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Dernière mise à jour : 06/05/2012Présentation
La présente réalisation a été conçue pour constituer un éclairage d'appoint pour appareil photo ou pour caméscope. Dans mon cas, pour plusieurs caméscopes en prise de vue multi-caméras.
Avec LED blanches et non bleues bien sûr...
Elle a été conçue avec les besoins suivants :
- Longue durée de vie, au moins 20000 heures (pas difficile avec des LED bien pilotées).
- Alimentation piles (5 x 1,5 V), batterie "standard camescope" (7,2 V) ou secteur.
- Réglage du taux de luminosité de 5% à 100%.
- Température de couleur comprise entre 5500K et 5700K, identique quelque que soit le taux de luminosité choisi (possible grâce à une commande PWM).
- Fréquence de fonctionnement ajustable pour éviter les défauts visuels de "lignes noires" ou "effet stroboscopique" apparaissant sous certaines conditions d'utilisation en mode vidéo (souvent reproché au YONGNUO 160 avec certains types de caméras - surtout les modèles avec capteur CMOS, défaut moindre avec celles équipées de capteur CCD), ou les défauts sonores de type "battements" qu'on peut parfois observer si un microphone est positionné juste à côté du système (constaté - pas par moi - avec un Rode). En réalité on peut adopter une fréquence de fonctionnement fixe qui donne de bons résultats sous toutes conditions, mais je trouve intéressant de pouvoir mettre en évidence ce genre de défauts et de pouvoir volontairement "descendre la qualité du produit" à des fins pédagogiques.
- Entrée / sortie de synchronisation permettant d'alimenter plusieurs panneaux de LED avec un seul module de commande. Cette caractéristique évite les problèmes de "croisement" de découpage d'alimentation des LED de panneaux alimentés de façon indépendante, pouvant eux aussi en mode vidéo conduire à des problèmes visuels de barres noires ou effets stroboscopiques. Ce mode de synchro n'empêche pas chaque panneau de LED de bénéficier d'un taux de luminosité variable individuel, il ne s'agit pas d'un simple déport de commande de puissance.
Avertissements
- Ce projet a fait l'objet d'un dépôt de paternité auprès de l'INPI (Institut National de la Propriété Industrielle) sous le numéro 424252.
- Je ne suis pas un professionnel de l'image, mais j'aime ce qui fonctionne bien et donne de bons résultats visuels et sonores. Cet éclairage a été (sera) testé en conditions "amateur" et ne prétend pas pouvoir résoudre tous cas professionnel difficile.
- En le faisant vous-même, vous n'êtes pas sûr d'économiser beaucoup, car on peut en acheter un de même type tout fait dans le commerce. On trouve en effet sur le Net des HDV-Z96 ou CN-160 à 60 euros, voire moins.
- Le circuit de commande fonctionne tel quel mais il n'est pas impossible que je le modifie en fonction des résultats obtenus.
Choix des LED
Avant d'aborder la partie électronique, voyons d'abord ce qui se fait côté LED. Il faut reconnaître que le choix est vaste, il en existe des milliers de références ! Bien entendu, toutes ne sont pas adaptées à l'usage que l'on veut en faire ici, mais même en faisant un pré-tri on peut se trouver un peu perdu devant les quelques dizaines de références qui en ressortent. Les critères de choix que je me suis fixé sont les suivants :- couleur blanche (heu... oui) froide ou neutre, sachant que la température de couleur n'est pas toujours indiquée dans les documents constructeur;
- composant traversant (pas de CMS), je voulais pouvoir assembler le tout sur une plaque d'expérimentation;
- éclairement minimal de 4000 mcd par LED;
- angle de rayonnement de 45° minimum, préférence pour 55° ou 60°;
- consommation maximale de 20 mA par LED (valeur fixée par le maxima désiré de 1,6 A pour 80 branches);
- prix maximum de 0,50 euro TTC par LED.
- LED de marque CREE, modèle C513A-WSN-CV0Y0151, blanc froid / 4000 mcd / 60° / 3,2 V / 20 mA / 45 euros TTC les 100 chez Farnell.
- LED de marque CREE, modèle C513A-WSN-CV0Y0151, blanc froid / 5000 mcd / 55° / 3,2 V / 20 mA / 17 euros TTC les 100 chez Digikey.
- LED de marque VCC, modèle VAOL-5LWY4, blanc pur / 4000 mcd / 60° / 3,5 V / 20 mA / 26 euros TTC les 100 chez Mouser.
Amusant de constater ces écarts de caractéristiques techniques et de prix entre deux revendeurs pour la même référence fabricant (CREE C513A-WSN-CV0Y0151)... Lequel a raison ? Seule façon de le savoir, consulter la doc fabricant. La dernière référence me plait bien aussi mais demande une tension nominale de 3,5 V, ce qui est un poil gênant si l'alim est de 7,2 V (point vu plus loin).
