Temporisateurs

Un temporisateur est un circuit électronique qui permet de mettre en route un système pendant un certain temps, ou qui permet de le mettre en route au bout d'un certain temps. Les applications d'un temporisateur sont multiples et variées, et on peut aussi bien avoir besoin d'activer un circuit pendant quelques secondes que pendant quelques heures voir plusieurs jours. Un temporisateur peut être construit à partir d'un simple monostable, mais nous verrons qu'il existe d'autres solutions, un peu moins simples mais qui permettent d'obtenir des durées de temporisation très longues.

Utilisations (exemples)

Le temporisateur est un circuit très utilisé. Il permet par exemple :

d'allumer une lampe pendant trois heures à partir du moment où la nuit tombe;

d'allumer une lampe dans une cage d'escalier pendant 5 minutes à partir du moment où un usager appui sur un bouton poussoir;

de laisser allumée une ampoule de plafonnier de voiture pendant 1 minute, à partir du moment où les portes sont fermées;

de retarder la production d'un événement, par exemple déclencher une sirène au bout de 15 seconde si aucun code valide n'a été saisi sur un clavier, après détection de l'intrusion;

de définir précisément le temps pendant laquelle une sirène d'alarme doit se faire entendre (30 secondes par exemple).

Caractéristiques principales

On peut faire un rapprochement assez serré entre monostable et temporisateur, même si la finalité n'est pas forcement exactement la même. En effet, le monostable délivre une impulsion d'une durée donnée et revient ensuite à son état initial. Si le but de la temporisation est de faire fonctionner un appareil pendant un certain temps, un monostable peut donc faire l'affaire. Si le but de la temporisation est de mettre en route un appareil au bout d'un certain temps, un monostable peut aussi faire l'affaire, non en agissant comme commande, mais en agissant comme retardateur de commande. Il est donc normal de le voir partager certaines caractéristiques avec celles du monostable.

Impulsion de déclanchement (ou impulsion d'entrée)

Il s'agit de l'événement qui démarre la temporisation. Il peut s'agir d'une impulsion ou d'un simple changement d'état logique sans retour à l'état initial. L'impulsion de déclanchement peut provoquer le changement immédiat de l''état logique de la sortie du temporisateur (si fonctionnement pendant un temps donné) ou provoquer son changement d'état de façon retardée (si démarrage au bout d'un certain temps).

Polarité de l'impulsion de déclanchement

Elle peut être positive (bas-haut-bas ou bas-haut) ou négative (haut-bas-haut ou haut-bas). 

État de la sortie

C'est ainsi que l'on nomme l'état logique de la sortie dans lequel le temporisateur se trouve lorsqu'il vient d'être déclenché, c'est à dire quand l'état logique de sa sortie se trouve à l'opposé de l'état logique présent au repos. 

Polarité de l'impulsion de sortie

Au repos, la sortie du temporisateur peut être à l'état haut ou à l'état bas, et lors de son activation, passer à l'état opposé, bas ou haut.

Durée de la temporisation

C'est la durée pendant laquelle la sortie du temporisateur est activée, ou le temps au bout du quelle elle le sera.

Temporisateur simple, de quelques secondes à quelques dizaines de secondes

Le temporisateur simple permet de mettre en route un appareil pendant un certain temps, dès apparition de la commande de déclanchement. L'exemple qui suit permet d'allumer une lampe pendant quelques secondes, à partir du moment où on appuie sur un bouton poussoir. Comme vous pouvez le constater, le nombre de composants requis est très restreint.

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Le principe de fonctionnement est très simple : à la mise sous tension du montage, le condensateur C1 est déchargé et se comporte donc comme un court-circuit. Un courant s'établie donc au niveau de la base du transistor Q1, via C1 et R2, et le transistor conduit, provoquant l'allumage de la lampe L1. Puis le condensateur se charge lentement au travers de R1, ce qui conduit à une diminution lente du potentiel au point commun R1 / C1, puisque le courant circulant dans R1 diminue petit à petit. Au bout d'un certain temps, la tension aux bornes de R1 est trop faible pour maintenir la conduction de Q1 : Q1 se bloque et la lampe s'éteint. Pour redémarrer le processus, il suffit d'appuyer sur le bouton poussoir SW1, ce qui décharge d'un coup le condensateur C1, qui peut alors recommencer son cycle de charge. Ce circuit est certes très simple, mais présente deux petit inconvénients, qui n'en sont pas forcement toujours :

- pour obtenir une temporisation de quelques secondes seulement, il faut utiliser un condensateur de forte valeur;

- la transition lampe allumée / lampe éteinte n'est pas franche, la durée de l'extinction dépend de la valeur de la résistance de base R2. Si la valeur de R2 est trop faible, le courant de base pourra être trop important au moment de l'appui sur le bouton poussoir, et le transistor peut griller. Si la valeur de R2 est trop grande, la temporisation sera allongée mais le courant de base de Q2 sera probablement insuffisant et la lampe ne s'allumera pas entièrement.

