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Clignotant 012
Dernière mise à jour : 16/12/2012Présentation
Nous étions fin novembre 2010 quand j'ai mis au point ce nouveau clignotant, qui arrivait à point pour les périodes de fête. Mais on peut en abuser en tout point de l'année. J'aurais peut-être aussi pu l'appeler "multiple stroboscope" car il possède six LED qui produisent chacune des flashes lumineux de façon individuelle.
Le tout est construit autour d'un circuit intégré de type CD40106 qui comporte six inverseurs à trigger de Schmitt, chacun de ces inverseurs est utilisé en oscillateur à rapport cyclique très faible (faible durée d'allumage des LED et plusieurs secondes entre chaque allumage). Chaque oscillateur travaille à une fréquence légèrement différente, ce qui donne aux clignotements un aspect aléatoire style "étoiles scintillantes". En reproduisant le montage une dizaine de fois, vous pourrez ainsi équiper votre plafond de 60 LED disposées en ciel d'étoiles (quelle belle expression, je vais la déposer de suite).
Schéma
Oh, un CD40106 coupé en six tranches.
Le circuit complet n'est qu'une pâle répétition (ou copie) d'un même circuit de base en six exemplaires. Pour casser la monotonie d'un copier / coller simpliste, j'ai ajouté les symboles d'une pile 9 V (BAT1) et d'un condensateur de découplage général d'alimentation (C7). Les six circuits étant identiques en forme, en taille et en poids, je propose de ne parler que du premier construit autour de la porte logique U1:A.
Fonctionnement général
Le fonctionnement est exactement le même que celui adopté pour mon lampadaire multicolore 001b qui lui utilise des portes trigger de Schmitt de type CD4093 montées en oscillateur à rapport cyclique variable. Dans le schéma d'oscillateur à rapport cyclique variable qui suit, la porte CD4093 pourrait tout à fait être remplacée par une porte CD40106.
La différence majeure entre ce schéma à base de CD4093 et celui qui nous intéresse ici réside dans le fait que dans le second il n'y a pas de réglage du rapport cyclique et que ce dernier est toujours faible : durée d'allumage de chaque LED très court (quelques ms) et durée d'exctinction très longue en relatif (quelques secondes). C'est grâce aux diodes D1 et D2 et aux résistances R1 et R2 de différentes valeurs que le condensateur C1 ne prend pas autant de temps pour se charger qu'il n'en prend pour se décharger. Si les deux résistances R1 et R2 avaient la même valeur, les cycles de charge et décharge du condensateur auraient les mêmes durées et le clignotement serait "autant allumé que éteint". Mais dans ce cas une seule résistance serait suffisante et la présence des diodes ne seraient plus justifiée. Or je vois mal un montage de Noël sans diode au silicium.
Pourquoi un condensateur de découplage C7 ?
Je ne sais pas, moi. Pour que six LED qui s'allument en même temps puissent toujours produire une pleine lumière même quand la pile devient faible et que sa résistance interne augmente, par exemple ? Peut-être aussi pour produire des effets lumineux particuliers dans certaines conditions ?Pourquoi une pile 9 V ?
Oui, pourquoi pas une alimentation secteur ? Un montage qui consomme du courant n'a pas toujours intérêt à être alimenté par pile. Et pour un montage qui consomme peu, on peut se contenter d'une pile. Le tout est de savoir si ici le montage consomme beaucoup ou non. Pour ce faire, nous allons procéder à quelques calculs, je sais que vous aimez ça. Pour commencer, la consommation du circuit intégré CD40106 est très faible au repos, c'est à dire quand il est alimenté mais que toutes les LED sont éteintes. Quand je dis faible, c'est vraiment faible, ça se compte en uA et non en mA. Secondo, les LED ne consomment du courant que quand elles sont allumées (on pourrait aussi dire qu'elles ne s'allument que quand on leur fournit du courant, mais ce n'est pas l'heure de jouer avec les mots). On doit donc se questionner sur le courant consommé par une LED, et comme on a six fois le même circuit, on multipliera par six la valeur trouvée pour un seul circuit. Quel courant consomme donc une LED dans le cas présent ? Et bien cela dépend de la tension d'alimentation et du type de LED - c'est fou comme tout dépend de tout. Supposons que nous ayons choisi des LED blanches dont la tension de service est de 3,6 V et que la tension d'alimentation du montage est de 9 V. La résistance montée en série avec chaque LED détermine le courant qui la traverse, selon une formule complexe que vous connaissez peut-être déjà :I = U / R
et qui est dérivée de la formule non moins complexe
U = R * I (ou U = RI, certains prof économisent la craie à la demande des actionnaires)
Dans notre cas, l'application de cette formule donnerait la chose suivante :
I (dans LED) = (9 - 3,6) / 220 = 0,024 A, soit 24 mA.