23/09/2011 : j'ai finalement décidé d'essayer un lot de 100 LED 14000 mcd / 20 mA proposé sur Internet (Réf. SKU1108 chez DealExtreme) pour 8 euros... frais de port compris.
Certes, une inconnue concernant la température de couleur, mais je me suis dit que vue le prix je ne perdrais pas grand chose à essayer, sachant que même si ces LED ne conviennent pas pour un éclairage vidéo, elles trouveront bien une autre utilité dans mes petites affaires. Reçues avec un module d'éclairage à LED dont je parlerais plus longuement sur ma page Eclairage à LED 009.
Schéma
Le schéma est présenté ici en deux sous-ensembles, la partie commande et la partie affichage LED.
Section commande avec microcontrôleur 16F88
Section affichage à LED (toutes les LED ne sont pas représentées)
Principe de fonctionnement général
Le principe de fonctionnement est simple, il singe celui du gradateur de lumière 012d. Et oui, il s'agit d'un simple gradateur de lumière basé sur le fonctionnement du PWM. Comparé au gradateur de lumière 012, la plage de fréquence (étendue min - max) et le nombre de pas (fréquences différentes) qu'on peut choisir est simplement différente.Fréquence du signal PWM
Le PIC 16F88 utilisé ici dispose de suffisament de lignes d'E/S libres pour en utiliser quelques-unes pour la programmation de la fréquence par l'utilisateur. C'est ainsi que les lignes RB4 à RB7 définissent un mot binaire qui est "traduit" en une valeur de fréquence PWM bien précise, selon table suivante.| Fréq. PWM | RB7 | RB6 | RB5 | RB4 |
| 1 kHz | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 kHz | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 3 kHz | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 kHz | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 5 kHz | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 6 kHz | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 7 kHz | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 8 kHz | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 9 kHz | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 10 kHz | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 15 kHz | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 20 kHz | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 25 kHz | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 30 kHz | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 35 kHz | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 40 kHz | 1 | 1 | 1 | 1 |
Les lignes RB4 à RB7 disposent de "résistances pullup" intégrées qui sont activées, c'est à dire qu'elles sont à l'état logique haut si on ne les raccorde à rien et à l'état logique bas si on les raccorde à la masse. Pour exploiter ces lignes, vous devez y connecter des interrupteurs, cavaliers, ponts de soudure ou roue codeuse (hexadécimale de préférence) qui font jonction (point commun) avec la masse. Si les lignes RB4 à RB7 restent toutes en l'air (connectées à rien), alors le signal PWM est généré à la fréquence de 40 kHz.
Commande
Le coeur du montage repose sur le PIC 16F88 dont on exploite le CAN (Convertisseur Analogique Numérique) et le module CCP/PWM (Pulse Width Modulation). Le rapport cyclique du signal périodique délivré sur la broche 6 (RB0/CCP1) du PIC dépend de la tension appliquée sur la broche 17 (RA0/AN0). Si la tension est nulle ou très proche de 0 V, le rapport cyclique est de 5% (et non de 0% pour avoir toujours un minimum de lumière) et si la tension est de 2,5 V, alors le rapport cyclique est de 100% pour un taux d'éclairement maximum. La sortie délivrant le signal PWM ne peut débiter que 25 mA au maximum, c'est pourquoi deux transistors ont été ajoutés. Si on fait le calcul du courant total circulant dans l'ensemble des LED et en admettant que ces dernières demandent 25 mA et qu'il y en a 2 * 80 (160), on trouve une valeur de 2 A. Les transistors choisis ici (BC517) supportent chacun un courant max continu de 1 A, on est donc limite. C'est pourquoi pour ma part j'ai choisi de câbler 120 LED (2 * 60) fonctionnant sous 20 mA, pour un courant total de 1,2 A (600 mA dans chaque transistor). Après tout, vous pouvez très bien préférer mettre deux fois plus de LED mais sous un courant moindre pour disposer d'un flux lumineux plus étalé dans l'espace. Attention dans ce cas au changement de température de couleur, cela nécessitera des tests...Entrée / sortie de synchronisation
Non implémenté pour le moment, ni sur le schéma ni au niveau logiciel PIC.Deux solutions possibles au moins :
- horloge de base externe au PIC qui (oscillateur local 8 MHz, 10 MHz ou 12 MHz) qui peut être utilisé par les autres PIC (autres modules d'affichage). Là je sais que c'est tout à fait possible mais cela demande des précautions au niveau des câblages : câble coaxial de type vidéo 75 ohms et terminaison 75 ohms à prévoir (comme pour le Word Clock).
- points de synchronisation à plus basse fréquence via interruptions déclanchées par un module d'affichage déclaré comme maître. Là je ne suis pas encore assez sûr de moi.
