dossier TITI

Travaux Dirigé
Emetteur-récepteur
SOMMAIRE :
1.
Introduction
2. Emetteur
3.
Récepteur
4. Essais et mesures
5. Typon et schéma
6. Devis émetteur et récepteur
1.
Introduction
1.1
Objectif
Le but est de commander différents types de récepteur électrique capable d’actionner des charges
en 220v par
l’intermédiaire d’un seul émetteur Infra Rouge I.R de façon
Manuel, mais aussi d’un PC.
L’utilité est de déclencher des appareils sans placer de goulottes ou de refaire des saignées
électriques. Le récepteur
permet de commander des portails ,des lumières, des systèmes
de façon manuelle ou automatique. Mais, il sera possible de modifier cet émetteur, récepteur pour
effectuer des barrières infrarouges pour compter des objets ou encore déclencher des appareils
photos ou tout simplement pour sécuriser un endroit. Les applications sont trop nombreuses pour
être présentées de façon exhaustives. Pour présenter simplement un système, on utilise le schéma
fonctionnel de niveau 2 du système est représenté sur la page 5.
1.2 Cahier des charges technique

L’émetteur devra pouvoir rentrer dans un boîtier 50*100mm
 Le récepteur devra pouvoir rentrer dans un boîtier 80*110mm
 L’émetteur sera alimenté par une pile 9v, 150mA.h
 La longueur d’onde en infrarouge sera de 950 nm
 La distance de réception devra être de 10 m au minimum dans un endroit perturbé
 La consommation de l’émetteur devra être la plus faible possible
 La liaison de télécommande avec le PC sera effectuée par la liaison RS 232
 Le signal émis par infrarouge sera pour une porteuse de 56 Khz
 L’émetteur devra pouvoir commander au minimum 3 récepteurs différentes (3 canaux)
 Le PC réalise une de ces 3 fréquences par programmation avec le port sériel 9 broches
 Lorsqu’on appuiera une fois sur la télécommande la charge devra être alimentée. Lorsqu’on
réactionnera la télécommande, alors la charge ne sera plus alimentée.
1.3 Le schéma fonctionnel de niveau 2
2.
Emetteur
2.1 Multivibrateur avec une seule porte inverseuse
trigguerisé FE1
La documentation du constructeur de la
porte trigguerisée indique que l’hystérésis
entre l’état logique haut (Vp=5,2V) et bas
(Vn=4,2V) est de 1V pour une alimentation
de 9V.
Le choix de la résistance ainsi que du
condensateur vont imposer la fréquence.
Dans un premier temps, on négligera R1.
Fig. 3 : astable
Expression de la charge du condensateur C2 en fonction du temps:
=R2.C2=10ms
Uc(ton)=vdd+(Vn-vdd)exp.(-ton/) =Vp
On en déduit => ton= -.ln(Vp-vdd/Vn-vdd)
ton=temps de la charge de C2
ton=2,33ms
Expression de la décharge du condensateur C2 en fonction du temps:
Uc(toff)=Vp.exp.(-toff/)=Vn
=R2.C2=10ms
On en déduit => toff= -.ln(Vn/Vp)
toff= 2,13ms
toff=temps de la décharge de C2
Période du signal de sortie:
T=ton+toff= -R2.C2.(ln(Vp-Vdd/Vn-Vdd)+ln(Vn/Vp)) => T=4,46 ms
K=(ln(Vp-Vdd/Vn-Vdd)+ln(Vn/Vp)) =>
K= -0,447
f=1/T=1/-R2.C2.(ln(Vp-Vdd/Vn-Vdd)+ln(Vn/Vp)) =>
f=224Hz
Calcul de f pour R2=3856 , C2=1F Vp=5,2v , Vn=4,2v vdd= 9v
f=1/-R2.C2.K => f=580 Hz
Tensions Vs1 et Vs2 en fonction du temps
Calcul pour une fréquence désirée de la nouvelle valeur de R2’
1/f=R2.C.K
1/f’=R2’.C.K
avec K= - 0,447=f(Vn,Vp,vdd)
R2’= f.R2/f’
Calcul de la puissance absorbée par la porte pour une fréquence de 580Hz
P(w)=(6000.fi+ fo.Cl.vdd²).10^-12
fi(Hz)=fréquence d’entrée ; fo=fréquence de sortie ; Cl=capacité de charge=50pF
P(580)=(6000.580+580.50pF.9²).10^-12= 580(6000+50pF.9²).10^-12=3,48Watt
 3,48µW<< 3 mW (TTL) donc le choix de la technologie CMOS par rapport à la
TTL est bien choisi puisqu’ elle consomme moins de puissance
Influence des diodes D1 et D2
 On peut modifier le rapport cyclique(=ton/T) grâce aux diodes D1 et D2 (voir schéma
structurel).
