestPrint “ “Print “ “Print “Counter”

‘counter loopWhile 1 = 1While P1.0 = 1Waitms 1Reset WatchdogWendWhile P1.0 = 0Waitms 1Reset WatchdogWendCount = Count + 1Address = Count / 64Address = Address * 2Writeeeprom Count , AddressPrint CountWend

End

Request:If Scon.0 = 1 ThenCommand = SbufScon.0 = 0Rem aIf Command = 97 Then Print CountRem rIf Command = 114 ThenPrint “Reset y/n”Stop WatchdogInputbin Command Timeout = 100000Rem yIf Command = 121 ThenCount = 0DoWriteeeprom Count , AddressAddress = Address - 2

Loop Until Address = 0Print “done”

ElsePrint “not done”

End IfStart Watchdog

End IfRem NIf Command = 110 ThenPrint “counter setting”Stop WatchdogInput Countinput Timeout = 100000If Countinput > 0 ThenCount = CountinputDoWriteeeprom 0 , AddressAddress = Address - 2

Loop Until Address = 0Address = Count / 64Address = Address * 2Writeeeprom Count , AddressPrint Count

ElsePrint “no change”

End IfStart Watchdog

End IfEnd If

Return

Le AT89S8252 possède, pour le paramétragede ces 2 éléments, l’EEPROM et le tempori-sateur du chien de garde, un registre de com-mande commun, le registre à fonction spé-ciale (SFR) WMCON sis à l’adresse 96HEX. Il esten outre possible, par le biais d’un bit de ceregistre, d’activer le second pointeur de don-nées (DataPointer) DP1. Notons que l’on setrouve ici en présence d’un additif au 8051 et8052 d’origine, processeurs qui ne possèdentpas ce matériel additionnel.Le programme du compteur sera développéà l’aide du langage BASCOM-51 (cf. Opti-mInfo), langage présentant l’avantage pourle programmeur de lui permettre de ne pasavoir à s’occuper bit par bit vu que que celangage connaît des instructions complexespour EEPROM et chien de garde. En début duprogramme, on indique la durée de l’inter-valle et on démarre le chien de garde.

Config Watchdog = 2048Start Watchdog

Il faudra alors faire en sorte, dans le boucledu compteur proprement dite, que le comp-teur du chien de garde soit réinitialisé à inter-valle régulier. On procède à l’interrogation del’entrée P1.0, opération au cours de laquelleon utilise une boucle While différente selonque la dite entrée se trouve à l’état haut (H)ou bas (L). Vu que l’on ne connaît pas ladurée d’un état donné, il faut que la réinitia-lisation du chien de garde se fasse dans l’in-tervalle défini par les boucles.

‘counter loopWhile 1 = 1While P1.0 = 1Waitms 1

Reset WatchdogWendWhile P1.0 = 0Waitms 1Reset Watchdog

WendCount = Count + 1Wend

Après chaque incrémentation, l’étatdu compteur devra être sauvegardéen EEPROM. De manière à utiliserles cellules de mémoire aussi régu-lièrement que possible, on limitera à64 opérations d’écriture successivesl’écriture de données dans unemême cellule. Le registre de comp-tage prend la forme d’une variablede type Word requérant à chaquefois 2 octets, qui occupent tout justel’ensemble de l’espace de mémoire.

Count = Count + 1Address = Count / 64Address = Address * 2Writeeeprom Count , Address

Chaque nouvel état de compteur estimmédiatement stocké en EEPROM.Au départ, toutes les cellules demémoire doivent être mise à lavaleur 0. Sachant que les cellules demémoire d’un processeur effacé setrouvent toutes à la valeur de crête55, il va falloir commencer par rem-plir l’EEPROM de données par desoctets de valeur 0. Lors d’un redé-marrage du programme il est facileensuite de rechercher l’état de comp-teur le plus élevé pour le charger.

‘read last countAddress = 2048Count = 0While Count = 0Address = Address - 2Readeeprom Count , AddressIf Address = 0 Then ExitWhileWend

La fonction de comptage proprementdit est ainsi réalisée. Il reste ensuiteà établir la communication avec unPC ou un terminal. Le cas le plussimple est celui où il faut envoyerchaque nouvel état de compteurimmédiatement par le biais de l’in-terface. On pourra, pour cela, secontenter d’une simple instruction «Print ». Les choses se compliquentquelque peu lorsqu’il s’agit de réagiraux paramètres entrés par l’utilisa-

teur. Une interrogation par une ins-truction « Input » n’avance à rien vuqu’elle bloque l’ensemble du pro-gramme jusqu’à ce que l’on ait entréune ligne complète clôturée par unretour chariot (CR).Il vaut mieux opter pour l’écritured’une procédure d’interruption quisera automatiquement appelée dèsréception d’un caractère par le biaisde l’interface RS-232. Il faut pour celavalider l’interruption sérielle.Chaque interruption en provenancede l’interface sérielle devra se tra-duire par un saut au label «Request ».Cette partie du programme devraêtre clôturée par un « Return », ceque le compilateur convertit en uneinstruction assembleur « RETI »(RETurn from Interrupt).

Enable InterruptsEnable SerialOn Serial Request

....

Request:If Scon.0 = 1 ThenCommand = SbufScon.0 = 0Rem aIf Command = 97 Then

Print CountEnd If

Return

Dans la routine (de traitement) d’in-terruption il faudra commencer parvoir si l’interruption a effectivementété déclenchée par la réception d’uncaractère, vu que l’émission decaractères ASCII se traduit égale-ment par l’envoi d’interruptions. Encas de réception d’un octet, le bit RI(SCON.0) est positionné (mis à « 1»). Il est alors possible de lire lecaractère reçu directement depuis letampon d’émission SBUF en vue deson traitement. À ce niveau on a eneffet émission, pour chaque carac-tère a, de l’état du moment ducompteur. L’utilisateur peut partantlancer une interrogation à tout ins-tant sans avoir à attendre l’impulsionsuivante. Vu que l’interruption ne sefait qu’après réception d’un carac-tère, le retard introduit par une inter-rogation est tellement faible qu’il n’yaura ni déclenchement intempestifdu chien de garde ni risque d’oubli

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32 Elektor 1/2003

Figure 2. Affichage et utilisation.

prévoit, pour les saisies additionnelles, àchaque fois un Timeout. Si une saisie devaitse faire attendre, le programme ne se plantepas mais reprend l’exécution de sa fonctionau bout d’un certain temps.Tout ce que requiert la mise en oeuvre du pro-gramme est un programme de terminal.Chaque nouvel état de compteur est immé-diatement envoyé. Il est en outre possible àl’utilisateur de demander à tout instant l’étatde compteur instantané.

(021004)

d’impulsion.Le programme complet présentequelques autres caractéristiques.L’utilisateur pourra maintenant utili-ser 3 instructions au total :

a Interrogation de l’état actuel ducompteur

r Réinitialisation du compteur. Uneinterrogation de sécurité devraavoir comme réponse un « y ».

n Saisie d’un nouvel état de comp-teur sous la forme « n10000,Return ».

Les instructions utilisateur n et rrequièrent la mise à l’arrêt du chiende garde vu qu’elles impliquent desentrées de données additionnellesopération dont il est impossible desavoir si l’utilisateur les aura termi-nées avant que le chien de garde nepasse à un état de dépassement. On

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331/2003 Elektor

L’examen des envois nous prouva, ce à quoinous nous attendions d’ailleurs, que de nom-breux lecteurs d’Elektor s’étaient vraimentmis de tout coeur à la carte à 89S8252 Flash.Cela s’est traduit par quelques montages fortréussis et des logiciels de bonne qualité.

Nombre des participants avaient doté leur(s)envoi(s) (hé oui, certains n’ont pas hésité àenvoyer 2 réalisations) de descriptionsexhaustives et même de photos de leur(s)projet(s) de manière à informer (impression-ner ?) le jury du mieux possible. Notre juryétait composé des 4 rédacteurs en chef deséditions française (charité bien ordonnéecommence par soi-même dit le proverbe),allemande, anglaise et néerlandaise (dansl’ordre alphabétique pour ces dernières) et duchef de notre laboratoire de développement.Comme il s’agissait d’un concours internatio-nal il était évident que le jury se devait del’être lui aussi !Après l’examen de tous les envois et ledécompte des points il s’avéra que tous lesmembres du jury avaient attribué, chacundans leur coin, le premier prix au même pro-jet : le jeu d’échecs à µC baptisé du nommagique de Deep Evelyn (un clin d’oeil auDeep Blue d’IBM ?), projet d’une équipe de 2Allemands, Pedram Azad et Tilo Gockel. Leurmontage prend la forme d’une carte 89S8252

Flash dotée d’un affichage LCD etd’un clavier, le tout constituant unordinateur pour jeu d’échecs trèsintéressant. La totalité du pro-gramme se trouve dans la mémoirede programme du microcontrôleur. Ilnous faut cependant signaler que le89S8252 d’origine avait été remplacépar un 89S53 compatible broche àbroche mais disposant d’unemémoire plus importante (12 Ko) quele µC d’origine. Le jury fut d’avis quecela n’allait pas à l’encontre durèglement, cette réactualisationn’ayant pas entraîné de modification

de la carte à 89S8252 Flash.Nous adressons nos félicitations aux2 auteurs de ce projet que nous netarderons pas à vous proposer dansl’un de nos prochains magazines etleur avons fait parvenir le prix de500 € qui leur était dû.

Au nombre des autres envois nousen avons découvert plusieurs quiméritent sans doute les colonnesd’Elektor. Vous les verrez apparaîtredans les prochains mois.

(035036)

CONCOURS

34 Elektor 1/2003

Résultats du Concours «Flash»Largement en tête, un jeu d’échec à µC

Harry Baggen

Les envois dans le cadre du Concours « Flash » lancé dans le numéro de Juillet/Août2002 qui nous sont arrivés se sont caractérisés pour la plupart par leur niveau élevé.La grande majorité des participants n’avait pas hésité à joindre une documentationtrès volumineuse, sur CD-ROM le plus souvent. Tout ceci n’a pas facilité la tâche dujury mais, tous comptes faits, l’un des envois s’avéra indiscutablement le meilleur :le jeu d’échecs de Pedram Azad et Tilo Gockel.

Les vainqueurs :Premier prix : 500 €

Ordinateur pour jeu d’échecs Deep Evelynde Pedram Azad et Tilo Gockel (D)

Prix de consolation : un bon-cadeau de 100 €

Chrono-commutateur programmable de Wilfried Wätzig (D)Journal lumineux de ce même Wilfried Wätzig (D)Horloge en temps réel avec synchronisation DCF de Mark de Martelaer (B)Générateur/convertisseur RGB de Alexander Steiger (D)Carte d’extension DALFLASH de Alain Desalle (B)

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38 Elektor 1/2003

Le pupitre d’éclairages à 8 canaux estdevenu, de par son prix abordable et sarelative universalité, très populaire chez nos

lecteurs dont les violons d’Ingrescombinent la lumière et le son.Nous nous attendions à des

demandes d’une version d’un gra-dateur piloté en tension à réalisersoi-même, extension qui seraitadaptée aux signaux de commandestandardisés de 0 à 10 V fournis parles sorties du pupitre d’éclairages.Il est vrai qu’il n’est pas difficile detrouver ce type de gradateurs com-mandés en tension dans le com-merce, un amateur de réalisationspersonnelles digne de ce nom refu-sant cependant par principed’acheter des produits tout faitsdès lors qu’il est en mesure de lesfabriquer lui-même, point de vueque nous ne pouvons pas, bienentendu, ne pas partager avecenthousiasme.Le « gradateur DMX » de juin répon-dait déjà en partie aux attentes destechniciens de l’éclairage, mais ceprojet était en fait plutôt destinéaux applications semi-profession-nelles, son pilotage étant pris encompte par un système DMX numé-rique. Ce n’est pas parce que l’on abesoin de quelques gradateurssimples que l’on est prêt à investir(et s’investir) dans un montagecomplexe piloté par processeur,aussi beau que soit son concept etattrayante sa présentation.En 2 mots comme en cent : il nous aparu exister un besoin viable d’un

Gradateur 0 à 10 VPour le pupitre d’éclairages

Projet : Luc Lemmens texte : Sjef van Rooij

Dans le dernier paragraphe de l’article consacré au « pupitre d’éclairages »du numéro d’avril de cette année, nous vous promettions un gradateurqui lui serait destiné. Le « gradateur DMX » décrit dans le numéro de juinpourrait fort bien convenir, mais il est bien trop complexe et partant tropcher pour des applications du type « simple gradateur ». Le montageprésenté ici est bien plus simple et donc beaucoup moins onéreux !

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391/2003 Elektor

qu’ils sont montés en parallèle.Le bornier non utilisé pourra servir à trans-férer la tension du secteur vers le bornier K5qui se trouve lui sur le(s) module(s) de gra-dation. Il faudra cependant tenir comptealors de l’intensité maximale que peuventsupporter ces borniers (15 A en règle géné-rale) et veiller à ne pas la dépasser. Il estpréférable, si l’on a des doutes, de connec-ter indépendamment chacun des modulesde gradation à la tension du secteur.L’embase Sub-D à 9 contacts K4 est destinéeà recevoir les 8 tensions de commande enprovenance du pupitre d’éclairages. L’inter-connexion entre les 2 sous-ensembles se feraà l’aide d’un morceau de câble plat à9 conducteurs doté d’un côté d’un connecteurmâle et de l’autre d’un connecteur femelle(qui viendra s’enficher dans l’embase K4).L’embase à 2 rangées de 8 contacts K3 sert àdéfinir, par la mise en place d’un cavalier decourt-circuit, le numéro de canal désiré. Latension de commande disponible sur le point

gradateur sans chichi capable detravailler avec des puissances del’ordre du kilowatt (1 000 W) et selaissant piloter par le biais d’une ten-sion de commande standard com-prise entre 0 et 10 V. C’est très exac-tement ce que nous vous proposonsdans le présent article.

2 circuits distinctsLe concept de notre circuit gradateurrepose sur l’approche la plus simpleet la plus proche possible du prin-cipe de base. La gradation se fait, onn’en sera guère surpris, par décou-page de phase, processus qui faitappel ici à un opto-triac. Ce compo-sant est piloté par un comparateurqui compare la tension de com-mande de niveau compris entre 0 et10 V en provenance du pupitred’éclairage avec une tension trian-gulaire de quelque 10 V. On se trouveen fait ici en présence d’une com-mande par MLI (Modulation en Lar-geur d’Impulsion = PWM pour PulseWidth Modulation en anglais). Plusla tension de commande est élevée,plus la durée pendant laquelle la sor-tie du comparateur se trouvera auniveau haut sera importante et de cefait également la durée de conduc-tion du triac et partant la luminositéde la lampe concernée.Tout ce dont nous avons encorebesoin, outre le comparateur etl’opto-triac, est une tension en dentsde scie. La génération d’une tensionde ce genre ne pose pas de problèmecomme nous allons le voir un peuplus loin. Vu cependant qu’il seraitpossible, en principe, d’utiliser cettetension en dents de scie pour plu-sieurs comparateurs montés enparallèle, nous avons profité de l’oc-casion pour disposer les sous-ensembles constituant ce montagede telle façon à disposer de 2 partiesdistinctes : une partie de commandeet une partie de gradation. Le pre-mier sous-ensemble comporte ungénérateur de dents de scie, une ali-mentation régulée rudimentaire pourles amplificateurs opérationnels etun connecteur destiné à se voirappliquer la tension de commandeen provenance du pupitre d’éclai-rages. Le sous-ensemble de grada-tion ne comprend guère plus que lecomparateur, l’opto-triac et une selfde déparasitage.

Logiquement, les deux circuits par-tiels sont montés chacun sur leurpropre circuit imprimé, ce qui per-mettra de connecter plusieurs cir-cuits de gradation à un seul et mêmecircuit de commande. Intéressant sil’on a un groupe de spots montés surun portique ou sur un rail... Chacundes spots est doté de son propremodule de gradation (pouvant de cefait être réglé individuellement),chaque groupe de spots possédantsa platine de commande.

Le circuit de commandeLe schéma de l’ensemble du grada-teur est reproduit en figure 1. Sa par-tie supérieure représente le modulede commande. Commençons parnous intéresser aux connecteurs. Latension du secteur est appliquée àl’un des 2 borniers, K1 ou K2, vu

K1

K2

K6

15V

TR1

1VA5

D3

D5

D4

D6

D1 D2

1N4148

1N40014x

2x

R1

10

k

R2

22

k

R3

3k

3

T1

T2

BC547

R5

10

0k

R7

10

k

R8

5k

6

R4

1k

R6

1M2

R9

1M2

C5

100n

2xCA3140

IC2

2

3

6

7

41

8

5

S

CV

7815

IC1

C1

1000µ 25V

C2

100n

C3

100n

C4

10µ25V

K3

10

11 12

13 14

15 16

1 2

3 4

5 6

7 8

9

K4

DB9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

CV1

CV2

CV3

CV4

CV5

CV6

CV7

CV8

+5V

+5V

S202S11IC3

1

2

3

4

5A T

F1

L1

10A

R11

47ΩR10

47Ω

C6100n

TLC271

IC42

3

6

7

4

5

1

8

R12

1k

K5

CV

S

C7

100n

X2250V

10V3

010125 - 11

+15V'

(S202S12)

Figure 1. Le schéma peut être subdivisé en 2 parties : l’ensemble de commande et celui dugradateur. Les tensions de commande en provenance du pupitre d’éclairages arrivent par lebiais du bornier K4.