Mais cette valeur est la valeur maximale que l'on peut avoir car la tension appliquée à la LED et à sa résistance série sera un poil inférieure à +9 V (l'étage de sortie de la porte logique n'est pas parfait). Et chose bien plus grave - prenez donc la chose comme tel, ça donne du piquant - la sortance de la porte logique (sa capacité à fournir du courant) dépend de la tension d'alimentation elle-même. On n'est pas sorti de l'auberge ! Mais qu'importe, on peut très bien se baser sur une valeur maximale et considérer qu'il s'agit du cas le plus défavorable, c'est une façon de voir les choses. Bien, nous en sommes donc à un courant de LED de 24 mA, et il y a 6 LED. Ce qui nous donne un courant total de 24 * 6 soit presque 150 mA. Oups, la pile 9 V ne va pas durer longtemps ! Mais au fait, les LED ne s'allument pas tout le temps... Un détail qui a sans doute son importance. Et si on calculait maintenant la valeur du courant moyen consommé, en tenant compte des périodes de temps pendant lesquelles les LED sont éteintes et allumées ? Comme on l'a vu il n'y a pas très longtemps, le rapport cyclique allumage / extinction est de l'ordre de 1000. Ce qui signifie que la LED est éteinte mille fois plus longtemps qu'elle n'est allumée. Le courant moyen est donc environ 1000 fois inférieur au courant maximal consommé quand la LED est allumée. Le courant maximal de 24 mA de chaque LED devient donc un courant moyen de 24 uA. Et la consommation moyenne de 150 mA devient une consommation moyenne de 150 uA (soit 0,15 mA). La pile devrait pouvoir vivre quelques bonnes heures, non ?
Choix des LED
Les LED peuvent être de n'importe quel type du moment que leur courant nominal est de l'ordre de 20 mA. Taux de luminosité normal ou élevé, peut importe, mais je conseille tout de même des modèles haute luminosité, de 500 mcd au moins (pas des modèle haute puissance style 1 W, vous auriez des surprises). Pour un ciel étoilé, des LED blanches, bleues ou jaunes semblent intéressantes, mais vous avez bien sûr le droit de vous orienter vers du rouge ou du vert. En toute logique, vous devriez calculer la valeur de la résistance à mettre en série avec chaque LED, de façon à disposer d'un courant correspondant à son courant nominal. Mais ici, on ne va pas s'embêter, on conserve la valeur de 220 ohms quelque que soit la LED utilisée. Si les portes logiques du CD40106 étaient capables de délivrer un courant de sortie plus important sous une tension de +9 V, on pourrait se questionner mais il n'y aurait pas plus de danger pour les LED elles-mêmes, qui supportent sans soucis un courant largement supérieur à leur courant nominal quand on les fait travailler en impulsionnel. A titre d'exemple, la plupart des LED dont le courant nominal est de 20 mA survivent à un courant de 1 A si on se limite à une durée de 1 us et qu'on ne va pas plus loin que 100 impulsions (de 1 us) par seconde.A retenir : vous pouvez choisir la LED que vous voulez (ça vallait bien le coup de faire un discours).
Plusieurs paquets de 6 LED ?
Six LED ne suffisent pas ? Vous pouvez bien sûr installer plusieurs modules de 6 LED chacun. Dans ce cas deux options possibles : vous pouvez câbler tous les modules en parallèle au niveau alimentation (pile) ou ajouter pour chaque module une cellule de découplage d'alimentation de type diode + condensateur pour les "isoler" les uns des autres.