 En effet, la charge s’effectue part la diode D2 et la décharge se fait par la diode D1.
Choix de la résistance R1
 Lorsqu’il n’y a pas de bouton poussoir actionné de l’émetteur , il faut que la sortie Vs2 soit
imposé à ###1### pour ne pas avoir d’émissions. Donc la résistance R1 permet d’imposer le niveau
logique ###0### à l’entrée de la porte . Pour ne pas perturber le multivibrateur , il faut que la
résistance R1 soit bien supérieur à la résistance de contre réaction .
Par conséquent , le choix de la valeur R1 sera de 100K
2.2 Multivibrateur à deux portes inverseuses FE2
Il est possible de réaliser un
multivibrateur avec 2 portes non
trigguerisé.
On considérera que Vs4 est à l’état
logique "1". La fréquence dépendra
moins de l’hystérésis.
Fig. 4 : astable
Evolution de la tension Vs5 (C2 chargé à -5,2v; Vs6=‘O’ ;Vs7=‘1‘)
Vs7=Vc+Vs5 => Vs5= Vs7- Vc
Vs5= - (- Vp - vdd) .exp.(-t/)
Pour t1 : Vs5=Vn=4,2 v
Vc= Uf+(Ui-Uf)exp.(-t/)
Vs5(t=0)= 14,2 v
=R7.C2= 10 µs
Vs5(t=) = 0 v
t1= - ln (Vn/Vp+vdd)= 10,22µs
Vc(t1)=Vs7-Vs5=9-4,2= 4,8 v
t1: temps qui permet d’inverser l’état logique de Vs6,Vs7
Evolution de la tension Vs5 (C2 chargé à vdd- 4,2 v= 4,8 v ; Vs6=‘1’ ; Vs7=‘0‘)
Vs5=Vs7-Vc
Vs5(t=0) = -4,8 v
Vc= - (Uf+(Ui-Uf)exp.(-t/)) Vc = vdd - (vdd - Vn+vdd).exp.(-t/)
Vs5(t=) = -9 v
 Lorsque Vs4=‘0’, alors le multivibrateur ne fonctionne plus et les tensions seront égales à
Vs6=‘1’, et Vs7=‘0’. Donc , le transistor reste bloqué et il n’y a pas de courant dans la LED
infrarouge .
 La résistance R6 sert à limiter le courant d’entrée de la porte lorsque la tension Vs5 est
inférieure à 0v ou supérieure à la tension d’alimentation vdd .
2.3 Multivibrateur à Ampli opérationel (A.O.P) FE1
A la place d’utiliser des portes
logiques, il est possible
d’utiliser un A.O.P . Le
montage est représenté sur la
figure suivante.
L’A.OP est utilisé comme
trigger, les valeurs des
résistances
R 4,
R5, R3
permettent
de
fixer
l’hystérésis ce qui peut être
intéressant car la fréquence
sera fixée plus précisément.
Donc,
sans
ajustement.
Remarque l’alimentation de
l’A.O.P est unipolaire, donc la
résistance R4 permet de centrer
l’hystérésis autour de VDD/2.