« CV » (Control Voltage) est transférée vers lepoint de même dénomination présent surle(s) module(s) de gradation. Notons qu’il estégalement possible de dériver les tensions decommande en provenance des autres voiessur l’embase K3, du côté de K4.Nous en arrivons maintenant au générateurde dents de scie.On a génération, par le biais des diodes D1 etD2 et du transistor T1, d’impulsions, aux alen-tours du passage par zéro de la tension alter-native, qui, par l’intermédiaire du transistor

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40 Elektor 1/2003

010125-1(C) ELEKTOR

C1

C2 C3 C4

C5

D1

D2

D3

D4

D5D

6

H H1

H2H3

IC1

IC2

K1

K2 K3K4

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

T1

T2TR1

+S CV

T

~

~

~

~

010125-1

010125-1(C) ELEKTOR

(C) ELEKTOR010125-2

C6

C7

F1

H5

H6H7

H8

IC3

IC4

K5

K6

L1

R10

R11

R12

W

5AT

010125-2

T

CVS +

~

~~

(C) ELEKTOR010125-2

Figure 2. Les modules de commande et de gra-dation ont chacun leur propre circuit imprimé.Cette approche permet de connecter plusieursmodules de gradation à un même module decommande.

Liste des composants

Résistances :R1,R7 = 10 kΩR2 = 22 kΩR3 = 3kΩ3R4,R12 = 1 kΩR5 = 100 kΩR6,R9 = 1MΩ2R8 = 5kΩ6R10,R11 = 47 Ω

Condensateurs :C1 = 1 000 µF/25 V radialC2,C3,C5,C7 = 100 nFC4 = 10 µF/25 V radialC6 = 100 nF/250 V~, classe X2(!)

Selfs :L1 = self de déparasitage 10 A

de 50 à 100 µH

Semi-conducteurs :D1,D2 = 1N4148D3 à D6 = 1N4001T1,T2 = BC547IC1 = 7815IC2 = CA3140EIC3 = S202S11/S202S12 (Sharp)IC4 = TLC271CP

Divers :K1,K2,K5,K6 = bornier encartable à

2 contacts au pas de 7,5 mmK3 = embase à 2 rangées de 8 contactsK4 = embase sub-D à 9 contacts mâle

encartable en équerreTR1 = transfo sec. 15 V/1,5 VA tel que, par

exemple, BV EI 303 2033 (Hahn)F1 = porte-fusible + fusible 5 AT

Si l’on utilise à un endroit donné une combi-naison associant une platine de commande àune platine de gradation, il faudra, au niveaude l’embase K3, définir un canal par la miseen place d’un cavalier ou d’un pont decâblage; les points « CV » des 2 platines pou-vant ensuite être interconnectés. Si aucontraire, on prévoit de piloter plusieurs pla-tines de gradation à l’aide d’un seul circuit decommande, la connexion « CV » de chacunedes platines de gradation étant reliée indivi-duellement au canal correspondant sur l’unedes broches de l’embase K3. La solution laplus simple pour cela est d’utiliser un connec-teur et un morceau de câble plat.Réglementairement, le boîtier du module gra-dateur devrait être doté d’une étiquetted’identification (cf. au bas du schéma de lafigure 1) mentionnant la tension d’alimenta-tion et la valeur du fusible.

1 000 watts au maximumBien que l’opto-triac utilisé ici soit en mesurede commuter 8 A en continu, nous avonsopté, pour des raisons de sécurité évidentes,de rester largement en deçà de cette valeur.Ceci explique que le fusible F1 ait été prévupour une puissance d’ampoule maximale de1 000 watts. Cette puissance suffit largementdans la majorité des cas et le risque de pro-blèmes à cette puissance est minime.Tant que la puissance reste inférieure à500 watts, il n’est pas nécessaire de doter IC3d’un radiateur. Pour des puissances plus éle-vées il est recommandé de prévoir un petitradiateur. Il est souhaitable dans ce cas-là depercer quelques orifices de ventilation auxendroits stratégiques de manière à permettreune évacuation de la chaleur.Il n’y a aucune raison de se faire des soucisen ce qui concerne les crêtes brèves quidépasseraient la valeur maximale de 8 A (lorsde l’allumage d’ampoules froides) vu que lesopto-triacs mentionnés dans la liste des com-posants, les S202S11 et S202S12, sont en effetcapables de supporter de courtes crêtes decourant tant qu’elles ne dépassent pas 80 A.

(010125)

T2, provoquent une décharge rapidede C5. Au cours de l’intervalle deblocage de T2, le condensateur C5se recharge à chaque fois au traversde la résistance R5. Ce processusexplique la forme en dents de scie dela tension aux bornes de C5. IC2inverse cette tension et l’amplifiepour en faire une tension en dents descie d’une amplitude maximale de10 V environ. La tension d’aide ainsicréée et présente sur le point « S »est transférée vers le(s) point(s) cor-respondant(s) du (ou des) module(s)de gradation.La seule électronique additionnelleprésente sur le module de com-mande est une alimentation réguléede 15 V destinée à assurer l’alimen-tation des amplificateurs opération-nels, alimentation constituée dutransformateur Tr1, du pont deredressement que forment les diodesD3 à D6, du condensateur-tamponC1 et du régulateur de tension inté-gré, IC1.

Le module de gradationCommençons à nouveau par lesconnecteurs : K5 reçoit la tension dusecteur, le bornier K6 étant relié àl’ampoule dont on désire faire varierla luminosité.IC4 compare la tension en dents descie (point S) avec la tension de com-mande en provenance du pupitred’éclairages (point CV). Comme nousle disions plus haut, plus le niveaude la tension de commande estélevé, plus la sortie de IC4 resteralongtemps au niveau « haut », ce quise traduit par un allumage plus longde la LED de l’opto-triac IC3 et par-tant une luminosité plus importantede l’ampoule connectée au bor-nier K6.L’alimentation de ±15 V est transfé-rée de la platine de commande versle(s) module(s) de commande par lebiais des picots identifiés par lessymboles de la ligne positive de l’ali-mentation (+) et de la masse (⊥ ).

Si l’on envisage de connecter plu-sieurs modules de gradation à unseul et même circuit de commande,on pourra dériver les tensions decommande directement sur l’em-base K3 (par le biais d’un connecteurimplanté à cet endroit), le contact 2étant celui du canal 1, la broche 4celle du canal 2 et ainsi de suite.

Passons aux souduresLa figure 2 représente le côté « com-posants » et le côté « soudures »(merci Mr. Giroud) des 2 modules.Bien que la platine du gradateurcomporte un nombre sensiblementplus faible de composants, sa taillen’en est pas moins celle de la platinede commande, ce qui est tout sim-plement dû à la taille (royale) de laself de déparasitage de 10 A, L1.La mise en place des composantssur les 2 platines n’appelle pas deremarque particulière, vu le nombrerelativement faible de composantsconcernés. Nous recommandonscependant de réaliser le montageavec encore plus de soin que d’habi-tude pour éviter en particulier lacréation de court-circuits dus à unpâté de soudure par exemple. Il nefaut pas perdre de vue en effet queces 2 platines se trouvent reliées à latension du secteur !Puisque nous en sommes à évoquerce sujet, prenez la peine de lire lapage « Sécurité » publiée à intervalleplus ou moins régulier dans Elektoret mettez ses conseils en pratique. Ilne saurait en aucun cas être ques-tion d’effectuer des mesures ou desessais sur le montage tant qu’il estrelié au secteur. La tension du sec-teur est dangereuse, il ne faut pasprendre, dans ce domaine, leschoses à la légère !Le coffret dans lequel sera mis lemontage devra être en plastiquesolide. Assurez-vous de réaliser uneentrée secteur digne de ce nom etveillez à ce que le bornier deconnexion vers la lampe soit fixésolidement. L’interconnexion des dif-férentes entrées vers les borniers K1,K2, K5 et K6 se fera, est-il biennécessaire de le préciser, à l’aide decâble isolé d’une section de 1,5 mm2au minimum. L’interconnexion despoints « S », « CV », « + » et « ⊥ » des2 platines pourra se faire à l’aide de filde câblage souple.

SCÈNE&STUDIO

411/2003 Elektor

50Hz

No. 010125

230V

F = 5A T

ELEKTOR

~

Bibliographie :

– Pupitre d’éclairages, Elektor n° 286, avril 2002,page 65 et suivantes

– Gradateur DMX,Elektor n° 288, juin 2002,page 8 et suivantes

AUDIO

42 Elektor 1/2003

Un préamplificateur de microphonedoit élever l’amplitude de signauxtrès faibles tout en introduisant lemoins de bruit possible. En principe,mettez-y un transistor, un amplifica-teur opérationnel ou un tube à vide,quelle différence ? Le signal seraamplifié de toute façon, ce quiimporte, c’est le rapport signal-bruit.Mais si les parasites sont du mêmeordre ou supérieurs au signal utile,l’amplificateur sera surchargé. C’estpourquoi un amplificateur pourmicrophone doit apporter, par défi-nition, le moins possible de ronfle-ment, de bruit et de distorsion. Touteimperfection du préampli se verramultipliée dans l’amplificateur quisuit. C’est donc sur l’étage d’entréeque repose toute la responsabilité durésultat final.Un transistor ou un tube à faiblebruit ne suffit pas nécessairement àréaliser un amplificateur peubruyant. Le souffle provient de l’agi-tation des électrons dans un conduc-teur quelconque. La construction etl’utilisation de matériaux appropriésdéterminent le bruit intrinsèque ducomposant. Le souffle d’un étaged’entrée dépend du tube ou du tran-sistor lui-même et d’une résistance

Préampli micro à ECC83La qualité studio à tubes

Gerhard Haas Experience electronics

À l’ère des semi-conducteurs, on (re)voit de plus en plus de tubes dansles amplificateurs Hi-Fi ou ceux de guitare, derrière les microphones àcondensateur les plus chers, mais aussi dans les appareils de studio(analogiques). Nous décrivons ici un préamplificateur de microphone dontla couleur sonore ne manque pas de charme.

AUDIO

431/2003 Elektor

quoi, dans de nombreux montages, on ren-contre la pentode EF86, caractérisée par unbruit et une microphonie faibles, montée entriode. On troque de la sorte un gain éven-tuellement plus élevé de la pentode enéchange d’un facteur de bruit plus favorable.Par construction, la triode possède encore unavantage sur la pentode, elle a plutôt ten-dance à engendrer une distorsion agréable detype k2, alors que la pentode produit des sonsgrinçants de type k3, parce que tout accrois-sement du courant cathodique se répartit dif-féremment sur deux électrodes, à savoirl’anode et la grille-écran.

Adaptation par transformateurDans un schéma classique comme celui de lafigure 2, le microphone est adapté au tube à

interne de la source de signal, larésistance de bruit.

Mesure du bruitLa figure 1 vous présente un circuitde mesure capable de déterminer larésistance équivalente de bruit Reqd’un tube ECC83. Les grandeurs deRa et de Rk sont classiques pour cetube-là et n’ont en principe pas d’in-fluence sur la mesure. Au millivolt-mètre, on commence par mesurer la

tension de bruit Ur à l’anode, l’inter-rupteur S fermé. On l’ouvre ensuiteet l’on règle Req jusqu’à une aug-mentation d’un facteur radical 2 dela valeur. Reste à mesurer Req pourtrouver la résistance équivalente debruit du tube. Voici ce qu’on peutdéduire de la formule : si Req estplus petite que Rr, c’est le bruit dutube qui prédomine, si Req est plusgrande que Rr, c’est la résistance debruit qui l’emporte.Si maintenant on remplace la triodepar une pentode, le bruit de sépara-tion du courant s’y ajoute. Dans unepentode, la cathode émet plusd’électrons que l’anode n’en reçoit.Plus la grille-écran capte d’électrons,plus le bruit est intense. C’est pour-

R2

20

k

R

1k

5

ReqS

+300...350V

M

V

a

k

020323 - 11

Figure 1. Circuit de base pour lamesure du bruit.

Urges = ÷(Ur2 + Ureq2)Ur2 = Ureq2Urges = Ur◊ ÷2Urges : Tension de bruit totaleUr : Tension de bruit des tubesUreq : Tension de bruit de larésistanceReq : Tension équivalente de bruit

R

R

+U

a

k Ck

1 : ü

B

020323 - 12

Figure 2. Adaptation de microphonepar transformateur.

R

R

+U

a

k Ck

B

R3

R2

C2 C3

C1 R1

020323 - 13

C3

C1 R1

R2

Figure 3. Amplificateur opérationnel inverseur à tube.

Caractéristiques techniquesTensions d’alimentation 350 V, 4 mA environ

pour ECC83S 12,6 V/0,15 Apour ECC808 6,3 V/0,34 A

Réponse en fréquence vu = 40 dB 28 Hz à 24 kHz –1 dB

Impédance d’entrée 1 kHz 900 Ω environ

Tension parasites 20 Hz à 20 kHz –72,5 dBm

Tension de bruit –81,0 dBm(A)CCIR-468 –67,8 dBm

Tension de bruit relatée à l’entrée CCIR-468 vu = 50 dB –117,8 dBm

Rapport de distorsion kges k2 k3 k4 k5–40 dBm, vu = 30 dB 0,342% 0,020% 0,287% 0,018% 0,041% à 80 Hz

0,023% 0% 0,001% 0% 0% à 1 kHz–40 dBm, vu = 40 dB 0,353% 0,030% 0,294% 0,018% 0,040% à 80 Hz

0,025% 0,006% 0,001% 0% 0% à 1 kHz–40 dBm, vu = 50 dB 0,350% 0,023% 0,293% 0,018% 0,040% à 80 Hz

0,046% 0,036% 0,003% 0% 0% à 1 kHz

l’aide d’un transformateur, lequel présente unrapport de transformation de 1 à 10 jusqu’à 1à 30. Un transformateur est capable d’éleverpresque sans bruit la tension d’entrée. Maisla capacité du circuit et celle du transforma-teur, spécialement quand le rapport de trans-formation est élevé, réduisent la fréquencelimite supérieure et altèrent la linéarité ; enlimiter l’influence est une démarche coûteuselors de la fabrication du transformateur et dela construction du circuit. Le tube à la figure 2est en boucle ouverte, son gain dépend durapport de transformation et de la raideur dela pente du tube. D’un tube à l’autre, vouschangez le facteur d’amplification.

Circuits à amplificateur opérationnelOn peut s’imaginer le tube comme s’il s’agis-sait d’un amplificateur opérationnel, commeà la figure 3 et comparer les électrodes de lalampe aux bornes d’entrée plus et moins del’amplificateur opérationnel. Les condensa-teurs C1 à C3 servent à enlever la compo-sante continue et n’ont en principe aucuned’influence. On doit brancher au tube unerésistance de fuite de grille R3, mais vu sagrandeur, l’influence sur le fonctionnementd’ensemble reste très minime. Sur un tube, lacathode correspond à l’entrée non inverseusede l’ampli op. Comme Rk est nécessaire pourfixer, en courant continu, le point de fonc-tionnement du tube, il faut la court-circuiteren alternatif par Ck, ce qui ramène cette «entrée » à la masse. Nous avons ainsiconstruit un ampli op inverseur dont le gain(indépendamment de tout composant ampli-ficateur) ne dépend que du rapport R2/R1. Ilfaut cependant pour cela que le gain enboucle ouverte du composant soit considéra-blement plus grand que le rapport R2/R1. Larésistance d’entrée du circuit correspond àR1. Comme on ne peut pas rendre R2 aussigrande que l’on veut, et en même temps quela résistance de fuite de grille R3 ne peut nonplus pas être choisie trop grande, l’obtentiond’un haut facteur d’amplification impliqueraitque R1 soit relativement petite, ce qui char-gerait notablement la source de signal. Larésistance interne de la source constitue,avec R1 un diviseur de tension. La grille decommande, tout comme l’entrée inverseused’un amplificateur opérationnel, constitueune masse virtuelle.Lorsqu’on modifie le montage de l’amplifica-teur opérationnel comme dans la figure 4, legain dépend essentiellement du rapport RB/RA. Avec R1 et R2, on dispose d’une plusgrande liberté. Si l’on remplace à présent R1 etR2 par un transformateur, R1 sera la résis-tance de source du signal, R2 devient R1 ⋅

ü2. Le montage correspondant,équipé d’un tube triode, garantit unamplificateur à gain élevé et bruitfaible. Mais cette configuration a l’in-convénient d’un gain de base limité.Le circuit de la figure 5 représenteune version améliorée. Elle utilise untube supplémentaire : Va2 travailleen convertisseur d’impédance, puis-qu’il est couplé par la résistance decathode. Les mêmes stipulationsvalent pour RA et RB comme dans lafigure 4, puisque la résistance decathode de Va1 n’est pas pontée, onn’obtient que peu de gain mais larétroaction directe appliquée au sys-tème à tubes est favorable à lacourbe de distorsion et la stabilité àlong terme. Plus le tube vieillit,moins la cathode est capabled’émettre des électrons. Si dès le

début il travaille avec peu d’amplifi-cation de système, le tube peutdurer plus longtemps. Le manque degain pénalise Va2. Ici non plus, il n’ya pas de condensateur pour ponterla résistance de cathode, car la ten-sion alternative sur la cathode estnécessaire pour la contre-réaction.Sur RGK a lieu encore une fois unecontre-réaction générale, qui force lesystème dans une relation définie,sans qu’il soit nécessaire d’utiliserdes tubes sélectionnés.

Préamplificateur microVous trouverez à la figure 6 leschéma complet du montage, avecles valeurs de composants. Le trans-formateur d’entrée B-11620, un descomposants les plus importants pour

AUDIO

44 Elektor 1/2003

R

R

+U

a

k Ck

B

R

R

C2

R1

R2

1 : üR1

B

A R

RB

A

020323 - 14

Rö1

R

R

+U

a

k

B

R

R

1 : üR1

B

A

Rö2

RkRG

Ra

R

R

L

GK

Ua

020323 - 16

Figure 4. Amplificateur opérationnel non inverseur à tube.

Figure 5. Amplificateur à convertisseur d’impédance.

coce aux hautes fréquences.La résistance R1 assure un réel bouclage dutransformateur. La grille du tube présenteune résistance tellement élevée que le trans-formateur, côté secondaire, travaille prati-quement sans charge. Cela peut de nouveauprovoquer une non linéarité de la caractéris-tique spectrale. C’est pourquoi un réel bou-clage est toujours avantageux.

