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| Système d'illumination des chevrons de la Porte des étoiles de la galaxie Pégase |  |
Après maintes recherches sur la manière exacte dont la séquence doit s'effectuer (cf. le gif animé modifié par mes soins ci-dessus), j'ai réfléchis à un montage électronique simple pouvant la réaliser.
Etude,
conception et
réalisation
1 - Principe:
Un simple circuit intégré
NE555 monté en astable ajusté à une
fréquence d'1Hz cadence deux registres à décalage
74HC164 mémorisants successivement sur chacune de ses sorties un
"1" logique, pour piloter des LED bleu de 3mm de diamètres; en
fin de course, les registres sont "resetés" pour que la
séquence reprenne en boucle.
Le schéma a été modélisé sur le logiciel de CAO Kicad, Logiciel libre made in france de Mr Jean-Pierre Charras de IUT de Saint Martin d'Hères.
Le schéma a été modélisé sur le logiciel de CAO Kicad, Logiciel libre made in france de Mr Jean-Pierre Charras de IUT de Saint Martin d'Hères.
Voici donc le schéma, et
en
PDF plus aéré ici
2 - Etude:
Intéressons nous donc à
la structure en astable :
Le Circuit NE555 configuré en astable permet de
générer des signaux carrés à
fréquence et période choisie.
Dans ce montage, il servira de signal "d'horloge".
Cette horloge décidera de la vitesse d'allumage des Diodes Electro-Luminescente bleu (DEL où LED)
Dans ce montage, il servira de signal "d'horloge".
Cette horloge décidera de la vitesse d'allumage des Diodes Electro-Luminescente bleu (DEL où LED)
Le montage du NE555 (IC1)
en astable est déterminé par
les composants qui l'entourent, à savoir les résistances
R1 et R2, et le
condensateur C1.
Il suffit de se reporter à la documentation du constructeur pour savoir comment connecter ces composants de réglages.
La doc donne aussi des formules mathématiques pour calculer la valeur de ces composants en fonction de la fréquence voulue.
Ici je désire 1Hz, c'est à dire un cycle de signal d'horloge toutes les secondes, donc pour qu'une LED s'allume à chaque seconde.
j'utilise la formule donnée :
F = 1,44 / (R1 + 2R2) C1
En fixant C1 = 1µF
J'ai calculé R1 = 1M Ohm et R2 = 220K Ohm
Le constructeur donne les deux autres composants C2 et R3 à ajouter pour d'autres raisons qui ne nous inquiètent pas ici.
La sortie de cette première structure (OUT, patte N°3) sera connectée aux entrées d'horloges des registres à décalage, à entrées séries et sorties parallèles 74HC164.
Il suffit de se reporter à la documentation du constructeur pour savoir comment connecter ces composants de réglages.
La doc donne aussi des formules mathématiques pour calculer la valeur de ces composants en fonction de la fréquence voulue.
Ici je désire 1Hz, c'est à dire un cycle de signal d'horloge toutes les secondes, donc pour qu'une LED s'allume à chaque seconde.
j'utilise la formule donnée :
F = 1,44 / (R1 + 2R2) C1
En fixant C1 = 1µF
J'ai calculé R1 = 1M Ohm et R2 = 220K Ohm
Le constructeur donne les deux autres composants C2 et R3 à ajouter pour d'autres raisons qui ne nous inquiètent pas ici.
La sortie de cette première structure (OUT, patte N°3) sera connectée aux entrées d'horloges des registres à décalage, à entrées séries et sorties parallèles 74HC164.
La Structure des
registres
à décalage :
Je ne vais pas ici vous barber avec la théorie de la chose, ce site explique très bien le principe de
fonctionnement de ce genre de
circuit.
Simulation d'une séquence :
- IC2 reçoit l'horloge
sur CLK et
comme les deux entrées
A et B de IC2 sont à l'état
haut (car connectée
à l'alimentation 6V), un état haut est envoyé sur
la sortie Qa;
il ne se passe rien, cette sortie est dans le vide pour
simuler la porte des étoiles non activé.