Affichage LED
Le gros paquet de LEDs est scindé en plusieurs branches de deux LED. Cette façon de faire est imposée par la tension nominale des LED et par la tension d'alimentation générale. Les LED que j'ai choisies sont des modèles 3,2 V / 20 mA. Pour chaque sous-branche de deux LED, il faut donc une résistance de :Rled = 7,2 (V) - 6,4 (V) / 0,02 (A) = 40 ohms (valeur normalisée la plus proche = 39 ohms)
Dans ce cas pourquoi donc ai-je mis des 33 ohms et non des 39 ohms ? Hum... chute de tension dans les transistors, peut-être ?
Le choix de LED dont la tension de service est de 3,5 V est un poil problématique ici car en mettre deux en série conduit à une tension nécessaire de 7,0 V, ça ne laisse pas beaucoup de marge avec nos petits transistors de commande. Ce problème n'en est pas un si l'alimentation provient de piles 1,5 V ou du secteur. Pour ce qui est de la quantité globale de LED, point d'obligation d'en mettre le maximum pour frimer ! Le flux lumineux des LED haute luminosité que l'on trouve désormais est tel que 80 LED ou 120 LED peuvent très bien vous suffire. Tout va dépendre ensuite des conditions d'utilisation et notemment de la distance entre sujet et projecteur et de la présence ou non de panneaux déflécteurs sur la source de lumière.
Prototype
Réalisé selon CI simple face proposé plus loin. La fixation des deux circuits entre eux se fait grâce à des entretoises dont les dimensions sont choisies pour faire au plus court en tenant compte de la taille des composants utilisés.
Plutôt que de souder toutes les LED en une étape et de contrôler l'enseomble ensuite, j'ai procédé à des tests systématique à chaque nouveau groupe de quatre LED, afin de pouvoir changer plus facilement tout élement défectueux. J'ai eu de la chance, toutes les LED soudées se sont révélées OK.
Pas facile pour le moment et en si peu de tests de se rendre compte du flux lumineux fourni, mais j'ai tout de même bien l'impression qu'il est un peu trop concentré (angle trop étroit). Je confirmerai avec sujet "sérieux" éclairé. Mais avant de poursuivre les tests, il faut peut-être finir le montage.
Montage terminé le 08/04/2012. Les photos qui suivent montrent le montage en action avec une fréquence de 40 kHz (lignes RB4 à RB7 laissées en l'air et donc à l'état logique haut).
Premier constat : deux LED ne s'allument pas, alors que toutes s'allumaient bien à la fin de l'assemblage du panneau lumineux. Je n'ai pas encore vérifié s'il s'agit d'un simple problème de contacts ou si les LED ont rendu l'âme. Deuxième constat : le faisceau lumineux est bien trop étroit pour ce que je voulais en faire, c'est bien ce que je craignais. Ce montage ne servira donc pas pour l'usage premier que je lui réservais.
Comparaison avec un éclairage du commerce CN-126
Comme je dispose de deux CN-126, j'en ai profité pour comparer les fabrications.
Chose que j'aurais peut-être pu faire avant, mais bon, quand j'ai commencé cet éclairage, je ne les avais pas sous la main. Le CN-126 est composé de 126 LED qui éclairent autant que celles que j'ai utilisées (c'est en tout cas l'impression que j'ai, mon oeil peut me tromper).
Les différences majeures résident dans l'espacement plus grand entre les LED et la présence d'un réflecteur (loin d'être plat dit en passant) sous les LED pour le CN126. Je pense qu'avec un nombre plus élevé de LED, avec un espacement plus grand entre elles et la pose d'un réflecteur, mon système aurait été plus "compétitif". Un nouveau dessin de circuit imprimé semble s'imposer. Ca, je m'en sens capable. Mais refaire une nouvelle version complète... je ne sais pas ;-)
Tests avec caméscope
Je comptais tester cet éclairage d'appoint avec mon caméscope Sony NEX-VG20, mais du coup je ne sais pas si ça vaut vraiemnt le coup. Ou à la rigueur si ce n'est pour vérifier l'absence de lignes noires ou autre défaut du genre. Si je poursuis ces tests, ils consisteront à définir les meilleurs réglages possibles pour un fonctionnement correct quelques soient les réglages du camescope. Pour cela ils seront réalisés dans une pièce sombre, sans autre éclairage que celui du présent éclairage à LED 008. Les réglages du caméscope seront bien entendu positionnés en mode manuel de telle sorte que les tests puissent être effectués à différentes vitesses d'obturation.Logiciel du PIC
Fichiers de code source MikroPascal et fichier binaire compilé (*.hex) prêt à flasher dans le PIC, dans l'archive zip que voici :Eclairage LED 008 - 16F88 (version du 08/04/2012)
Si vous souhaitez recevoir par la poste un PIC préprogrammé et prêt à utiliser, merci de consulter la page PIC - Sources.
Circuit imprimé
Réalisé en simple face.
Typon du 27/11/2011
Typon aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi
Historique
06/05/2012- Comparaisons avec CN126.
08/04/2012
- Première mise à disposition.