Noteprof

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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.
Note aux professeurs
Bac STI 2004
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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
+5V
détect I
détect U
linéaire
linéaire
comparateur
comparateur
12
14.4
14.4
14.4
100k
1M
10M
10M
114µA
13.8µA
1.39µA
1.39µA
0.72mA
86µA
8.6µA
8.6µA
4V/µs
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Modifications apportée par rapport à l'original
original
Carte B187C
une carte
Régulation
AOP programmable LM4250
4 NPN + PNP de puissance (BD244)
Surveillance
AOP programmable LM4250 + pompe à
diode pour alim négative
Rythme
oscillateur RC
EPROM 27C32 alimentée 100µs toutes les
100ms à partir de Vbatt.
Carte énergie
555 bipolaire
AOP 741
projet bac
3 cartes
équivalent CMOS: TS271
NPN + PMOS
équivalent CMOS: TS271. Fonctionne
avec V+ et V- au 0V.
oscillateur à quartz
EEPROM 29F10 ou autre mémoire
faible consommation
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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Vbatt
R
V
Vgs
12V régulés
I-i
Vref
2,5V
Ue
1,9V
Vz
Vref
i
I
Re
R V
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 R ON minimum  Vgs  10V.
Vgs max est assuré quand Saop = 0 et donc Re//R:
On a alors Vgsmax = R.Ie  R
Ue
R

 1 
Ue
R // Re  Re 
De plus, le NPN doit être à la limite de la saturation, ce qui s'écrit: Ue = Vbatt - Vcesat - Vgsmax
Ue
R étant fixé, on en tire une relation entre Ue et Re: Re  R
Vgsmax  Ue
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
1, 9
 Re  100 k
 22 k
10 , 4  1, 9
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
CLK 4040
(OSC)
OUT
4040
3276
3277
0
+RCOD
seuil 4069
VC4 (PT1)
RESET 4040
(RZCTR)
seuil 4069
4tp
4tp
4069 4069 4040 4082
4069 4069
RESET 4040
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
adresses
A0-A7
9
0
0
1
adresses
A8-A11
datas
out
[9]
[0]
[0]
CLK_D
RZRYT
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Le retard de CLK_D est donné par la valeur de la constante de temps R4-C3. On a: t = R4.C3.ln2  1,5 µs. Le front de
montée de CLK_D est donc situé à peu près au milieu de l'impulsion +RCOD et le temps d'accès de l'EEPROM est ainsi
largement respecté puisque les adresses et les commandes de la mémoire sont présentes 1,5µs avant l'échantillonnage
des données par CLK_D (aux temps de propagation près).
Programmation:
Exemple: soit à coder un rythme avec allumage 0,5s et extinction 0,5s commençant à l'adresse 0. On aura la séquence de
fonctionnement suivante:
adresse
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 ....
donnée allumage (D0) 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1
donnée reset
(D1) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
Il faudra programmer la mémoire de façon suivantes:
adresses
données
00
01
01
01
02
01
03
01
04
01
05
00
06
00
07
00
08
00
09
02
0A
02
0B ....
02 ....
Le bit de reset doit être à la dernière adresse de la période.
Pour un rythme de 12s, le reset est à l'adresse 119 ($77) à partir de l'adresse de base du rythme ($X00):
Octet de remplissage
Au delà de la dernière adresse, il est recommandé de bourrer avec le bit reset actif, de telle manière qu'une adresse
invalide renvoie toujours en début de cycle. Cela peut se produire à l'apparition du +5V alors que le 4040 est dans un
état quelconque. Cela permet également, en cours d'essais, de changer de rythme à tout moment. En effet, au passage
d'un rythme long à un rythme court, il se peut que le compteur soit au delà de la dernière adresse du cycle court. Si la
valeur de bourrage est 0, il faut que le compteur reboucle de $FF à 0 avant de retomber sur des données valides. Ce
temps perdu (jusqu'à environ 24s) est évité en bourrant avec Reset actif.
Sur l'ensemble des 4 rythmes de chaque octet, la valeur de remplissage est $AA (au delà du l'adresse la plus haute des 4
rythmes).
déc. hexa
Correspondance N° rythme et adresse/données
N° de rythme
R = bit de rebouclage du rythme
= 1 à l'adresse du dernier octet du rythme
L = bit Lampe
= 1 pour lampe allumée
= 0 pour lampe éteinte
octet de
données
3
2
0
1
RL RL RL RL
7 6
5 4
3 2
1 5
adresse: $ 5XX
1 0
Adresse début
EEPROM 29F10
Bit d'adresse
17
16
15
14
13
12
11 ................. 0
Adr. hexa
Câblage
Vcc Vcc Vcc Vcc Vcc Gnd
adresse octet
Etat
X .................. X
1
1
1
1
1
0
3E.xxxx
En conséquence, sur un programmateur standard, programmer la 29F10 avec un offset 3E.0000, car les fichiers de
programmation (FEUX.HEX, S19 ou BIN) commencent à l'adresse 0.
Le câblage des adresses hautes est prévu pour être compatible avec un grand nombre de PROMs depuis la 2732.
Sur un autre type de PROM, veiller à la correspondance des broches et déterminer l'adresse début. Les PROM avec
moins de 32 broches, doivent être décalées vers le bas du support (broche GND commune).
Il n'est pas garanti que tous les types compatibles fonctionnent correctement. En particulier, la consommation doit être
faible pour ne pas écrouler le 5V qui est fourni par un AOP lui-même alimenté par une prote CMOS.
5) Carte surveillance
K1: permet de visualiser l'état du feux sur les LEDs D3, D4, D5.
D3 allumée = défaut feu, c'est-à-dire aucune lampe allumée (un feu de secours doit être mis en route)
D4 allumée = feu OK (complément de D3).
D5 allumée = le feux fonctionne sur la 2ème lampe
Chronologie de fonctionnement:
Etat
D3 (DF) D5 (2L) D4 (LA)



