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Electronique > Réalisations > Jeux de lumière > Modulateur de lumière 003

Dernière mise à jour : 12/02/2023

Présentation

Le montage présenté ici est basé sur l'emploi de transistors et de triacs et permet de faire varier l'intensité lumineuse de lampes à incandescence ou de lampes LED modèle 230V alternatif, en fonction de l'intensité d'une source sonore.

   
   
   

Ce modulateur est de type trois voies. Trois filtres sont utilisés pour séparer les graves, les mediums et les aigus, un réglage général et un réglage individuel pour chaque voie sont prévus. Le modulateur est équipé d'un microphone qui le rend totalement autonome et évite de le relier à la sortie HP d'un amplificateur BF comme cela est nécessaire avec un modulateur doté d'un transformateur BF d'isolement, tel que celui présenté à la page Modulateur de lumière 001.

   

Avertissements

Ce montage est directement relié sur le secteur 230 V, vous devez le monter dans un coffret plastique. Ce n'est pas parce que l'on a ici un modulateur de lumière avec microphone incorporé que l'on peut tout se permettre. L'utilisation de potentiomètres avec axe métallique est interdit, vous devez impérativement utiliser des potentiomètres avec axe en plastique. Ne travaillez jamais sur le montage et ne touchez pas aux composants quand le circuit est sous tension ! Le microphone ne doit pas pouvoir être touché de l'extérieur du boitier, car sa broche de masse est connectée à une borne du secteur 230 V (comme l'est la masse générale du montage). A lire avant de commencer la fabrication.

Cet appareil a été initialement conçu pour fonctionner avec des lampes à incandescence (lampes à filament de tungstène). L'utilisation de lampes à LED peut conduire à un fonctionnement incertain. Si vous choisissez des lampes à LED, elles doivent impérativement être de type "compatible dimmer" ou "dimmables" (dimmer = gradateur/variateur de lumière). En outre, les triacs utilisés ici en commutateurs doivent être de type "sensibles" et posséder un courant de maintien inférieur à celui des triacs standards. Les lampes à LED sont en effet "moins puissantes" et le courant qu'elles consomment peut être insuffisant pour maintenir un triac amorcé. Même en respectant ces points (lampes à LED dimmables et triacs sensibles), le bon fonctionnement du modulateur ne peut pas être garanti, surtout avec des lampes LED "1er prix". Ceci dit, les tests que j'ai menés ont abouti à un fonctionnement parfait avec mes lampes LED dimmables... et même avec une lampe LED non dimmable ! Tout espoir n'est donc pas perdu ;)

   

Schéma

Il existe de multiples possibilités pour réaliser un modulateur de lumière avec un microphone, mais dans tous les cas il faut avoir recours à un amplificateur pour relever le faible niveau du signal capté et pouvoir ensuite commander les triacs en passant par des filtres. L'amplificateur pour microphone (appelez ça un préamplificateur si vous le souhaitez) peut être réalisé avec des transistors ou avec un amplificateur opérationnel (AOP). Le schéma retenu à la base est basé sur l'emploi de transistors, même s'il est communement admis  - parfois à tort - qu'un AOP permet de simplifier le montage.

 

   
Remarque : le schéma ci-devant est celui de janvier 2023, à comparer à l'ancien schéma de 2011.

Cette réalisation peut sembler complexe à première vue, mais cette impression s'estompe dès que vous remarquez qu'elle est constituée de plusieurs sous-ensembles :

• amplificateur pour microphone en haut à gauche (que l'on reconnait grâce au composant marqué Micro)
• alimentation en bas à gauche (que l'on reconnait grâce au transformateur TR1)
• filtrage et commandes de triac (que l'on reconnait grâce aux lampes L1 à L3) alignés verticalement sur la droite.

