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Dernière mise à jour : 06/04/2014Présentation
Ce commutateur audio est de type stéréo pour signaux BF niveau ligne (jusqu'à +12 dBu), et fait appel à des optocoupleurs "analogiques" NSL32SR3.
On peut aussi nommer ce montage "Mute audio" si cela vous sied mieux. Il offre un bruit de commutation minimal (pour ne pas dire nul) et une très bonne atténuation du signal en mode Off (au moins 90 dB sur toute la bande audio 20 Hz à 20 kHz). La distorsion est tellement faible (< 0,001%) qu'on peut la négliger. Le temps de commutation (On->Off et Off->On) est voisin de 3 ms et est "progressif" (pas de bruit lié au changement d'état). La perte d'insertion est de l'ordre de 0,1 dB et est donc négligeable elle aussi. Par rapport à un inverseur mécanique, il présente l'avantage de pouvoir être commandé par un signal électrique (logique TTL 0 V / +5 V). Plusieurs montages sont proposés, à choisir celui qui convient à vos besoins, et en particulier en fonction de la capacité en courant du circuit de commande.
- Schéma 013a : version qui nécessite une commande logique capable de fournir au moins 10 mA (idéalement 20 mA)
- Schéma 013b : version qui nécessite une commande logique capable de fournir et drainer au moins 10 mA (idéalement 20 mA)
- Schéma 013c : version qui se contente d'une commande logique faible courant (< 1 mA).
Les différents schémas offrent des performances identiques côté audio. La seule différence réside dans le mode de commande. Le coût de revient total dépend en grande partie de la source d'approvisionnement des optocoupleurs. En certains lieux on en trouve à 3 euros pièces, et en d'autres lieux ça dépasse 8 euros pièces...
Principe général de fonctionnement
Des cellules photorésistives incluses dans des optocoupleurs jouent le rôle de ponts diviseur résistifs (un pont diviseur par voie). Ici, des Silonex NSL32(SR3), dont vous remarquerez l'asymétrique en ce qui concerne l'écart entre broches. : écart de 2,54 mm côté cellule photorésistive, et écart de 3,30 mm côté LED, ce n'est pas spécialement courant. La cathode de la LED est repérée par un point blanc.
Avant d'aller plus loin, un petit rappel. Un pont diviseur résistif simple est constitué de deux résistances montées en série, sur lesquelles on applique une tension alternative ou continue. On récupère une partie de la tension d'entrée sur une seule des deux résistances, ce qui reste sur l'autre ne nous intéresse pas et est "perdu".
Sur le schéma qui précède, R1 et R2 forment le pont diviseur. On applique la tension d'entrée sur les deux résistances (entre masse et point In) et on récupère la tension de sortie aux bornes de R2 (entre masse et point Out). En théorie, on a trois cas possibles :
- R1 = 0 ohms et R2 = infini. Dans ce cas, le signal de sortie Out est égal au signal d'entrée In (tout se retrouve sur R2).
- R1 = infini et R2 = 0 ohms. Dans ce cas, le signal de sortie Out est nul (tout se retrouve sur R1).
- Cas intermédiaires. Toute la palette possible entre les deux extrêmes signalés ci-avant. Plus R1 est élevée en regard de R2, et plus la tension de sortie est faible par rapport à la tension d'entrée.
| Cde1 | Cde2 | "R1" | "R2" | Out (2) |
| 0 V | 0 V | 10 MO | 10 MO (1) | 4,5 mV |
| 0 V | +5 V | 10 MO | 60 ohms | 6 uV |
| +5 V | 0 V | 60 ohms | 10 MO (1) | 0,99 V |
| +5 V | +5 V | 60 ohms | 60 ohms | 0,5 V |
Nota (1) : il faut tenir compte de l'impédance d'entrée de l'équipement qui fait suite et qui se retrouve en parallèle sur R2. Cette impédance est généralement comprise entre 10 kO et 47 kO et est donc bien plus faible que la valeur de la cellule photorésistive plongée dans l'obscurité.
Nota (2) : la tension de sortie notée pour Out vaut pour une tension d'entrée de 1 V délivrée par une source basse impédance (< 10 ohms) et pour un équipement relié sur R2 qui présente une impédance d'entrée de 10 kO.
Les deux cas qui nous intéressent le plus (atténuation minimale ou maximale) sont obtenus quand les commandes Cde1 et Cde2 sont opposées. Nous ferons donc en sorte qu'on ne puisse pas se trouver dans les cas où les deux optocoupleurs sont simultanéments activés ou désactivés.
