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Générateur de signaux rectangulaires

Voici les caractéristiques de ce générateur :

Gamme de fréquences : 0.02 Hz ... 5 kHz
Réglage, au choix :
- de la fréquence de façon continue,
- du rapport cyclique,
- de Ton et Toff séparement.
Sortie d'amplitude réglable entre 0 et 10 V, 1 Ampère
Sortir à collecteur ouvert, 6 Ampères.
Petit haut-parleur pour "écouter" le signal.

De plus, ce générateur est simple et économique à réaliser.

1. Le principe choisi
2. Le schéma électronique
3. La liste des composants
4. Les typons
5. Les implantations des composants
6. Quelques photos
7. Les essais et mises au point
8. Conclusion - Applications

1. Le principe choisi

Le but de cette partie est de vous expliquer comment j'ai conçu mon générateur pas à pas. Je vous donne juste des petits schémas, dont le rôle est de vous faire comprendre comment ça marche. Le schéma final du générateur ainsi que les valeurs des différents composants vous seront donnés dans la partie n2.

J'ai opté pour le schéma archi-connu de l'astable à inverseur trigger.



Le signal obtenu est à peu de choses près symétrique (rapport cyclique = Ton/(Ton+Toff) = 0.5). Il évolue entre un peu plus de 0V et un peut moins de V+.
La fréquence de fonctionnement est donnée par la formule : 1/(1,39*R*C*)
C'est un schéma de base, que nous allons modifier pour pouvoir régler ce que l'on veut, et auquel nous allons adjoindre plusieurs étages de sorties pour répondre aux caractèristiques que je vous ai promises.

Modifications pour pouvoir régler ce que l'on veut :

Pour modifier la fréquence d'oscillation "bon à bon" (c'est à dire les gammes de fréquences), on modifie le schéma de base comme suit :



Pour faire varier la fréquence de manière continue, on utilise un potentiométre - la résistance R' sert à éviter que la sortie de la porte soit reliée avec l'entrée par une résistance trop faible :



Maintenant, on veut aller plus loin, on désire régler séparément Ton (le temps pendant lequel la sortie de la porte est à "1" sans arrêt) et Toff (le temps pendant lequel la sortie de la porte est à "0" sans arrêt).
Pour cela, il faut utiliser deux potentiométres et deux diodes. P1 régle Toff, et P2 régle Ton. J'ai représenter deux resistances : R'1 et R'2, mais en fait, une seule suffit. Aussi, si on enléve R'1, on pourra avoir un Toff très petit, mais Ton sera limité par R'2. De même, si on enléve R'2, on pourra avoir un Ton très petit, mais Toff sera limité par R'2. Par la suite nous n'aurons pas à choisir laquelle de ces deux résistances enlever, car il y aura sur la face avant de notre générateur un commutateur... je n'en dis pas plus pour le moment :-)
A noter que la tension de seuil des diodes est un défaut de ce montage. Cependant, en alimentant les portes avec une tension suffisament élevée (12 V), ces seuils ne sont plus gênants du tout.



Enfin, on désire cette fois ci régler le rapport cyclique avec un seul potentiométre. Le rapport cyclique évolura entre moins de 1% et plus de 99%. La fréquence, quand à elle, restera à peu près constante.



Différents étages de sortie :

Tout d'abord, il serai utilise de visualiser l'état de la sortie avec des leds. Dans ce qui suit, la DEL1 s'allume quand la sortie est "off", et la DEL2 quand la sortie est "on".



Si les DELs sont pratiques pour les signaux à très basse fréquence (moins de 10 Hz), pour les basses fréquences (20 Hz ... 20 kHz), rien ne vaut un signal sonore pour "visualiser" ce qui sort de notre générateur. On utilisera un haut-parleur miniature ou un écouteur, vous pouvez choisir n'importe quelle impédance. Pour éviter que le générateur ne nous casse les oreilles, pour "entendre la sortie" il faut maintenir le bouton poussoir appuyé.



