Projet 6 : Gradateur d'éclairage de scène
Mes seconds pas en Électronique
Voir Projet 1 pour les composantes nécessaires pour Mes seconds pas en Électronique.
Avez-vous déjà assisté à une pièce de théâtre ou à un autre spectacle où les projecteurs s'allument intensément (généralement pendant l'allocution du présentateur avant le début du spectacle) puis s'atténuent progressivement à mesure que le rideau s'ouvre sur le décor ?
Eh bien, dans ce projet, vous utiliserez un composant (nouveau pour vous) appelé transistor, ainsi qu'un condensateur, plusieurs résistances et des LED dans un circuit pour créer le même effet que la variation d'intensité d'une série de projecteurs de scène.
Le transistor, un composant
fascinant Voir aussi la section :
Transistor
Les transistors sont de minuscules semi-conducteurs (comme les LED et autres
diodes) dotés de trois broches et capables de prouesses étonnantes.
Ils
peuvent agir comme de minuscules interrupteurs automatiques, redirigeant le
courant au sein d'un circuit, et amplifier ce courant.
La figure 6-1
présente un assortiment de transistors.
Leur apparence peut sembler banale (voire même ennuyeuse), mais le boîtier terne et sans intérêt d'un transistor classique cache un intérieur fascinant et révolutionnaire.
Vous ne vous en rendez
peut-être pas compte, mais vous utilisez des transistors tous les jours.
Les transistors sont présents dans votre téléphone, votre téléviseur, votre
ordinateur et dans presque tous les autres appareils électroniques du monde,
permettant à chaque produit de fonctionner comme prévu.
De nombreux produits contiennent des millions, voire des milliards, de transistors.
Par exemple, l'iPhone 6 d'Apple
en contient plus de 2 milliards !
Transistors et robinets
Vous êtes-vous déjà demandé ce qui se passe lorsque vous ouvrez un robinet ?
C'est passionnant, n'est-ce pas ?
En tournant la poignée, vous ouvrez ou fermez l'eau. En ajustant l'angle de rotation, vous contrôlez le débit.
Un transistor fonctionne en quelque sorte comme un robinet pour le courant électrique.
Une partie du transistor, la base, contrôle le flux de courant entre les deux autres parties :
le collecteur et l'émetteur (voir figure 6-2).
En appliquant une
tension suffisamment élevée à la base (comme lorsqu'on appuie sur la poignée
d'un robinet), on active le transistor et le courant circule du collecteur à
l'émetteur (comme l'eau qui coule dans le tuyau du robinet).
Si la tension à la base est
trop faible, le transistor se bloque et aucun courant ne circule du collecteur à
l'émetteur.
Lorsque le transistor est activé, on contrôle l'intensité du
courant qui circule du collecteur à l'émetteur en contrôlant l'intensité du
courant qui entre dans sa base.
L'avantage, c'est que de
faibles courants dans la base permettent de contrôler de forts courants
circulant du collecteur à l'émetteur.
Il n'est pas nécessaire de se
préoccuper des détails précis de l'application de la tension à la base et du
contrôle du courant de base.
Le circuit que vous construirez dans ce projet gérera les détails pour vous.
Sachez simplement que ce qui se
passe à la base détermine ce qui se passe au niveau du collecteur et de
l'émetteur.
Exploration d'un transistor
La figure 6-3 montre les vues avant et arrière d'un type particulier de transistor, appelé transistor bipolaire NPN.
Ce transistor bipolaire NPN particulier porte la référence 2N3904 (ainsi que d'autres caractères) gravée sur l'un de ses côtés.
Chaque modèle de transistor est associé à une longue liste de caractéristiques, comme l'intensité maximale admissible, mais je n'entrerai pas dans les détails ici.
Sachez simplement qu'il existe de nombreux modèles de transistors bipolaires NPN, dont le 2N3904 fait partie.
Notez que le transistor 2N3094 possède trois broches.
Ces broches sont reliées à la base, au collecteur et à l'émetteur à l'intérieur du boîtier (la partie en plastique noir située au-dessus des broches).
Pour identifier chaque broche, reportez-vous à un schéma de brochage, comme celui illustré à gauche de la figure 6-4.
Ce schéma se trouvait au dos de l'emballage RadioShack du transistor 2N3904.
Les transistors vendus par RadioShack sont conditionnés dans des emballages comportant le brochage (ou schéma de connexion), mais tous les fournisseurs ne le font pas.
Pour identifier les broches, vous pouvez toujours rechercher sur Internet le brochage d'un modèle de transistor spécifique (par exemple, « 2N3904 pinout») ou consulter sa fiche technique « 2N3904 datasheet».
Ce document technique "datasheet" (comprenez : pas un ouvrage de vulgarisation scientifique) répertorie toutes les caractéristiques du transistor et inclut un schéma de connexion.
La fiche technique est en quelque sorte une biographie du transistor, illustrée !
Selon la provenance de vos transistors, le brochage peut différer du brochage standard utilisé par la plupart des fabricants (voir figure 6-4).
Consultez l'emballage ou la
documentation fournie avec votre transistor pour identifier chaque broche.
Prenez votre transistor 2N3904.
Tenez-le de manière à observer directement sa face inférieure (le côté avec les pattes).
Comparez-le ensuite au brochage
et repérez la fonction de chaque broche.
Lorsque vous brancherez votre
transistor sur le Breadbord pour réaliser le circuit de ce projet, veillez à
respecter son orientation.