Schéma 013a
Version deux entrées / deux sorties, conforme à une application stéréo ou double mono. En fait je voulais dire version de base, ce qui n'a rien à voir.
C'est la façon la plus simple de mettre en pratique les NSL32. La commande est formée d'un inverseur simple (SPDT) nommé SW1 sur le schéma, mais bien sûr elle peut venir de n'importe quel circuit électronique ou électromécanique de votre choix. Seuls deux optocoupleurs sur les quatres peuvent être mis en service à un instant donné, selon position de l'interrupteur SW1. Quand SW1 est en position "haute", les deux optocoupleurs U1 et U3 sont désactivés et les deux optocoupleurs U2 et U4 sont en service. Ce qui correspond à la fonction "bloqué" (le son ne passe plus). Quand SW1 est en position "basse", les deux optocoupleurs U1 et U3 sont activés et les deux optocoupleurs U2 et U4 ne sont plus alimentés, ce qui correspond à la fonction "passant" (le son transite de l'entrée à la sortie avec une atténuation minimale). On pourrait tout à fait remplacer l'inverseur SW1 par des transistors, ce que nous finirons bien par voir un jour ou l'autre. Mais comme on aime bien compliquer les choses, on va au préalable passer au schéma 013b.
Schéma 013b
Même chose que précédement, mais avec une petite différence côté commande. Pour tout dire je n'ai rien inventé, le schéma qui suit est basé sur une note d'application du fabricant Silonex lui-même.
Plutôt que de piloter de façon "individuelle" chaque optocoupleur avec toutes les cathodes reliées à la masse, on adopte ici une autre stratégie. Celle d'attaquer par le centre des LED couplées deux par deux - une étant câblée côté masse et l'autre étant câblée côté +5 V. La présence des diodes zeners D1 à D4 (modèles 2,4 V) peut surprendre. En fait, ces diodes sont inutiles si la commande est réalisée par un interrupteur mécanique. Si tel n'est pas le cas (commande par un AOP ou autre type de circuit présentant des tensions de déchet importantes), on pourrait avoir une faible illumination de l'optocoupleur qui est censé être éteint, et le comportement attendu de l'ensemble ne serait pas entièrement atteint. Les diodes zener permettent de faire reculer le seuil de conduction des LED intégrées aux optocoupleurs, et garantissent leur totale extinction quand ce n'est pas à elles de s'allumer. La (petite) contrainte avec ce montage est que le circuit de commande doit pouvoir délivrer assez de courant pour assurer une illumination correcte des LED contenues dans les optocoupleurs. Et ce aussi bien avec une commande sous + 5V qu'avec une commande sous 0 V. Car pourquoi comment quand dit-on qu'on ne comprend pas ? Voyons ce qui se passe dans les deux cas de figure, et pour ce faire analysons la moitié supérieure du circuit (même principe de fonctionnement pour la moitié inférieure) :
- Commande avec tension de +5 V sur le point commun R1/R2 (par rapport à la masse commande). La tension présente sur R1 va au delà de la somme des tensions de seuil diode zener D2 + LED de U2 et le courant qui circule alors dans la LED de U2 permet son illumination. En revanche, cette même tension est bien trop élevée pour allumer la LED de U1, qui a son anode portée à un potentiel de +2,6 V (tension alim 5 V moins tension zener 2,4 V). Dans ce cas, U1 est désactivé et U2 est activé, atténuation maximale (le son est coupé).
- Commande avec tension de 0 V sur le point commun R1/R2 (par rapport à la masse commande). La tension présente sur R1 va au delà de la somme des tensions de seuil diode zener D1 + LED de U1 et le courant qui circule alors dans la LED de U1 permet son illumination. En revanche, cette même tension est bien trop faible pour allumer la LED de U2, qui a sa cathode portée à un potentiel de +2,4 V (masse 0 V plus tension zener 2,4 V). Dans ce cas, U1 est activé et U2 est désactivé, atténuation mimimale (le son passe).
Schéma 013c
Et voici le dernier (peut être temporaire) de la série.
