Electronique > Réalisations > Jeux de lumière > Modulateur de lumière 006

Dernière mise à jour : 15/05/2011

Présentation

Le montage présenté ici est un modulateur de lumière 3 voies capable d'allumer des séries de leds de différentes couleurs : rouges pour les fréquences graves, vertes pour les fréquences médiums et bleues pour les fréquences aigues.

modulateur_lumiere_006_pcb_3d_a

Il dispose d'un réglage de sensibilité général et d'un réglage de sensibilité individuel pour les trois bandes de fréquence. Son alimentation se fait sous 12 V, qui peut provenir d'une batterie de voiture ou d'un bloc secteur quelconque si tant est que tension et courant soient bien sûr adaptés. La captation du son se fait au choix aux bornes d'un HP ou par microphone intégré, et le filtrage est de type actif.

Avertissement

Ce montage fonctionne en très basse tension (12 V) et le risque de s'électrocuter est minime. Cependant, pour un usage en voiture ou moto, il convient de porter la plus grande attention au câblage de la source d'alimentation. La tension de 12 V en elle-même ne doit pas être trop crainte, mais le courant que peut fournir une batterie de voiture en cas de court-circuit peut être intense et provoquer un incendie !

Schéma

Il ne s'agit certes pas d'un montage ultra-simple, mais vous comprendrez qu'il faut bien un minimum pour obtenir l'effet désiré.

modulateur_lumiere_006

Ce schéma complet (mais sans extension) peut être décomposé en trois parties :
- préampli micro
- filtres BF
- section redressement et "puissance"

Préampli micro
Basé autour de U1:A, il permet d'obtenir un signal BF d'amplitude suffisante pour la suite des opérations. Cet étage apporte un gain non négligeable de +40 dB quand le potentiomètre RV1 est à sa valeur maximale, ce qui correspond à une amplification dans un rapport de 100 (un signal d'entrée d'amplitude 50 mV ressort avec une amplitude de 5 V). Comme l'ensemble fonctionne en basse tension unique (non symétrique), une référence de tension égale à la moitié de la tension d'alim est créée grâce au pont diviseur R4 / R5. Cette demi-tension est conservé par la suite au niveau des filtres BF, c'est pourquoi on ne trouve aucun condensateur de liaison en sortie de cet étage d'entrée. L'alimentation du circuit intégré U1 est découplée par le réseau R24 / C2, qui absorbe les variations de tension liées aux variations de courant quand les leds clignotent. Cette précaution limite le risque de voir le préampli d'entrée se mettre en mode en auto-oscillation, ce qui rendrait le montage simplement inutilisable (risque plus grand avec gain élevé).

Branchement direct sur HP (sans microphone)
Il est possible de brancher l'entrée du préampli directement sur une sortie amplifiée, en parallèle sur un haut-parleur. Dans une voiture ou tout autre milieu ambiant bruité, il peut en effet être intéressant de faire réagir les lumières sur la musique seulement et pas sur le bruit d'un moteur ou des gens qui crient à côté (la joie d'un montage qui fonctionne fait faire tant de chose bizarres). Les points suivants sont à prendre en compte lors d'un tel raccordement direct :
- si l'alimentation 12 V est commune à la source sonore (autoradio ou ampli) et au modulateur de lumière, il ne faut raccorder qu'un seul fil entre sortie HP et entrée modulateur, c'est celui qui correspond à la sortie "+" du HP. Le point de référence est dans ce cas la masse, commune à tout le monde.
- l'amplitude des signaux BF issus d'une sortie amplifiée sera très certainement trop grande pour attaquer le préampli, il convient donc de l'atténuer suffisement.
- le cavalier JP1 et le microphone doivent être retirés.
Le schéma qui suit résume ces points et montre comment effectuer le câblage sur une sortie HP.

modulateur_lumiere_006_entree_sur_hp

Une résistance (RHP) et deux diodes (D1 et D2) ont été ajoutées pour limiter à des valeurs raisonnables, l'amplitude du signal BF appliqué à l'entrée du préampli micro. La résistance RHP. Si malgré cela vous observez encore une trop grande sensibilité, ajoutez une nouvelle résistance de 1 kO en parallèle sur les deux diodes D1 et D2.