   

Alimentation secteur

L'alimentation secteur est confiée à un petit transformateur de faible puissance et de petites dimensions (3,2 VA suffisent), suivi d'un pont de diodes BR1 pour le redressement (tout autre pont de diodes 1 A d'au moins 400 V conviendra très bien), d'un condensateur C15 de 1000 uF pour le filtrage principal, et d'un régulateur de tension U4 de type 7824 pour stabiliser la tension d'alimentation générale à +24 V. On aurait aussi pû faire usage d'une alimentation sans transformateur, mais l'échauffement qui en aurait résulté n'aurait pas forcement été un gage de fiabilité, à moins de prévoir une aération très conséquente. Le 24 V ainsi créé au point +V1 est utilisé pour l'alimentation des trois commandes de triac, alors que l'alimentation de l'amplificateur pour microphone, +V2, passe par une cellule de découplage supplémentaire pour assurer une bonne séparation entre circuit d'amplification et circuit de commande. La tension +V3 ne sera utilisée que s'il est fait usage d'un microphone de type electret (explication ci-après).

Amplificateur pour microphone

Le microphone peut être de type dynamique (à bobine mobile) ou électret. S'il s'agit d'un micro dynamique, ne mettez pas en place les composants R1, R2, RV5 et C1. S'il s'agit d'un micro de type electret, mettez ces composants en place. Ceux-ci ne servent en effet qu'à alimenter en tension continue (à polariser) le microphone électret (alimentation +V3), qui en a besoin pour pouvoir fonctionner (voir page Alimentation microphone electret pour plus de détails). Un microphone dynamique n'a quant à lui pas besoin d'alimentation pour fonctionner.

La section amplification est constituée de deux étages, chaque étage étant de conception identique et composé d'un seul transistor facile à trouver. Si vous y regardez de près, vous devriez surement trouver une ressemblance avec le préamplificateur microphone 001. Le gain global de cet amplificateur à deux étages est de l'ordre de 60 dB (x1000), ce qui est suffisant pour garantir un allumage des lampes même avec une source sonore pas trop forte. Notez que le gain des deux étages d'amplification est fixe (non réglable par l'utilisateur) mais qu'un potentiomètre placé entre les deux permet de régler la sensibilité globale du montage, en prélevant sur son curseur une fraction plus ou moins importante du signal amplifié par le premier étage. 

Remarques : 

• le 10/04/2011, un nouvel étage amplificateur micro à base d'AOP a été proposé pour permettre un meilleur fonctionnement avec des micros electret peu sensibles (cas de la grande majorité des microphones vendus à très bas prix).
• avec le schéma proposé début 2023, la sensisiblité du préamplificateur micro avec transistors est très nettement améliorée, la version avec AOP peut être reléguée aux oubliettes.

   

Commande des triacs

Les triacs de chaque voie sont commandés par le signal amplifié provenant du microphone, qui passe par un filtre composé de résistances et condensateurs pour limiter le signal de commande aux fréquences adéquates. Ainsi, le triac U1 ne réagit qu'aux fréquences basses, le triac U2 uniquement aux fréquences médium et le triac U3 aux fréquences élevées.

   

 

La réponse en fréquence de chaque filtre est assez grossière, nous n'avons pas besoin ici d'une grande précision. A titre d'information, les courbes de réponse de chaque filtre suivent à peu près les formes montrés dans les graphes qui précèdent. On notera que le filtrage est très sommaire (pente peu accentuée), du fait de l'utilisation de filtres passifs simplifiés à l'extrême. De manière tout à fait normale, le canal des aigus réagit moins que les deux autres, sauf pour des musiques très compressées et emplies de sons synthétiques...

Les transistors Q3 à Q5 n'apportent aucune amplification. Montés en suiveur de tension (câblage en collecteur commun), ils jouent trois rôles :
- ne pas trop charger l'étage amplificateur pour microphone (qui l'est déjà assez avec les trois potentiomètres RV2 à RV4 de 10k ou 22k)
- utiliser les filtres passifs dans les meilleurs conditions possibles (basse impédance en entrée)
- assurer une bonne séparation entre les filtres (moins d'interaction entre les réglages).

La plage de fréquence des filtres peut être ajustée au besoin en modifiant la valeur des composants situés entre le transistor et le triac. C'est ce que j'ai (un peu) fait dans le schéma de 2023, de façon empirique (sans calcul). Je n'ai pas testé ces modification sur mon ancienne maquette, mais l'ai fait sur la dernière en date.