Je vous avait promis une sortie à collecteur ouvert, et bien la voilà ! T2 sera un transistor de puissance, D sera une diode de puissance elle aussi - en effet, quand la fréquence s'éleve, la puissance dissipée lors des commutations n'est plus négligeable... La diode vous permettera d'utiliser le montage avec des charges inductives (moteur, ...); aussi c'est une protection si vous inversez les polarités de la source de tension que vous relierez à la sortie. En effet, une sortie de type collecteur ouvert ne délivre aucune tension, elle se comporte comme un interrupteur ouvert (pendant Toff) ou fermé (pendant Ton).
C'est le grand interêt de ce type de sortie; on n'est pas astreint aux limites de la source de tension contenu dans le générateur. T2 devra être un transistor de puissance RAPIDE, même à la fréquence la plus élevée, dans notre cas 10 kHz, ce qui fait des périodes de 0,1 ms, il devra avoir largement le temps de commuter. Il faut donc un temps de commutation maximal de 10 s pour T2, et aussi pour T1 (en général un transistor de puissance rapide est plus difficile à trouver qu'un transistor "normal" rapide).
Enfin, selon les caractéristiques de la sortie à collecteur ouvert seront celles de T2 : ainsi le courant maximal supportable par la sortie sera le Icmax de T2, et la tension maximale admissible aux bornes de la sortie sera le Vbemax de T2.



Pour terminer, décrivons la sortie à amplitude réglable. C'est très simple, on utilise un ampli AOP de puissance (genre TDA 200x) configuré en suiveur. Remarquez qu'il y a deux potentiométres, et que l'on peut choisir l'un ou l'autre de ces potentiométres avec SW. En fait, seul P1 est accéssible sur la face avant, P2 est un ajustable pour circuit imprimé, qui est reglé pour avoir du 5V en sortie et après on y touche plus. Comme cela, SW, accéssible en face avant, permettera de choisir entre une amplitude réglable par P1 ou une amplitude de 5V, compatible avec les circuits logiques TTL (et CMOS alimentés en +5V).



2. Le schéma électronique

Tout a été expliqué en détail dans la partie précédente. Il reste donc à tout relier ensemble pour obtenir le schéma complet de notre générateur.
Notez que j'ai divisé mon générateur en 3 parties : la partie principale, que vous apercevez ci-dessous, un module "R" et un module "C".



Le module "C" sert à choisir une gamme de fréquence. Voici le schéma du module "C" :



Le module "R" permet de régler le signal rectangulaire à loisir. En effet, le commutateur SW2, par l'intermédiaire de ses quatres positions, séléctionne le type de réglage à éffectuer :
- En position 1, le double potentiométre P1 régle le rapport cyclique du signal (P2 est "désactivé");
- En postion 2, le double potentiométre P2 ajuste la fréquence du signal (P1 est "désactivé");
- En postion 3, P1 régle le Ton, P2 le Toff; c'est le Toff qui peut atteindre de très petites valeurs;
- En postion 4, P1 régle le Ton, P2 le Toff; c'est cette fois ci le Ton qui peut atteindre de très petites valeurs;
Voici le module "R" :



Notez que dans ce module il y a deux potentiométres doubles, P2 et P1-P1'.
Si vous n'avez pas de tels potentiométres, vous pouvez utilisez deux potentiométres simples P1 et P1' à la place du double P1-P1'. Le potentiométre simple P1 servira au réglage du rapport cyclique, et P'1, tantôt celui de la fréquence ou celui de Toff. Quand à P2, remplacez-le par UN seul potentiométre simple. En fait, vous pouvez remplacer la moitié de P2 supérieure (le demi-potentiométre double qui relie les broches 2 et 7 de SW2) par un fil. Le fait d'utiliser pour P2 un potentiométre double apporte juste un petit confort d'utilisation : on peut aller de part et d'autre de la fréquence choisie par le module "C".
Remarquez que l'emploi de potentiométres doubles, comme je le propose, est plus confortable, encombre moins la face avant de notre générateur, et ne devrai pas coûter plus cher (le prix de 2 potentiométres doubles ne devrai pas dépasser celui de 3 potentiométres simples; il se pourrai même que ce soit moins cher).

3. La liste des composants

Les valeurs des résistances sont exprimées en Ohms.
Si la puissance n'est pas précisée, elle est de 1/4 Watt.