Filtres BF
Les filtres BF sont de type actif et basés sur l'emploi d'AOP d'usage courant (LM324, quatre AOP contenus dans un même boitier 14 pattes). Le filtrage est assuré par la mise en place d'un filtre de type double-T (appelé aussi T parallèle) dans la contre-réaction de chaque AOP. Un filtre de type double-T présente la particularité de laisser passer presque tous les signaux sauf ceux qui tombent dans une plage de fréquence donnée : c'est un filtre réjecteur. Il présente en effet une impédance maximale à une fréquence donnée (qui est la fréquence centrale du filtre) et le taux d'atténuation diminue d'autant plus qu'on s'éloigne de cette fréquence centrale. Le schéma ci-après montre le filtre réjecteur de la voie des aigus, isolé de son AOP U1:B.

modulateur_lumiere_006_filtre_001a

Par rapport au schéma général, C5 et R9 ont été "relevés" pour mieux mettre en évidence les deux "T" du filtre (premier "T" composé de R7, R8 et C5, second "T" composé de C3, C4 et R9). Le but du jeu étant de laisser passer certaines fréquences plus que d'autres (fonction d'un passe-bande) et non au contraire d'en supprimer une partie (fonction réjecteur), on pourrait bien se demander pourquoi utiliser de tels filtres pour notre modulateur. En fait, le filtre n'est pas monté en série avec le signal BF à traiter, mais est monté dans la boucle de contre-réction de l'AOP concerné. Comme l'impédance est maximale à la fréquence centrale, la réaction (de la sortie vers l'entrée de l'AOP) est moindre et l'amplification est donc plus grande. Ce qui au final conduit à filtrer le signal BF selon une courbe exactement inverse (miroir) à celle que l'on a avec le filtre seul (comme montré dans le schéma ci-avant). La courbe de réponse des trois filtres est visible sur le graphe ci-après.

modulateur_lumiere_006_filtre_001_graphe_001
R9, R14 et R19 = 6,8 kO

Il apparait de façon immédiate que les trois voies grave (courbe rouge), médium (courbe verte) et aigu (courbe bleue) sont vraiment très bien séparées, le recouvrement entre chaque bande est quasi nul sur une plage dynamique de 20 dB. Cela est lié au comportement type du filtre double-T, dont la bande est très étroite et le taux de "réjection" très fort (on peut modifier ce comportement en jouant sur le rapport des composants, voir un peu plus loin). Résultat visuel : les groupes de leds s'allumeront vraiment quand un signal BF comportera des signaux dont la fréquence se situe dans la plage concerné du filtre. Par exemple, un coup de basse autour de 70 Hz ne fera pas s'allumer les leds vertes de la voie médiums, et un cri très aigu de femme ne fera s'allumer que les leds bleues de la voie aigus avec un peu de la voie centrale. Vous pouvez objecter qu'en contrepartie, certaines fréquences qui ne se trouvent dans aucune des trois plages, ne feront s'allumer aucune led. C'est tout à fait exact, mais d'un autre côté, j'espère que le type de musique que vous écouter est assez  richement rempli pour disposer d'une palette sonore étendue. Ce modulateur n'a pas été conçu pour servir d'analyseur de spectre dans un laboratoire. Si toutefois vous souhaitez étaler un peu la largeur de bande de chaque filtre, vous pouvez réduire la valeur des résistances R9, R14 et R19 à 1 kO au lieu de 6,8 kO, la réponse des filtres sera proche de celle montrée par les courbes suivantes.

modulateur_lumiere_006_filtre_001_graphe_002
R9, R14 et R19 = 1 kO

Par rapport aux courbes précédentes et si on se base toujours sur la référence "plate" à 20 dB, on constate que la couverture des filtres est plus large sur la "ligne de référence" à +30 dB.

Section redressement et "puissance"
Chaque filtre BF restitue sur sa sortie le signal BF débarrassé des composantes fréquencielles qu'il est supposé atténuer. En sortie du filtre le plus en haut du schéma complet (autour de U1:B), on ne trouve que des signaux de fréquence élevée. Et en sortie du filtre le plus en bas du schéma (autour de U1:D), on ne trouve que des signaux de fréquence basse. Entre les deux et autour de U1:C, à vous de deviner. A la suite de chaque filtre est placé un redresseur à diode et un filtrage par condensateur, dont le rôle est de fournir une tension continue dont la valeur est d'autant plus élevée que le signal BF en sortie du filtre est d'amplitude élevée. On trouve donc aux bornes du condensateur C7 une tension d'autant plus élevée qu'il y a d'aigus dans le signal sonore, et on trouve aux bornes du condensateur C12 une tension d'autant plus élevée qu'il y a de médiums dans le signal sonore. Idem pour le condensateur C17, qui fait plus parler de lui quand le signal sonore capté est riche en fréquences basses. Les tensions continues ainsi obtenue sont dirigées vers un transistor de commutation banal, en vu de le rendre conducteur et par là-même d'allumer les leds qu'il comporte dans son circuit de collecteur. Entre le condensateur de filtrage et le transistor, un petit potentiomètre qui permet de doser la sensibilité pour chaque voie (RV2 à RV4).

