Noteprof

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Note aux professeurs Bac STI 2004
Note aux professeurs
REMERCIEMENTS
Les professeurs impliqués dans le projet tiennent à remercier toutes les personnes qui ont apporté
une aide bénévole à la réalisation de ce travail. Nous citerons en particulier; et dans l'ordre
chronologique d'intervention:
M. DEMAY, de la DDE des Sables d'Olonne, pour nous avoir apporté les éléments originaux du
dossier et M. KOPFF qui nous a autorisé à les exploiter.
M. GUYET, de la DDE de La Rochelle, qui nous a fourni les informations particulières du feu de
Royan
M. SADIGHIYAN, du lycée Louis Jacquard à Paris qui s'est proposé spontanément de nous prêter
son dossier pédagogique sur le sujet.

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Note aux professeurs Bac STI 2004
L'objet de cette note est de répondre à l'avance aux questions que vous vous poserez en découvrant le projet; par
exemple la justification de telle ou telle structure, le choix de telle valeur qui peuvent sembler arbitraires.
1) Remarques sur l'ensemble du projet
Impédances
Les 3 cartes reliées par connecteurs DB9 (carte 1, rythme et surveillance) constituent une seule et même carte dans
l'original. Elle s'appelle B187C.
Sur cette carte, les impédances sont très élevées pour deux raison:
il faut prélever un minimum de courant pour le fonctionnement, toute l'autonomie batterie devant être consacrée à
l'allumage du feu. En conséquence, les impédances sont partout très élevées.
certains circuits CMOS ne sont pas alimentés en veille ou en présence défaut. Afin de ne pas les réalimenter par les
diodes de protection, des résistances élevées sont placées en série.
Conséquences:
- Attention aux perturbations par les appareils de mesures (ou même les doigts)
- Utiliser les points test prévus en bordure de carte.
Alimentation batterie
A cause de l'appel de courant à l'allumage de la lampe (jusqu'à 10 fois le courant nominal) les TP avec lampe doivent de
préférence être effectués avec la batterie, à moins de posséder des alimentations 10A.
Donc, attention aux courts-circuits batterie !
Depuis la batterie et jusqu'au fusible, aucune protection n'existe, et cette ligne d'alimentation non protégée traverse toute
la carte énergie.
Les connexions batterie vers utilisation sont réalisées par une connectique avec détrompage. Les broches sources sont
femelles et les broches réceptrices mâles ce qui diminue les risques de contacts malheureux. Côté batterie, il est
fortement conseillé de scotcher les fastons et de ne laisser dépasser que le cordon de sortie avec son connecteur femelle.
Protection surtension
Les circuits 40106 et 4013 de la carte 1 sont alimentés directement par Vbatt. Quand une alimentation de labo est
utilisée, il se peut que par erreur, cette tension soit supérieure aux 18V max supportés par la CMOS. Aucune protection
vraiment efficace n'existe contre ce problème à moins de repenser complètement les schémas originaux dans ce sens.
Malgré tout, nous avons demandé une protection par TRANSIL derrière le fusible. Cette protection n'est pas idéale car
elle n'est efficace que si le TRANSIL peut faire fondre le fusible en un temps très bref. Or, la plupart des alimentations
ne fourniront pas les 6A (au moins) nécessaires pour faire fondre le fusible. En conséquence, le TRANSIL dégagera à
cause d'une puissance moyenne excessive.
Pour que cette protection ait un sens, il faut remplacer le fusible 5A par un fusible de faible calibre (100 mA ou moins)
lors des tests ne demandant pas de forts courants. En cas de surtension, le fusible fondra suffisamment vite pour que le
TRANSIL ne soit pas soumis à un échauffement excessif. En contrepartie, il ne faut pas oublier de remettre le fusible
5A pour les tests avec lampe !
Les points connecteurs DB9 sont à des endroits tels que la permutation des cartes rythme et surveillance n'entraîne pas
de destruction. Il en est de même pour le câble alim/DB9 utilisé pour le test isolé des deux cartes esclaves sans la carte
mère (carte 1).
Cavaliers
Les cavaliers ont été prévus pour les fonctions spéciales (test, carte isolée, LED, etc...).
En conséquence, lorsque l'ensemble du projet fonctionne dans la configuration la plus proche de l'original, tous les
cavaliers doivent être enlevés. Vous pouvez toutefois conserver les cavaliers d'allumage des LED pour constater plus
facilement l'état de l'ensemble.
Réglages
Les potentiomètres augmentent les seuils de détection quand on les tourne vers la droite (sens vissant).
AOP CMOS programmable TS271
Mêmes caractéristiques que LM4250 bipolaire
TS271
montage
Vcc
Rset
Iset
Icc
SR
régul Vlampe
linéaire
12
100k
114µA
0.72mA
4V/µs
+5V
linéaire
14.4
1M
13.8µA
86µA
détect I
comparateur
14.4
10M
1.39µA
8.6µA
détect U
comparateur
14.4
10M
1.39µA
8.6µA