La diminution du courant de base de Q2, tout en conservant un même courant de collecteur (pour un éclairage nominal de la lampe) pourrait donc à priori améliorer les choses. Connaissez-vous un moyen d'avoir autant de courant collecteur pour un courant de base moindre ? Un gain de transistor (beta) plus grand ? Oui, tout à fait. Et tant qu'à faire, plutôt que de chercher un transistor NPN classique possédant un gain plus important que celui du 2N2222 utilisé ici, pourquoi ne pas choisir directement un transistor darlington ? Là au moins on est sûr d'avoir un gain très grand (un darlington est une association de deux transistors montés en cascade et dont le gain total est égal à la multiplication des gains des deux transistors). Essayons donc avec un petit transistor darlington de type BC517, sans toucher la valeur des autres composants. La temporisation est dans ce cas au moins dix fois plus longue, et on atteint sans peine 40 secondes avec C1 = 100 uF et R1 = 220 KO ! En poussant C1 à 1000 uF et en utilisant une 68 KO pour R2, la temporisation atteint presque 100 secondes, soit plus d'une minute et demi. Mais là encore, la transition lampe allumée / lampe éteinte reste assez progressive. Je le répète, ce comportement n'est pas forcément une tare, et on peut même l'exploiter de façon très pratique, comme je l'ai fait pour la lampe basse tension à extinction progressive décrite en page Piano lumineux 1. Un circuit à peine plus compliqué, mettant en oeuvre un transistor à effet de champs (transistor qui possède une très grande résistance d'entrée), permet d'augmenter de façon assez nette la durée de la temporisation. Ainsi, le circuit suivant permet d'activer un relais au bout d'un temps qui peut atteindre 80 secondes avec un simple couple RC de 1 MO / 100 uF, ou 800 secondes (13 minutes environ) avec un couple RC de 1 MO / 1000 uF. 

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Le transistor FET 2N3819 est monté en suiveur de tension, haute impédance d'entrée et faible impédance de sortie. Le second transistor Q2, un NPN petite puissance quelconque, est monté en interrupteur qui ne conduit que lorsque la tension continue présente sur sa base (tension Ub) est d'au moins 6,8 V, par rapport à la masse. Cette tension de seuil (de basculement) correspond à l'addition de la tension Base-Émetteur du transistor Q2 (qui est de 0,6 V) avec la tension nominale de la diode zener D1 montée en série avec l'émetteur de ce même transistor (qui est de 6,2 V). Du fait de la haute impédance d'entrée du transistor FET, il n'est pas exclus d'utiliser une résistance de 10 MO pour la charge du condensateur, ce qui en théorie permettrait d'atteindre une durée de l'ordre de 2 heures (et en pratique, ça fonctionne) ! Mais se pose alors le problème du réglage précis de la durée, il faut toujours un condensateur de forte valeur et il faut de plus être très patient !

Temporisateur simple, de quelques minutes à une heure

Si l'on veut disposer d'une grande durée de temporisation tout en conservant une valeur de condensateur raisonnable, il convient de réfléchir à une autre façon de faire. Cette autre façon de faire pourrait bien être un circuit mettant en oeuvre un circuit intégré style "Timer" tel le célèbre NE555, ou encore un AOP câblé en comparateur de tension. Qu'en dites-vous ? Je vous propose donc les deux schémas suivants.

Circuit à base de NE555


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Ce circuit à base de NE555 permet d'atteindre une durée de l'ordre de la demi-heure avec un condensateur de 2200 uF et une résistance de 820 KO, à condition que le condensateur soit de bonne qualité et présente un faible courant de fuite (résistance parallèle parasite la plus élevée possible). Si le condensateur n'est pas de bonne qualité ou est trop vieux, son courant de fuite l'empêchera de se charger au deux tiers de l'alimentation (seuil de basculement "supérieur" du NE555) et la sortie restera toujours activée. Le déclanchement se fait en portant la broche 2 du NE555 à la masse. C'est ce que fait le poussoir quand on appuie dessus, mais on peut aussi amener une impulsion négative (active à l'état bas) sur la broche 2 (entrée de déclanchement In). En remplaçant le bouton poussoir par un condensateur, vous obtenez un temporisateur / minuteur déclenché dès la mise sous tension, qui s'arrête de lui-même une fois la durée de temporisation atteinte. Exemple en page Temporisateur 8