Détermination de la tension V+ :
figure 5
V+ = (vdd/ R4+0/R3+Vs2/R5)/(1/R3+1/R4+1/R5)
(Millmann)
V+ =[(vdd.R5+Vs2.R4).R3]/(R4.R5+R3.R4+R3.R5)
Application numérique pour Vs2=vdd= 9 v , R3=R4=10K , R5= 5 K
V+ = 6,75 v = Vp
Application numérique pour Vs2= 0v , vdd= 9 v , R3=R4=10K , R5= 5 K
V+ = 2,25 v =Vn
Equation de la charge du condensateur
Vc(ton) = vdd+(vn - vdd).exp.(-ton/)= Vp
 = R2.C2 = 0,784 ms (R2= 784  ,C2= 1µF)
ton = - ln (Vp-vdd)/(Vn-vdd) = 861 µs
Equation de la décharge du condensateur
Vc(toff) = Vp.exp.(-toff/  ) = Vn
 = R2.C2 = 0,784 ms (R2= 784  ,C2= 1µF)
Toff= - ln( Vn/Vp) = 861 µs
Période du signal de sortie
T= ton+toff= -R2.C2.[ln((VP-vdd)/(Vn-Vdd))+ln(Vn/Vp)] = 1,722 ms
La période T est proportionnelle au facteur -R2.C2 de la façon suivante :
-R2.C2. F(vdd, Vp , Vn )
On déduit la fréquence de sortie F= 1/T F= 1/(ton+toff) =580 Hz
(puisque T est proportionnelle à -R2.C2 , F l’est donc aussi)
Les différents fonctionnement du montage (figure 5)
 Lorsque BP1 est actionné ,le montage se comporte comme un astable alors la tension Vs2
est fonction de la charge et de la décharge du condensateur C2 donc l’étude a était sortie au
préalable.
 Lorsque BP1 n’est pas actionné , le montage se comporte alors comme un comparateur à
hystérésis où la tension de sortie ne peut prendre que deux valeurs soit 0v ou 9v (on n’en déduit
les seuils de basculement). Dans ce cas ,il n’y a pas d’émission I.R . Il y a émission I.R lorsque
F=580 Hz donc lorsque le montage fonctionne en astable. (Puisque F est proportionnelle a la
constante de charge = à celle de la décharge -R2.C2).
2.4 Connections au port sériel de la télécommande FE4
Expression de la résistance R18
Loi des mailles : Vce+vd+R18.Ic+Valim=0
Valeur de la résistance:
R18=(Valim-Vce-vd)/Ic
R18=(9-0,5-2,4)/20.10^-3= 305  R18 normalisé = 330  10%
Puissance dissipée :
Pd= R18.Ic²(+10%) = 160 mW => ¼ W (on choisit une ½ W pour le coût)
Expression de la résistance R19
Loi des mailles : Vdtr-R19.Idtr-Vbe=0
Valeur de la résistance : R19= (Vdtr-Vbe)/Idtr
R19= (10-0,7)/ 10.10^-3 = 930
R19 normalisé= 1K  10%
Puissance dissipée:
Pd= R19.Idtr²(+10%)= 120 mW => ¼W
2.5 Emissions de la lumière infrarouge FE3
 Les diodes électroluminescentes transforment des impulsions de courant en lumière infra-rouge
dont la longueur d’onde est choisie arbitrairement à 950 nm. Pour se situer rappelons que l’œil
humain voit les couleurs situées de 400 à 750 nm.
Les caractéristiques principales de la LED sont :
Vf= 1,3v If= 100 mA Ifs(100µs)= 1A = 950 nm avec D= 55 nm e= 15 mW
 Etant donné que le rapport cyclique de la porteuse qui alimente la LED est d’environ de 0,5
alors le courant Iforward et Iforward surge peuvent être doublé. En effet, l’échauffement provoqué par le
rapport sera 2 fois moins importante avec un rapport cyclique de 0,5. Par conséquent, le courant
dans la diode peut avoir un courant max de 2A pendant 100 µs ce qui permet d’avoir une
puissance I.R très importante pendant un court instant puis de faire passer le courant moyen de
100mA, donc d’amplitude de 200mA.
3.
Le récepteur
 Les critères les plus délicats pour la réception sont la sensibilité et l’immunité aux sources
parasites. En effet, les sources perturbatrices sont nombreuses. Toutes sources de chaleurs rayonne
une quantité I.R avec une grande largeur spectrale. Ainsi les lampes à incandescences sont prévus
pour rayonner de la lumière visible mais, elle émettent encore bien plus dans l’infrarouge.