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Note aux professeurs Bac STI 2004
Modifications apportée par rapport à l'original
original
projet bac
Carte B187C
Régulation
une carte
AOP programmable LM4250
4 NPN + PNP de puissance (BD244)
3 cartes
équivalent CMOS: TS271
NPN + PMOS
Surveillance
AOP programmable LM4250 + pompe à
diode pour alim négative
équivalent CMOS: TS271. Fonctionne
avec V+ et V- au 0V.
Rythme
oscillateur RC
EPROM 27C32 alimentée 100µs toutes les
100ms à partir de Vbatt.
oscillateur à quartz
EEPROM 29F10 ou autre mémoire
faible consommation
Carte énergie
555 bipolaire
AOP 741
555 CMOS
LM358 + LM324
2) Caractéristiques constructeur de la carte B187C originale
Caractéristiques fonctionnelles:
La carte peut piloter:
- deux lampes (10 ou 20W)
- une lampe à double filament
- une changeur 6 lampes
- un relais mercure ou un contacteur pour les lampes de grande puissance (contrôle lampe inhibé)
Fonctions annexes:
- fonctionne en feu maître ou en feu asservi
- commande de feu de secours par information TOR (Tout Ou Rien)
- sorties TOR pour la télésurveillance
Caractéristiques électriques:
- carte 123 123 mm, double face trous métallisés, composants traversants (aucun CMS)
- bornier 17 points en ligne, au pas de 5,08
- alimentation: 10 à 15V (maximum toléré: 18V)
- utilisation: 6 à 12V
- courant dans l'interrupteur statique: 2A max avec une chute de tension de 0,6V max.
- capacité de 64 rythmes, période 25,6s max. 37 rythmes sont programmés (36 + feu fixe)
- précision sur les temps (rythmes): 5%
- précision sur la tension lampe: 0,1V max
- détection lampe allumée: I 0,15A
- consommation en veille: 0,64 mA @ Vbatt = 13V
- consommation de nuit: 3 mA @ Vbatt = 13V
- température de fonctionnement: -30 à +50°C
- commutation jour/nuit: 18 lux (typique). Temporisation de 56s au passage nuit/jour.
- cellule extérieure recommandée: SEGOR PCV71V (5k à 100 lux, 100 M dans l'obscurité)
3) Carte 1
Cavaliers
K1 sert à allumer la lampe (fixe) lorsque la carte rythme est absente. Veiller à le retirer si la carte rythme est présente.
La résistance RP1 de 1 k protège la sortie de la carte rythme (4013) dans ce sens.
K2 permet de visualiser le défaut batterie sur une LED. Bien évidemment, cette fonction n'existe pas dans l'original
puisqu'aucun personnel n'est présent et que la consommation d'une LED est prohibitive.
Régulation
Voir la note sur le calcul de la correction de tension shunt qui explique le réseau R8, R10, R11.
Les condensateurs de compensations (C3 et C17) sont superflus avec des TS271. Ils ont été laissés sur le cuivre mais
non équipés à cause du remplacement tardif des LM4250 (impossible à approvisionner) par des TS271.
La régulation est prévue pour être stable à vide, sur charge 5W ou 20W. Une faible oscillation HF n'est cependant pas à
exclure mais ne perturbe pas le fonctionnement en continu. Il en est de même sur l'original.
A noter qu'aucun découplage n'existe sur le +12 régulé.