Alimentation secteur de qualitéPour la qualité d’ensemble du circuit, il fautaussi se monter très exigeant sur l’alimenta-tion. Le circuit ne donne de bons résultatsque s’il est inséré dans un boîtier métalliqueintégralement blindé. Le chauffage du tube

cette application, est bobiné pour unrapport de transformation de 1 à8+8. Il est ici câblé en 1 à 16, un boncompromis entre hauteur de signalet rapport signal-bruit. De plus, cetransformateur pourra servir àd’autres applications, de manière àrépartir le prix d’achat sur plusieursmontages. Il peut fonctionner avecun niveau d’entrée voisin de 800mVeff à 40 Hz, ce qui ne veut pasdire que le préamplificateur puissesupporter pareil niveau d’entrée. Leniveau d’entrée maximal dépend despossibilités de la configuration d’en-semble. Le transformateur est tota-lement blindé de mu-métal, pour quele moins possible de parasites nesoient fortement amplifiés parl’étage amplificateur suivant. Lescomposants du montage sont calcu-lés pour rendre possibles des fac-teurs d’amplification compris entrede l’ordre de 25 dB et 60 dB environ,en haute qualité. Le gain dépendessentiellement de R6 et R15. Les 25dB représentent déjà l’élévation dueau seul transformateur. Avec R6, onpeut par exemple fixer le gain mini-mum. On peut aussi remplacer R15par un pont de câblage, un commu-tateur à plots avec des réglages fixesde dB ou un potentiomètre. Naturel-lement, il faut veiller à ce qu’ilssoient de la meilleure qualité, lescontacts du commutateur doiventêtre revêtus d‘or véritable et com-muter sans perte de contact, souspeine de produire des craquements.Les condensateurs de couplage C4et C5 portent un repère particuliersur le schéma. Ce marquage signalesur le corps du condensateur le côténon critique du montage. De nom-breux condensateurs à film sontainsi repérés pour faire en sorte quele condensateur se protège lui-mêmed’un écran et diminue la vulnérabi-lité du montage aux parasites.Sur la platine, dont le dessin estreproduit à la figure 7, la possibilitéexiste de brancher, par ponts decâblage, le transformateur en 1 à 16ou 1 à 8. En outre, on peut y enficherd’autres types de tubes, du mêmebrochage, comme les ECC81, ECC82ou des doubles triodes similaires. Onne peut cependant pas assumer queles valeurs des composants pourrontencore correspondre à l’identique àcelles indiquées. Il faut absolumenttenir compte de la déviation du point

de fonctionnement en continu avectout autre type.Les composants R3, C1 et C9 ser-vent, en corrélation avec l’amplifica-teur, à amortir la position de la réso-nance du transformateur, de manièreà rendre la caractéristique spectralede l’amplificateur la plus linéairepossible. Il est permis de modifier lesvaleurs indiquées si les circons-tances l’exigent. Le montage com-plet, avec les valeurs indiquées, pré-sente, dans la caractéristique de fré-quence, une légère bosse de quelque0,8 dB à 17,7 kHz. Si l’on veut intro-duire un amortissement plus grand,on doit accepter une chute plus pré-

AUDIO

451/2003 Elektor

V1.A

8

7

6 V1.B

3

2

1

R12

22

0k

R13

22

0k

R1

1M

R2

10

k

R3

18

0k

R4

1k

5

R7

1M

R8

1k

5

R9

1M

R11

47

0k

R10

1k5

R6

100ΩR15

R5

10k

C2

C4

220n630V

C5

220n630V

C3

C7

10µ450V

C6

10µ450V

R14

4k7

C1

680p

C9

100p

C8

100µ140V

D1

110V

D2

D3

3x

Tr1

E-11620

+UB

M-UB

OUT

M-O

FL2

FL1

5

4

21

A1

A

B

A2

B1

B2

M

a

b

b2

b1

a2

a1

* *

*

**

020323 - 17

V1 = ECC83S

Figure 6. Le circuit définitif du préamplificateur de micro avec le brochage du culot des deuxtubes utilisés.

f filament de chauffage aI anode 1 aII anode II gI grille 1gII grille 2 kI cathode 1 kII cathode 2 s écranfM point milieu du filament de chauffage (broches vues du bas)

f f

ff

s

a

k

g

a

k

g

ECC 808

f f

ff

a

k

020323 - 15

fM

g

a

k

g

ECC 83

s’effectue en tension continue de 12,6 V. Lahaute tension doit être bien filtrée. Des cir-cuits convenables ont déjà été présentésdans la série « Tube-preamp », dans lesnuméros de juin à septembre 2000 d’Elektor.Les diodes zener D1 à D3 doivent être instal-lées si plusieurs préamplificateurs sont ali-mentés par une seule source de courant ou sil’alimentation secteur se résume à un filtragepassif à cellules RC. La tension d’alimenta-tion doit se situer aux alentours de 350 V.Une alimentation stabilisée présente l’avan-tage que le tube fonctionne dans des condi-tions définies, du fait que l’amplificationd’une triode dépend plus ou moins de la ten-sion d’alimentation. Attention, et c’est impor-tant : le pôle négatif de la tension de chauf-fage doit être relié au pôle négatif de la hautetension.Dans le choix des tubes, on fera attention àcertains détails. Les résultats de mesurespubliés ont été observés avec une ECC83S,un hybride entre l’ECC83 et la version mili-taire E83CC. Les valeurs de bruit d’uneECC83S sont nettement plus favorables quecelles de l’ECC83 standard, ce type est doncclairement préférable. L’ECC83 existe aussisous différentes immatriculations améri-caines, telle que 12AX7, qui correspond exac-tement à l’ECC83 standard. Les 12AX7A et12AX7WA sont des versions à tolérances plusétroites, à plus faibles bruit et microphonie.La 7025 est une version à plus longue duréede vie. On peut toujours utiliser l’E83CC et leséquivalents américains 6681, 6057 et 5751. Ilssont nettement plus chers, mais l’avantageest une plus faible microphonie et une plusgrande durabilité.Par microphonie, on entend la tendance auxvibrations mécaniques, principalement cellesde la grille du tube, qui conduit l’installationd’amplification à produire des bruissementsindésirables, voire des sifflements. Pour unbon amplificateur de microphone, on ne lési-nera donc pas sur ce poste-là. L’amplificateurne sera pas non plus installé sous le mêmeboîtier que l’alimentation secteur. Les induc-tions électromagnétiques ainsi que les ron-flements du transformateur se feraient mal-

AUDIO

46 Elektor 1/2003

C7

C1

R3

A1 A2

Ü1

B1 B2

C9

R1

R5

R2 R4C3 C8

C6

HZ1

HZ2

M

A

M

+UB

R7

R8

RÖ1

R9

R12

R14

R13

R6A M B R15

D3D2

D1

C5

C2

21

R11

C4

R10

M-O

OUT

M-UB

Figure 7. Dessin de la platine à ECC83.

Tension d’entrée maximale(pour kges = 1 % fonction du gain)

vu ue R1525 dB 375 mV 0 Ω30 dB 180 mV 11 kΩ40 dB 180 mV 62 kΩ50 dB 85 mV 173 kΩ

encontreusement remarquer. Le cas échéant,la platine devra être montée sur des amortis-seurs souples en caoutchouc, par exemple. Lecircuit est conçu de manière telle que destubes sélectionnés ne soient pas absolumentindispensables.Il existe encore un autre choix possible. Letube ECC808 a été développé pour répondreaux déficiences de l’ECC83 standard. Dupoint de vue électrique, les deux tubes sontpareils, mais l’ECC808 est trois fois meilleurconcernant le bruit, il est moins sensible au

AUDIO

471/2003 Elektor

C7

C1

R3

A1 A2

Ü1

B1 B2

C9

R1R5

R2R4C3 C8

C6

HZ1

HZ2

M

A

M

+UB

R7R8

RÖ1

R9

R12

R14

R13

R6A M B R15

D3D2

D1

C5

C2

21

R11

C4

R10

M-O

OUT

M-UB

Figure 8. Dessin de la platine à ECC808.

Liste des composants

Résistances :(0W7, à film métal, tolérance de 1% sauf

mention contraire)

R1,R7,R9 = 1 MΩR2 = 10 kΩR3 = 180 kΩR4,R8,R10 =1kΩ5R5,R8 =10 kΩR6 =100 ΩR11 = 470 kΩ/2 W oxyde métallique 2%R12,13 = 220 kΩ/2 W oxyde métallique

2%R14 =4kΩ7R15 = cf. texte et tableau 2

Condensateurs :C1 = 680 pF céramiqueC2,C3 = uniquement en cas de tendances à

l’entrée en oscillation et de parasites HF(entre 10 et 47 pF)

C4,5 = 220 nF/630 V MKS4, RM 22.5C6,7 = 10 µF/450 V RM 5C8 = 100 µF/40 V RM 5C9 = 100 pF céramique

Semi-conducteurs :D1 à D3 = diode zener 110 V/1W3

Divers :Tr1 = E-11620Va1 = ECC83S, E83CC, ECC808 (cf. texte)1 support pour tube encartable céramique

Le kit, les composants spéciaux et la platine sont disponibles chez :

Experience electronicsWeststrasse 189542 HerbrechtingenInternet: www.experience-electronics.deE-Mail: experience.electronics@t-online.deTél.: 0 73 24 / 53 18Fax.: 0 73 24 / 25 53

bourdonnement et surtout à la microphonie.Sa caractéristique de bruit correspond à peuprès à celle de l’ECC83S. Il est en outreéquipé d’un rideau métallique qui fait écranentre les deux systèmes, mais pour l’applica-tion envisagée, il ne jouerait qu’un rôle secon-daire. Les électrodes sont aussi disposées dif-féremment, la grille de commande est pluséloignée de l’anode et du chauffage. Parconséquent, on ne peut pas simplement rem-placer l’ECC83 par l’ECC808. C’est pourquoiune deuxième platine a été dessinée, elle setrouve à la figure 8. Les valeurs restent exac-tement les mêmes, seul le chauffage, au lieude 12,6 V/0,15 A pour l’ECC83, doit passer à6,3 V/0,34 A continu pour l’ECC808.L’ECC808 n’est malheureusement pas bonmarché, vu sa rareté actuellement, maisconstitue une variante intéressante. Le prixse justifie, dans un bon étage préamplifica-teur pour microphone.

Interprétation des mesuresIl nous faut encore interpréter brièvement lesrésultats de mesure sur l’amplificateur consi-gnés dans le tableau 1. Le gain en boucleouverte, donc sans R15, se monte à quelque68 dB. Si l’on admet un gain maximum de 60dB, il subsiste 8 dB pour la rétroaction, ce quin’est pas beaucoup. Les tubes ne peuventoffrir un gain de boucle ouverte comparableà un amplificateur opérationnel. Mieux vautdonc se cantonner dans une fourchette degain entre 30 dB et 50 dB, parce qu’elle favo-rise le facteur de bruit et la caractéristique defréquence. Les mesures de distorsion sontrelatives à 1 kHz et 80 Hz. Comme on le voit,la distorsion s’accroît dans le médium, com-posée principalement d’harmoniques impairs.

C’est l’influence du transformateurqui s’y manifeste. Les transforma-teurs produisent surtout ce genre dedistorsion. Les harmoniques pairssont causés par les tubes. La com-posante K2 de la distorsion paraîtplus agréable, elle est caractéris-tique du timbre du tube. Si la distor-sion s’élève aux basses fréquences,ce n’est pas trop grave, puisquel’oreille est relativement peu sensibledans ce domaine. On peut ajouter, auvu des mesures de distorsion, que lebruit total aux alentours de 1 kHzest plus haut que la moyenne. Là,c’est le souffle de l’amplificateur quiprédomine. Dans ce cas-ci, il n’estpas possible de faire la distinctionentre bruit et distorsion, du fait queles mesures au-dessus de 1 kHz ontété effectuées à large bande.Les valeurs de bruit s’entendentcomme valeurs de tension absolueen sortie de l’amplificateur. Lesvaleurs de bruit relatives à l’entréeont été réalisées en considérant unamplificateur exempt de bruit, à l’en-trée duquel on branche une sourcede bruit réglée à un certain niveau.Trois valeurs sont reprises (20 Hz à20 kHz, pondération A et CCIR-468).Le filtre CCIR-468 s’utilise en tech-nique de studio. Au lieu de valeursde bruit efficaces, on mesure à l’aided’un redresseur à valeur de crête etl’on utilise un filtre à caractéristiquecomparable au filtre A, mais danslequel on attribue un poids plusconsidérable à la part de bruit situéentre 1 kHz et 12 kHz. C’est pour-quoi les résultats selon cetteméthode sont les plus mauvais.Pour pouvoir apprécier convenable-ment l’amplificateur, il faut interpré-ter correctement les mesures. Si l’onbranche à l’appareil de mesure unerésistance à couche métallique de200 W, on mesure avec le filtre CCIR-468 un niveau de –118 dBm. Unmicrophone dynamique d’une impé-dance de source de 200 W produitun bruit de –118 dBm. Si maintenantnous considérons notre amplificateurcomme exempt de bruit et que nousdéduisons son gain du niveaumesuré en sortie, nous arrivons à–117,8 dBm (avec filtre de pondéra-tion CCIR-468). Ainsi, l’amplificateurs’écarte de seulement 0,2 dB de lalimite physique (0 dBm = 775 mV,la norme de niveau de studio).Il faut encore analyser un point

important, à savoir la tension maxi-male d’entrée. Il faut tenir compte del’élévation du niveau d’un facteur 16dû au transformateur d’entrée. Doncsi l’on dispose d’un niveau d’entréede 10 mV, on trouve déjà 160 mVsur la grille du premier tube. Commela polarisation de grille se chiffreseulement à –1,2 V, la partie courbede la caractéristique du tube est viteatteinte. Le niveau maximum d’en-trée pour 1 % de distorsion dépenddu gain, comme en rend compte letableau 2. Il ne semble pas que 85mV à un gain de 50 dB soit particu-lièrement haut. Un microphone dyna-mique fournit un niveau théorique de2 mV. Si maintenant l’amplificateursupporte 85 mV, on dispose encored’une réserve d’admissibilité d’aumoins 18 dB.S’il fallait utiliser aussi cet amplifica-teur pour des niveaux d’entrée plusélevés, il faudrait passer au préa-lable par un atténuateur, comme à lafigure 9. Avec les valeurs mention-nées, l’atténuation se situe aux alen-tours de 30 dB. Si l’on veut l’ajusteravec précision ou la modifier, on peutagir sur la résistance de 270 W. Illus-tré également, le moyen de réaliserune alimentation fantôme de 48 V.

(020323)

NdlR : Certains de nos lecteurs pourraienttiquer à la comparaison faite entre unmontage à tube et un montage à ampliop. Selon la disposition choisie, il existenéanmoins une certaine similitude defonctionnement.

AUDIO

48 Elektor 1/2003

1 : ü

27

0Ω

3k3k

6k8

6k8

+48V

020323 - 18

a

b

a

b

a

b

Figure 9. Un atténuateur primaire de 30 dB etcomment incorporer une alimentation fantôme.

Bibliographie :Réparer, restaurer et améliorer lesamplificateurs à tubesGermain Dutheil, Publitronic

Amplificateurs à tubes de 10 W à100 W à transformateurs de sortietoriquesMenno Van den Veen, Publitronic

Amplificateurs à tubes pour guitareet Hi-FiGermain Dutheil, Publitronic, 1998

Guide des tubes BFGermain Dutheil, Publitronic, 1999

MICROCONTRÔLEUR

50 Elektor 1/2003

Plutôt que d’utiliser des LED « ordinaires »,notre chenillard fait appel à des duo-LED, desLED bicolores, en rouge et vert le plus sou-vent. Il existe 2 modèles de ce type de LED, à2 et 3 pattes (cathode commune, anodes dis-tinctes). Dans le premier cas, c’est d’ailleursle type de LED utilisé ici, les LED sont mon-tées en tête-bêche (on trouve également la

notion de montage en anti-parallèle),ce qui se traduit, en fonction du sensde circulation du courant, par l’allu-mage de l’une ou de l’autre des LED.La commande des duo-LED requiertun commutateur de sens de circula-tion de courant adéquat. Vu que lesLED ont normalement besoin d’un

courant compris entre 5 et 20 mApour atteindre une luminosité suffi-sante, notre commutateur n’a pasbesoin de commuter des courantstrop importants, de sorte que l’onpeut, sans arrière-pensée ni batte-ments de coeur, choisir des circuitsintégrés de la famille HCT capables

Chenillard à duo-LEDÀ pilotage par µC

Projet : Dipl.-Ing Andreas Köhler

S’il est une catégorie de montages appréciés par nos lecteurs et partant àretrouver dans nos colonnes ce sont bien les réalisations ayant trait auxeffets de lumière. Nous vous proposons un montage qui utilise unmicrocontrôleur pour piloter jusqu’à 96 duo-LED pour leur faire affichernombre de patrons (motifs). Cette électronique met à contribution lapersistance rétinienne de l’oeil humain.

MICROCONTRÔLEUR

511/2003 Elektor

mentionner ?) qu’il est possible d’utiliser unquartz travaillant à une autre fréquence,choix qui implique cependant d’avoir à modi-fier certaines des constantes de temps duprogramme.Les broches 6 à 9 sont reliées aux contactsd’un quadruple interrupteur DIL et à desrésistances de forçage au niveau haut (pullup). Elles pourraient permettre, par exemple,après adaptation du programme, de choisirun patron d’illumination ou un autre, voired’adapter le taux de transmission. Dans saversion actuelle, le programme ne permetcependant pas encore l’une ou l’autre de ces2 options.La commande des modules de LED se fait parle biais du port 1. Pour chacun d’entre eux,une ligne de donnée (P1.0, P1.2, P1.4 et P1.6)et une ligne de signal d’horloge (P1.1, P1.3,P1.5 et P1.7) attaquent un bloc de construc-

de fournir ou de drainer à l’état hautainsi qu’à l’état bas, un courant de 8mA au minimum. Chaque duo-LEDest prise entre 2 sorties de ce type.Si les 2 sorties présentent un mêmeniveau les 2 LED restent éteintes; siau contraire, les sorties se trouventà des niveaux logiques différents, laLED s’allumera en rouge ou en verten fonction du sens du courant.Comme chaque LED « occupe » 2sorties, la commande ne peut pas sefaire directement par le biais deslignes de port d’un microcontrôleur.Ceci explique que le pilotage sefasse sériellement par le biais d’unepaire de lignes seulement. Uneunique ligne de données et un signald’horloge suffisent elles à la com-mande de plusieurs LED. La conver-sion sµrie-parallèle est l’affaire dequelques registres à décalage HTC.Au cours d’une première phase on atransfert vers les registres à déca-lage d’une grande quantité de don-nées et ce à très grande vitesse, àune vitesse telle que l’oeil humainest incapable de suivre ce processus.Au cours de la seconde phase, lesdonnées restent un certain temps àla sortie des registres à décalage etdeviennent partant stables etvisibles. Après un court intervalle,on a transfert d’un nouveau patrondans les registres à décalage. Lechoix d’une disposition graphiquedes LED peut améliorer l’effet trèssensiblement.