   

Choix des triacs

Il existe une multitude de triacs, des petits, des gros, des très sensibles et des très "puissants". Ceux que j'ai utilisés sont de la vieille école, possible qu'on ait un peu de mal à les trouver de nos jours. Le modèle TIC226D est un modèle très répendu qui permet de commuter 8 A sous une tension pouvant atteindre 400 V, et il présente une sensibilité suffisante pour cette application. Vous pourrez néanmoins opter pour un autre type de triac si le coeur vous en dit, surtout s'il vous en reste un dans un fond de tiroir qui ne demande qu'à être utilisé. Le TIC206D permet de ne commuter "que" 4 A (800 W tout de même), mais présente une meilleur sensibilité au déclenchement que celle offerte par le TIC226D. Rien que pour ça, je vous conseillerais presque le TIC206D... si vous parvenez encore à en trouver.

Dans tous les cas, prévoyez un petit dissipateur thermique (radiateur) si vous comptez utiliser des lampes (ou groupes de lampes) dépassant la centaine de watts. Jusqu'à 100 W par voie (ce sera sans doute le cas si vous utilisez des lampes LED), il n'est pas nécessaire d'installer un dissipateur thermique sur les triacs. 

Pour le pilotage de lampes LED, voir résumé des essais indiqué plus loin.

   

Câblage des triacs

Attention au câblage des triacs. Si une inversion des deux électrodes A1 et A2 n'est pas trop grave (ça ne fonctionne pas ou très mal), inverser la gachette (G) avec A1 ou A2 est fatal pour le composant.



Attention, les brochages indiqués ci-devant sont valables pour les triacs que j'ai testés. Pour d'autres références, consulter leur datasheet.

   

Prototypes

Ne me rappelant absolument pas ce qu'est devenue ma toute première réalisation (je l'ai probablement donnée), j'ai décidé de refaire un nouveau prototype sur plaque d'expérimentation à pastilles (2011), avant de retenter 12 ans plus tard une version sur PCB pro (2023).

Prototype #1 (2011)

 

La partie alimentation a été incluse sur le CI, y compris le transfo d'alim 230 V / 24 V. La LED témoin de mise sous tension est également installée sur le CI, juste en sortie du régulateur de tension LM7824. J'ai monté deux résistances en série avec la LED pour améliorer la dissipation thermique. Ce n'est pas nécessaire quand la tension d'alim est de 9 V ou de 12 V, mais avec 24 V la dissipation de puissance commence à se sentir (22 V à chuter avec 20 mA conduisent à une puissance perdue en chaleur de P = U * I = 22 * 0,020 = 440 mW).

 

Les trois filtres BF de fortune font leur boulot avec un poil de pertes, raison pour laquelle le signal fourni par les transistors Q3 à Q5 doit avoir une bonne amplitude. La sensibilité générale dépend beaucoup du microphone electet utilisé. Avec les derniers que j'ai achetés (moins de 1 euro TTC pièce chez Farnel), c'est assez médiocre, la musique doit être montée très forte pour que les lampes s'allument un peu. Avec un vieux microphone récupéré sur un vieux magnéto K7, c'est nettement plus sensible même si ça ne donne toujours rien avec un volume très faible (normal, car ce modulateur n'a pas été conçu pour travailler avec de la musique à faible volume). Sur la deuxième photo qui suit, vous noterez la présence d'un potentiomètre ajustable (47 kO) à droite du microphone electret. Je l'ai câblé en série avec la résistance de polarisation R2 de 4,7 kO pour pouvoir diminuer la tension aux bornes du microphone. En effet, selon le modèle de microphone, une tension de polarisation trop élevée ne convient pas toujours...

 

Si mon proto a fonctionné du premier coup ? En partie. La lampe de la voie grave ne s'allumait pas du tout et j'ai mis un bon moment pour localiser le problème. Laissez-moi vous raconter. Premier réflexe, (re)vérification du câblage, tout me semble OK. Je sors mon multimètre que je place en mode ohmmètre et je compare entre eux les différents circuits de commande (circuit hors tension bien sûr), après le préampli micro que je ne met pas en cause puisque deux voies fonctionnent sur les trois. D'un point de vue "continuité", les trois voies montrent les mêmes valeurs en différents points du circuit, et je suspecte soit le transistor soit le triac de la voie défectueuse. J'échange le transistor de la voie grave avec celui d'une des deux autres voies... et le problème reste le même. Donc transistor OK. Je remplace le triac en place par un neuf, même problème. Diable, là quelque chose m'échappe ! Montage sous tension, je court-circuite (prudement) les deux broches A1 et A2 du triac... la lampe ne s'allume pas ! Bingo, le problème est dans la liaison électrique entre le triac et la lampe, dans la prise femelle 230 V proprement dite : J'avais serré trop fort la vis d'une des deux broches de la fiche secteur et le fil était sectionné (il faut le faire, tout de même). Après correction, tout fonctionnait correctement. J'adore ce genre de truc...