Circuit à base d'AOP ou comparateur de tension


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Ce circuit, un poil plus élaboré que le précédent, autorise une durée de temporisation d'environ 1000 secondes avec un condensateur C1 de 1000 uF et une résistance associée R1 de 1 MO. Cela fait tout de même une temporisation d'un quart d'heure, ce qui est tout de même bien correct pour un circuit aussi simple. Et si on utilise un condensateur de bonne qualité de 4700 uF pour C1 (pour la même raison que celle évoquée ci-avant), la temporisation dépasse une heure ! Le détail de fonctionnement de ce temporisateur est décrit à la page Temporisateur 1, je vous invite à vous y reporter s'il vous intéresse. Pour ce montage comme pour le précédent à NE555, il faut noter que la durée de la temporisation n'est pas très précise et qu'elle peut différer de plusieurs secondes d'un coup à l'autre.

Temporisateur de plusieurs heures avec composants classiques

Les choses se compliquent, car le principe du condensateur qui se charge est valable tant que sa valeur ne prend pas des proportions gigantesques. Pour obtenir une temporisation de très longue durée, on préfère utiliser un condensateur de faible valeur, dont la stabilité en température et dans le temps est bien meilleur que celle d'un gros condensateur chimique polarisé. Oui mais, un condensateur de faible valeur ne permet pas d'obtenir des durées de charge très grandes ! Cela est vrai. C'est pourquoi l'idée principale n'est pas d'attendre que le condensateur se charge jusqu'à une certaine valeur, mais de provoquer une suite de charges et de décharge du condensateur, et de "compter les coups". Ainsi, on peut dire que la temporisation est écoulée au bout de 100 coups, ou au bout de 1000 coups, ou encore au bout de 65535 coups. De la sorte, un cycle de charge / décharge opéré en une seconde (ce qui est très simple à obtenir et de façon précise), permet d'atteindre une temporisation de 100 secondes au bout de 100 coups, une temporisation de 1000 secondes au bout de 1000 coups, etc... Mais ça devient une usine à gaz, ce truc ! Pas du tout ! On a juste affaire à deux sous-ensembles fort simples : un oscillateur rectangulaire pour produire les "coups", et un compteur logique pour les compter. Prenons l'exemple simple d'un NE555 monté en oscillateur de période 1 seconde, suivi d'un compteur de type CD4017 (base classique d'un petit chenillard). Le schéma qui suit n'est pas ce qui se fait de mieux en pratique, il n'est proposé ici que pour le principe général.

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Avec ce montage :

- la sortie Out1 est active pendant la durée de la temporisation, et se désactive une fois la temporisation écoulée; 

- la sortie Out2 est inactive pendant la durée de la temporisation, et s'active une fois la temporisation écoulée.

- une fois la temporisation écoulée, ce qui survient après cinq impulsions d'horloge sur l'entrée CLK du CD4017, le système est verrouillé.

Nous avons donc une temporisation de l'ordre de 5 secondes alors que la base de temps n'est que de 1 seconde.

Bien entendu, le "gain de temps" n'est pas énorme, et il convient de trouver un compteur avec beaucoup plus d'étages pour profiter pleinement du principe. En son époque, le constructeur EXAR proposait un circuit spécialement étudié pour des temporisations de courte et longue durée : de quelques microsecondes à plusieurs jours. Ce circuit était le XR2240, qui permettait de compter entre 1 et 255 unités de temps. On trouve encore ce circuit à la vente, mais moins facilement que par le passé. Mais qu'importe, puisqu'on peut reprendre le principe avec des composants fort courant et pas chers... Voyez donc le schéma suivant, qui permet d'obtenir une temporisation de 12 ou 24 heures, avec un seul circuit intégré de type CD4060, qui intègre ce qu'il faut pour réaliser la base de temps et le comptage.

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A la mise sous tension, le compteur du CD4060 est remis à zéro, grâce au couple C3 / R3 qui fournit une brève impulsion positive de RAZ sur l'entrée MR. A cet instant, toutes les sorties du circuit intégré sont à l'état logique bas. La constante de temps, déterminée par C1, C2 et R1 est globalement de 1 secondes avec les valeurs données sur le schéma.