Un microcontrôleurLe montage se compose d’une unitéde pilotage centrale à microcontrô-leur et d’un maximum de 4 modulesà duo-LED. Le sous-ensemble decommande se résume à un montageà microcontrôleur tout ce qu’il y a deplus classique à base de 89C2051,l’un des microcontrôleurs d’Atmel lesplus utilisés. On pourra en trouver lafiche de caractéristiques à l’adresse :www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1045.pdf.C3 et R4 constituent le réseau d’ini-tialisation à la mise sous tensionclassique (power-up reset). Labroche 2 sert à réaliser une sorted’interface RS-232 primitive, capableuniquement d’une lecture par lebiais de la broche 2 mais dans l’in-capacité d’émettre par l’intermé-diaire de la ligne TxD (broche 3). Le

transistor T1 sert à l’adaptation deniveau, la diode D1 servant elle à éli-miner les niveaux négatifs. La résis-tance T3 limite le courant tant auniveau de la base de T1 que de ladiode D1. Cette approche permet dese passer des pompes de charge nor-malement requises dans le cas d’uneinterface RS-232.L’oscillateur pris entre les broches 4et 5 utilise un quartz de 7,372 8 MHzque vous pourrez (peut-être) trouverdans votre réserve de composants.De par sa fréquence, ce quartz limitequelque peu les taux de transmis-sion RS-232 disponibles, mais sim-plifie très sensiblement la program-mation de boucles temporelles d’unecertaine longueur. Il va sans dire(mais il vaut peut-être mieux de le

INT0/P3.2

INT1/P3.3

RXD/P3.0

TXD/P3.1

89C2051

T0/P3.4

T1/P3.5

P1.0

P1.1

IC1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7P3.7

RST

X1 X0

20

10

12

13

14

15

16

17

18

1911

5 4

2

3

1

6

7

8

9

X1

7.3728MHz

C1

33p

C2

33p

R5

1k

R6

1k

R2

2k

2

R4

10k

C3

10µ16V

+5V

+5V

R14x 10k 1

2 3 4 5

S1

1 2 3 4

8 567

T1

D1

1N4148

K1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

010134 - 11IC2

7805

C5

100µ10V

C4

470µ16V

+5VD2

1N4001

K6

R3

22k

K2

K3

K4

K5

C6

100n

20mA

BC547B

Figure 1. Cette configuration à microcontrôleur minimale est en mesure de piloter unmaximum de 96 duo-LED.

tion de l’affichage avec son registre à déca-lage. Comme il est recommandé d’effectuerdes connexions de faible longueur il n’a pasété prévu de circuit de protection. Il reste àmentionner les résistances de forçage auniveau haut (pull up) prises aux ports P1.0 etP1.1, qui font office d’entrée non inverseuseet inverseuse respectivement pour un com-parateur interne. En l’absence de résistancede forçage (<2 kΩ) la commande des LED nese ferait pas correctement; il semble évidentque les sorties du comparateur exercent uneinfluence sur le comportement des sorties deport. Le courant reste en deçà des 15 mA parsortie de port admissibles. L’interconnexionentre l’unité de pilotage et les 4 modules deLED (au maximum) se fait par le biais de mor-ceaux de câble plat à 5 conducteurs véhicu-lant les données, le signal d’horloge et la ten-sion d’alimentation.Cette dernière est fournie par une alimenta-tion ayant à fournir une tension de ≥9 V à uncourant de 200 mA par module de LED,intensité à laquelle il faut ajouter les 20 mArequis par la commande par microcontrôleur.Comme on le constate, cela peut se traduirepar des intensités « intéressantes » dans

certaines conditions. Il n’y a pas decontre-indication à doter le régula-teur intégré IC2 d’un radiateur...

Et 4 modules à LEDUn module à LED comporte, commele montre un coup d’oeil au schémade la figure 2, 2 douzaines de duo-LED et une demi-douzaine deregistres à décalage du type74HCT164. Les données sont appli-quées aux entrées de données(broches 1 et 2) du premier registreà décalage, IC1 et transférées de lasortie de poids fort (broche 13) de cedernier vers le second registre àdécalage. On réalise de cette façonune chaîne de 6 registres à décalagequi sont attaqués par un mêmesignal d’horloge appliqué à leurbroche 8.Les LED dotées de leur résistance delimitation de courant sont connec-tées aux sorties des registres à déca-lage. En cas d’utilisation d’une résis-tance de 390 Ω on a, avec une LED

rouge, un courant de 9 mA, intensitéqui chute à quelque 7 mA avec uneLED de couleur verte. Dans cesconditions, si l’on a bien atteint lalimite de dissipation de puissancedu circuit intégré logique on estcependant assuré d’une luminositésuffisante.

La réalisationL’implantation des composants surles 2 platines ne devrait pas poserde problème pour peu que l’on suivela recette éprouvée « les petits (com-posants) d’abord ! » et que l’onpense à implanter les 3 ponts decâblage. On pourra implanter dansun support le microcontrôleur de laplatine de commande dont onretrouve le dessin des pistes enfigure 3. Si vous n’avez pas l’inten-tion d’établir de liaison avec un PCvous pourrez purement et simple-ment ne pas implanter l’embase sub-D ni l’adaptateur de niveau. Onpourra, de même, ne pas implanter

MICROCONTRÔLEUR

52 Elektor 1/2003

+5V

74HC164

IC1

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

+5V

D5

D6

D7

D8

D1

D2

D3

D4

74HC164

IC4

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

R1

39

0

R2

39

0

R3

39

0

R4

39

0

R5

39

0

R6

39

0

R73

90

R8

39

0

+5V

74HC164

IC2

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

+5V

D13

D14

D15

D16

D9

D10

D11

D12

74HC164

IC5

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

R9

39

0

R10

39

0

R11

39

0

R12

39

0

R13

39

0

R14

39

0

R15

39

0

R16

39

0

+5V

74HC164

IC3

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

+5V

D21

D22

D23

D24

D17

D18

D19

D20

74HC164

IC6

SRG8

C1/

121110 13

1D

9 8 1

6543

2

&R

R17

39

0

R18

39

0

R19

39

0

R20

39

0

R21

39

0

R22

39

0

R23

39

0

R24

39

0

+5V

010134 - 12

IC2

14

7

IC4

14

7

IC6

14

7

+5V

IC1

14

7

IC3

14

7

IC5

14

7

+5V

K1

200mA

+5V

C1

100n

C3

100n

C2

100n

Figure 2. Chaque duo-LED requiert 2 sorties de registre à décalage.

(www.elektor.fr) sous la rubrique télécharge-ments du mois de parution et la référenceEPS010134-11. Le programme vous est pro-posé sous la forme et d’un code hexadécimalà transférer dans le microcontrôleur et ducode-source en assembleur. Il est égalementdisponible, pour ceux d’entre nos lecteurs quin’auraient pas accès au Web, sous la formed’une disquette à commander aux adresseshabituelles.La version de base du programme n’utilisepas l’interrupteur DIL. Il pourrait vous per-mettre, par exemple, de choisir un patronunique (sélection que l’on pourrait égalementeffectuer par l’interface sérielle).La version de base (listage Lauli514.a51 enallemand) comporte les routines suivantes :

TAKT1 à TAKT4Ces routines servent à créer les signauxd’horloge destinés aux registres à décalage.Il est prévu une routine pour chacun des 4affichages de manière à pouvoir les actuali-ser séparément à des moments différents.

MUAU1 à MUAU4Cette routine se charge de la production despatrons. Les routines sont conçues pour desmodules à LED dotés de 6 registres à déca-lage. R1 représente le compteur de bits. Onprend un octet de la matrice de patrons et on

l’interrupteur DIL et ses résistancesde forçage au niveau haut si l’on n’ena que faire. Les entrées libres doi-vent impérativement être forcées àun niveau logique fixe, RxD devantl’être au +5 V.Dès que l’on opte pour une approchesimple face, la platine des modules àLED requiert inévitablement un cer-tain nombre de ponts de câblage, cequ’illustre éloquemment sa sérigra-phie de l’implantation des compo-sants et son dessin des pistes repré-sentés en figure 4. Il faudra utiliserdu fil de câblage souple isolé vu quecertains ponts sont très rapprochés,

d’autres comportent des angles,voire passent sous les supports decircuit intégré (!). C’est pratiquementla seule remarque intéressante àfaire en ce qui concerne la réalisationdes 2 platines.

Variations logiciellesAprès nous être rendus compte quel’aspect matériel de ce montage neprésentait rien de bien sensationnel,il est à penser que le clou du mon-tage se situe au niveau du logiciel.Le programme est à votre disposi-tion sur le site Internet d’Elektor

MICROCONTRÔLEUR

531/2003 Elektor

(C) ELEKTOR

010134-1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

D1

D2

H1

H4

IC1

IC2K1

K2 K3 K4 K5

K6

R1

R2

R3

R4

R5

R6

S1

T1

X1

+

0

1

010134-1(C

) ELE

KTO

R0

10

13

4-1

Figure 3. La platine du module de commande par microcontrôleur.

Liste des composants de la platine du contrôleur

Résistances :R1 =réseau SIL de 4 résistances de10 kΩR2 = 2kΩ2R3 = 22 kΩR4 = 10 kΩR5,R6 = 1 kΩ

Condensateurs :C1,C2 = 33 pFC3 = 10 µF/16 V axialC4 = 470 µF/16 V axialC5 = 100 µF/16 V axialC6 = 100 nF

Semi-conducteurs :D1 = 1N4148T1 = BC547BIC1 = AT89C2051-12PC (programmé

EPS010134-41)IC2 = 7805

Divers :K1 = embase Sub-D à 9 contacts femelle en

équerre encartableK2 à K5 = embase autosécable à 1 rangée

de 5 contactsK6 = embase-jack d’alimentation encartable

le décale à l’aide du bit de retenue (carry bit).Une fois que l’on a traité la totalité des bitsde l’octet on passe à l’octet suivant de lamatrice.

ZEIKOSachant que les différentes platines d’affi-chage doivent visualiser le même motif, il fautréactualiser le pointeur des éléments de lamatrice après chaque nouvel affichage.

LOE1 à LOE4Ces routines servent à mettre la valeur zérodans tous les registres à décalage d’unmodule d’affichage. Dans ces conditions,toutes les LED sont éteintes.

ZEITContient une petite boucle temporelle desti-née à permettre de mieux suivre l’affichage.

On pourra à ce niveau procéder faci-lement à des modifications desdurées d’allumage.

9 matrices de patrons constituent lapartie la plus importante du pro-

gramme. Grâce aux commentaires(en anglais et allemand) des listagesil devrait vous être possible de créervos propres motifs.

(010134)

MICROCONTRÔLEUR

54 Elektor 1/2003

Figure 4. La platine des modules à LED comporte un bon nombre de ponts decâblage : évitez d’en oublier un !

Liste des composants de la platine de LED

Résistances :R1 à R24 = 390 Ω

Condensateurs :C1 à C3 = 100 nF

Semi-conducteurs :D1 à D24 = LED double 3 mm

à 2 contactsIC1 à IC6 = 74HC164

Divers :K1 = embase autosécable à 1 rangée

de 5 contacts

INFOCARTE 1/2003

SAA1064Pilote de 4 afficheurs à LED à bus I2C

Fonctions spécialesNumérique

SAA1064Pilote de 4 afficheurs à LED à bus I2C

Fonctions spécialesNumérique INFOCARTE 1/2003

551/2003

Elektor

Fabricant :Philips Semiconductorswww.semiconductors.philips.com/www.semiconductors.philips.com/acrobat/data-sheets/SAA1064_CNV_2.pdf

Le pilote de LED peut commander 4 afficheurs 7segments à point décimal, par la mise en œuvred’un multiplexage par paire d’afficheurs voire parafficheur. Le SAA1064 dispose d’une interface I2Cqui permet, en mode d’écriture (write mode), ladéfinition de 4 adresses-esclaves différentes et, enmode de lecture (read mode), l’émission d’un indica-teur de réinitialisation de l’alimentation (power resetflag). Le circuit intégré dispose en outre de 16 sor-ties de drain de courant pouvant, par logiciel, êtreamenées à drainer entre 0 et 21 mA, 2 sorties decommande multiplexées pour les anodes com-munes des segments, un oscillateur multiplex inté-gré, des bits de commande permettant l’instaura-tion d’un mode soit statique soit dynamique soitd’effacement (blank) et, à ne pas oublier, un bit per-mettant le test des segments.

Formes de boîtiers et brochage :

SAA1064 : boîtier plastique DIL à 24 broches(SOT101-1)

SAA1064T : boîtier plastique Mini-pack à 24broches (SOT137-1)

Valeurs-limites maximales

Paramètre Conditions Symbole Min. Max. Unité

Tension d’alimentation VEE = 0 V VCC – 0,5 18 V

Consommation de courant en broche 13

ICC – 50 200 mA

Dissipation de puissanceSOT101-1 (DIL) Ptot 1000 mW

SO137-1 (SO) Ptot 500 mW

Tension sur SDA, SCL VEE = 0 V V23,24 – 0,5 5,9 V

Tension sur ADR à MX et MX2 à P16 VEE = 0 V V1...11, V14...22 – 0,5 VCC+0,5 V

Courant d’entrée/de sortie de toutes les broches

sorties OFF ±II/O 10 mA

Plage des températures de service Tamb – 40 +85 °C

Structure interne :

généré par le circuit intégré lui-même ; il met tousles bits à « 0 », ce qui se traduit par l’extinction detous les segments (l’affichage est éteint). Seul l’indi-cateur d’initialisation de la tension d’alimentation estpositionné (mis à « 1 »).

Commande externe (CEXT)La mise en place d’un condensateur vers la massepermet de définir la fréquence de multiplexage. Sicette broche est reliée à la masse ou à VCC ouencore si elle reste en l’air, l’oscillateur est à l’arrêt.

Sorties segmentsLes sorties de segments P1 à P16 sont des lignes dedrain de courant pilotables qui se laissent activerpar les bits de données correspondants et se lais-sent paramétrer par les bits de commande C4 àC6.

Sorties multiplexéesLes sorties multiplexées MX1 et MX2 sont com-mandées, en mode dynamique, par un signal d’hor-loge dérivé de celui fourni par l’oscillateur interne.En mode statique, seule MX1 est active. Les sorties

sont constituées d’un émetteur-suiveur capable decommander directement les anodes communesd’une paire d’afficheurs sans que la dissipation depuissance de devienne trop importante. Si celadevait être le cas il faudra prévoir des transistorsexternes additionnels.

Exemple d’application :Pilote I2C universelElektor, décembre 2002

SAA1064Pilote de 4 afficheurs à LED à bus I2C

Fonctions spécialesNumérique

SAA1064Pilote de 4 afficheurs à LED à bus I2C

Fonctions spécialesNumérique INFOCARTE 1/2003INFOCARTE 1/2003

56El

ekto

r1/

2003

Adressage :Ligne d’adresse ADRL’application d’une tension analogique (VEE,3/8⋅VCC, 5/8⋅VCC et VCC) à la ligne ADR permet lasélection de 4 adresses-esclaves. Celles-ci corres-pondent aux adresses hexadécimales valides de 70,72, 74 et 76 pour l’écriture et de 71, 73, 75 et 77pour la lecture. Le SAA1064 ignore toutes lesautres adresses.

Octet d’état (Status byte)Le seul bit de l’octet d‘état est l’indicateur de réini-tialisation de l’alimentation (power reset flag). Laprésence à ce niveau d’un « 1 » logique signale unproblème au niveau de la tension d’alimentation quis’est manifesté depuis le dernier processus de lec-ture de ce bit. Une fois le processus de lecture ter-miné, l’indicateur est remis à un « 0 » logique.

Sous-adressageLes bits SC, SB et SA constituent un pointeur etdéterminent le registre dans lequel seront écrits lesdonnées de l’octet d’instruction suivant. Tous les

autres octets seront ensuite écrits dans les registresayant les sous-adresses suivantes (auto-incrémenta-tion), ce qui permet une initialisation rapide par lemaître. Le pointeur tourne en boucle de 7 à 0.

DonnéesLe segment est allumé lorsque le bit de donnéecorrespondant est à « 1 » logique. Les bits de don-née D17 à D10 correspondent au chiffre 1, D27 àD20 au chiffre 2, D37 à D30 au chiffre 3 et, pourfinir D47 à D40, au chiffre 4. Les bits de poids fort(MSB) correspondent aux sorties P8 et P16, les bitsde poids faible (LSB) étant eux reliés aux lignes P1et P9. La numérotation des chiffres 1 à 4 recoupeleur sous-adresse (hex) 1 à 4.

SDA, SCLLes entrée/sortie SDA et SCL répondent aux spéci-fications du bus I2C. Des diodes de pincement pro-tègent les entrées contre des crêtes de tension. Ilfaudra éviter, pour cette raison, que la tension d’ali-mentation ne dépasse 5,5 V. La prise en comptedes données de fait sur l’arrivé du flanc positif del’impulsion d’acquiescement (aknowledge) sur laligne SCL.