Mentionnons aussi la lumière solaire , c’est quand même la plus forte source d’infrarouge. Ces
deux dernières émettent de façon régulière continue. Il faut souligner l’importance des sources
d’impulsions. Par exemple l’allumage d’un briquet qui provoque une véritable rafale
d’impulsions. Mais aussi , les tubes fluorescents qui sont excités 100 fois par seconde, au rythme
des alternances du réseau.
 La tache de réception est confiée à des diodes photosensibles. Les impulsions lumineuses I.R
reçue se traduisent par des petites variations de courant à travers une photodiode. Ce signal doit
être amplifié, filtré par différent étage successif puis démodulé . Ici , nous avons choisi un photo
module qui va filtrer , amplifier et démoduler la lumière reçue.
3.1 Récepteur et détecteur de porteuse FR1
 Remarque s’il y a une trop forte émission d’infrarouge sur le photo module celui-ci deviendra
aveugle pendant un certains temps (effet de la rémanence). Par conséquent , il faudra éloigner le
récepteur pour minimiser cet effet ou couper l’émission pour une remise à zéro du photo module.
3.2 Le détecteur du canal FR2
Maintenant que le signal de la porteuse est détecté, il faut un système pour reconnaître les
fréquences correspondantes aux trois canaux . Plusieurs possibilités s’offrent à nous ;
- Avec deux mono stables et une bascule D qui va permettre de détecter une fenêtre de fréquence
- Avec un oscillateur contrôlé en tension ( V.C.O voltage control oscillator) qui permettra de
détecter le canal .
 C’est ce dernier principe qui va être utilisé par l’intermédiaire d’un « décodeur de tonalité »
NE567. Il faut déterminer 5 composants externes C4, Rv1, R3, C2, C3. Donc pour ce circuit
spécialisé, le plus dure est encore une fois de chercher les informations dans la doc. Constructeur.
Mais avant de déterminer ces 5 composants , il faut savoir que le signal du décodeur doit être
compris entre 0,2v et 0,5v et avoir un rapport cyclique de 0,5 , sinon le VCO ne fonctionnera pas
correctement. Par conséquent , une bascule D va être placée entre le photo module rt le NE 567
pour toujours avoir un rapport cyclique de 0,5 mais , la fréquence en sortie sera divisé par 2 par
rapport à la fréquence du canal.
 En effet, lors de chaque front montant Ck, la sortie de la bascule recopie l’entrée D or comme
l’entrée D est relié à la sortie inversé, il y aura bien inversion de la sortie à chaque front montant
donc la fréquence en sortie sera divisé par 2 par rapport à l’entrée Ck.
 Un courant de 30 mA pour alimenter le circuit CMOS 4093 est bien trop important. Par
conséquent , on choisira une résistance de 10K pour minimiser la consommation de courant
venant de l’alimentation.
 Remarque: Lorsque le NE 567 ne détecter pas de signal, la sortie reste à l’état ‘1’ .
3.3 Le commutateur à relais FR3
 Il faut un système bistable (télé rupteur ) réarmable après un certain temps. Pour cela, on va
utiliser encore une bascule D. En effet, lors de chaque front montant Ck, la sortie de la bascule
recopie l’entrée D. Or, comme l’entrée D est relié à la sortie inversé, il y aura bien inversion de la
sortie à chaque détection d’émission. Grâce au circuit R5, C5, le changement d’état prendra un
certain temps.
 Les circuits CMOS peuvent sortir un courant de 6mA et ne peuvent pas commander directement
un relais qui demande un courant de 50 mA pour les petits. Par conséquent un transistor
(amplificateur de courant) fonctionnant en commutation doit être utilisé. Donc, il faut faire un
choix de transistor pour commander le relais qui a pour caractéristique: R= 80 , Imax=5A,250v
 La diode D1 est appelée diode de roue libre. Elle permet de décharger la bobine de l’inductance
du relais quand le transistor ce bloque. Elle doit pouvoir supporter le courant qui passe dans le
relais et supporter l’énergie que la bobine a emmagasinée. De plus, la diode évite la surtension
Vcc du transistor provoqué par la bobine du relais lorsque le transistor se bloque.