Prototype #2 (janvier 2023)

Réalisé selon implantation proche de celle montrée plus loin au § Circuit imprimé.

Un essai préliminaire a été réalisé avec des lampes à incandescence (à filament) afin de vérifier le bon fonctionnement du modulateur. Point besoin de 230 V pour cela, je me suis contenté d'une tension de 24 V et de deux ampoules 12 V branchées en série. 

 
     
La musique joue et les lumières clignotent en rythme... c'est cool !
   

Essais positifs après avoir essayé plusieurs microphones electret, mais je me suis rendu compte que la grande sensibilité que j'espérais n'était pas au rendez-vous. Et pour cause, la tension de polarisation du microphone electret était trop élevée (7,5 V). J'ai pour cette raison ajouté le potentiomètre ajustable RV5 de 47k en série avec la résistance R2 de 4k7. Curieusement, j'avais fait exactement la même chose avec mon prototype de 2011...

   

    

 

La sensibilité s'est révélée maximale pour une tension de polarisation de 2,4 V (résistance totale R2+RV5 comprise entre 22k et 30k). Comme la tension idéale dépend du microphone electret utilisé, j'ai décidé d'implanter la résistance ajustable RV5 sur le circuit imprimé. 

Après cette mise en bouche des plus onctueuses, j'ai vérifié le bon fonctionnement du modulateur avec le secteur 230 V et des lampes 230 V à filament et à LED (toujours avec une grande appréhension au moment de mettre sous tension - c'est naturel). Mes essais ont été réalisés avec plusieurs modèles de triacs (BTxxx, SCxxx, TICxxx), 3 lampes à filament de puissance différente (18 W, 28 W et 42 W), 3 lampes LED dimmables de puissance différente (3,4 W, 5,9 W et 7,2 W) et 3 lampes LED non dimmables de puissance différente (1,8 W, 4,9 W et 8 W). 

   

   
Triacs en boîtier TO220 et TO92 

   

   
   

Fonctionnement très satisfaisant avec mes trois lampes LED dimmables qui s'illuminent faiblement ou fortement selon l'intensité de la source sonore captée par le microphone (pas d'effet de flash incontrôlé ni de clignotement disgracieux).

   

        

   

Pour les lampes LED non dimmables, résultats très aléatoires et généralement décevants. Sauf pour une des trois testées (lampe LED 1,8 W visible sur les photos ci-après) qui fonctionnait bien avec les petits triacs 1 A en boîtier TO92 !

   

   

Le résultat des tests est visible dans le tableau récapitulatif suivant. Difficile d'en tirer des conclusions "fermes et sans appel" ! Même si bien sûr on ne peut que conseiller d'utiliser des lampes LED dimmables pour davantage de chances de réussite, vous pourrez noter que certaines lampes LED non dimmables peuvent convenir pour le canal des basses. En bref, pas mal de choses à tester !

   

	Triac BT137X	Triac BTA06	Triac SC141D	Triac SC146M	Triac TIC201D	Triac TIC226D	Triac Q6016	Triac Z0103	Triac Z0107
Lampe filament 16 W
Lampe filament 28 W
Lampe filament 42 W
Lampe LED dim. 3,4 W (eq. 40 W)
Lampe LED dim. 5,9 W (eq. 60 W)
Lampe LED dim. 7,2 W (eq. 75 W)
Lampe LED non dim. 1,8 W
Lampe LED non dim. 4,9 W
Lampe LED non dim. 8 W

 
 : la lampe clignote parfaitement au rythme de la musique
: la lampe clignote de façon erratique ou ne s'allume pas du tout
: la lampe s'allume relativement bien "en rythme", mais uniquement pour la voie "graves" (flashes bien séparés)
   