R1 = Selon DEL1 - 4,7K pour 2mA - 1K pour 10mA
R2 = Selon DEL2 - 4,7K pour 2mA - 1K pour 10mA
R3 = 1K
R4 = 100 - 2 Watts
R5 = 2,2K
R6 = 10K
R7 = 10K

Tous les condensateurs auront une tension de service d'au moins 16 V

C1, C2, ... C7 sont des chimiques, de type Radial

C1 = 1000 Gamme 0,02 Hz
C2 = 470 Gamme 0,05 Hz
C3 = 100 Gamme 0,2 Hz
C4 = 47 Gamme 0,5 Hz
C5 = 10 Gamme 2 Hz
C6 = 4,7 Gamme 5 Hz
C7 = 1 Gamme 20 Hz

C8 = 470n (marquage "474") Gamme 50 Hz
C9 = 100n (marquage "104") Gamme 200 Hz
C10 = 47n (marquage "473") Gamme 500 Hz
C11 = 10n (marquage "103") Gamme 2 kHz
C12 = 4,7n (marquage "472") Gamme 5 kHz

D1 = D2 = D3 = D4 = 1N4148
D5 = BYX71 ou autre diode de puissance

DEL1 = Ce que vous voulez. Son courant détermine R1
DEL2 = Ce que vous voulez. Son courant détermine R2
NB: ne depassez pas 10 mA comme courant de DEL.

T1 = 2N2222
T2 = A vous de choisir ! Selon le courant et la tension maxi que vous désirez pour votre sortie CO. Attention ! Temps de commutation maximal de 10s.

IC1 = CD40106 (CMOS)
IC2 = TDA 200x (par ex TDA 2006 récuperé dans une vielle HiFi)

P1-P1' = Potentiométre double : 2 * 50K - type A
P2 = Potentiométre double : 2 * 50K - type A
P3 = Potentiométre simple - 10K - type A
P4 = Ajustable à souder sur circuit - 10K

BP = Bouton poussoir
SW1 = Inverseur simple
SW2 = Commutateur rotatif à 3 circuits et 4 positions
SW3 = Commutateur rotatif à 1 circuit et 12 positions

F1 = Fusible rapide, intensité = à ce que peut suporter T2
F2 = Fusible rapide, 1A

HP1 = Haut parleur miniature ou écouteur quelquonque

DIVERS:

2 supports de fusibles

1 support tulipe 14 broches pour IC1

1 douille 4mm noire pour la masse
1 douille 4mm rouge pour la sortie 0 ... 10V
1 douille 4mm blanche pour la sortie CO

1 alimentation 12V 1A régulée (Utilisez mon alim ! Sinon, le schéma classique avec un 7812 suffit largement)

1 coffret
3 boutons pour potentiométres
2 boutons fléchés pour commutateurs

4. Les typons

Remarque : vous constaterez que les typons et les schémas d'implantation ne sont pas inversés; donc, il faudra placer le typon face non-imprimée contre la vitre de l'insoleuse (si cela n'est pas clair dans votre esprit, je vous invite à consulter le paragraphe sur l'insolation de la page sur la fabrication de CIs).

Voici le typon de la partie principale :
Cliquez ici pour télécharger ce typon, pour le logiciel Quickroute 3.6 lite, disponible dans les disquettes et CD-rom accompagnant la revue Electronique Pratique.

Cliquez ici pour télécharger le logiciel Quickroute 3.6 lite (871 ko)



Voici le typon du module "C" :
Cliquez ici pour télécharger ce typon, pour le logiciel Quickroute 3.6 lite, disponible dans les disquettes et CD-rom accompagnant la revue "Electronique Pratique".
Remarquez que le commutateur est soudé directement sur la plaquette; le commutateur servira donc de fixation au module "C" qui sera ainsi maintenu derrière la face avant. Alors, avant de réaliser cette plaquette, vérifiez que vos condensateurs s'implantent bien (écart entre les pattes), et surtout qu'ils ne sont pas trop hauts ! Sinon, il faudra les coucher et plier leur pattes.