OK, 1ère lampe



OK, 2ème lampe
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défaut



K2: accélère l'oscillateur en mode test pour diminuer les tempo de détection de lampe HS.
K3: simule défaut lampe (ILAMPE = 0) quand on teste la carte surveillance sans la carte 1.
J2: connecteur de sortie pour télésurveillance (vers projet BTS). Fournit 3 infos TOR.
Le seuil de détection de courant lampe est fixé par R1 et R2 à 11 mV soit 0,11 A dans le shunt de 0,1 . Il correspond à
une puissance lampe de 1,3W ou RLAMPE = 110 . Pour tenir compte de l'offset de l'AOP (U1) une lampe de 2W
minimum est nécessaire pour que le courant soit détecté.
 Si ILAMPE > seuil, "I_OK" est à 1 et reset le compteur 4040 (U2) qui fonctionne en chien de garde.
 Si ILAMPE < seuil, le compteur progresse. Après 32 périodes de l'oscillateur, soit environ 25s, la bascule RS (U4) est
activée, ce qui entraine la commande de la 2ème lampe. Si celle-ci fonctionne, on repasse en , sinon, le compteur
continue sa progression, et arrive à 64 (50s en tout). On passe alors en défaut feu.
Une fois en défaut feu, la carte 1 supprime le 12V et seul le 4040 reste alimenté par Vcell toute la nuit.
De jour, Vcell est à 0. Le compteur n'est plus alimenté mais repart de 0 la nuit suivante grâce à C2 monté en dérivateur à
partir de Vcell.
La constante de temps du dérivateur R5-C2 est de 5,6 ms. La constante de temps sur Vcell est bien plus courte.
On peut l'estimer à RON du 40106 (U5, carte 1) et C10 (2,2µF) soit environ 100  2,2µ = 220 µs. La montée de
Vcell est donc bien vue comme un front par R5-C2, malgré le condensateur de découplage C10.
Le défaut feu est aussi mémorisé toute la nuit par U4A sur la carte 1 et remis à 0 de jour par R29.
La bascule RS (U4) est toujours remise à 0 en début de nuit grâce au dérivateur R11-C8 sur le 5V. On recommence
donc chaque nuit la séquence "lampe1 -> lampe 2 -> défaut". Si la lampe 1 est déjà HS, cela ne provoque qu'un retard
de 25s à l'allumage du feu.
La tempo de 25s est calibrée pour être supérieure à la durée d'obscurité maximum d'un rythme, puisque le compteur est
libéré pendant cette durée. Attention, si le cavalier K2 est mis, il se peut très bien que le feu passe en défaut pendant les
occultations.
6) Carte énergie
Cette carte ne vient pas du même constructeur que la carte B187C. Elle est de conception plus ancienne. Elle peut être
utilisée dans d'autres équipements que des feux maritimes, et inversement la carte B187C n'est pas forcément associée à
ce type de carte énergie. Ce sont les raisons pour lesquelles le souci de consommation minimale n'est pas aussi évident
que dans mes autres cartes. Malgré tout, dans le but de respecter la cohérence de l'ensemble du projet, nous avons
chercher à réduire également la consommation de cette carte.
La carte énergie fonctionne comme un régulateur d'automobile:
 tant que la tension batterie est inférieure au seuil de 14,4 V, le relais est inactif et le panneau solaire charge.
 quand Vbatt atteint 14,4 V, le relais est activé pendant une durée de 12s environ. Le panneau solaire se retrouve
déconnecté et la batterie se décharge. Au bout des 12s, on revient en .
La durée de décharge est fixée par le monostable TCL555. Dans le schéma original cette durée est de 2 mn. Elle a été
divisée par 10 pour observer plus facilement le comportement du régulateur. De plus la batterie du projet est de capacité
beaucoup plus faible et doit donc être déchargée pendant un temps plus court.
Lorsque la batterie est chargée, le temps de charge devient très court car la remontée en tension est très rapide.
fin de charge
12 s
12 s
12 s
14,4 V