Extension pour plus de leds
Le schéma montre deux leds seulement par voie, mais il est possible d'en mettre bien plus. Le nombre de leds en série dans une même branche est limité par la tension d'alimentation (ici de 12 V) et par la tension nominale des leds elles-mêmes. Il est possible de mettre 4 ou 5 leds rouges en série, mais il n'est pas possible d'en mettre autant de bleues car ces dernières présentent une tension nominale plus élevée, généralement comprise entre 3,6 V et 4,0 V. Avec des leds dont le courant nominal est de 20 mA, vous pouvez sans problème mettre 10 branches de 2 leds pour chacune des trois voies du modulateur de lumière. Cela fait 200 mA en pointe dans chaque branche lorsque les leds s'allument, mais en moyenne le courant est inférieur à 100 mA quand les seuils sont correctement réglés par rapport à l'amplitude de la source audio (il n'y a guère d'intérêt à tout régler trop sensible pour que toutes les leds s'allument tout le temps). Le schéma qui suit montre une extension possible incluant 3 groupes de 12 leds (soit 36 leds additionnelles au total) raccordées au circuit principal via les trois points de liaison A, M et G.

modulateur_lumiere_006_leds_001

Sur le schéma qui précède, les résistances de limitation de courant en série avec chaque branche de leds sont toutes marquées 100 ohms, mais elles doivent être calculées en fonction de la tension nominale des leds utilisées et de la tension d'alimentation. Si le montage est destiné à rester à la maison, la tension d'alimentation pourra être poussée sans problème à +15 V, ce qui permettra de mettre plus de leds dans chaque branche.

Alimentation
Sur batterie 12 V (solution itinérante, avec autoradio comme source sonore principale) ou sur secteur. Dans le second cas, vous pouvez utiliser une alimentation stabilisée simple comme celle décrite à la page Alim simple 001. Dans le pire des cas (toutes leds allumées), la consommation totale est grosso-modo égale au courant consommé par l'ensemble des leds. Si vous conservez une seule branche de leds pour chaque voie, la consommation totale n'excedera pas 70 mA. Avec dix branches de leds par voie, l'alimentation devra être en mesure de débiter un courant de 600 mA au moins. Une protection contre inversion de polarité peut être ajoutée en insérant une diode de type 1N4007 en série avec le pôle positif de l'alimentation 12 V (anode de la diode côté alimentation secteur ou batterie, et cathode côté modulateur).

Prototype de hammami amin

Réalisé sur plaque d'expérimentation, merci pour la photo !

modulateur_006_proto_ha_001a

Dans l'état, fonctionne correctement mais avec un degré de luminosité moindre pour les basses et médiums. Je lui ai conseillé de revoir à la baisse la valeur des résistances série des leds, voir de retirer une led dans chaque branche ou de rajouter des branches entières de leds si cela ne suffit pas. En faisant bien sûr toujours attention au courant max qui peut circuler dans les leds et qui dépend des modèles choisis. Un autre ajustement possible consiste à élargir un peu la bande passante du filtre, comme discuté auparavant.

Prototype de Thomas C.

Merci aussi à Thomas pour son retour d'expérience, ses commentaires et sa vidéo pour le modulateur réalisé par lui-même, avec l'assistance de son frère Julien C. et de Fabien T.

modulateur_006_proto_tc_001a

Vidéo de Thomas visible sur Youtube.

Circuit imprimé

Commencé et donc pas fini.

modulateur_lumiere_006_pcb_composants

- un premier circuit imprimé principal pour l'étage d'entrée, pour les trois filtres et les six leds de base,
- un second circuit imprimé d'extension pour trois groupes de leds additionnels et raccordés aux points A, M et G du circuit principal.
Les deux circuits imprimés sont de dimensions identiques et peuvent être superposés (même philosophie que celle adoptée pour mon stroboscope à leds 004), tout en laissant la possibilité de n'utiliser que le circuit principal de façon totalement autonome, sans leds additionnelles.