 Il y a une autre possibilité pour alimenter la charge électrique que d’utiliser un relais
(interrupteur dynamique commandables) et de se servir d’interrupteur statique (triac U5 sur le
schéma de principe).
3.4 L’alimentation du récepteur FR4
 L’alimentation du photo module demande une alimentation en 5v. Donc, un régulateur de
tension sera utilisé. Celui-ci fonctionne avec un transistor ballast interne ce qui implique un
courant de sortie. Par conséquent, la puissance dissipée correspond à l’équation suivante :
P=(Vi-Vo).Ialimen
Cette puissance dissipée demande souvent l’utilisation d’un dissipateur thermique à rajouter sur le
régulateur.
Lors d’un essai, nous avons mesuré un courant maximal absorbé par le récepteur de 100 mA sous
5 V.
 Si l’on veut raccorder le récepteur à la tension secteur, il est possible de ne pas utiliser de
transformateur abaisseur car le récepteur ne consomme peu de puissance (<10W). Dans notre cas,
la diminution de tension est effectué par le condensateur C9 et C10.
- Les résistances R12 et R13 permettent de décharger C9 et C10 quand on débranche le récepteur.
- La résistance R14 permet de limiter la pointe d’intensité lors de la mise sous tension alors que
les condensateurs C9 et C10 sont complément déchargés.
- Lors de l’alternance positive, le courant traverse la diode zener D4, charge le condensateur C6,
puis D6, C9 et R10 en circulant de L1 vers L2. Ainsi C6, se charge sous la tension zener de 9,1v.
- Lors de l’alternance négative, le courant traverse d’abord R10 et C9 puis déboucle dans D5.
Donc, D4 est bloqué ce qui permet de ne pas décharger C13.
3.5 Le commutateur à Triac
 Le fusible est présent contre les surintensité et pour limiter la puissance du récepteur. Mais, la
charge électrique demande une pointe d’intensité. Donc, il faudra mettre un fusible lent ou
temporisé. Cela ne convient pas au triac qui aura largement le temps d’être détruit avant le fusible.
C’est un problème cornélien. Etant donné, que le triac n’a pas de refroidisseur, il est fortement sur
dimensionné. Et dans ce cas, on peut utiliser la règle empirique que le fusible soit égal à 1/3 de la
valeur maximum du fusible.
 Donc le triac BT 151 a les caractéristiques suivants :
I Max = 6 A; V A1 A2 = 500 v aura pour fusible 2 A type F (fast).
Et la charge maximale à commuter aura une puissance apparente de 220*2=440 VA.
 Le commutateur à triac ainsi que l’alimentation ne sera pas réalisée.
4. Essais et mesures
4.1 Essais et mesures pour l’émetteur
VS1
théorique
VS2
###0###
=0
VS3
###1###=
9
v
v
F
théorique
(Hz)
R
théorique
()
VS4
###1###=9
v
VS7
###0###=
0
###0###=
VS8
0
###1###=
9
v
v
v
Modifier
De la
résistance
Nouvelle
F mesure
(Hz)
Indiquer le
Rapport
cyclique
pratique
BP2
580
BP1
370
4.7 K
BP3
860
1.8 K
F
Mesure
(Hz)
580
I alimentation sans émissions I.R
I alimentation avec émission I.R
4.2 Essais et mesures pour le récepteur
VE1
théorique
###1###
=5 v
VE3
VE5
###1###=5v
###0###=0v
VE6
###1###=5v
pratique
Canal désiré
(Hz)
R théorique
()
(RV1+R3)
F mesure
(Hz)
Modif de la
Résistance
(RV1+R3)
Nouvelle
F mesure
(Hz)
4.3 Essais et mesure en binôme
F0 (Hz) b5
Du NE567
F maxi (Hz) pour
Le réception
F mini (Hz) pour
La réception
Bp(%)=
Fmini-Fmaxi/F0
Fréquence de votre
Photo module
F maxi (Hz) VE11
Pour la réception
F mini (Hz) VE11
Pour la réception
Bp(%)=
Fmini-Fmaxi/Fphoto
I alimentation 9v sans
Émission I.R
I alimentation 9v
avec
Émission I.R
I alimentation 5v sans
Émission I.R
I alimentation 5v
avec
Émission I.R