La première solution doit être testée en premier car c'est la plus simple. Les couples diode + condensateurs ne doivent être ajoutés que si vous constatez des bizarreries quand la pile faiblit. En toute franchise, je n'ai essayé ni l'une ni l'autre de ces associations et me suis contenté de faire les tests avec un seul CD40106 (bien que j'en possède environ 146387 pièces).
Prototypes
Un premier réalisé sur plaque sans soudure, juste pour voir si "en gros" ça fonctionnait (merci aux ressorts). Et un second sur plaque à pastilles et donc avec soudure (je n'avais plus de surmou).Prototype 001
Vous savez, celui sur ressorts mais qui n'en profite pas pour sauter partout.
Je n'ai câblé que le nécessaire pour deux oscillateurs pour m'assurer de l'absence d'auto-synchronisme entre eux (ça m'est arrivé une fois avec des CD4093). Les deux oscillateurs fonctionnaient bien de façon indépendante. Pour pousser un peu les tests, j'ai changé les LED haute luminosité par des LED standards. Et là oh surprise, les oscillateurs ne fonctionnaient plus en mode flash mais en mode 50% allumés 50% éteint. Diable ! Je me suis un peu gratté la tête là où il y a encore des cheveux et me suis mis à penser (ça fait deux fois en quinze jours, faut que je me surveille). La seule raison plausible que je puisse donner à ce phénomène est que la LED qui est une diode dans le sens passant contribuait de façon non négligeable aux cycles de charge et décharge du condensateur. J'ai donc "isolé" un peu plus la LED en augmentant la valeur de sa résistance série (de 220 à 330 ohms)... et le méchant phénomène a disparu, tout fonctionnait à nouveau de façon nominale. Une solution "pro" consisterait à installer un transistor (en émetteur commun) en sortie de chaque oscillateur, cela ne poserait pas le problème de la diminution de courant dans la LED due à l'augmentation de la valeur de sa résistance série. Mais comme le système fonctionne tout de même très bien comme ça, j'ai décidé de ne pas compliquer plus le montage.
Prototype 002
Le premier prototype ne pouvant être installé tel quel dans le sapin (les aiguilles ayant tendance à entrer dans les trous de la plaque), j'en ai réalisé un second sur plaque bakélite à pastilles, cette fois complet avec les six oscillateurs câblés.
Ce proto fonctionne au poil avec des LED haute luminosité vertes et résistances série 330 ohms (je suis resté sur la valeur qui fonctionnait aussi avec des LED standards). L'effet est vraiment superbe dans le noir, et rendrait sans doute encore mieux en éloignant plus les LED les unes des autres (sur mon proto elles sont regroupées). Une petite chose pour finir : j'adore l'effet lumineux produit une fois que la pile a été débranchée... Vous êtes curieux de savoir de quoi je parle ? Et bien vous savez ce qu'il vous reste à faire...
Vidéo de démonstration
http://www.youtube.com/watch?v=B6iVL0c-wZg
Autre vidéo montrant le même montage en action via ce lien fourni par Fabien H., merci à lui !
Petit exercice
Suite à la réalisation des protos, j'ai changé les résistances série des LED de 220 ohms par des 330 ohms.1 - Calculer le courant maximal circulant dans les LED avec cette nouvelle valeur de 330 ohms, avec une alimentation de 9 V.
2 - Préciser si le changement de valeur 220 / 330 ohms modifie beaucoup la quantité de lumière émise par les LED.
3 - Pensez-vous que l'auteur de ce montage aurait pu prévoir une anomalie de fonctionnement ? Si oui, comptez-vous le punir ?
Circuit imprimé
Réalisé en simple face parce que Noël approche. Rien ne vous interdit de monter les LED côté cuivre et tous les autres composants montés debout côté composants comme sur le deuxième proto. Ca dépend de ce que vous voulez montrer.
Typon aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
Historique
16/12/2012- Ajout lien vers vidéo YouTube du prototype de Fabien H.
16/10/2011
- Ajout vidéo YouTube montrant mon prototype.