Projet ICN5 2016/2017
Sommaire |
Participants
- Gabrielle REDON
Cahier des charges
L'objet final sera constitué des composants ci-dessous.
- une broderie de type mandala ;
- un micro-contrôleur comme un Arduino Lily-Pad ;
- un dispositif électronique à base de registres à décalage pour commander un grand nombre de LEDs ;
- de LEDs dissiminés sur l'ensemble de la broderie ;
- un capteur de type accéléromètre peut être ajouté pour commander des comportements différents.
Réalisations
Disposition des LEDs sur le mandala
Pour simuler la répartition des LEDs sur la mandala, le logiciel géogébra a été utilisé.
Le programme géogébra est : Fichier:Mandala LEDs.ggb.
Le dessin obtenu est :
Les groupes de LEDs :
Test du dispositif électronique
Les registres à décalage sont des composants qui permettent d'obtenir un grand nombre de sorties numériques. Les valeurs de ces sorties peuvent être positionnées avec un petit nombre de sorties du micro-contrôleur. Dans le cas des registres à décalage 74HC595 que nous allons utiliser il suffit de 3 sorties pour pouvoir programmer les sorties du registre à décalage. De plus, il est possible d'enchaîner autant de registres à décalage qu'on le souhaite. Ici nous allons enchainer 3 registres pour un nombre total de sorties de 24. Nous pourrons ainsi commander 24 groupes de LEDs.
Voici le montage sur plaque d'essai pour trois 74HC595 en cascade.
Par ailleurs nous souhaitons commander plusieurs groupes de LEDs avec une seule sortie. Or une seule sortie d'un registre à décalage ne permet pas d'alimenter plus qu'une LED. Il faut donc utiliser des transistors pour alimenter plusieurs LEDs avec une seule sortie.
Le montage d'utilisation d'un transistor NPN est donné dans ce schéma emprunté au site http://www.electronique-radioamateur.fr.
Dans notre cas le transistor utilisé est un classique BC547 tiré d'un kit Arduino. Ce transistor peut encaisser un courant de 100mA sous une tension de 45V. La tension maximale est sur-dimensionnée par rapport à la pile de 9V que nous utilisons. Par contre le courant est assez limité. Considérant que nos LEDs consomment 20mA sous une tension de 1,8V, nous voyons que nous pouvons seulement alimenter cinq groupes de LEDs, quatre pour avoir une marge de sécurité. Par contre il est possible de commander plusieurs LEDs en série par groupe, le courant consommé sera le même. Il n'est pas possible de mettre un nombre infini de LEDs en série. En effet, le voltage total ne doit pas dépasser celui de l'alimentation, 9V ici. Le transistor lui-même nécessite 0,2V pour fonctionner, il reste 8,8V pour les LEDs, de quoi alimenter quatre LEDs en série. Nous nous contenterons ici d'en mettre trois.
Pour en revenir au schéma nous avons V=9V, VSAT=0,2V, VDEL=1,8V et IDEL=20mA. La loi d'Ohm, U=R.I, impose donc une résistance R2=(9-0,2-3*1,8)/0.02. Soit 170 Ohm. Dans le montage des résistances de 220 Ohm sont utilisées, les LEDs ne sont donc pas à leur brillance maximale.
La résistance R1 sert à limiter le courant arrivant sur la commande du transistor, c'est à dire sur sa base. Cette limitation est nécessaire pour éviter de griller le composant. Attention le courant doit tout de même être suffisant pour mettre le transistor en mode saturé où il se comporte comme un interrupteur. Pour connaître le courant minimum à appliquer, il suffit de diviser le courant qui doit circuler à travers le transistor, du collecteur à l'émetteur par le gain du transistor. Prenons un gain de 100 pour un BC547 générique, sachant que nous allons faire circuler un courant d'environ 80mA dans le transistor, il nous faut un courant minimum de 0,8mA sur la base du transistor. Cela dit, la fiche technique recommande un courant de 5mA pour obtenir un VSAT de 0,2V. Donc, sachant que le transistor est commandé en 5V par un Arduino, la loi d'Ohm impose une résistance R1=5/0,005. Soit un R1 de 1000 Ohm.
Voici le montage sur plaque d'essai pour allumer 12 LEDs avec une seule sortie en utilisant un transistor (insérer une photo).
Et ça marche :
Toutes les LEDs contrôlées par le transistor sont bien allumées mais comme elles ne sont pas du même type l'appareil photo ne montre que les plus brillantes.
Circuit électronique
Pour pouvoir prendre le moins de place possible sur la broderie, il faut concervoir un circuit imprimé avec des composants de surface.
Ce circuit imprimé est assez complexe. En voici une première version : Fichier:Mandala.fzz.
Plaque d'essai
Schématique
Circuit électronique
Il faut aussi réaliser des circuits imprimés pour les LEDs. Pour éviter de la dissipation d'énergie par effet joule (chaleur) il est préférable de monter les LEDs en série puis de mettre des groupes de LEDs en parallèle. Ci-dessous une version de ce circuit pour des LEDs uniformément distribuées avec des modèles différents pour les début, milieu et fin de chaîne : Fichier:PorteLEDs.fzz.
Plaque d'essai
Schématique
Circuit électronique
Il est aussi possible de concevoir un unique modèle de circuit imprimé pour porter les LEDs isolés Fichier:GenericPorteLEDs.fzz.
Les composants que nous utilisons pour les circuits imprimés sont des composants de surface : des LEDs bleues KPL-3015QBC-D et des transistors MMBT3904.
Les LEDs consomment 20mA sous 3,3V. Les transistors peuvent encaisser 100mAen fonctionnement normal. Par contre il est juste indiqué que la tension de saturation est de 0,3V pour un courant traversant de 50mA avec un courant de base de 5mA. La tension de saturation pour 100mA n'est pas indiquée. On peut espérer qu'elle soit telle que 2 LEDs bleues puissent être mises en série pour un total de 2x3,3V soit 6,6V. En misant sur une tension de saturation de 1V, il faudrait une résistance en série avec les LEDs de (9-1-6,6)/0,02=70 Ohm.
Avec ces valeurs une sortie peut commander 5*2=10 LEDs. Il faudrait donc 3 sorties pour un seul des cercles externes du Mandala. Il risque de ne pas y avoir assez de sorties suivant le décompte exact du nombre de groupes de LEDs dans le Mandala. Il faudrait donc chercher un type de transistor plus performant.
Une autre problématique est aussi la consommation totale. Chaque ensemble de 2 LEDs en série consomme 20mA. Quelle puissance d'alimentation faut-il prévoir pour le Mandala ? Cette consommation dépend du nombre total de LEDs allumées en même temps donc des animations prévues pour le mandala.
A réaliser
- Terminer les circuits imprimés :
- pour les circuit des registres à décalage, relier la via inutilisée à la masse, ajouter des textes pour les vias (GND, +5V, data, latch, clock, S0, ..., S23) ;
- pour le circuit porte LED, modifier l'empreinte des LEDs pour utiliser les KPL-3015QBC-D qui ne sont pas des 0603 mais des 3015.
- Définir les groupes de LEDs sur le mandala.
- Calculer les résistances pour le circuit des registres à décalages en supposant que le transistor MMBT3904 peut bien supporter 100mA (voire 120mA) et que dans ce cas l'intensité à appliquer sur la base est de l'ordre de 10mA avec une tension entre la base et la masse de l'ordre de 1V.
- Chercher des LEDs bleues avec une tension inférieure à celle des KPL-3015QBC-D, voire avec une consommation de courant inférieur à 20mA. Les LEDs KA-3021LVVBS-D conviendraient-elles ?