Remarques

• Le choix de lampes à filament de faible puissance pour les tests permet de mettre en évidence les "faiblesses" de certains triacs.
• A ma grande surprise, même la lampe LED dimmable de 3,4 W a correctement fonctionné avec tous les triacs testés.
• Curieusement, la LED non dimmable de 1,8 W (premier prix) fonctionne très bien avec les deux triacs en boîtier TO92.
• Les triacs BT137X et SC146M que j'ai essayés m'ont semblé plus sensibles que les autres triacs anciens testés, mais je n'ai pas fait des tests rigoureux pour m'en assurer "scientifiquement".
• Les triacs Q6016 (TO220) et les Z0103 ou Z0107 (TO92) sont récents, on les trouve facilement et ils donnent ici d'excellents résultats (sensibilité nettement supérieure à celle des triacs plus anciens).
• Une différence de rendu visuel de la modulation apparaît de manière flagrante entre les lampes à filament et les lampes LED. Les lampes LED s'illuminent et s'éteignent bien plus "brutalement" que les lampes à filament, ce qui rend le mouvement lumineux moins fluide. Cela n'est pas très surprenant, puisque les lampes à filament possèdent une plus grande inertie. Je dois dire que je préfère nettement les lampes à filament... mais peut-on aller à contre-courant des évolutions technologiques ?

 

Prototype #3 (février 2023)

Réalisation fort semblable à celle du prototype #2, avec PCB redessiné en date du 29/01/2023. Les triacs installés sont des versions plastique en boîtier TO92, limités à 1 A (200..230 W maxi par sortie, amplement suffisant pour des lampes LED ordinaires).

  
   
Mise en coffret commencée :
   
    

   

J'ai ajouté un petit dissipateur thermique sur le régulateur de tension 7824, car le secondaire 24 V du transformateur délivrait une tension de 28 Vac (pour une tension secteur de 238 Vac). J'ai mesuré une tension d'environ 39 Vdc après redressement et filtrage et donc à l'entrée du régulateur, ce qui occasionnait un différentiel E/S de 15 V (39V - 24V) et un échauffement modéré que j'ai préféré tempérer.
   

Petite curiosité...

J'ai noté une oscillation parasite pour un réglage donné de la tension de polarisation du microphone electret. Cette oscillation indésirable n'était pas spontanée, elle ne s'amorçait que lorsqu'un certain niveau audio était atteint dans les aigus. Un petit son faisait clignoter la lampe de façon normale et un gros son la faisait s'allumer en permanence (elle restait bloquée). Le plus drôle reste à venir... Avec une lampe LED non dimmable branchée sur la voie des aigus, cette oscillation mal venue a fait chanter la lampe LED, de plus en plus fort. N'étant pas fan des mélodies de ce genre, j'ai vite coupé l'alimentation secteur.

Avec le réglage final adopté, il n'y a aucun problème, les trois voies graves, médiums et aigus fonctionnent parfaitement.

   

Sensibilité trop faible ?

Remarque (janvier 2023) : le texte de ce paragraphe s'applique au schéma du modulateur publié en 2011. Avec la valeur des composants attribués au schéma de la version de 2023, ce problème de faible sensibilité n'existe plus, le préamplificateur à transistors ayant été optimisé.

Deux internautes m'ont écrit pour me signaler que leur prototype de modulateur de lumière 003 fonctionnait, mais qu'il manquait de sensibilité. J'admet avoir moi aussi constaté ce manque de sensibilité avec certains micros electret (j'en ai parlé avant), mais il ne faut pas oublier que ce montage est destiné à une utilisation dans un endroit où le volume de la musique est élevé, avec microphone placé à proximité des haut-parleurs de puissance. On peut bien sûr dire "achetez donc un microphone electret plus sensible", mais on peut aussi chercher à modifier un peu le montage pour disposer d'une amplification micro plus conséquente. L'étage d'entrée apporte un gain voisin de 60 dB, ce qui n'est pas rien, mais les pauvres signaux audio sont sacrément affaiblis par les filtres passifs situés entre les transistors et les triacs. Il est vrai que 20 dB supplémentaires ne feraient pas de mal pour les micros mal lunés (à ce sujet vous pouvez aussi utiliser un micro dynamique bas de gamme à 5 euros qui sort bien plus de niveau qu'un electret bas de gamme). Je propose la modification suivante pour ceux qui souhaitent conserver un micro electret standard et disposer d'une plus grande sensibilité du modulateur.