P1 règle la tension de charge (14,4 V nominale)
P2 règle le seuil d'apparition du défaut "batterie basse" (VT- = 10,5 V).
P3 règle le seuil de suppression de défaut "batterie basse" (VT+ = 11,5 V).
R14 (22) sert à décaler l'alim négative du 358 de façon à ce que l'AOP démarre toujours avec V- < V+ même
compte tenu de l'offset.
Avec la résistance, Voutlow  10mV + R14.Icc  30mV
V- = 0V
Note aux professeurs
Bac STI 2004
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




V+  30mV  R3 / (R2+R3) > 5mV ce qui est la valeur max de l'offset du 358.
Sans cette résistance, il se peut que l'AOP trouve un point de stabilité avec Vout  10mV.
La zener D3 (5,1V) fonctionne à 1mA pour réduire la consommation. La tension fournie n'est donc pas prédictible
avec certitude, mais cela n'a pas de conséquence sur l'ensemble, les circuits fonctionnant tous jusqu'à 5V. En
revanche on peut en attendre une bonne stabilité, ce qui est nécessaire pour les seuils de tensions.
La LED D6 indique "batterie basse"
La LED D5 indique "batterie en décharge", c'est-à-dire tempo active. Sa consommation, ainsi que celle du relais
n'est pas génante puisqu'on cherche précisément à délester la charge.
R15 réduit le pompage qui peut survenir quand on teste la carte avec une simple alimentation à la place du panneau
solaire et sans batterie tampon, par exemple pour régler les seuils de défaut.
Voici ce qui se passe quand on augmente lentement l'alimentation à partir de 0V:
- tant qu'on a pas atteint une tension suffisante, la sortie du 555 est à 1 mais le relais ne colle pas.
- en continuant à augmenter la tension, le relais finit pas coller
- les contacts s'ouvrent et suppriment Vbatt, mais le Reset par R15 agit ce qui remet immédiatement le relais au
repos et rétablit Vbatt. D7 permet également d'empêcher le relais de coller quand /Q du 4013 est à 0.
Sans cette protection, le cycle recommence, et le relais oscille à une fréquence telle qu'il ne résiste pas longtemps.
D1 est en technologie Schottky pour limiter la perte de puissance fournie par le panneau solaire.
7) Carte élève
La carte élève est la carte associée au changeur 6 lampes.
Le changeur se branche en lieu et place de la lampe 1. Il est donc alimenté au rythme du feu.
Il possède sa propre détection de courant lampe. La détection de la carte surveillance est néanmoins active pour détecter
éventuellement un défaut feu quand les 6 lampes seront grillées.
On peut considérer que la carte fonctionne comme un OU pour le courant, car lorsque le 12V est présent, si le courant
ne passe pas dans la lampe, alors il passe dans la bobine de l'électro-aimant.
Fonctionnement en cas d'une ou plusieurs lampes HS:
 L'électro-aimant est activé tant que le courant ne revient pas dans la lampe suivante, et pendant une durée maximum
de 50s au delà de laquelle la carte signalisation met le feu en défaut.
 Si le feu est clignotant, toutes les lampes sont explorées les unes après les autres à chaque allumage du feu jusqu'à
trouver une lampe bonne, car l'électro-aimant retombe de lui-même par absence de 12V pendant les occultations ce
qui permet au mécanisme d'avancer. Ce processus ne peut toutefois pas dépasser 50s.
 Si le feu est fixe, et que la nouvelle lampe est HS, l'électro-aimant ne retombe pas et le mécanisme reste bloqué sur
cette lampe sans explorer les autres. Ce n'est qu'après la tempo de 50s que l'électro-aimant est libéré et le feu mis en
défaut.
Conclusion, l'électro-aimant doit pouvoir supporter 12V pendant au moins 50s.
Dans l'objet technique réel, le changeur est branché sur la lampe 2 de façon à limiter à 25s la durée maximum d'activité
de l'électro-aimant. Il faut dire que la bobine de celui-ci fait seulement 3,3 ce qui entraîne un échauffement beaucoup
plus rapide. Le shunt fait 1. Si on ajoute le RON de l'interrupteur lampe 2 (IRF9530 Q3 de la carte 1) la lampe ne doit
recevoir qu'un peut plus de 10V.