Initalisation à la mise sous tension (Power-on-reset)Le signal d’initialisation à la mise sous tension est

Symbole Br. Description

ADR 1Bus I2C, entrée d’adresse esclave

CEXT 2 Commande externe

P8...P1 3...10 Sortie segment

MX1 11 Sortie multiplexée

VEE 12 Masse

VCC 13Tension d’alimentation positive

MX2 14 Sortie multiplexée

P9...P16 15...22 Sortie segment

SDA 23 Bus I2C, données sérielles

SCL 24 Bus I2C, horloge sérielle

SC SB SA Sous-adresse Fonction

0 0 0 00Registre de commande

0 0 1 01 Chiffre 1

0 1 0 02 Chiffre 2

0 1 1 03 Chiffre 3

1 0 0 04 Chiffre 4

1 0 1 05Réservé, reste inutilisé

1 1 0 06

1 1 1 07

Valeurs caractéristiques (VCC = 5 V, Tamb = 25 °C, toutes tensions mesurées par rapport à la Masse VEE = 0 V, sauf mention contraire)

Paramètre Conditions Symbole Min. Typ. Max. Unité

ALIMENTATION (Broche 13)

Tension d’alimentation VCC 4,5 5,0 15 V

Consommation de courant toutes sorties inactives, VCC = 5 V ICC 7,0 9,5 14,0 mA

Dissipation de puissance toutes sorties inactives Pd - 50 mW

Résistance thermiqueboîtier DIL Rth j-a - 35 K/W

boîtier SO Rth j-a - 105 K/W

SDA, SCL (Broches 23, 24)

Tension d’entrée V23,24 0 5,5 V

Tension d’entrée Bas (Low) VIL(L) 1,5 V

Tension d’entrée Haut (High) VIH(L) 3,0 V

Courant d’entrée Bas (Low) V23,24 = VEE –IIL 10 µA

Courant d’entrée Haut (High) V23,24 = VCC IIH 10 µA

Tension de sortie Bas (Low) IO = 3 mA VOL(L) 0,4 V

Consommation de courant en sortie ISDA 3 mA

ENTRÉE D’ADRESSE (Broche 1)

Tension de programmation A0 = 0, A1 = 0

A0 = 1, A1 = 0

A0 = 0, A1 = 1

A0 = 1, A1 = 1

V1 VEE

V15⁄16 ⋅VCC

3⁄8 ⋅VCC3⁄16 ⋅VCC V

V19⁄16 ⋅VCC

5⁄8 ⋅VCC7⁄16 ⋅VCC V

V113⁄16 ⋅VCC

11⁄16 ⋅VCC11⁄16 ⋅VCC V

Courant d’entrée Bas (Low) V1 = VEE –I1 10 µA

Courant d’entrée Haut (High) V1 = VCC I1 10 µA

COMMANDE EXTERNE CEXT (Broche 2)

Tension d’entrée Bas (Low) VIL VCC -3,3 V

Tension d’entrée Haut (High) VIH VCC -1,5 V

Courant d’entréeV2 = 2 V I2 -140 -160 -180 µA

V2 = 4 V I2 140 160 180 µA

SORTIES SEGMENT (Broches 3-10, 15-22)

Tension de sortie IO = 15 mA VO 0,5 V

Courant de fuite de sortie Haut (High) VO = VCC = 15 V ILO ±10 µA

Courant tous bits de cmde. Haut (High)

de sortie Apport du bit de cmde. C4

bas (Low) Apport du bit de cmde. C5

Apport du bit de cmde. C6

VOL = 5 V IO 17,85 21 25,2 mA

IO 2,55 3,0 3,6 mA

IO 5,1 6,0 7,2 mA

IO 10,2 12,0 14,4 mA

Précision du courant de sortie ∆IO 7,5 %

SORTIES MULTIPLEXÉES (Broches 11, 14)

Tension de sortie max. Bas(si ON) -IMPX = 50 mA VMPX VCC -1,5 V

Courant de sortie max. Haut (si ON) VMPX = 2 V – IMPX 50 110 mA

Courant de sortie max. Bas (si OFF) VO = 2 V IMPX 50 70 110 µA

Durée d’impulsion CEXT = 2,7 nF TMPX 5 10 ms

Rapport cyclique 48,5 %

INFORMATIONS

60 Elektor 1/2003

La sélection d’un moteur de ventilateur pourun usage ordinaire suit les règles suivantes :

1. Déterminer la puissance dissipée à l’inté-rieur de l’équipement.

2. Définir l’augmentation de températuremaximale admissible à l’intérieur du boîtier.

3. Calculer le déplacement d’air nécessairepour répondre à ce cahier des charges.

4. Estimer la résistance que l’air en déplace-ment risque de rencontrer à l’intérieur del’unité.

5. Sélectionner le ventilateur grâce à lacourbe de performance présentée dans lecatalogue ou les feuilles de spécificationdu fabriquant.

Le volume du flux d’air nécessaire pour refroi-dir un équipement peut être déterminé si ladissipation de chaleur interne et l’augmenta-tion totale permise de température sont

connues, cf. figure 1.L’équation de base du transfert dechaleur s’établit comme suit :

Formule dans laquelle :H = puissance dissipée ;Cp = capacité calorifique de l’air ;∆T = augmentation de température

admissible dans l’habitacle ;W = masse de l’air déplacé.

D’une façon évidente, on a W = Qx D, où D est la densité spécifiquede l’air, et Q la masse d’air déplacée.Les fabricants des pays asiatiquesexpriment Q le plus souvent enpied3/mn (CFM = CubicFeet/Minute). Les fabricants euro-péens expriment le plus souvent cedéplacement d’air en mètre cube parheure. Le passage d’une unité àl’autre est aisé (1 ft3/mn = 0,0283 m3/mn = 1,7 m3/h).

Par substitution, on obtient :

En incorporant des facteurs deconversion, et la capacité calorifiqueet la densité de l’air (au niveau de lamer), on arrive à l’équation de dépla-

QH

C D Tp

=× × ∆

H C W Tp= × × ∆

cement d’air nécessaire par aug-mentation de la température de1 degré :

Q = 1,76 x nombre de watts / ∆T(CFM)

Q = 0,05 x nombre de watts / ∆T(m3/mn)

En continuant, on obtient les équa-tions suivantes :

avec :Q = déplacement d’air nécessaire ;P = dissipation de chaleur interne ;Tc = augmentation de température

admissible exprimée en °C ;Tc = augmentation permise de la

température en °C;∆T = ∆T1 – ∆T2..La relation entre l’augmentation detempérature, la puissance dissipéeet le flux d’air (en ft3) est résuméesur le tableau 1.

Des exemples, SVP !Exemple 1 :Si la dissipation interne de chaleur

Q mP

Tc( / min)

,3 0 05= ×∆

Q CFMP

Tc( )

,= ×1 76

∆

VentilateursCalculs et critères de sélection

Source : Sunon, Taiwan

Un bon refroidissement est essentiel pour tous les systèmes dissipant de lachaleur. S’il faut d’opter pour un ventilateur trop grand en raison du surplusde consommation et d’excédent de bruit qu’il induit, il faut qu’il soitcependant suffisamment puissant pour dissiper la chaleur. Si nous optons pourun ventilateur trop petit nous courrons le risque d’une surchauffe, ce qui peutse traduire par des factures de réparation coûteuses.

Appareil

Nombre de watts∆T1

020108 - 11

∆T2

Figure 1. La chaleur engendrée dans unéquipement électrique peut être réduite parune ventilation suffisante.

INFORMATIONS

611/2003 Elektor

est de 500 watts et que ∆T est de10° C, on obtient le résultat suivant :

ou

La résistance au déplacement d’air /courbe caractéristique dusystèmeLorsque l’air s’écoule dans le sys-tème, son flux rencontre la résis-tance d’obstacles sur le trajet suivipar le courant d’air. Cette résistance(on parle également d’impédance)limite l’arrivée et le passage d’airlibre. Dans ces conditions onconstate une différence de pressionentre l’air entrant et l’air sortant.Cette différence (∆P) est exprimée enmillimètres (ou en pouces) d’eau(mm H2O).La relation entre la quantité d’air quicircule à travers le système et la dif-férence de pression qui en résulte(on l’appelle la pression statique)répond à une équation donnant lacourbe caractéristique du système :

∆ = KQn

avec :K = constante caractéristique de

la constitution du système ;

Q m= × =0 05 500

102 25 3,

, / min

Q CFM=×

=1 76 500

1079

,

Q = flux d’air ;n = facteur de turbulence,

1 ≤ n ≤ 2 ;(flux laminaire, n = 1 ; flux turbulent,n = 2).

Cette relation n’est partant paslinéaire lorsque l’on est en présencede turbulence. Plus la turbulenceaugmente, plus la courbe représen-tant la pression en fonction du dépla-cement d’air dérivera par rapport àune ligne droite et prendra desallures de parabole.Le point d’intersection de la courbecaractéristique du système (courbed’impédance) et de la courbe de per-formance d’un dispositif de déplace-ment d’air comme un ventilateur estappelé le point de fonctionnementdu système. Comme montré sur lafigure 2, ce point caractérise lemeilleur dispositif de ventilationpour votre application. À cet endroit,le changement de pente de la courbede performance de ventilation estminimisé alors que le changementde pente de la courbe caractéris-tique du système est le plus faible.Notez que l’efficacité statique (fluxd’air multiplié par la pression sta-tique divisé par la puissance d’ali-mentation) est aussi optimisée.

Considérations de conceptionLors de la réalisation du systèmenous pourrons tenir compte de ces

Tableau 1. La relation entre la différence de température admissible (∆T °C)et la puissance à dissiper (kWh) exprimée en CFM.

kWh 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

∆T °C

50 18 35 53 70 88 105 123 141 158 176

45 20 39 59 78 98 117 137 156 176 195

40 22 44 66 88 110 132 154 176 195 220

35 25 50 75 100 125 151 176 201 226 251

30 29 59 88 117 146 176 205 234 264 293

25 35 75 105 141 176 211 246 281 316 351

20 44 88 132 176 220 264 308 351 396 439

15 59 117 176 234 293 351 410 469 527 586

10 88 176 264 351 439 527 615 704 791 879

5 176 351 527 704 879 1055 1230 1406 1582 1758

Flux d'air [CF/mn]

Volume d'air /Courbe de pression

statique

Point defonctionnement

Courbed'impédancedu système

Pre

ssio

n s

tati

qu

e [

mm

H2O

]

020108 - 12

Figure 2. L’intersection de la courbe de chargedu ventilateur et de la courbe d’impédance dusystème est appelée point de fonctionnement.

020108 - 13

Courbe 15

3,75

2,5

1,25

0 5 10 15 20 25

Système à résistance élevée(Point A)

Système à résistance faible(Point C)

Système bien conçu(Point B)

Flux d'air [CF/mn]

Pouce H2O Flux d'air

Pre

ssio

n s

tati

qu

e [

mm

H2O

]

Figure 3. La courbe de performance deventilation d’un ventilateur de 60 x 60 x 25mm tournant à vitesse normale.

facteurs de manière à pouvoir utiliser le ven-tilateur le plus petit possible :1. Gardez le chemin de passage de l’air aussi

libre que possible. L’entrée et la sortie d’airdoivent être dégagées pour laisser passertout l’air.

2. Veillez à créer un passage vertical de l’air àtravers votre système, cela garantit que leflux se déplace plus souplement et aug-mente l’efficacité du refroidissement.

3. Si un filtre anti-poussière est nécessaire, ilfaudra tenir compte de la résistanceinduite au passage de l’air.

Sunon, donne quelques exemples sur lamanière de choisir un ventilateur de leurcatalogue.

Exemple 1. La figure 3 présente lacourbe de performance de ventila-tion d’un ventilateur-type à courantcontinu (DC) de Sunon d’une taillede 60 x 60 x 25 mm. Le ventilateurpourrait être, par exemple, installé(sur la courbe) au point A ou aupoint C, fournissant respectivement6 ou 20 CFM. En cas d’une caracté-ristique d’impédance du système(trop) élevée, 4 mm H2O parexemple, cela nous amène au pointde fonctionnement A. Une impé-dance caractéristique de 1 mm H2Onous amène au point de fonctionne-ment C.Mais si le système peut être modifiéde manière à ce que la résistancecaractéristique soit de 2,3 mm H2O,cela correspond au point B, le venti-lateur pourrait alors fournir plus de12 CFM.

Exemple 2. La courbe 2 de la figure4, correspond à un ventilateur demême taille et configuration quecelui de la courbe 1, mais tournant àune vitesse plus faible. Si le systèmen’a besoin que de 15 CFM à 1,25mm H2O, la courbe paraboliquechute de pression/flux d’air passepar le point B. En conséquence, unventilateur qui fournit un flux d’airde 18 CFM à une pression statiquede 0 convient pour le refroidisse-ment. L’utilisation d’un ventilateurde vitesse plus faible est donc lasolution à choisir.La figure 4 résume en un graphiquece qui change d’un ventilateur àl’autre. Dans certains cas, bien sûr,on peut même se contenter d’unventilateur physiquement plus petitfournissant le même flux d’air, si larésistance du système est suffisam-ment réduite.

Montages en parallèle et en sérieUne installation en parallèle consisteà utiliser deux ou plusieurs ventila-teurs côte à côte – cf. figure 5.Le flux d’air total produit par deuxventilateurs placés en parallèle(adjacents) pourrait être le double decelui créé par un unique ventilateur,si tant est que l’on fait abstractionde la pression différentielle qui naîtde la résistance au passage de l’airdu système. Dans la pratique, onobtient une augmentation inférieure

à ce doublement surtout dans le casd’une résistance au passage de l’airimportante du système. Ce typed’application n’est donc recom-mandé que dans des situations defaible résistance système –c’est-à-dire lorsque les ventilateurs peuventfonctionner dans l’air presque libre.Une installation en série consiste àutiliser deux ou plusieurs ventila-teurs montés en série (l’un derrièrel’autre), cf. figure 6. La capacité depression statique de deux ventila-teurs placés en série peut être dou-blée dans le cas d’un flux d’air nul,mais n’augmente pas le flux de ven-tilation à l’air libre. Un ventilateurajouté en série augmente le volumedu flux d’air dans une enceinte sou-mise à une pression statique supé-rieure. En conséquence, une instal-lation de ventilateurs en série fournitde meilleurs résultats dans des sys-tèmes ayant une résistance au fluxd’air relativement élevée.

Niveau de bruit acoustiqueLa mesure de bruit acoustique desventilateurs est faite dans unechambre anéchoïde. Le ventilateurmesuré fonctionne à l’air libre avecun microphone placé à une dis-tance d’un mètre de la prise d’airdu ventilateur.

Les recommandations suivantesfourniront aux utilisateurs de venti-lateurs les meilleurs conseils pour endiminuer le bruit.

Impédance systèmeL’impédance totale du système pro-vient pour 60 à 80 % de la zone com-prise entre les issues d’entrée et desortie d’air. D’autre part, plus le fluxd’air est grand, plus le bruit est fort.Mais plus l’impédance système estgrande, plus il faut de ventilationpour refroidir le système. Il faut doncréduire le plus possible l’impédancesystème pour obtenir le plus faiblebruit du ventilateur.

Perturbation du fluxToute obstruction sur le chemin duflux d’air turbulent engendre dubruit. Il faut donc éviter les obstruc-tions, particulièrement dans leszones d’entrée et de sortie d’air, pourréduire le niveau de bruit.

INFORMATIONS

62 Elektor 1/2003

020108 - 14

Courbe 1

Courbe 2

5

3,75

2,5

1,25

0 5 10 15 20 25

(Point A)

(Point B)

Résistancedu système

Flux d'air [CF/mn]

Pouce H2O Flux d'air

Pre

ssio

n s

tati

qu

e [

mm

H2O

]

Figure 4. La courbe de performance deventilation d’un ventilateur de 60 x 60 x 15mm à vitesse faible et normale.

Figure 5. Performances comparées deventilateurs montés en parallèle et d’unventilateur unique.

Figure 6. Performances comparées deventilateurs montés en série et d’un ventilateurunique.

020108 - 16 Flux d'air [CF/mn]

1 ventilateur

2 ventilateurs

Pre

ssio

n s

tati

qu

e [

mm

H2O

]

020108 - 17 Flux d'air [CF/mn]

2 ventilateurs

1 ventilateur

Pre

ssio

n s

tati

qu

e [

mm

H2O

]

bruit acoustique. On peut obtenir de faiblesniveaux de bruit en dimensionnant correcte-ment les enroulements du noyau, la concep-tion des pales, le logement dans le boîtier etpar une fabrication de précision et un bonfonctionnement des roulements, s’il y en a.

(020108)

Vitesse de rotation et taille du ventilateurUn ventilateur de haute vitessecréant généralement plus de bruitqu’un ventilateur de faible vitesse, ilfaut essayer d’utiliser ce dernier dèsque possible. Très souvent, un venti-lateur plus grand et plus lent faitmoins de bruit qu’un plus petit etplus rapide, alors qu’il fournit lamême quantité d’air.

Augmentation de températureLe besoin de ventilation est inverse-ment proportionnel à l’augmentationpermise de température à l’intérieurd’un système. Une légère modifica-tion de celle-ci conduit à un change-ment significatif dans la quantité deflux d’air requise. Le plus petit com-promis sur l’augmentation de tem-pérature autorisée autorise donc une

ventilation beaucoup plus faible, etpermet en conséquence de réduiresensiblement le bruit du ventilateur.

VibrationsDans certains cas, un isolateur mouet souple comme un joint peut servirà éviter les transmissions de vibra-tions.

Variations de tensionLes variations de tension affectent leniveau de bruit acoustique. Lors-qu’une tension plus forte est appli-quée sur le ventilateur, les vibrationsaugmentent et donc le niveau debruit dû à la rotation plus rapide dumoteur.

Considérations de conceptionLa conception de chaque composantdu ventilateur affecte le niveau de

INFORMATIONS

631/2003 Elektor

020108 - 18

Flux d'air

Ventilateur

1m

Microphone

Figure 8. Mesures SPL (niveau de pression du son).