Ce schéma est composé de deux étages d'amplification apportant chacun un gain de 40 dB (x 100), ce qui nous donne au total un gain maximal de 80 dB (x 10000), ce qui est énorme. Le potentiomètre RV101 de 47 kO en plastique isolé a été ajouté en série avec R2 et le microphone pour permettre de régler son point de polarisation (on doit avoir aux bornes du micro electret une tension égale à celle préconisée par le fabricant - entre 1,5 V et 10 V si vous ne trouvez pas cette info - potentiomètre à régler impérativement avec un tournevis en plastique). Vous pouvez fort bien vous passer de ce potentiomètre ajustable additionnel et vous contenter de remplacer la résistance R2 de 4,7 kO par une de valeur comprise entre 27 kO et 39 kO. Le potentiomètre RV1 de réglage de sensibilité reste entre les deux étages afin de disposer d'une large étendue de réglage. Vous pouvez aussi relier directement les deux étages entre eux sans potentiomètre intermédiaire, et remplacer la résistance R102 (ou R108) par un potentiomètre de 100 kO. La bande passante à -3 dB de ce nouvel étage amplificateur couvre la bande 20 Hz - 20 kHz. Autre avantage de cette nouvelle structure par rapport à celle d'origine à transistor, les alternances négatives sont moins rabotées (elles vont plus loin) et cela contribue à un meilleur déclanchement des triacs peu sensibles. En parlant de triacs, j'ai dans un premier temps monté des TIC226D, avec l'intention ensuite de les remplacer par des TIC206D qui je le rappelle sont plus sensibles. Mais impossible de remettre la main sur ces derniers, damned ! Pas grave, ça ne m'a pas empêché de réaliser le proto de ce préampli version AOP.

On voit bien sur les deux photos qui précèdent la verrue "préampli micro à AOP" ajoutée au circuit modulateur d'origine. Le préampli micro d'origine a été décâblé - je n'ai pas retiré tous les composants, juste les deux transistors. Avec ce nouveau préampli micro, la sensibilité est telle que les lampes s'allument toutes quand on parle de façon normale à 30 cm du microphone. Là au moins, on a de la réserve ! A noter un petit bagotement de la lampe du canal grave quand on pousse tout à fond et qu'on fait silence total, je suspecte une petite ronflette liée à mes câblages imparfaits. Aucun soucis cependant car avec la sensibilité au maximum le modulateur ne rend rien de joyeux, les lampes restent quasiment toujours allumées dès qu'on pousse un peu le volume de la musique. Ce n'est bien sûr pas l'effet recherché.
   

Circuit imprimé (PCB)

Réalisé pour la version avec préampli micro à transistors, en simple face avec deux petits straps vites montés et vite oubliés (ancienne version de 2011) ou en double face (nouvelle version de 2023).


 

Très important : 

Ne pas implanter en même temps un triac en boîtier TO220 et un triac en boîtier TO-92 sur une même voie !
Par exemple pour la voie grave, il ne faut implanter que U1 ou U1', et surtout pas les deux en même temps.

   
Typon (PCB) aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi - ancienne version (24/02/2011)
Typon (PCB) au format PDF - nouvelle version (27/01/2023)

   

Historique

12/02/2023
- Ajout photos prototype #3.

05/02/2023
- Nouveaux tests avec 3 triacs récents (Q6016, Z0103 et Z0107), fonctionnement parfait.
- Nouveaux tests avec deux autres lampes LED non dimmables.

29/01/2023
- Nouveaux tests avec différentes lampes LED et différents triacs.
- Augmentation de la sensibilité de l'étage préampli à transistor (utilisé sur ma dernière maquette).
- Ajout potentiomètre réglage polarisation microphone electret (RV5).
- Redessin du circuit imprimé (ajout RV5 et possibilité d'implanter des triacs en boîtier TO-92).

22/01/2023
- Modification de la valeur de certains composants des filtres (changements mineurs).
- Nouveau dessin de ciruit imprimé.

10/04/2011
- Première mise à disposition