Remarques : 

pour une constante de temps de 1 seconde, vous pouvez utiliser une résistance de 470 KO et des condensateurs de 10 uF, ou utiliser une résistance de 100 K0 et des condensateurs de 47 uF. Si votre circuit refuse d'osciller avec le premier couple, essayez avec l'autre.

chaque sortie change d'état toutes les n secondes : la sortie Q3 change d'état toutes les minutes environ, et la sortie Q13 change d'état toutes les 24 heures environ. Si vous souhaitez un état permanent de la sortie utilisée, vous devez ajouter quelques composants pour bloquer l'oscillation une fois la temporisation écoulée. Une simple bascule (bascule D ou JK) peut suffire pour accomplir cette tache, mais vous pouvez aussi - et c'est bien plus simple encore - ajouter une diode de type 1N4148 entre la sortie à utiliser et la broche 11 du CD4060, cathode de la diode sur broche 11. En procédant ainsi, une tension positive est appliquée à la broche 11 du CD4060 au terme de la temporisation et bloque l'oscillateur. Pour faire redémarrer le tout, il suffit de court-circuiter le condensateur C3 (application tension positive sur la broche de reset).

les sorties Q0 à Q2 ne sont pas disponibles sur le CD4060, ce qui rend l'opération de vérification de la durée un peu fastidieuse (longue).

Ce circuit est donc intéressant si l'on souhaite obtenir une temporisation de longue durée mais avec une précision moyenne; on a un bon ordre de grandeur, mais on n'est pas à la seconde près. Pour une grande précision, on doit utiliser un oscillateur très stable, par exemple piloté par quartz. L'inconvénient des quartz est qu'il n'en existe pas de 1 Hz. Mais comme on n'est pas à un circuit intégré près quand on sait ce qu'on veut, on peut ajouter un ou deux CD4060 pour "compenser" la plus grande rapidité de l'oscillateur. Le schéma suivant montre ainsi un oscillateur piloté par quartz oscillant à la fréquence de 32,768 KHz grâce à un quartz "d'horloger" de même fréquence, suivi de deux compteurs assurant la division de fréquence et donc la multiplication de la période (base de temps).

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Sur la sortie Q13 du premier CD4060, on récupère un signal de fréquence 2 Hz, ce qui correspond à une période de 0,5 seconde. Si on divise plusieurs fois par deux ce signal de 2 Hz, on finit par atteindre des périodes très longues, et ce avec une très grande précision. Ainsi, on retrouve en sortie Q13 du second CD4060, un signal dont la période est de plus de deux heures et quart. Et si l'on recherche une plus grande durée encore, un troisième CD4060 pourra là encore faire l'affaire. Ce troisième CD4060, dont l'entrée RS serait reliée à la sortie Q13 de U2, fournirait en effet sur sa première sortie Q3, un signal dont la période serait proche de 32 heures ! Comme vous l'avez sans doute compris, le revers de la médaille d'un système aussi précis est sa difficulté à produire de façon simple, une période de durée comprise entre deux valeurs fixes, puisque les divisions opérées à la suite augmentent toujours le temps dans un rapport de deux. Bien sûr, il est possible d'adopter un facteur de division à un endroit donné, tel qu'on se retrouve avec une période plus pratique à utiliser. Ainsi, si on divise par 120 le signal de 2 Hz présent en sortie Q13 du premier CD4060, on obtient une période de 1 minute toute ronde, que l'on peut ensuite diviser avec des CD4017 pour obtenir des temps de temporisation de 1 min, 2 min, 3 min, etc.

Temporisateur de plusieurs heures avec composant programmable

Il est possible d'obtenir de grandes durées de temporisation avec un composant programmable tel qu'un PIC, qui intègre à lui seul l'oscillateur et la fonction de division, avec un facteur fixe ou programmable par l'utilisateur. Mon temporisateur 6a permet par exemple d'obtenir une durée de temporisation programmable comprise entre 100 millisecondes et 56 heures.



Bien entendu ce n'est pas parce qu'on utilise un composant programmable tel un PIC que l'on doit se restreindre à des longues durées. On peut aussi travailler sur des périodes moyennement longues et même prévoir un réglage de la durée par potentiomètre. Exemple en page Temporisateur 10.