631/2003 Elektor

Les radars

Bonjour,Dans votre numéro 293 du moisde novembre et plus particuliè-rement dans l’article sur lesradar p53, vous donnez la for-mule de l’effet DOPLER.Du point de vue des unités, cetteformule n’est pas correcte, nedevrait-il pas s’agir de quelquechose du genre: fM=2 * v * fE *cos(a) /c ?Bien à vousDominique Adant

La réponse de l’auteur ne s’estpas fait attendre…

Chère rédaction,

Suite à votre mail signalant uneerreur potentielle dans l’articlesur les radars, j’ai fait les vérifi-cations d’usage et... la honte

m’accable.J’ai effectivement fait uneerreur en transcrivant la for-mule de Doppler : la dernièreparenthèse est mal placée. Laformule correcte est en fait :fM=2*v*fE*cos(alpha)/cCette formule peut égalementêtre transcrite sous la formefM=2*(v/c)*fE*cos(alpha), cequi ne change rien en fait.Benoît Bouchez

Pistes & Co.

Il y a dans Elektor de 11/2002 dela page 36 à la page 39 un excel-lent article (d’origine allemandeje pense) concernant la gravuredes circuits imprimés. Il y estentre autre fait mention d’un

mélange de gravure pouvant sesubstituer au perchlorure de ferutilisé chez les amateurs. Bienqu’il soit fait mention de la dan-gerosité de ce mélange au niveauamateur il est parfaitement uti-lisable (perso c’est celui que jepréfère pour les gravures fines).Mais !!!!!! sur la page concernantl’élimination de la résine on vouspropose d’utiliser différentesméthodes , et entre autre l’acé-tone et là !!!!! DANGER !!!!!!!! encas de mélange de l’eau oxygénée, acide chlorhydrique, et acétoneet dans des conditions particu-lières (que je n’expliquerais pas ,pour ne pas donner de mauvaisesidées à des apprentis chimistesmal intentionnés) mais qui peu-vent être réunies par hasarddans un labo amateur. Vous vousretrouvez avec un explosif très

instable et qui ne demande qu’àvous p... à la gu.....!Voilà , je pense que vous ne pren-drez pas ce post comme une cri-tique de votre revue, maiscomme une interventionconstructive à un article d’ex-cellente qualité. Au plaisir duprochain numéro.Philippe Herelle

Nous nous faisons l’écho de MrHerelle. Il faut bien entendu tou-jours faire attention lorsque l’onmanipule des produits chimiqueset toutes les « combinaisons » nesont pas toujours inoffensives…

COINDULECTEURNous ne pouvons malheureusement pas répondre in extenso à toutes les lettres relevant des questions tech-

niques. Dans cette rubrique nous répondons à des lettres pouvant présenter un intérêt général et concernant des

montages âgés de moins de 2 ans. Vu le nombre de lettres qui nous arrivent mensuellement, nous regrettons de

ne pas pouvoir répondre séparément à chacune d'entre elles et sommes dans l'impossibilité de donner suite à

des souhaits individualisés d'adaptation de montages publiés ou de réalisation de montages à publier ni même

de répondre à des demandes d'information additionnelle concernant un montage décrit dans Elektor.

B.P. 11 568

INFORMATIONS

64 Elektor 1/2003

Les chercheurs de Motorola progressent dansl’intégration des mécanismes des piles àcombustibles. Les chercheurs de NEC utili-sent des nanotubes au carbone, très à la

Quoi de neuf dans lespiles à combustibles ?À la recherche du froid

par Reg Miles

Bien que les piles à combustibles soient encore des objets futuristes,quelques récents développements sont prometteurs et donnent uneindication sur la direction des recherches.

mode. Alors que ceux de l’Universitéde Pennsylvanie ont amélioré lespiles habituelles à diesel –diminuantainsi le besoin de remplacer les com-

bustibles fossiles parl’hydrogène.

Piles à membranes depolymèreLes chercheurs de Moto-rola et de NEC utilisentdes piles à combustibledu type à échange deprotons ou à membranepolymère (PEM, ProtonExchange Membrane ouPolymer Electrolyte Mem-brane). Une anode decarbone poreuse conte-nant un catalyseur auplatine sépare le com-bustible en protons d’hy-drogène (ions) et en élec-trons. Les électrons cir-culent à travers un circuitélectrique externe, pen-dant que les protons tra-versent la membranehumidifiée. Les protonsse dirigent ensuite versune cathode composéedu même matériau que

l’anode, où ils se recombinent avecles électrons de retour et l’oxygènede l’air pour former de l’eau. Ceci estappelé communément l’ensembleélectrode-membrane (MEA, Mem-brane Electrode Assembly).Les chercheurs de Motorola ont pré-senté le prototype d’un système depiles à combustible intégré et minia-turisé alimenté directement auméthanol (DMFC, Direct MethanolFuel Cell) ; et ont aussi construitplusieurs des composants-clésrequis pour une pile méthanol-reformé-hydrogène miniaturisée(RHFC, Reformed Methanol toHydrogen Cell).Les systèmes DMFC précédents uti-lisaient des composants distinctspour traiter et livrer le méthanol à lapile à combustible, pour y détermi-ner la concentration de méthanol etpour séparer du combustible liquidele dioxyde de carbone engendrédans la pile. L’an dernier, les cher-cheurs ont annoncé une technologieà base de céramique multi-couchespour l’obtention et la livraison ducombustible et de l’air au MEA. Ilsont depuis réalisé l’intégration debeaucoup des premiers composants,parmi lesquels un testeur de concen-tration de méthanol et un méca-nisme de séparation liquide-gazpour évacuer le CO2, directement

Figure 1. La pile expérimentale méthanol-reformé-hydrogène de Motorola (RHFC).

INFORMATIONS

651/2003 Elektor

avec un catalyseur au cérium pour oxyderdirectement le combustible.D’après le Dr. Gorte, « Lors de nos travauxantérieurs, nous ne pouvions pas alimenterla pile en diesel liquide parce que nous n’ar-rivions pas à vaporiser des combustiblesayant une faible pression de vapeur à la tem-pérature ambiante. Ce rapport démontre quenous pouvons utiliser ces liquides pour ali-menter une pile en utilisant une méthodesimilaire à une injection de combustible dansun moteur à combustion interne, tout engarantissant la stabilité opérationnelle de lapile à combustible. »La pile expérimentale fonctionne dans unfour porté à 700 degrés Celsius. Une pileautonome vendue dans le commerce devraitidéalement engendrer elle-même cette tem-pérature en brûlant le combustible incor-poré. Une telle chaleur interdirait l’utilisationde la pile dans les ordinateurs ou les télé-phones portables (à l’inverse des unitésdéveloppées par Motorola et NEC qui fonc-tionnent à des températures beaucoup plusbasses) ; mais laisserait tout de même ungrand éventail d’applications possibles,comme les batteries d’automobiles et lesbatteries portables. Bien que l’unité produitepar le laboratoire soit minuscule –aux envi-rons de 3 mm2 de surface–, comme le dit leDr. Gorte : « Il n’y a aucune raison intrin-sèque de travailler avec d’aussi petites piles,mais c’est plus facile pour nous et ne changerien au problème des matériaux. »

(020123)

intégrés dans le dispositif céra-mique. Des pompes miniatures etune électronique de pilotage et deconversion sont aussi incorporéesdans l’unité. L’assemblage expéri-mental (cf. figure 1) mesure à peuprès 50 x 100 x 10 mm (sans l’élec-tronique ni le combustible), et pro-duit en continu une puissance nettesupérieure à 100 mW.La recherche sur le RHFC seconcentre elle aussi sur l’intégrationdes éléments. Les systèmes précé-dents utilisaient des composants dis-tincts en métal pour vaporiser leméthanol, pour reformer le méthanolen hydrogène et pour nettoyer la sor-tie du reformeur. Les chercheurs ontutilisé la technologie de la céramiquemulti-couches pour produire un vapo-risateur intégré, et un reformeur devapeur de méthanol miniaturisé–trois des composants-clés. L’en-semble reformeur, mesurant 38x13x1mm, intègre à la fois le vaporisateurde combustible et le reformeur devapeur de méthanol. L’appareil dechauffage chimique, de dimensionidentique, convertit une partie duméthanol en chaleur pour enclencherla réaction de reformage. L’objectifest de produire un dispositif intégréfournissant 1 watt ou plus.

Nanotubes et nanocornesLes réalisations de NEC furent obte-nues grâce à un travail conjoint avecla Japan Science and TechnologyCorporation et l’Institut deRecherche et d’Innovation. En résul-tat, les électrodes en carbone poreuxsont remplacées par des électrodesnanotubes, ou, plus précisément,nanocornes – une variante de forme.Les deux types d’électrodes ont étédécouverts par Sumio Iijima, unChercheur Associé de NEC. La prin-cipale caractéristique des nano-cornes est de former, lorsqu’ellessont assemblées, un agrégat d’envi-ron 100 nm. Non seulement celui-ciprésente-t-il une zone de grande sur-face, mais il facilite aussi la traverséedu gaz et du liquide.On peut préparer des nanocornes degrande pureté, ce qui en fait unematière première économique. Deplus, parce que la nanocorne est pro-duite par la méthode de l’ablationlaser, une particule de platine se fixenaturellement sur la surface de la

nanocorne si un catalyseur en pla-tine est évaporé simultanément, per-mettant d’éviter le traditionnel pro-cessus humide onéreux et compen-sant le coût élevé du platine – aumoins jusqu’à un certain point.

Fonctionnementau diesel ?Du côté de l’Université de Pennsyl-vanie, le Dr. Raymond J. Gorte, pro-fesseur d’ingénierie chimique, et soncollègue la Dr. John M. Vohs, profes-seur titulaire de la chaire d’ingénie-rie chimique, ont réalisé une pile àcombustible fonctionnant au butane– la première alimentée par un autrecombustible que l’hydrogène. Ils ontmaintenant produit la première pileutilisant un combustible liquideimmédiatement disponible. Il s’agitd’une pile à oxyde solide (SOFC,Solid Oxide Fuel Cell). Celle-ci diffèredes types précédents par un électro-lyte en oxyde solide (que traverse lesions oxygène – permettant un plusgrand choix de combustibles) et pardes électrodes en céramique – nor-malement, avec du nickel commecatalyseur. Toutefois, le combustibleà hydrocarbone encrassant la pileSOFC à base de nickel, il a fallu com-pléter la pile par une anode en cer-met (céramique et métal) en cuivre

Figure 2. Une démonstration que les piles à combustibles à basse température actuelles,bien que loin d’être compactes, peuvent alimenter de petits ustensiles électroniquescomme un assistant personnel.

DOMESTIQUE

70 Elektor 1/2003

Notons que ce ne sont pas unique-ment leurs dents acérées qui font desfouines des nuisibles. De plus en plussouvent elles élisent domicile dans lesoubassement ou le grenier des mai-sons. Cet hébergement forcé se tra-duit par tant de gêne auditive etolfactive que rare sont les personnesà être charmées par la perspectived’avoir à héberger de tels hôtes.Comment se fait-il que la fouine aitcette nette tendance à vouloir s’«urbaniser » ? Depuis toujours, cerongeur appréciait de se trouver àproximité des habitations. Outre lesarbres creux, les amas de branchageset les terriers, la fouine aime utiliserles vieilles remises et les fermesabandonnées pour s’y établir. L’urba-nisation croissante a sensiblementréduit le nombre d’étables et defermes « disponibles ». De plus, lesfermes qui existaient encore ont, pourun grand nombre d’entre elles, subides rénovations de sorte que lesvieux hangars ont quasiment disparu.La fouine adorant les environne-ments tièdes et secs, elle se voit for-cée, de nos jours, à trouver refugedans des hangars, remises, bâti-ments scolaires, voire greniers etsoubassements de maisons -de pré-férence en bordure de ville ou de vil-lage, encore que l’on ait signalé des

Chasse-nuisiblesRespecte la nature sous tous ses aspects

À la batterie : Ton Giesberts Au clavier : Sjef van Rooij

La fouine ne cesse d’étendre son territoire. Elle le déplaceprogressivement de la campagne vers la ville où elle peut être la sourcede gros problèmes. Ce rongeur aime changer de régime et planter àl’occasion ses incisives dans le câblage ou les canalisations de véhicules entout genre, avec tous les inconvénients que cela présente. Il est temps deprendre les mesures qui s’imposent. Impossible de contourner la fée «électronique ».

DOMESTIQUE

711/2003 Elektor

rassé au bout de quelques jours.On peut également envisager d’utiliser unspray anti-fouine spécialement prévu pour cetusage, voire faire énormément de bruit. Leproblème est que ces solutions ne sont quetemporaires : dès que les choses sont rede-venues normales, la fouine rentre de nouveau« chez elle ».La seule technique au succès assuré pourchasser définitivement les fouines est d’utili-ser un petit appareil produisant un signalrelativement puissant et dont la hauteurdépasse la limite d’audition de l’oreillehumaine. Les fouines n’apprécient pas dutout ces signaux sonores et ne tardent pas àchanger de domicile. Autre avantage de cegenre d’appareil : il gêne aussi d’autres nui-sibles au nombre desquels les souris, les ratset même les blattes et autres cancrelats quidétestent tant les signaux ultra-sonores qu’ilsvont voir ailleurs.

Le conceptUn chasse-nuisible électronique tel que celui-ci est non seulement le moyen le plus efficaceet le plus respectueux de la nature pour sedébarrasser de ces nuisibles mais de plus saréalisation est parfaitement dans nos cordes.Intéressons-nous au concept de l’appareildécrit ici.Nous sommes partis d’un oscillateur com-mandé en tension (VCO ou Voltage Control-led Oscillator) que nous modulons par le biaisd’un second oscillateur de manière à ce quele signal de sortie varie continûment entre 19et 38 kHz. Nous aurions bien entendu puopter pour une fréquence fixe mais commepersonne ne sait très exactement quelle estla fréquence que les fouines détestent le plus,nous avons préféré opter pour un balayage defréquence sur l’ensemble de la plage critique.Le signal de sortie subit une bonne amplifi-cation avant d’être reproduit par un tweeterpiézo-électrique. Le résultat est émis à unniveau « terrifiant » de 105 à 110 dB, niveauinsupportable pour tout animal capable d’en-tendre de telles fréquences. Le dimensionne-ment de l’étage de sortie est tel que l’on peutenvisager de monter un maximum de 4 twee-ters en parallèle, à supposer que l’on veille,par exemple, s’attaquer simultanément aux 4coins d’un grenier.La génération d’un niveau sonore aussi élevése traduit bien entendu par une consomma-tion de courant importante. Nous avons, demanière à pouvoir envisager une alimentationportative, par le biais d’une batterie de voi-ture par exemple, opté pour un fonctionne-ment discontinu du montage : 1 minute defonctionnement suivie de 3 minutes de repos.Nous évitons ainsi de vider une batterie en

fouines (et aussi des martres) aucoeur de grandes villes (de par laprésence de bois de grande superfi-cie). Le compartiment moteur ô !combien tiède des voitures estdevenu l’un de ses refuges de prédi-lection. Si ce squatting ne constituepas de problème en soi, l’ennui sefaisant sentir, ces jolis rongeurs déci-dent de faire honneur à leur nom etse font un plaisir de mettre la dentdans tout ce qui se trouve à leur pro-tée. On trouve, sous le capot dumoteur, nombre de tuyaux de trans-fert de liquide de refroidissement,câbles électriques de l’allumage quine manquent pas d’attirer son atten-tion; même la courroie du ventilateurparaît être un met de choix (coriaceil est vrai), mais il faut bien garderdes dents bien aiguisées.

À quoi reconnaître unefouine ?Comment pouvez-vous savoir s’il y aune fouine dans les parages. Si vousavez des doutes, vous pouvez vousmettre à l’affût et armé d’une pairede jumelles essayer de voir si vousdécouvrez quoi que ce soit de sus-pect. La fouine fait partie, toutcomme le blaireau, la loutre, l’her-mine, le furet, le putois et la martre,du groupe des mustélidés. On noteraque l’on connaît également la martrefouine, objet de toutes nos attentionset que la fouine est égalementconnue sous la dénomination demartre du hêtre... Ce rongeur estétonnamment fin, mesure de 40 à 50cm, possède une longue queue bienfournie. La fouine de couleur gris-

brun possède un joli jabot blanc quidescend souvent jusqu’aux pattes.Vu de loin, pour un non-spécialiste,la fouine pourrait ressembler à unchat, maigrichon il est vrai et plusbas sur pattes. Cet omnivore dort lejour et s’active la nuit.S’il devait avoir choisi votre greniercomme l’un de ses lieux de séjour (ilen a souvent plusieurs entre lesquelsil se déplace) sa présence se traduitpar des bruits de sautillements.Lorsque la fouine a des petits, il sepeut que l’on entende leurs couine-ments le tout souvent accompagnédu « parfum » de leurs excréments.Si vous découvrez des traces de mor-sures inexpliquées ou que vous trou-vez de morceaux de plastique ou decaoutchouc sous votre voiture,inutile de vous faire un dessin, il esttemps de prendre des mesures.

Comment m’en débarrasser ?Dans de nombreux pays d’Europe, lafouine est un animal protégé qu’il estpartant interdit de capturer ou detuer.Que puis-je faire alors ? Vous pouvezcommencer par essayer de découvrirl’endroit par lequel la fouine entrechez vous et le fermer par exemple àl’aide d’un grillage. Cette opérationdevra bien entendu se faire pendantune absence certaine de l’animal. Sila fouine a pris votre voiture commecible, vous pouvez disposer sous lecompartiment moteur une vieillecouverture que vous aurez aspergéed’ammoniaque, la fouine déteste ceparfum, de sorte qu’avec un peu dechance, vous pourrez en être débar-

Caractéristiques techniques résumées :Tension d’alimentation : 9 à 15 V max.Courant consommé (1 tweeter PH8) 400 mA (lors d’une impulsion)Courant consommé max. (4 PH8 en parallèle) 900 mA (lors d’une impulsion)Courant de veille (K2 ouvert) <1 mARapport impulsion/pause 1 mn toutes les 4 mnFréquence de sortie 19 à 38 kHzFréquence de sortie (JP1 implanté) 9,5 à 19 kHzFréquence de balayage 2 à 19 HzFréquence de clignotement 3 HzCourant de LED 6 à 40 mAEntrée LL >2,5 VEntrée OC <1 mA (≈15 V/15 kΩ max.)

l’espace de 24 heures.Nous avons ajouté, en petit extra, une possi-bilité de doter le montage d’un « épouvan-tail optique » qui prendrait la forme dequelques LED de forte luminosité cligno-tantes : à la place de la fouine nous irionsfouiner ailleurs !