La valeur de détection de courant fixée à 0,25 A (lampe 3W min) de façon a utiliser indifféremment des lampes 5
ou 20W.
Avec le shunt de cette carte, la lampe ne voit plus que 11,8V ce qui n'est pas gênant compte tenu de la
caractéristique de la lampe.
8) Schémas et simulation sous MicroSim V6.0
7 schémas sont fournis au format Microsim:
PHARE0.SCH
Schéma de la régulation lampe avec LM4250 montrant l'appel de courant à l'allumage.
PHARE1.SCH
Carte principale 1
PHARE2.SCH
Carte rythme (avec simulation)
PHARE3.SCH
Carte surveillance
PHARE4.SCH
Carte énergie
PHARE5.SCH
Carte élève
CHANGEUR.SCH Schéma original du changeur de lampe (avec simulation)
Simulation sous MICROSIM V6.0
Pour simuler un schéma, allez dans le répertoire MSIM60.BAC du CDROM et exécuter INSTMSIM.BAT.
Note aux professeurs
Bac STI 2004
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Instmsim.bat copie MSIM.INI dans votre répertoire C:\Windows, MSIM1.DLL dans le répertoire C:\Windows\System
et tout le répertoire MSIM60.BAC dans votre disque dur C:\ car on ne peut pas simuler sur CDROM.
Aller dans C:\MSIM6.0 puis exécutez PSCHED.EXE. Ouvrir le fichier EXAMPLES\PHARE0.SCH et frapper F11.
Pour PHARE2.SCH, un rythme cours (N°20) a été choisi et le cavalier d'accélération est mis (propriété SET=1).
9) Evolution technique
Le régulateur 5V (TS271 + LM385) pourrait être remplavé par un régulateur faible consommation 8 broches comme le
MAX663 (ou ICL7663). Il consomme 6µA typ, 12µA max.
Toute la carte générateur de rythme pourrait être réalisée avec un microcontrôleur PIC16C54 ou 16F54. Il consomme
50µA sous 5V et à 32kHz.
Note aux professeurs
Bac STI 2004
10
10) Mesures
Ref 0V = point test GND, alim 2+2A
Vbatt, UL, COM pris sur bornes de la carte, au Beckman 2000pts ou au multimètre 20000Pts (*)
Vryth/2 = 2,45V
Tf = Température finale stabilisée
Vbatt
Charge UL1
L1-VCOM VCOM
VsAOP Vg
T
13
0
11,99* 11,987*
0*
20
13
5W
12,04* 11,989*
49,5mV*
Tf
13
20W
12,24* 11,995*
243,4mV*
Tf
15
20W
11,993*
Tf
12,67
20W
11,994*
12,63
20W
11,990*
12,76
0
12,02
7,52
9,52
20°C Vgs = 3,25V Vbe = 0,54
14,4
20W
9,5
20°C
7,16
9,7
Tf
Vgs = 4,7V Vbe = 0,361
12,7
20W
44,4
1,95,55 20°C démarrage
intermédiaire
6,81
Tf
chaud
4,5
6,5
Consommations
Carte régul:
nuit:
Totale
jour:
B187
jour
Chutes de tensions:
borne Vbatt:
fusible, amont:
fusible, aval:
Vsource:
Note aux professeurs
1mA, sans lampe, sans LDR, Vbatt = 12,76V
3,51mA total, Vbatt = 12,87V
1,04mA avec RLDR = 10k
33µA avec RLDR = 470k
14,4
14,39
14,37
14,33
VCOM:
Vsh:
0,249
0,225
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11
Calcul de la correction de tension shunt.
Dans la régulation de tension lampe, la réaction par l'entrée V+ permet de compenser la chute de tension dans le shunt de
0,1 . Ainsi, c'est UL qui est régulé à 12V et non Vs.
Vi est la tension aux bornes du shunt (image du courant dans la lampe). Vi = 0,1  IL.
Remarque importante: dans les schémas structurels ci-dessous, l'AOP inclut le NPN en base commune
(non-inverseur) et le PMOS de puissance (inverseur) du chéma complet. Ces 2 transistors ajoutant une
inversion dans la boucle, les entrée V+ et V- on été renommées de façon à correspondre à leur rôle.
Figure 1: schéma complet du montage
Figure 2: schéma avec Vref, R, R2 remplacés par leur
équivalent de Thévenin Vth et Rth = R // R2.
Vs
Vs
Vref
Vth
R3
R3
UL
UL
R
Rth
R1
R4
R1
Vi
R2
Vi
R4
Le montage a 2 entrées: Vref et Vi. Etant linéaire, on peut mettre Vs sous la forme: Vs = A.Vref + B.Vi
Sur la figure 2, cela donne Vs = A'.Vth + B.Vi = UL + Vi.
Il suffit donc que B=1 pour obtenir ce qu'on cherche, autrement dit que le gain vis-à-vis de Vi soit de 1.
On calcule B en posant Vth = 0:
V   Vi
Rth
Rth  R1
R3    R 4  R3   Rth 