- Au cycle d'horloge suivant, càd une seconde après, la sortie Qb prend l'état de Qa (d'où le nom de IC2, "à décalage") càd l'état haut; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qc prend l'état de Qb; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qd prend l'état de Qc; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qe prend l'état de Qd, càd l'état haut; le courant passe et la LED D1 s'allume et reste allumée car l'état est mémorisé par le registre, d'où son nom).
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qf prend l'état de Qe, la LED D2 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qg prend l'état de Qf, la LED D3 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qh prend l'état de Qg, la LED D4 s'allume; l'étant haut de Qh est envoyé la l'entrée A de IC3.
Par ce biais, un état haut (6v) est donc présent sur l'entrée A; et sur l'entrée B car déjà connecté au 6V.
IC3 peut donc se mettre en marche !
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qa prend l'état haut déterminé par ses entrée A et B, la LED D5 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qb prend l'état de Qa, la LED D6 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qc prend l'état de Qb, les LED D7, D8 et D9 s'allument.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qd prend l'état de Qc; il ne se passe rien, cette sortie est dans le vide pour simuler la porte des étoiles qui reste activé; donc toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qe prend l'état de Qd, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qf prend l'état de Qe, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qg prend l'état de Qf, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qh prend l'état de Qg; l'état haut est transmis à la base "B" du transistor Q1, qui passe à l'état saturé; ainsi la tension émetteur-collecteur "EC" passe à l'état bas, qui est à son tour transmis aux entrées "Reset" de IC2 et IC3.
Ce qui à pour effet de réinitialiser IC2 et IC3, donc toutes les sorties Qa à Qh passent à l'état bas (0V) en même temps.
La porte des étoiles vient de se désactiver.
Et tout peut recommencer à l'infini
- Au cycle d'horloge suivant, càd une seconde après, la sortie Qb prend l'état de Qa (d'où le nom de IC2, "à décalage") càd l'état haut; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qc prend l'état de Qb; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qd prend l'état de Qc; il ne se passe rien.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qe prend l'état de Qd, càd l'état haut; le courant passe et la LED D1 s'allume et reste allumée car l'état est mémorisé par le registre, d'où son nom).
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qf prend l'état de Qe, la LED D2 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qg prend l'état de Qf, la LED D3 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qh prend l'état de Qg, la LED D4 s'allume; l'étant haut de Qh est envoyé la l'entrée A de IC3.
Par ce biais, un état haut (6v) est donc présent sur l'entrée A; et sur l'entrée B car déjà connecté au 6V.
IC3 peut donc se mettre en marche !
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qa prend l'état haut déterminé par ses entrée A et B, la LED D5 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qb prend l'état de Qa, la LED D6 s'allume.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qc prend l'état de Qb, les LED D7, D8 et D9 s'allument.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qd prend l'état de Qc; il ne se passe rien, cette sortie est dans le vide pour simuler la porte des étoiles qui reste activé; donc toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qe prend l'état de Qd, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qf prend l'état de Qe, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qg prend l'état de Qf, il ne se passe rien; toutes les LED restent allumées.
- Au cycle d'horloge suivant, la sortie Qh prend l'état de Qg; l'état haut est transmis à la base "B" du transistor Q1, qui passe à l'état saturé; ainsi la tension émetteur-collecteur "EC" passe à l'état bas, qui est à son tour transmis aux entrées "Reset" de IC2 et IC3.
Ce qui à pour effet de réinitialiser IC2 et IC3, donc toutes les sorties Qa à Qh passent à l'état bas (0V) en même temps.
La porte des étoiles vient de se désactiver.
Et tout peut recommencer à l'infini
Protection des LED
:
En ce qui concerne les LEDs de D1
à D9 (comme
les 9 chevrons),
une résistance de protection leurs à été
adjointe.
Celles-ci se calculent grâce à la loi d'Ohm U=RI, avec U la tension en Volt, R la résistance en Ohm et I l'intensité en Ampéres.
Celles-ci se calculent grâce à la loi d'Ohm U=RI, avec U la tension en Volt, R la résistance en Ohm et I l'intensité en Ampéres.