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12V régulés
Vgs
2,5V
R
R
1,9V I
i
I-i
V
V
Ue
Vref
Re
Vbatt
Vz Vref
Lorsque la tension batterie est contante, la régulation de
tension en fonction de la charge peut s'expliquer ainsi:
I est constant dans Re
Icollecteur = Iémetteur = I - i
Vg = Vbatt - R.(I - i)
Vsaop = Re.I + R.i
Vz = Vg - Vsaop = Vbatt - (R - Re).I
La tension Vz peut donc être donc considérée comme
constante, et tout
V en sortie de l'AOP est répercuté
sur la grille du PMOS via les résistances R d'égales
valeurs (R3 et R4 sur la carte).
Il faut pouvoir assurer une grande dynamique sur Vgs car:
- si la charge est nulle, le PMOS n'alimente que l'AOP et le pont Vgs doit être faible (de l'ordre de 3V)
- à pleine charge (1,7A), si la tension batterie est basse, le PMOS doit conduire avec un RON minimum Vgs 10V.
Vgs max est assuré quand Saop = 0 et donc Re//R:
On a alors Vgsmax =
Ue
Re
R
ReRUe
RIeR
 1
//
.
De plus, le NPN doit être à la limite de la saturation, ce qui s'écrit: Ue = Vbatt - Vcesat - Vgsmax
R étant fixé, on en tire une relation entre Ue et Re:
Re RUe
Vgs Ue
max
R est fixé à 100k
Vbattmin pour réguler = 12,5 V (12V + Vshunt + Vds)
Vgsmax = 10V et Vcesat = 0,2V Ue = 2,3V max
Pour faire plus simple, on fixe Ubase à Vref / 2 ce qui amène Ue = 2,5 - 0,6 = 1,9V
On gagne autant sur Vgsmax qui passe à 10,4V
Re 100 1 9
10 4 1 9 22k k
,
, ,
A noter que le NPN est situé sur le circuit hybride, ce qui n'était pas spécialement demandé. En conséquence, ce
transistor, qui ne dissipe rien, est à la même température que le PMOS. Les variations de Vbe (-2,2 mV/°C) sont
amplifiées par 1+R / Re et la sortie de l'AOP est donc très dépendante de la températue. En revanche, cela permet une
mesure indirecte de celle-ci, bien qu'aucun point test n'existe sur Ue.
A dissipation max, c'est-à-dire quand Vbatt = 14,4V sur lampe 20W, on a: Pdmax = (14,4-12).I = 2,4 1,67 = 4 W
La température s'élève alors de 80°C au dessus de l'ambiante.
Le connecteur 2 points (J6) est une sortie TOR pour la commande du projet BTS.
R35 (1M ) referme le SET du 4013 au 0V quand la carte surveillance est absente.
R18, R19, R31 (1M ) limitent la réinjection de courant quand les TS271 ne sont pas alimentés (jour ou défaut).
R22-R23 (5,6M ): ne pas chercher à mesurer le SET ou le RESET de U4B autrement qu'à travers un suiveur
d'impédance d'entrée presque infinie.
P2: règle le seuil de basculement jour/nuit de la LDR.
D2-R27-C12: apporte une constante de temps longue à l'extinction du feu (nuit/jour) de façon à ne pas éteindre le
feu (contrairement aux pompiers) en cas d'éclairs nocturnes. Cette tempo est de 56s dans l'original mais a été réduite
pour faciliter les tests. En revanche, l'allumage supporte d'être immédiat puisqu'il faut allumer le feu même pour des
périodes brèves (grains, éclipses).
LM385-1.2: justifié par la précision de son coude même à faible courant. Une zener 2,7V est exclue.
4) Carte rythme
CAV1: accélère la fréquence horloge du générateur de rythme pour des tests plus rapides.
cavalier absent: divise la fréquence quartz par 3277 ($CCD) horloge rythme = 32768Hz / 3277 = 10 Hz
cavalier présent: divise la fréquence quartz par 13 ($00D) horloge rythme = 32768Hz / 13 = 2521 Hz
On peut ainsi visualiser les rythmes même les plus lents avec un scope sans mémoire. De même pour les
chronogrammes fins du générateur.
R5 aurait due être enlevée. La réaction procurée par R5-R6 n'a qu'un effet négligeable (5%) vis-à-vis de la
constance de temps R6-C4. Cette dernière assure la durée d'activation de l'EEPROM et dans une moindre mesure la
durée du RESET du 4040 (égale à 8 temps de propagation d'une couche CMOS). On ne compte qu'un temps de
propagation dans les 2 portes ET car les poids faibles ne traversent qu'une couche.
Un inverseur à hystérésis (40106) ne peut pas être utilisé pour cette fonction car 2 portes du boîtier sont utilisées en
régime linéaire pour l'oscillateur à quartz.

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Chronogrammes de +RCOD et RZCTR
Une flèche représente un temps de propagation.
Comme le temps passé à monter au delà du seuil CMOS est de 4tp, le temps de redenscente jusqu'au seuil est identique
(au premier degré.) car sur une petite variation, les courants de charge et de décharge de C4 sont identiques:
I = 0,5 Vcc / R6
+RCOD
CLK 4040
(OSC)
RESET 4040
(RZCTR)
32773276 0
OUT
4040
seuil 4069
4069 4069 4040 4082
4tp 4tp
4069 4069
seuil 4069
RESET 4040
VC4 (PT1)
La durée théorique de l'impulsion +RCOD est donnée par: t = R6.C4.ln2 3,3 µs
Chronogrammes du générateur de rythmes
+RCOD
/0E/CE
CLK_D
adresses
A0-A7
adresses
A8-A11
datas
out
RZRYT
09 1
[9] [0]
0
[0]