Temporisation de démarrage (durée de commande minimale)

Les deux schémas qui suivent montrent comment faire pour démarrer un système seulement si la commande dure un certain temps. Ici, la commande est matérialisée par un bouton poussoir, qui s'il n'est pas enfoncé assez longtemps, ne produit aucun effet. Si le poussoir est enfoncé pendant plusieurs secondes, la sortie est activée, sortie qui se désactive dès le relâchement du poussoir (le délai de commande ne joue que sur la mise en route, pas sur l'arrêt). Le premier montage est à base de transistors et le second est à base de portes logiques, tout deux partagent la particularité d'être simples.

Version à transistors (000ha)

Ce premier montage ne comporte que quelques composants ordinaires, y compris Q2 qui est un transistor darlington (transistor à grand gain) facile à trouver et pas cher.

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Poussoir relâché...

Quand on met le montage sous tension, et en supposant que le bouton poussoir SW1 n'est pas enfoncé, le premier transistor Q1 est saturé, du fait de la présence d'une tension suffisante appliquée sur sa base (par rapport à la masse), au travers de la résistance R2. 

Remarque : la résistance R1 n'est là que pour un effet visuel de symétrie, vous pouvez en pratique la supprimer. 

Q1 étant saturé (conducteur), le condensateur C1 est mis en court-circuit : la tension à ses bornes reste faible et ne peut pas augmenter. La tension appliquée à la base du second transistor Q2 est trop faible pour le rendre passant et ce dernier reste bloqué. Son courant de collecteur, même s'il n'est pas complètement nul, reste largement insuffisant pour allumer la LED (la LED D1 et la résistance R6 peuvent être remplacées par un petit relais avec sa diode en parallèle sur la bobine). 

Poussoir enfoncé

Si maintenant on appui sur le bouton poussoir SW1, la base du transistor Q1 est directement mise à la masse et ce transistor se bloque aussitôt. Le condensateur C1 n'est plus mis en court-circuit par la jonction E-C de Q1, et il peut désormais se charger grâce à la résistance R3. Cette charge se fait doucement, car la valeur de R3 et de C1 sont assez élevées, la tension monte doucement aux bornes du condensateur. Au bout d'un moment, la tension aux bornes du condensateur, qui est appliquée au transistor Q2 via la résistance R4, atteint une valeur suffisante pour faire conduire le transistor Q2 : la LED D1 s'allume. Si on relâche le bouton poussoir avant la mise en conduction de Q2, le condensateur C1 est aussitôt entièrement déchargé et il faut repartir de zéro.

Version avec circuit logique (000hb)

Le principe de fonctionnement est le même que pour le schéma vu avant. Les transistors de tout à l'heure ont été remplacés par des inverseurs logiques inclus dans un circuit intégré de type CD4049.

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Poussoir relâché

L'inverseur logique U1:A voit sur son unique entrée, un état logique haut du fait de la présence de la résistance R1 entre cette entrée et le +5 V. Comme il s'agit d'un inverseur, la sortie fait l'inverse de ce qu'il y a sur l'entrée, et présente donc un état logique bas. Rien de particulier ne se passe, sauf si vous avez branché le circuit intégré à l'envers (dans ce cas, allez en chercher un autre pour remplacer celui qui vient de fumer). Le condensateur C1 est déchargé, la tension à ses bornes est nulle (voire très faible si votre maison est hantée) et l'inverseur logique U1:B présente un état logique haut (+5 V) sur sa sortie. La LED D1 reste éteinte car pour qu'elle s'allume il faut lui appliquer une tension plus basse sur sa cathode par rapport à son anode. Le temps minimum requis pour activer la sortie dépend directement de la valeur donnée aux composants R2 et C1.

Poussoir enfoncé

Le fait d'enfoncer le bouton poussoir SW1 porte l'entrée de l'inverseur logique U1:A à un état logique bas, ce qui a pour conséquence de faire passer sa sortie à un état logique haut. C1 étant déchargé, la diode D2 se trouve avec un potentiel plus positif sur son anode (quasiment +5 V) que sur sa cathode (quasiment 0 V) : elle devient donc passante et C1 peut commencer à se charger. D'ailleurs, il ne s'en prive pas. Au bout d'un certain temps, la tension aux bornes de C1 est suffisante pour être interprétée comme un niveau logique haut sur l'entrée de l'inverseur logique U1:B, et la sortie de ce dernier passe à l'état logique bas. La LED D1 peut alors s'allumer. Si le poussoir est relâché avant le terme minimum, le condensateur C1 se décharge rapidement au travers de R3, D3 et l'étage de sortie de U1:A. R3 permet juste de limiter le courant de décharge de C1 et de ne pas vexer l'inverseur U1:A.

 

 

 

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