Caractéristique d'une LED
bleu:
• Haut rendement : 2000 mcd typ. @ 20 mA
• VF = 3,6 V typ. @ 20 mA - l = 430 à 470 nm
• Haut rendement : 2000 mcd typ. @ 20 mA
• VF = 3,6 V typ. @ 20 mA - l = 430 à 470 nm
Du schéma ci-dessus, l'on
déduit l'équation:
VR = VE - VF, avec VR la tension dans la résistance, VF la tension dans la diode, VE l'alimentation du circuit 6V.
La loi d'ohm exprime R = VR / I
Donc, R = (VE - VF) / I
R = (6 - 3,6) / 0,02
R = 120 Ohm
VR = VE - VF, avec VR la tension dans la résistance, VF la tension dans la diode, VE l'alimentation du circuit 6V.
La loi d'ohm exprime R = VR / I
Donc, R = (VE - VF) / I
R = (6 - 3,6) / 0,02
R = 120 Ohm
3 - Expérimentations:
Une fois le schéma théorique terminé, il est temps de passer à la
pratique, en câblant le montage à l'aide d'une plaquette test
de labo.
Le montage sur la platine
de test et le résultat en vidéo
4 - Fabrication de la carte
Electronique:
Toujours grâce à Kicad, avec cette fois sa partie "éditeur de circuits
imprimés", j'ai effectué le routage de toutes les pistes à partir de ce
Schéma en PDF, pour ainsi obtenir Le
Typon coté composants et Le Typon
Coté cuivre.
Le Projet Kicad permettra à ceux qui le veulent, de modifier à leurs sauce mes schémas.
Le Projet Kicad permettra à ceux qui le veulent, de modifier à leurs sauce mes schémas.
Le typon coté cuivre sur
papier calque
Pour la réalisation de la plaque de circuit imprimé, je
vous laisse vous documenter... (exemple sur ce site)
Mais pour faire court, il s'agit d'imprimer le typon coté cuivre en "miroir" sur un papier calque ou transparent, de placer celui-ci sur une plaque epoxy/cuivre photo-sensible aux UV, d'insoler cela 3 minutes sous des neons UV, puis de réveler l'insolation avec de l'acide; ensuite un bain de perchlorure de fer chauffé va manger tout le cuivre, sauf aux endroits insolés.
Phase finale, avec de l'alcool, on retire la couche protectrice des pistes qui apparaissent alors brillantes.
Mais pour faire court, il s'agit d'imprimer le typon coté cuivre en "miroir" sur un papier calque ou transparent, de placer celui-ci sur une plaque epoxy/cuivre photo-sensible aux UV, d'insoler cela 3 minutes sous des neons UV, puis de réveler l'insolation avec de l'acide; ensuite un bain de perchlorure de fer chauffé va manger tout le cuivre, sauf aux endroits insolés.
Phase finale, avec de l'alcool, on retire la couche protectrice des pistes qui apparaissent alors brillantes.
Voici donc le résultat
avant perçage
Puis après perçage
Implantation des
résistances, puis soudures; on peut couper les
papattes
Idem pour le reste des
composants
Et enfin le connecteur
d'alimentations et autres annotations utiles
Et voilou !
5 - Erratum:
En câblant une partie de la maquette de la porte des étoiles, j'ai
voulu tester ce que l'allumage
donnerait au travers des chevrons...
Et me suis aperçu que les chevrons 7, 8 et 9, ceux là même qui doivent s'illuminer en même temps, car branchés sur la même sortie N°5 de IC3, brillaient moins que les autres...
Mais pourtant je n'avais pas remarqué cela à "l'air libre" !!
Et pour cause, elle brillent toutes tellement fort qu'on ne peut en fait voir une différence qu'au travers d'un élément diffusant.
J'ai donc stoppé l'opération du câblage, craignant de devoir le modifier, chose impossible une fois mes chevrons collés...
Après mûre réflexions, j'ai finis par trouver mon erreur de débutant.
J'ai branchés toutes les Leds directement aux sorties des registres à décalages, ayant vu que le courant qu'elles fournissaient été suffisant, tests à l'appuis.