La commande s'effectue maintenant à partir d'un signal logique de faible intensité (1 mA suffit) et on peut donc utiliser une sortie de porte CMOS pour commander ce petit monde. Des buffers inverseurs contenus dans un circuit TTL de type SN7405 (ou SN7406) sont mis à contribution pour piloter les LED. Ces buffers sont de type collecteur ouvert et peuvent supporter 16 mA par sortie. C'est pourquoi chaque optocoupleur dispose de sa propre porte logique, et cela explique aussi la raison d'être des résistances R5 et R6 qui servent de charge collecteur. Mais commençons par le début. Le signal de commande arrive sur la première porte logique U5:D, dont la sortie est chargée par la résistance R5. A ce stade on dispose d'un premier signal de commande qui attaque simultanément les trois portes U5:B, U5:F et U5:C. U5:B sert à inverser le signal qui de son côté attaque les deux portes U5:A et U5:E. Le fonctionnement est le suivant :
- Si Cde = 0 V, sortie de U5:D à l'état haut (grâce à R5), sortie de U5:B à l'état bas, sortie de U5:A à l'état bloqué (LED U1 éteinte), sortie de U5:F à l'état bas (LED U2 allumée),sortie de U5:E à l'état bloqué (LED U3 éteinte), sortie de U5:C à l'état bas (LED U4 allumée). En conclusion, pas de son en sortie (atténuation maximale).
- Si Cde = +5 V, sortie de U5:D à l'état bas, sortie de U5:B à l'état haut (grâce à R6), sortie de U5:A à l'état bas (LED U1 allumée), sortie de U5:F à l'état bloqué (LED U2 éteinte),sortie de U5:E à l'état bas (LED U3 allumée), sortie de U5:C à l'état bloqué (LED U4 éteinte). En conclusion, le son passe (atténuation minimale).
Modification des temps de montée et de descente
Le type de commutation adopté ici est du tout ou rien, même si la mise à l'état On ou Off demande un peu de temps (temps de réaction et de récupération de la cellule photorésistive). Pour contrôler de façon précise les temps de montée et de descente (application pour compresseur audio ou fader automatique par exemple), il faut faire circuler un courant dans la LED de l'optocoupleur qui suit la courbe d'évolution désirée. Je n'ai pas de schéma à proposer ici pour cette application précise, mais imaginez simplement ce que l'on peut faire avec un simple convertisseur tension/courant et un condensateur qui se charge ou se décharge... la charge et la décharge du condensateur pouvant s'effectuer de façon indépendante via deux potentiomètres, chacun en série avec une diode de commutation classique (type 1N4148), les deux diodes étant montées en sens opposé. Ceci étant, et avant d'imaginer une méthode de commande classique ou révolutionnaire, il est peut-être bon de vérifier quelques points, notament celui des temps de commutation avec une commande directe et rapide. D'où le proto qui suit.Prototype
Réalisé pour le schéma 013c (commande logique) sur plaque sans soudure avec un générateur BF comme source audio et un oscilloscope numérique pour évaluer les temps de commutation réels.
Remarque : pour ce prototype, j'ai remplacé le circuit intégré TTL SN7405 par un SN7406 qui peut délivrer plus de courant, mais j'ai gardé le même courant de LED (15 mA). Pourquoi ? Parce que je n'ai pas retrouvé mon SN7405 (j'ai des SN74LS05 mais ces derniers ne peuvent pas débiter un courant supérieur à 2,5 mA).
Le circuit audio est donc câblé en diviseur de tension avec deux optocoupleurs NSL32 (montage série/shunt), un seul des deux optos étant actif à un instant donné. La commande est effectuée de façon automatique avec un oscillateur à base de CD4093 oscillant à 2 Hz environ. Les mesures ont été réalisées avec des signaux audio de 100 Hz, 1 kHz et 10 kHz, amplitude 500 mVcàc et 1 Vcàc. L'oscilloscope numérique était utilisé ainsi :
- voie A : signal logique d'activation du premier optocoupleur pour déclanchement de la capture sur l'oscillo (trigger);
- voie B : signal audio en sortie (en parallèle sur le deuxième optocoupleur).
Voilà ce que cela donne en activation et désactivation pour des signaux BF de 1 kHz / 1 Vcàc. Comme j'obtiens les mêmes résultats à 100 Hz et à 10 kHz, je me contente de montrer les courbes à 1 kHz. La courbe bleue représente la commande et la courbe rouge le signal audio en sortie du pont.