Il n'y a pas de typon pour le module "R". Le câblage est à réaliser avec du fil une fois que P1 et P2 sont fixés sur la face avant.
Au début je pensais faire un circuit, mais comme les potentiométres ne pouvaient y prendre place, il y aurai eu autant de fils à souder que pour le montage "volant".

5. Les implantations des composants

Ci dessous vous trouverez l'implantation de la partie principale du générateur. Comme un courant important est amené à circuler dans T2, je vous conseille de relier sont éméteur à la douille "Masse" avec du gros câble (1 mm minimum). Même si la masse est déjà relié à la douille pour la sortie 0 ... 10V, je vous conseille vivement de doubler la liaison, pour éviter que le courant ne passe par les pistes du circuit imprimé. De même, utilisez du gros câble pour relier le collecteur de T2 à la douille "sortie CO".



Voici l'implantation du module "C" :



6. Quelques photos

Vue d'ensemble :





Le panneau supérieur (réglages) :



Le module R :



Le module C :



Réglage de l'amplitude :



La face avant (connections) :




7. Les essais et mises au point

D'abord, réaliser la partie principale de notre générateur. Mais ne connectez pas pour le moment les modules "R" et "C". Pour les essais, à la place du module "R", soudez une réistance de 100K, et à la place du module "C", soudez un condensateur de 47 (attention à la polarité).
Comme d'est la toute première mise sous tension de notre montage, par mesure de sécurité, ne reliez pas le +12V de votre alim au générateur avec un fil, mais avec une résistance de 22 Ohms.
Alors, dès la mise sous tension, les diodes DEL1 et DEL2 doivent clignoter, avec une période de quelques secondes. Si ce n'est pas le cas, verifiez vos soudures, et vérifiez aussi que IC1 ainsi que les DELs ne sont pas soudés à l'envers.
Maintenant, testons les sorties.
Pour tester le haut parleur, appuyez sur le bouton poussoir... On doit entendre un très léger "toc" à chaque fois que les DELs s'éteingnent ou s'allument (la fréquence est trop faible pour produire un son audible).
Pour tester la sortie 0 ... 10 V, reliez-y un voltmétre; quand DEL1 s'allume, il devrai y avoir une tension proche de 0V, quand DEL2 s'allume, une tension qui change quand on agit sur P3 ou P4, selon la position de SW1.
Pour tester la sortie à collecteur ouvert, utilisez le petit montage suivant, les composants à rajouter sont indiqués en rouge (la résistance de 1 Ohms, qui aura une puissance de 2 Watts, sert à limiter le courant lorque l'ampoule est froide) :



Remarquez qu'on utilise une ampoule de 21W. Si votre source 12V ne peut débiter 2 ampères, utilisez une ampoule de 10W ou moins. Si vous voulez utiliser pour ce test le 12V qui alimente le générateur, prenez le avant la réistance de 22 Ohms, c'est à dire faites en sorte que le courant qui traversera l'ampoule ne traversera pas la résistance de 22 Ohms !

L'ampoule doit clignoter au rythme de DEL2.

Maintenant, il s'agit de relier à notre montage les modules "C" et "R".

On commence par connecter le module "C", à la place du petit condensateur que nous avons mis pour les tests. Bien sûr, pendant toutes les opérations de soudures, le générateur ne sera plus relié à son alimlentation. Attention à la polarité, le module "C" à une borne + ! Remettez le montage sous tension; en tournant le commutateur, vous devez pouvoir faire varier la fréquence de 0,02 Hz (très lent, les diodes resetent allumées plusieurs dizaines de secondes) à quelques KHz. Pour les fréquences supérieures à 10 Hz, les diodes sembleront être allumées en même temps. C'est alors le moment d'écouter ! Appuyez sur le bouton poussoir, et vous entendrez un son dont la hauteur change quand on tourne le commutateur SW3.