De la théorie à la pratiqueUn coup d’oeil au schéma représenté en figure1 nous permet d’identifier le VCO sous laforme de IC2, un LM331. Ce composant, qui secontente de très peu de composants connexes,est en mesure de fournir des signaux de sortierectangulaires d’une fréquence allant de 1 Hzà 100 kHz. Les composants qui déterminentla fréquence fournie par IC2 sont les résis-tances R8 à R10 et les condensateurs C6 (encombinaison avec C7) et C8.Le signal de commande servant à la modula-tion de fréquence du VCO est appliqué à la

broche 7 de IC2. Il arrive de l’oscil-lateur triangle/rectangulaire queconstituent les portes IC1.A et IC1.B.Cet oscillateur fournit une tension desortie triangulaire dont l’amplitudevarie entre 3 et 5 V. La vitesse de lamodulation (la fréquence debalayage, sweep) se laisse ajusterentre 2 et 19 Hz par une action surl’ajustable P1. Il est peut-être pos-sible d’influer quelque peu sur l’effetde ce chasse-nuisible en jouant surce composant.Le dimensionnement de l’ensembleconstitué par le VCO et l’oscillateurtriangle/rectangulaire est tel que lafréquence obtenue varie bien entre19 et 38 kHz. On pourra, si l’on veuts’assurer du fonctionnement du cir-cuit, fermer momentanément lecavalier JP1, ce qui se traduit par unabaissement d’un octave de la fré-

quence de l’oscillateur; le signalsonore produit est alors égalementaudible par un être huamin (si tantest qu’il ne soit pas sourd).Comme le rapport cyclique du signalde sortie du LM331 n’est pasconstant, on trouve en aval de cedernier un diviseur par 2, IC3.A.Dans ces conditions le rapportcyclique se trouve toujours être de50% quelle que soit la fréquence. Laprise d’un diviseur par 2 entraînebien évidemment pour conséquencequ’il faut choisir une fréquence deVCO 2 fois supérieure : dans cesconditions IC2 fournit une fréquencevariant entre 38 et 76 kHz.Lors de la définition du cahier descharges de l’amplificateur de sortiechargé d’attaquer le tweeter piézo-électrique, le facteur primordial a étéde lui faire fournir la tension de sor-

DOMESTIQUE

72 Elektor 1/2003

T3

BD140

T5

BD140

T1

BC557B

T8

BC557B

T4

BD139

T6

BD139

T2

BC547B

T9

BC547B

T10

T11

BD139

CNTR

IC4.A

DIS

THR

OUTTLC556

TR6

1

2

4

R

5

3

CNTR

IC4.B

DIS

THR

OUTTLC556

TR8

13

12

10

R

9

11

LS1R22

6

8

R25

6

8

R23

270

R20

270

R21

1k

R24

1k

R17

1k

R19

1k

R18

27

0

R13

1k

5

R16

1k

5

R15

4k

7

R14

4k

7

IC3.A3 C

6

S

5D

4

R

1

2

IC3.B11 C

8

S

9D

10

R

13

12

IC3

14

7

C11

100n

R12

2k

7

C12

100n2

3

1IC1.A

6

5

7IC1.B470k

P1 R5

56k R7

100k

R3

100k

R4

22k

R6

470R11

10

R14

7k

R2

47

k

R10

10

0k

R91

2k

R8

12

kLM331

IC2FOUT

IREF

IOUT

COMP

VTH

RC

2

5

3

8

4

1

6

7

C4

1µ

C3

100n

C6

220p

C7

220p

JP1

C5

2n2

C1

47µ25V

C2

100n

D1

8V20W4

IC1

8

4

C9

47µ25V

C10

100n

R36

1M

R35

47

k

R42

1M

R41

1

5

R38

1k

R39

15

R40

15

R263

30

k

R27

1M

R31

4k

7

R32

15

k

R30

10

k

R33

3k

3

R37

2k7

R28

100

R29

10k

R34

10k

D2 D3

1N4148D4

1N4148 D5

1k

P2

C18

100n

C17

100n

C16

220n

C14

100n

C19

2200µ25V

C8

100n

C13

220µ25V

T12

BUZ11

K1

1A5 F

F1

T7

BUZ11

C15

100n

+U

K3

K2

+U

IC4

14

7

C20

100n

2x2x

+AB

–A

–B

15Vmax.

IC1 = TS922INIC3 = 4013

leds

+U

+U

OC

LL>2V5

020110 - 11

TEST

Figure 1. L’électronique de notre chasse-nuisibles. La partie supérieure du schéma se charge de la production du signal sonore.

tie la plus élevée possible pour lehaut-parleur LS1. Pour ce faire nousavons utilisé un amplificateur enpont tout ce qu’il y a de plus simple,amplificateur dont les paires T3/T6et T4/T5 sont alternativement enconduction. Bien que d’aspect peuconventionnel, l’étage de sortie a unfonctionnement simple :T3 et T4 utilisent une résistance debase commune, R18, pour entrer enconduction. T3 et T4 sont mis alter-nativement en conduction par lebiais des transistors T1 et T2. Ledimensionnement du diviseur detension, R14/R13 et R15/R16 selon lecas, repose sur le principe couperavant de rétablir le contact (break-before-make disent les anglais).Lorsque la sortie de IC3.A atteint unniveau égal à la moitié de la tensiond’alimentation T1 et T2 sont tousdeux en conduction. On évite ainsique T3 et T4 ne puissent être enconduction simultanément. Il estpossible ainsi, si le besoin devaits’en faire sentir, de sortir IC3 sansrisquer de courant de court-circuit.Les sorties interconnectées de T3 etT4 attaquent les transistors de puis-sance T5 et T6 de façon à ce que l’onait, selon le cas, conduction simulta-née des paires T3/T6 ou T4/T5.En vue d’éviter, le plus simplementpossible un court-circuit entre T5 etT6, chacun de ces transistors estdoté, dans sa ligne de collecteur,

DOMESTIQUE

731/2003 Elektor

(C) ELEKTOR020110-1

C1C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8C9

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

C17

C18

C19

C20

D1

D2

D3

D4

D5

F1

H1

H2 H3

H4

IC1IC2

IC3

IC4

JP1

K1

K2

K3

LS1OU

T1

P1

P2

R1

R2R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10R11R12

R13R14 R15

R16

R17R18R19

R20R21

R22

R23R24

R25

R26

R27R28

R29

R30

R31R32R33

R34

R35 R36

R37

R38

R39

R40

R41

R42

T1T2

T3T4 T5 T6

T7 T8

T9

T10

T11

T12

020110-1

OC

LL

TT

- -

+

~~

leds

+ -15Vmax.

TEST

1A5/F

(C)

EL

EK

TO

R0

20

110

-1

Figure 2. Un dessin des pistes bien pensé à permis de réduire à 2 seulement le nombre deponts de câblage nécessaire.

Liste des composants

Résistances :R1,R2,R35 = 47 kΩR3,R7,R10 = 100 kΩR4 = 22 kΩR5 = 56 kΩR6 = 470 ΩR8,R9 = 12 kΩR11 = 10 ΩR12,R37 = 2kΩ7R13,R16 = 1kΩ5R14,R15,R31 = 4kΩ7R17,R19,R21,R24,R38 = 1 kΩR18 = 270 Ω/5 WR20,R23 = 270 ΩR22,R25 = 6Ω8/5 WR26 = 330 kΩR27,R36,R42 = 1 MΩR28 = 100 ΩR29,R30,R34 = 10 kΩR32 = 15 kΩR33 = 3kΩ3R39,R40 = 15 Ω

R41 = 1Ω5/5 WP1 = ajustable 470 kΩP2 = ajustable 1 kΩ

Condensateurs :C1,C9 = 47 µF/25 V radialC2,C3,C8,C10 à

C12,C14,C15,C17,C18,C20 = 100 nFC4 = 1 µF MKT, au pas de 5/7,5 mmC5

= 2nF2C6,C7 = 220 pFC13 = 220 µF/25 V radialC16 = 220 nFC19 = 2 200 µF/25 V radial

Semi-conducteurs :D1 = diode zener 8V2/400 mWD2 à D5 = 1N4148T1,T8 = BC557BT2,T9 = BC547BT3,T5 = BD140T4,T6,T10,T11 = BD139T7,T12 = BUZ11IC1 = TS922IN (STMicroelectronics (chez

Farnell entre autres)IC2 = LM331NIC3 = 4013IC4 = TLC556

Divers :JP1 = embase autosécable à 2 contacts +

cavalierK1 = bornier encartable à 3 contacts au

pas de 5 mmK2,K3 = embase autosécable à 2 contactsLS1 = bornier encartable à 2 contacts au

pas de 5 mmtweeter piézo : PH8 (Visaton)F1 = porte-fusible + fusible1,5 AFLED haute luminosité (pas sur la platine)

telles que, par exemple, Sharp Super-luminosity LED Lamp GL0ZS042B0S(chez Conrad RFA n° 18 30 08)

2 languettes auto pour montage vissé surplatine, boulon et écrou 3 mm

d’une résistance-talon, R22 et R25 respecti-vement, précaution qui se traduit par unelimitation du courant.Avantage additionnel de cette précaution :l’ensemble de l’étage de sortie est protégécontre un court-circuit (pour une durée trèsbrève il est vrai, sinon les résistances R22 etR25 partent en fumée). Troisième avantageque présente la mise en place de résistancesde sortie : les crêtes de courant se voientlimitées par la charge capacitive que consti-tuent les tweeter piézo, ce qui ne peut avoirque des conséquences positives sur la duréede vie de ces derniers.Bien qu’il soit possible, en principe, d’utiliserd’autres types de tweeters piézo, nous avonsutilisé, pour notre prototype, un tweeter piézodu type PH8 (Visaton) pour LP1. Ce haut-par-leur est doté d’un petit évent et fournit, à unepuissance d’entrée 1 W, un niveau acous-tique de 96 dB. L’amplificateur de sortie pou-vant fournir de l’ordre de 20 W, il n’est pasdifficile de calculer le nombre impressionnantde décibels produits par notre chasse-nui-sible. Heureusement que le signal produit sesitue au-delà du domaine d’audibilité parl’ouïe humaine.

Les autres fonctionsLa commutation périodique du signal ultra-sonore produit est l’affaire d’un 556, IC4.A,

DOMESTIQUE

74 Elektor 1/2003

monté en multivibrateur astable.Tant que la sortie de IC4.A (sabroche 5) se trouve au niveau haut,le transistor T7 est passant de sorteque les circuits intégrés IC1 à IC3 etl’amplificateur de puissance reçoi-vent leur tension d’alimentation.Pendant la période de blocage, lasortie de IC4.A est au niveau bas, T7bloque et la connexion à la masse del’ensemble oscillateur/amplificateurest interrompue.De manière à avoir, lors de l’activa-tion du signal sonore, les pertes detension les plus faibles possibles,nous avons choisi, pour T7, un FET-MOS de puissance du type BUZ11qui possède une résistance de canalextrêmement faible (RDSON typique= 0,04 Ω).Nous avons en outre prévu, demanière à rendre le montage le plusuniversel possible, une possibilité decommande du temporisateur (timer)IC4.A par le biais d’un organe exté-rieur (par l’intermédiaire d’un cap-teur infrarouge passif par exemple).Il est possible, par le biais de T8,d’activer le montage à l’aide d’unesortie à collecteur ouvert (OC, K2).Nous avons ajouté T9 pour le cas oùl’on ne disposerait que d’un niveau

logique (>2,5 V), la ligne LL sur K3.Lorsque T8 cesse d’être actif, la lignede réinitialisation (reset) de IC4.A estforcée au niveau « bas » par lesrésistances R29 et R30. La présencede la diode se justifie pour éviter derendre inopérante instantanémentune sortie active.Il se peut, en fonction de la chargede C13, qu’il faille un peu plus long-temps avant que n’ait lieu la rénini-talisation de IC4.A. Il se passe unphénomène intéressant dans le casd’une sortie inactive : le condensa-teur C13 se décharge alors au tra-vers de la résistance R27. Maislorsque T8 cesse de conduire ladécharge de C13 s’accélère de sorteque la tension tombe en deçà de lavaleur de seuil pour l’entrée de seuil(TRES) de IC.4.A, ce qui se traduitpar l’activation de la sortie, pendantquelques secondes, avant que laréinitialisation n’ait lieu.Il nous reste à parler de l’extra «optique » évoqué plus haut. Ilprend la forme d’un second tempo-risateur, IC4.B. montée en multivi-brateur astable qui commande, parle biais d’une paire de sources decourant, les transistors T10 et T11,une paire de LED connectées à

Figure 3. Voici à quoi devrait ressembler votre exemplaire une fois que vous en aurez terminé la réalisation. Nous avons prévu unrefroidissement des transistors T3 à T6.

tension d’alimentation lors de son applica-tion, la tension de grille se trouve être néga-tive par rapport à la source et la diode decanal se trouve montée en sens inverse ce quil’amène à bloquer. L’utilisation d’un FETMOSpermet d’éviter les pertes qu’implique l’utili-sation classique d’une diode de protectionprise en série avec l’alimentation.

La réalisationNous avons dessiné à l’intention de ce mon-tage une belle platine dont nous vous pré-sentons le dessin des pistes et la sérigraphieen figure 2. En dépit de la petite taille de laplatine, elle ne mesure que 11 x 6,5 cm, lamise en place des composants prendra letemps nécessaire vu la densité d’implanta-tion adoptée. On commencera par les compo-sants de faible hauteur (les résistances et lessupports) avant de passer aux autres (résis-tances verticales, transistors et condensa-teurs électrochimiques). Attention à ne pasoublier les 2 ponts de câblage. Pourquoid’ailleurs ne pas commencer par eux ? Lepremier se trouve à proximité des transistorsT3, T5 et T6, le second sur la droite de IC4.Les points de connexion sont clairement iden-tifiés de sorte que nous ne nous attendonspas à des problèmes à ce niveau. On pourrautiliser des borniers pour la connexion duhaut-parleur et des LED (K1), sachant quenous avons prévu des languettes de typeautomobile pour le branchement de l’alimen-tation.Les transistors de puissance T3 à T6 n’attei-gnent pas des températures dramatiques,mais il n’en reste pas moins que l’on pourrales doter d’un petit radiateur (une petite pla-quette d’aluminium convient parfaitement).Ceci explique que nous ayons placé ces tran-sistors sur le bord de la platine. Le montagedes transistors sur le radiateur se fera par lebiais d’une plaquette d’isolation pour les iso-ler l’un de l’autre.Signalons, pour être complets que, si vousn’avez que faire d’une signalisation optique,l’on pourra tout simplement ne pas monter lapartie centrée sur IC1.B, y compris T10, T11et K1.Nous vous laissons le choix du boîtier. Ilexiste toutes sortes de coffrets dans lesquelscette platine pourra trouver place. Il estrecommandé, surtout si on envisage de mon-ter le chasse-nuisible dans un véhicule, de ledoter d’un coffret métallique.Une dernière remarque : il faudra, en casd’utilisation d’un détecteur de présence,mettre un cavalier sur l’embase K2. L’émissionse fera dans ce cas-là de façon intermittente.

(020110)

l’embase K1. La fréquence de cli-gnotement est, nous le disions, de 3Hz. Comme nous avons prévu unepossibilité de jouer sur les réfé-rences des sources de courant, D4et D5, par action sur P2, le couranttraversant les LED se laisse ajusterentre 6 et 40 mA. Notez qu’il fautveiller à ce que les 2 sources decourant soient pourvues d’unecharge sachant que sinon, le tran-sistor non chargé dérive la tensionde référence de l’autre transistor.On peut, le cas échéant, envisagerde prendre les sorties en parallèle,ce qui permet de disposer d’un cou-rant 2 fois plus important (1 x 80mA maximum). Pour ces dispositifsoptiques nous avons pensé à desLED à très forte luminosité (super-luminosity LED) de Sharp parexemple. On pourra, en fonction dela tension d’alimentation, monter ensérie plusieurs de ces super-LED.La tension directe de ces variétésde LED est de l’ordre de 2,5 V desorte que l’on pourra en prendre 4en série pour chaque source de cou-rant dans le cas d’une tension d’ali-mentation de 12 V et 5 si cette der-nière est de 15 V. Les anodes des 2chaînes sont reliées à la ligne com-mune +AB, les cathodes de cha-cune de chaînes étant elles reliéesséparément aux 2 lignes –A et –B.

L’alimentation

L’alimentation de notre chasse-nui-sible pourra se faire par le biaisd’une batterie de voiture 12 V oud’un adaptateur secteur fournissantentre 9 et 15 V. Il faut que la tensionde sortie de ce dernier soit réguléevu l’absence de régulation sur le cir-cuit imprimé et qu’il soit en mesurede fournir un courant important. Nor-malement, lors de la génération d’unsignal sonore, la consommation decourant de l’ensemble est dequelque 400 mA, mais si l’on monte4 tweeters en parallèle celle-ci peutpasser à de l’ordre de 900 mA !Le fusible F1 protège l’électroniquecontre un court-circuit, le FETMOST12 constituant une sorte de protec-tion contre une inversion de polaritéde la tension d’alimentation. Si on lecompare à son homologue T7, onpourrait penser que nous avons, auniveau de ce FETMOS, interverti ledrain et la source, mais rassurez-vous, cela n’est pas le cas. On a belet bien ouverture du canal, peuimporte que le courant circule de lasource vers le drain vu que la tensionde grille (gate) est positive par rap-port à la source. La diode de canalinévitablement présente dans unFETMOS se trouve alors dans le senspassant. En cas d’inversion de la

DOMESTIQUE

751/2003 Elektor

Figure 4. Le tweeter piézo PH8 de Visaton possède une plage allant de 3 à 40kHz, ce qui lui permet de travailler dans l’extrême-aigu et ce à des puissanceimportantes.