Ensuite, pour que les 3 LED aient la même intensité lumineuse, je les avaient branchées ensemble en parallèle. ( en // le voltage consommé reste le même et le courant consommé est multiplié d'autant d'élément .... en série, c'est le voltage qui est multiplié et le courant qui reste inchangé, de la valeur d'un élément... et comme le voltage est fixe, forcément il se divise)
Alors pourquoi çà veut pas !
Tout simple... en zieutant attentivement la documentation des registres 74HC164, il est écrit que chaque sorties ne sait fournir que 25mA...
Chaque LED consommant 20mA, et donc 60mA pour les 3LED, pour les raisons évoquées ci-dessus, le problème était clair ! et net ! Je demandais naïvement à la sortie N°5 de me donner quelque chose qu'elle n'avait pas.
La solution donc, consiste à câbler la résistance R10, correspondant à la sortie N°5 en "pull-up" au 6V, permettant alors d'utiliser le courant de l'alimentation principale (les pipiles) plutôt que celui du registre IC3.
Pour être carré, j'aurais dû faire de même pour toutes les sorties comportant les leds... mais bon, pas grave dans le cas présent.
Et me suis aperçu que les chevrons 7, 8 et 9, ceux là même qui doivent s'illuminer en même temps, car branchés sur la même sortie N°5 de IC3, brillaient moins que les autres...
Mais pourtant je n'avais pas remarqué cela à "l'air libre" !!
Et pour cause, elle brillent toutes tellement fort qu'on ne peut en fait voir une différence qu'au travers d'un élément diffusant.
J'ai donc stoppé l'opération du câblage, craignant de devoir le modifier, chose impossible une fois mes chevrons collés...
Après mûre réflexions, j'ai finis par trouver mon erreur de débutant.
J'ai branchés toutes les Leds directement aux sorties des registres à décalages, ayant vu que le courant qu'elles fournissaient été suffisant, tests à l'appuis.
Ensuite, pour que les 3 LED aient la même intensité lumineuse, je les avaient branchées ensemble en parallèle. ( en // le voltage consommé reste le même et le courant consommé est multiplié d'autant d'élément .... en série, c'est le voltage qui est multiplié et le courant qui reste inchangé, de la valeur d'un élément... et comme le voltage est fixe, forcément il se divise)
Alors pourquoi çà veut pas !
Tout simple... en zieutant attentivement la documentation des registres 74HC164, il est écrit que chaque sorties ne sait fournir que 25mA...
Chaque LED consommant 20mA, et donc 60mA pour les 3LED, pour les raisons évoquées ci-dessus, le problème était clair ! et net ! Je demandais naïvement à la sortie N°5 de me donner quelque chose qu'elle n'avait pas.
La solution donc, consiste à câbler la résistance R10, correspondant à la sortie N°5 en "pull-up" au 6V, permettant alors d'utiliser le courant de l'alimentation principale (les pipiles) plutôt que celui du registre IC3.
Pour être carré, j'aurais dû faire de même pour toutes les sorties comportant les leds... mais bon, pas grave dans le cas présent.
Voilà donc un aperçu de
la partie du schéma
modifié, et la modif bidouillée sur le Circuit
imprimé... et la nouvelle mouture du Schema complet.
6 - Nomenclature:
Voici
la liste des
composants nécessaires :
R1 = 1M
Ohm
R2 = 220K Ohm
R3 = 100K Ohm
R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = 120 Ohm
R10 = 43 Ohm
R11 = 100 Ohm
C1 = 1µF
C2 = 10nF
D1 = D2 = D3 = D4 = D5 = D6 = D7 = D8 = D9 = LED bleu (VF = 3,6 V typ. @ 20 mA)
Q1 = BF422
IC1 = NE555
IC2 = IC3 = 74HC164
J1 = DB9 Femelle
J2 = DB9 Mâle
R2 = 220K Ohm
R3 = 100K Ohm
R4 = R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = 120 Ohm
R10 = 43 Ohm
R11 = 100 Ohm
C1 = 1µF
C2 = 10nF
D1 = D2 = D3 = D4 = D5 = D6 = D7 = D8 = D9 = LED bleu (VF = 3,6 V typ. @ 20 mA)
Q1 = BF422
IC1 = NE555
IC2 = IC3 = 74HC164
J1 = DB9 Femelle
J2 = DB9 Mâle