Le branchement de la base, du collecteur et de
l'émetteur est crucial.
Pourquoi
utiliser un transistor ?
Cette section n'est pas indispensable pour
réaliser le projet 6.
Elle s'adresse uniquement aux lecteurs curieux de comprendre l'importance d'un transistor dans un circuit.
Si vous souhaitez passer
directement à la réalisation du projet, vous pouvez ignorer cette section et
consulter la liste des composants et le montage du circuit dans les sections
suivantes.
Le problème de la constante de temps RC
Pour
comprendre l'importance d'un transistor dans un circuit, prenons l'exemple du
circuit du projet 5, qui modifie la durée de
variation d'intensité d'une LED.
Dans le projet 5, vous avez réalisé un
circuit avec une résistance et un condensateur pour faire varier l'intensité
lumineuse d'une LED sur un intervalle de temps précis.
Mais plus l'intervalle de temps
est long, moins la LED brille, même avant que son intensité ne diminue lorsque
le condensateur se décharge !
Savez-vous pourquoi la LED brille moins
lorsque le temps de gradation est prolongé ?
La réponse se trouve dans la
constante de temps RC.
La constante de temps RC détermine le temps
nécessaire à la décharge du condensateur, ce qui, à son tour, détermine le temps
nécessaire à la LED pour s'atténuer.
Pour prolonger ce temps, on augmente soit la résistance (R), soit la capacité (C), afin d'accroître la constante de temps RC.
Cependant, les
condensateurs de grande capacité sont difficiles à trouver (et très peu
pratiques), c'est pourquoi augmenter la résistance est la meilleure solution
pour prolonger significativement le temps de gradation.
Augmenter la
résistance augmente effectivement la constante de temps RC, mais cela affaiblit
également le courant traversant la LED.
Rappelez-vous, plus la résistance est élevée, plus le courant est faible.
Une résistance très élevée restreint tellement le courant que la LED ne brille pas intensément lors de son allumage.
Et si vous vouliez, par exemple, allumer les projecteurs d'une scène et les éteindre progressivement à l'ouverture du rideau ?
Ou encore allumer le plafonnier de votre voiture en ouvrant la portière et le tamiser en la refermant ?
Le fait qu'une résistance
élevée produise un courant faible peut poser problème : les lumières ne
brilleront jamais intensément, même au premier allumage !
La solution
à ce problème
L'utilisation d'un transistor
pour amplifier le faible courant résout le problème.
En plaçant un
transistor entre le circuit résistance-condensateur et le circuit
LED-résistance, vous augmentez considérablement le courant, ce qui permet aux
LED de briller intensément dès leur allumage !
Voici comment cela
fonctionne : le faible courant provenant du circuit résistance-condensateur est
injecté dans la base du transistor.
Ce faible courant de base sert
à contrôler un courant plus fort circulant entre le collecteur et l'émetteur, et
ce courant plus fort alimente les LED pour qu'elles brillent intensément (avant
qu'elles ne faiblissent).
La figure 6-5 présente le schéma de montage de
ce projet.
Soit:
Circuit du condensateur (Charge rapide décharge lente) --- courant faible ---> transistor --- courant fort ---> LED
Visualiser le fonctionnement à l'aide d'un schéma fonctionnel comme celui-ci est utile, car il est facile de perdre de vue l'ensemble du montage lorsqu'on commence à connecter les composants sur le Breadbord.
Prêt à vous lancer et à
construire le nouveau circuit ?
Rassemblez les composants et les outils
Rassemblez toutes les pièces de cette liste (voir figure 6-6) :
Breadbord (Plaque d’essai sans soudure), préparée avec :
• Pile
9 V avec clip de connexion
• Interrupteur et fil de connexion
• Connexions du rail d’alimentation
Un transistor bipolaire NPN 2N3904
Un condensateur électrolytique (polarisé) de 470 µF
Une résistance de 47 Ω 4 bandes (jaune-violet-noir) ou 5 bandes (jaune, violet, noir, or) Multimètre de 44 à 49
Quatre résistances de 100 Ω 4 bandes (marron-noir-marron) ou 5 bandes (marron, noir, noir, noir) Multimètre de 95 à 105
Une résistance de 220 Ω 4 bandes (rouge-rouge-marron) ou 5 bandes (rouge, rouge, noir, noir) Multimètre 209 - 230
Une résistance de 1 kΩ
4 bandes (marron-noir-rouge)
ou 5 bandes (brun, noir, noir, brun) Multimètre 0.95 - 1.05
Une
résistance de 10 kΩ
4 bandes (marron-noir-orange)
ou 5 bandes (brun, noir, noir, rouge) Multimètre 9,5 - 10,5
Huit LED transparentes de 5 mm (taille et couleur indifférentes ; j’ai utilisé
des LED blanches)
Un interrupteur unipolaire à deux positions (SPDT)
Trois fils de connexion de 12,7
mm (minimum) (prédécoupés ou faits maison)
Un fil de connexion de 7,9 mm
(minimum)
Composants optionnels : résistances assorties de valeurs indifférentes (valeurs suggérées : 100 Ω, 1 kΩ, 100 kΩ et 1 MΩ)
Couper les broches est absolument indispensable pour ce projet.
Sinon, il est fort probable qu'ils se touchent accidentellement.
Munissez-vous donc de votre pince coupante.
Munissez-vous également de votre pince à becs fins.
Elle facilitera grandement
l'insertion et le retrait des composants et des fils de connexion.
Construire le circuit de variateur de base pour éclairage de scène