Le mouvement et le temps sont deux facteursque l’esprit humain aime combiner. Peut-êtrepour la simple et bonne raison que l’un est lerésultat de l’autre. IL ne va de même dans lecas des montres et des horloges. Le mouve-ment d’une horloge se traduit par l’affichagede l’heure. Les montres électroniques à affi-chage à LED ou LCD ne font malheureuse-ment pas cette association, ce qui est peut-être l’explication pourquoi nombre d’entrenous sommes revenus à la montre à aiguilles(pilotée par quartz il est vrai).Les électroniciens sont bien souvent desesprits inventifs qui essaient de résoudreleurs problèmes de façon très particulière. Ilest fort possible que ce soit ainsi que leschoses se sont passée pour le développementde l’horloge hélicoïdale . Un mouvementrapide d’un certain nombre de LED qui s’al-lument permet de visualiser des patrons quirestent gravés sur la rétine de l’oeil humain.La comparaison avec un show laser, où lemouvement extrêmement rapide du laser setraduit par l’affichage, sur un support adé-quat, de figures magnifiques, vient immédia-tement à l’esprit.Dans le cas de l’horloge hélicoïdale , on aplacé un certain nombre de LED sur une forted’aiguille montée elle-même sur un moteurélectrique. Un microprocesseur se charge dupilotage des LED de manière à en produirel’allumage au bon moment. Si les LED tour-nent à une vitesse suffisante on a l’impres-sion de voir apparaître en l’air les aiguillesd’une horloge, des symboles ou des carac-

tères. L’application la plus aimée dece principe d’affichage est indubita-blement celle d’une horloge. C’estsans doute parce que l’ensemblerappelle un peu l’hélice d’un avion,qu’on l’a baptisé horloge hélicoïdale.D’après la majorité des sources surInternet, le père de l’horloge hélicoï-dale est l’Américain Bob Blick [1].En tout état de cause, il fut le pre-mier à avoir mis sur Internet (en1977) une description exhaustive

d’une horloge de ce type. Depuislors, un certain nombre de réalisa-tions dérivées ou non ont fait leurapparition sur le Web. Si elles repo-sent toutes sur le principe de basede Job Blick, elles se distinguent parleur approche singulière en ce quiconcerne le programme du micro-contrôleur et/ou la réalisation méca-nique. C’est surtout sous cet aspectque l’on découvre de nombreusesvariantes. Il est en effet loin d’être

ÉLECTRONIQUEEN LIGNE

76 Elektor 1/2003

L’horloge hélicoïdaleDonner l’heure par rotation de LED

Harry Baggen

L’horloge hélicoïdale doit son nom à sa grande ressemblance avec une hélice. Unepoignée d’électronique montée sur une platine longue comme un jour sanspain (l’hélice) est fixée un moteur électrique et tourne à bonne vitesse. Unmicrocontrôleur se charge d’allumer les LED au bon moment, processus quise traduit par la visualisation d’une horloge virtuelle voire de caractères éthérés.

ÉLECTRONIQUEEN LIGNE

771/2002 Elektor

Sur son site, Daryl Bender [7] décrit, dans lemoindre détail, son horloge qu’il a baptiséeAerobat. De nombreuses photos illustrent fortbien l’aspect mécanique de cette réalisation.S’il est une horloge reposant sur uneapproche très particulière c’est sans doutecelle de Mark Ursum [8]. Le moteur de sonhorloge est en effet un tambour supportantles têtes récupéré sur un magnétoscope. Celalui permet d’atteindre une vitesse de rotationmaximale de 1 800 tours/mn. Un récepteurDCF garantit l’exactitude de l’heure affichée.Signalons, en guise de conclusion, un projetd’une toute autre nature mais reposant sur laconstruction mécanique de l’horloge hélicoï-dale : le Virtual Game System [9] van Ric-kard Gunée. Il s’agit d’une console de jeu dontl’affichage prend la forme d’un certain nombrede LED en rotation ! L’unité de contrôle dis-pose également d’une paire de ports pourmanette de jeu (joystick). Il est possible, dansces conditions, de jouer au tennis ou à Tetrissur un écran qui flotte dans les éthers !

(025074simple de faire tourner des LED (etl’électronique connexe) à grandevitesse tout en assurant un transfertcorrect de la tension d’alimentationet de signaux éventuels versl’« aiguille » en rotation rapide.Chester Lowrey [2] et Don Zehnder[3] sont deux des « disciples » deBlick; ils proposent, sur leurs sitesrespectifs, des plans de réalisation etles codes microcontrôleur à ceux quecela pourrait intéresser. Notons quel’on trouve, sur le site de Don Zehn-der, une version Java [4] d’une hor-loge hélicoïdale , qui mérite que l’ons’y intéresse.

Cela fait des années que LuberthDijkman [5] s’intéresse à ce sujet.Les photos illustrant son site don-nent une très bonne idée de la réali-sation de ses horloges. Comme celaest également le cas avec nombred’autres réalisations, son horlogepeut afficher l’heure sous forme ana-logique ou numérique.Autre bel exemplaire, né en terrebelge, l’horloge de Henk Soubry[6]. Henk utilise un miroir commearrière-plan, ce qui donne à sonhorloge une indiscutable distinc-tion. La mise à l’heure de cette hor-loge se fait par télécommande IR.

Adresses Internet[1] Bob Blick:

http://www.bobblick.com/techref/projects/propclock/propclock.html

[2] Chester Lowrey:http://hot-streamer.com/hilo90mhz/electronics/prop_clock.htm

[3] Don Zehnder:http://www.geocities.com/siliconvalley/campus/9489/propclock.html

[4] Java-klok van Don Zehnder:http://www.geocities.com/siliconvalley/campus/9489/javaclock1.html

[5] Luberth Dijkman:http://www.luberth.com/analog.htm

[6] Henk Soubry:http://web.wanadoo.be/henkenkatrien/propellerclock/

[7] Daryl Bender:http://www3.sympatico.ca/surfin.dude/creative/clocks/propclk/blick.html

[8] Mark Ursum:http://home.quicknet.nl/qn/prive/m.ursum/propclock.html

[9] Virtual Game System:http://www.efd.lth.se/~e96rg/mc/mechanic/vgsys.html

MINI-PROJET

78 Elektor 1/2003

Bien que l’on se trouve ici en présence d’uneélectronique très simple, le « pion » de ten-sion doté de son affichage à 10 LED n’en pré-sente pas moins quelques avantages indé-

niables. Sa compacité pour commen-cer; comme la taille de la platine nedépasse pas celle d’une boîte d’allu-mettes, il y a toujours moyen de trou-

ver la place nécessaire pour le pla-cer. Second avantage, sa faibleconsommation d’énergie, surtoutlorsqu’il se trouve en mode point(dot). Le troisième avantage quimérite d’être relevé lui aussi, est sonuniversalité vu les nombreusesapplications envisageables. Il est eneffet en mesure de surveiller desplages de tension relativement éten-dues. La tension minimale est de 3 V,le montage ne fonctionnant pas endeçà de cette valeur, le maximumétant de 25 V (limite au-delà delaquelle le montage rend l’âme sousla forme d’un filet de fumée). Tantque l’on reste à l’intérieur il est pos-sible, par le biais d’une paire d’ajus-tables, de déterminer la plage detension à garder à l’oeil. On constateque son utilisation ne se limite pasau domaine automobile. Ce montagepourra également servir à surveillerla tension fournie par un autre accuqu’il s’agisse de modèles réduits, deperceuses portables ou de tondeuseà gazon autonome, ses applicationssont légion.On pourra aussi l’utiliser en tant quetesteur de pile, mais uniquement,nous le disions plus haut, pour des

«Pion» de tension de batterieAjustable pour toute valeur de tension

A. Schilp

La réalisation décrite ici pourra être utilisée pour surveiller toute plage detensions allant d’un minimum de 3 V à un maximum de 25 V. On pourrapartant s’en servir pour, par exemple, garder à l’oeil la tension de la batteriede sa voiture mais aussi pour surveiller celle des piles du récepteur d’unetélécommande radiographique. En 3 mots, un montage universel.

NdlR : Le « pion » en question n’a bien entendu rien à voir avec le jeu de dames ou d’échecs, mais tout avec le monde de l’enseignement où ce terme est synonyme de surveillant.

MINI-PROJET

791/2003 Elektor

dant à la tension d’entrée, dans le secondtoutes les LED situées en dessous de la LEDcorrespondant à la valeur de la tension d’en-trée le seront aussi. Le choix du mode se faitpar le biais de la broche 9 du LM3914 : sicette entrée se trouve en l’air, le circuit tra-vaille en mode point. La mise en place ducavalier JP1 fait passer en modebarre(graphe). Il est évident que la consom-mation de courant et la dissipation du circuitintégré sont sensiblement plus élevées enmode barre qu’en mode point. Tant que latension d’entrée se situe en deçà de 15 V iln’y a aucune raison de s’inquiéter. Dans lecas d’une tension d’entrée de 25 V la dissi-pation atteint de l’ordre de 625 mW, valeur àlaquelle le LM3914 commence à se faire «des sueurs ».

La consommation de courant du montage lui-même est de 6 à 7 mA, courant auquel il fautajouter le courant de(s) LED. La totalité ducourant est dérivée de la source de tension àsurveiller, cette source faisant du même coupfonction de source d’alimentation pour notremontage. Le point intéressant ici est que parl’utilisation de la tension de référence de 1,25V présente ne broche 7, la valeur de mesurevisualisée par les LED correspond toujours àla tension d’alimentation à mesurer, sans quela valeur de cette dernière n’ait d’influencesur la précision de la mesure et de l’affichage.Notons au passage que la luminosité des LEDn’est pas sensible à la valeur de la tensiond’alimentation; ceci est dû aux sorties ensource de courant évoquées plus haut. Leparamétrage des sources de courant estdéterminé par la charge que le montage enparallèle de R2 et P2 constitue pour la broche7. On adoptera comme valeur de calcul que lecourant circulant au travers des LED est envi-ron 10 fois supérieur à celui traversant la

piles disposant d’une tension debornes de 3 V et plus; il ne sera par-tant pas possible de tester des cel-lules individuelles de 1,5 V.

LM3914Le coeur du montage est un circuitde commande (driver) d’affichageintégré du type LM3914, que la majo-rité des lecteurs d’Elektor ont sansdoute déjà rencontré au cours deleurs pérégrinations électroniques.Du point de sa fonction, ce circuitintégré est en fait un voltmètre com-plet vu qu’il a été conçu pour visua-liser directement sur une échelle deLED une tension d’entrée variable. Àcet effet, le LM3914 comporte 10comparateurs à sortie en source decourant, ainsi qu’une source de réfé-rence et un diviseur de tension enéchelle chargé de fournir les tensionsde référence requises.Le schéma du circuit que l’on

retrouve en figure 1 montre que sil’on fait abstraction du LM3914 etdes 10 LED (à haut rendement),l’électronique additionnelle ne repré-sente pas grand chose. Le seuil basde l’échelle de mesure auquel devras’allumer la première LED del’échelle, D10, est ajustable par lebiais de P1, la limite supérieurel’étant par l’autre ajustable, P1.Chaque LED de l’échelle représenteun dixième de la plage de mesure.Tant que la tension d’entrée pré-sente une valeur inférieure au seuilbas, l’affichage reste éteint. Si, aucontraire, la tension dépasse lalimite supérieure, la LED du haut,D1, restera allumée.

Point ou barregrapheLe LM3914 connaît 2 modes defonctionnement, point (dot) ou barre(bar). Dans le premier cas une seuleLED sera allumée, celle correspon-

JP1

D6REFOUT

REFADJ

LM3914

IC1

MODE

SIG

RHI

RLO

L10

17

16

15

14

13

12

11

10

L9

L8

L7

L6

L5

L4

L3

L1

18L2

9

5

8

4

6

7

3

2

1

D5

D4

D3

D2

D9

D8

D7

D10

D1C1

100n

R1

1k

R2

10k

25k

P1

10k

P2

020282 - 11

8mA15V10mA)(25V

13V

1V35

1V26

0V83

Figure 1. La quasi-totalité de l’électronique requise pour réaliser un dispositif desurveillance de la tension de batterie se trouve en fait déjà intégré dans le LM3914.

Figure 2. De par la petite taille du circuit imprimé il ne devrait pas y avoir deproblème d’implantation de ce montage.

(C) ELEKTOR 0

20282-1

C1

D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10

H1H2

IC1

JP1

P1P2

R1R2

020282-1

+

0

(C) E

LEK

TOR0

20

28

2-1

Liste des composants

Résistances :R1 = 1 kΩR2 = 10 kΩP1 = ajustable 25 kΩP2 = ajustable 10 kΩ

Condensateurs :C1 = 100 nF

Semi-conducteurs :D1 à D10 = LED à haut rendementIC1 = LM3914N (National Semiconductor)

Divers :JP1 = cavalier

paire R2/P2. Comme on dispose, en broche 7,d’une tension de 1,25 V, le courant par LEDsera de 1,25/5000 = 2,5 mA. C’est très exac-tement le courant qu’« apprécie » une LED àhaut rendement (high efficiency). On pourra,le cas échéant, augmenter cette valeur decourant en diminuant la valeur de R2.

La réalisationLa figure 2 vous propose le dessin des pisteset la sérigraphie de l’implantation des com-posants de la minuscule platine du « pion »de tension. On voit que tous les composants yont trouvé leur place sans bousculade; vu lepetit nombre de composants concernés, nousn’avons guère de remarque à faire en ce quiconcerne la réalisation. Il peut être intéres-sant, dans la pratique, d’utiliser des LED dedifférentes couleurs, du rouge pour la partieinférieure de l’échelle, du vert pour sa partie «OK » et du jaune pour les tensions sortant dela fenêtre vers le haut. On voit ainsi d’un coupd’oeil d’un seul s’il y a des raisons ou non des’inquiéter.Petit détail qui n’aura sans doute manqué devous intriguer : la platine comporte, auniveau des ajustables P1 et P2, une paire detrous additionnels. Ces orifices sont prévusdans le cas où l’on voudrait remplacer lesajustables par des résistances de valeur fixe.Une fois que l’on a déterminé la valeur cor-recte et qu’il n’est pas nécessaire de modifierle réglage vu que le « pion » de tension estdestiné à une fonction définitive, les résis-tances fixes présentent l’avantage d’être plusstables que les ajustables et de « vieillir »mieux que ces derniers.

RéglagesP1 et P2 permettent de définir pratiquementn’importe quel domaine de tensions. Nousallons prendre ici, à titre d’exemple, le casd’une batterie de voiture. Comme il est denotoriété publique que la tension de charged’une batterie de voiture est de l’ordre de14,4 V, on fixera la limite supérieure, par P1, à15 V par exemple. Il suffira, pour ce réglage,de connecter, le temps de cette opération, lecircuit à la sortie d’une alimentation de labo-ratoire fournissant cette valeur de tension etde jouer sur P1 jusqu’à ce que l’on ait l’allu-mage de la LED D1. On veillera, pour ceréglage que l’ajustable P2 ait été mis enbutée vers la droite (sens horaire) vu quesinon on court le risque de se trouverconfronté à des phénomènes bizarres.Il reste ensuite à déterminer à quelle valeurde tension doit correspondre l’allumage de laLED du bas d’échelle. Supposons que nousvoulions avoir des pas de 0,5 V par échelle :

cela se traduit par la série 15, 14,5,14, 13,5, 13, 12,5, 12, 11,5, 11, 10,5.Nous réglons ensuite l’alimentationde laboratoire pour qu’elle fournisseune tension de sortie de 10,5 V et ilnous reste alors à jouer sur P2 jus-qu’à ce que nous obtenions l’allu-mage de la seule LED en basd’échelle. L’étalonnage est terminé !On pourra, de la même façon, tra-vailler à des pas de 1/3 ou 1/4 devolt, voire à des pas plus importantsde 1 V. Il suffira dans chaque cas, decommencer par mettre P2 en butéevers la droite, d’ajuster la limite detension haute par P1 et la limite detension basse par P2. Vous aurezsans doute l’occasion de constater,qu’en cas de choix de pas de faibleampleur, 1/10 de volt par exemple,les LED s’allument et s’éteignentprogressivement; il peut arriver qu’àune tension donnée on ait allumagesimultané de 2 LED.

MesuresIl faudra se rappeler, lorsque l’oneffectue des mesures sur une batterienon chargée que, même si cette der-nière est presque vide, on mesurerasouvent la totalité de la tension de

source. Partant, si l’on veut obtenir,lors du test d’une batterie, une indi-cation valide, toujours effectuer unetelle mesure avec une batterie reliéeà sa charge normale.La connexion de ce « pion » de ten-sion peut fort bien se faire à la batte-rie de la voiture sans que l’on ait àmodifier quoi que ce soit au câblage.Pourquoi en effet ne pas utiliser lecontact de l’allume-cigare ? Ontrouve dans le commerce des fichesspécialement conçues à cet effet,dont les ressorts extérieurs sontreliés au « – » de la batterie et l’er-got central au pôle « + » de celle-ci.

Une dernière remarque en guise deconclusion : comme la tension d’ali-mentation du « pion » de tensionest égale à la tension à mesurer ils’est avéré impossible de mettre enplace une diode-série de protectioncontre une inversion de polarité. Ilfaudra de ce fait être encore plusprudent lors de la connexion du cir-cuit à la batterie que l’on n’aura bienidentifié le « + » et le « – » de celle-ci. Toute erreur à ce niveau peut setraduire par l’endommagement voirela destruction du montage !

(020282)

MINI-PROJET

80 Elektor 1/2003