Les temps de montée et de descente peuvent paraître anormalement long par rapport à ce qu'indique Silonex dans sa feuille de caractéristiques. En effet, on mesure ici des valeurs proches de 20 ms, qu'on ne peut s'empêcher de comparer aux 3 ms annoncées pour un câblage en mode série/parallèle (series/shunt), qui est justement celui adopté ici :
Et c'est là qu'on prend toute la valeur des chiffres annoncés par un constructeur. Faisons un instant l'analogie avec un circuit intégré logique dont les temps de transition bas-haut et haut-bas ne sont pas spécifiés pour des valeurs de 0% et 100% de la tension d'alimentation mais pour des valeurs de 10% et 90%. Si on diminue la valeur de l'intervalle de l'axe vertical (différence entre min et max), on diminue simultanément la valeur de l'axe horizontal (le temps). On peut donc s'interroger sur ces fameuses 3 ms de temps de réaction annoncées par Silonex... pour quelles valeurs d'amplitude (en montée ou atténuation) ce temps de réponse est-il défini ? Cette réponse est donnée dans un autre document du fabricant :
Ainsi, le temps de montée est défini par la différence de niveau entre 0% et 68% de la valeur max, et le temps de descente est défini par la différence de niveau entre 100% et 37% de la valeur max. D'un point de vue pratique, cela signifie que pour le temps de montée, il faut atteindre une amplitude de 680 mV pour une source de 1000 mV, et que pour le temps de descente il faut passer sous la barre de 370 mV si notre source est de 1000 mV (ces chiffres de 68% et 37% s'appliquent à la conductance de la LDR contenue dans l'optocoupleur, mais on peut raisonner en linéaire pour un pont diviseur dont un seul élément varie). Si je reprend les copies d'écran que j'ai réalisées, je constate que le temps de descente, si on s'attache aux 37% du fabricant, est bien de 2 ms ou 3 ms. Promesse tenue donc. Mais malheureusement, il faut bien plus de temps pour que la chute continue, car elle n'est pas du tout linéaire ! En terme d'audio, une chute de 63% correspond à une atténuation de 10 dB environ (6 dB pour 50%, 12 dB pour 75%). Il est donc clair que la notion de "temps Toff = 3 ms" doit être prise avec des pincettes ! Dans les faits, il faut au moins 30 ms pour obtenir une atténuation "efficace" et plusieurs secondes pour que la LDR éclairée retrouve l'état "haute impédance" qu'elle a quand elle n'est pas éclairée. Eh oui, la LDR de par son inertie permet un passage en douceur de l'état On à l'état Off, mais cette inertie n'est pas tout-à-fait compatible avec une attaque rapide... Le côté symétrique des temps d'ouverture et de fermeture du montage série/parallèle est lié au fait que les deux optocoupleurs présentent le même "défaut" du temps plus long à l'extinction. Quand c'est le premier opto qui s'éteint et le second qui s'allume (position audio off), la résistance du second descend rapidement mais celle du premier tarde à réagir et le pont diviseur divise de plus en plus mais sur le "long terme". A l'opposé, quand c'est le second opto qui s'éteint et le premier qui s'allume (position audio on), la résistance du premier descend rapidement mais celle du second tarde à réagir et le pont diviseur divise de moins en moins sur le même "long terme".
Une solution pour raccourcir ces temps de commutation ?
On sait qu'un transistor MOSFET est plus réactif qu'une LDR, mais si on a choisi une LDR dans un optocoupleur, c'est qu'on avait de bonnes (?) raisons. Je me suis demandé s'il n'y avait pas moyen de jouer avec un transistor MOSFET câblé en parallèle sur la seconde LDR, pour "combiner" les genres. Après tout, rien ne nous interdit de mettre plusieurs résistances en parallèle dans un pont diviseur. J'ai donc essayé avec un BS170 commandé en même temps que le second opto (Gate reliée à la sortie de la porte U5:B, Source à la masse et Drain au point commun des deux optos). Voici ce que cela donne.
Evidement, comme le FET est bien plus réactif que l'optocoupleur, l'atténuation est quasi-immédiate. Ce système présente cependant l'inconvénient de casser l'isolation galvanique qu'on avait entre la commande et le chemin du signal audio (la Source du FET doit être commune aux deux masses), et j'imagine que la distorsion audio est un poil plus importante (je doute qu'elle soit à ce point catastrophique - à écouter avec de la vraie musique). Malgré ces petits inconvénients supplémentaires, j'y vois tout de même comme un soupçon de piste d'expérimentations. Pas vous ?
Circuit imprimé
Réalisé en simple face pour les schémas 013b et 013c.
Typons aux format PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
Historique
06/04/2014- Ajout photos prototype et relevés de mesures.
12/05/2013
- Première mise à disposition.