Vs  1 
V  
.
Vi  B.Vi
R4 

 R 4   Rth  R1 

On trouve que B = 1 quand
R3
R1

R 4 Rth
En réintroduisant R et R2 à la place de Rth, on obtient
R3 R1.( R  R2 )

R4
R. R2
(1)
La deuxième contrainte, sur A permet de trouver R:
On calcule A en posant Vi = 0

UL = A.Vref
R1 / / R2
R1. R2

V  Vref
 Vref
R  R1 / / R2
R.( R1  R2 )  R1. R2
A
UL
Vref

R1.R 2
R3 

1 

R.( R1  R 2)  R1.R 2 
R4 
(2)
R3 R. R2  R1.( R  R2 ) R.( R1  R2 )  R1. R2


R4
R. R2
R. R2
R1
En remplaçant la parenthèse dans (2), il vient A 
(quelle que soit R2)
R
or d'après la condition (1):
1
UL
12

 2, 4
Vref
5
En prenant R = 1, on a R1 = A.R = 2,4
Application numérique: A 
Ce résultat n'est pas surprenant quand on observe que R et R1 "pèsent" de façon proportionnelle aux gains respectifs
demandés sur Vi et Vref (sommation en courant dans R2).
R3 R1
2, 4
Choisissons R2 = 2,2
 Rth = R // R2 = 1 // 2,2 = 0,688 


 3, 49
R4 Rth 0, 688
Si R3 = 1, on obtient R4 = 0,286
Résumé
Valeurs théoriques
Valeurs adoptées
R
1
1
R1
2,4
2,2
R2
2,2
2,2
R3
1
1
réglage
0
0,1
R4
0,286
0,27
Toutes les valeurs de résistances sont en M.
Note aux professeurs
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Schéma d'interconnections du projet
Changeur 6 lampes
PANNEAU SOLAIRE
CARTE
RYTHME
CARTE
SURVEILLANCE
K1
fréq.
K1
LED
DF
CARTE ENERGIE
TEST
2L LA
I=0
K3
fréq.
K2
Déch.
Niv.B
Vbatt Vt- Vt+
K1-RYT
K2-LED
J/N
P2
VtP3
J6
Vt+
P4
CARTE ELEVE
DA
LDR
BATTERIE
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CARTE PRINCIPALE (1)
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