Enfin, il vous reste à câbler le module "R". Je vous conseille de d'abord fixer P1 et P2 sur la face avant, puis, une fois ceci fait, câblez le module R en utilisant du petit fil rigide (genre ce qu'il y a dans les câbles pour les prises téléphoniques murales). Prenez votre temps, on a vite fait de s'emmêler les crayons... (tiens, en parlant de crayons, une bonne idée serai d'imprimer le schéma du module "R", et de faire une croix sur chaque liaison dès qu'elle est réalisée). Alors, connectez le module "R" à la place de la résistance qu'on avait mis pour les essais. Mettez sous tension, voilà comment cela doit se comporter :

Le commutateur SW2, par l'intermédiaire de ses quatres positions, séléctionne le type de réglage à éffectuer :
- En position 1, le double potentiométre P1 régle le rapport cyclique du signal (P2 est "désactivé"); aux fréquences élevées, on a l'impression que P1 fait varier la luminosité de DEL1 et DEL2, plus DEL1 brille fort, plus DEL2 brille faiblement;
- En postion 2, le double potentiométre P2 ajuste la fréquence du signal (P1 est "désactivé");
- En postion 3, P1 régle le Ton, P2 le Toff; c'est le Toff qui peut atteindre de très petites valeurs;
- En postion 4, P1 régle le Ton, P2 le Toff; c'est cette fois ci le Ton qui peut atteindre de très petites valeurs;

Maintenant que tout est OK, je vais vous dire ce qu'on peut faire de ce générateur.

8. Conclusion - Applications

Si vous avez réalisé mon générateur, c'est bien sur pour mettre au point vos montages avec ! En effet, il ne peut pas monter très haut en fréquence (5 kHz), il n'est pas très stable, la précision n'égale pas celle des GBF de labo, mais il posséde de multiples réglages qui en feront un outil très pratique.

On pourrai être tenté de modifier les valeurs de condensateurs pour monter plus haut en fréquence, mais ne le faites pas ! Certains composants (IC2, T2) ne suivraient plus, et il faudrai prendre des précautions pour ces hautes fréquences (utiliser des câbles blindés, tenir compte des capacités parasites, ...). En effet, j'ai voulu pour ce générateur un petit montage simple et pratique.

Aussi, ce générateur peut vous servir à d'autres choses, grâce à sa sortie collecteur ouvert.

Vous avez sûrment une mini-perceuse, mais avez-vous un variateur ? Et bien, mon générateur va pouvoir vous servir de variateur pour mini-perceuse (si votre mini-perceuse est alimenté en CONTINU, ce qui la pluspart du temps le cas). Comment faire ? Mettez tout simplement en série l'alimentation de votre mini-perceuse, la mini-perceuse, et la sortie à collecteur ouvert du générateur (NB: vérifiez que le transistor T2 peut supporter le courant maximal consommé par la mini-perceuse, ainsi que la tension d'alimentation). Attention ! tout ces éléments sont polarisés ! Le générateur devra être réglé sur une gamme de fréquence comprise entre 50 Hz et 500 Hz (inutile d'aller plus haut, on ne ferai qu'augmenter la dissipation thermique dans T2 et D5, ce qui baisserai le rendement), et le commutateur SW2 sur la position "1", pour que P1 régle le rapport cyclique. Ainsi, P1 détérminera la vitesse de rotation de votre mini-perceuse. C'est ni plus ni moins le principe des alimentations à découpage. L'interêt d'utiliser ce type d'alimentation pour faire varier la vitesse de la mini-perceuse est d'avoir un couple constant, quelque soit la vitesse.
Si la perceuse tourne à l'envers, inversez ses fils.
Si la perceuse tourne à plein régime et que P1 semble être inéfficace, la sortie à collecteur ouvert est sûrement branchée à l'envers. Le courant doit rentrer par la borne "sortie CO" et sortir par la borne "Masse".

Enfin, pour Noël, ce générateur peut servir de clignoteur, pour des ampoules basses tensions. Cependant, vous pouvez commander des ampoules 220 V en utilisant un relais, dont vous brancherez la bobine entre la masse et la sortie "0 ... 10 V", ce qui vous permetera de régler la tension aux bornes du relais. Attention ! Avec le relais, ne faites pas fonctionner le générateur avec une fréquence trop élevé (2 Hz maxi), et n'oubliez pas la diode de roue libre aux bornes du relais. La diode de roue libre sera une diode genre 1N4001 dont vous relirez la patte repérée par une bague blanche à la sortie "0 ... 10 V", l'autre patte étant reliée à la masse.