Montage n 3 Un thermomètre à LED

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1 Montage n 3 Un thermomètre à LED Des LED, rangées comme le tube à mercure d un thermomètre, s allument en fonction de la température. Année de programme 7e - 8e Temps de réalisation 5 périodes Prix approximatif Fr. 15. Objectifs Préparer une carte de laboratoire (découpe, marquage et coupure des pistes) Plier correctement les ponts et les composants en vue de leur implantation Exercer la soudure au fer à souder Caractéristiques À l aide d un capteur de température (LM 335), une série de LED échelonnées de 10 à 32 C, espacées de 2 C, s allume en fonction de la chaleur. La comparaison de tension se fait ici à l aide d amplificateurs opérationnels. Avec ce montage, les élèves découvrent véritablement la technique de la soudure de composants sur un carte de laboratoire et appliquent les principes et les étapes vus aux pages 37 à 40 (préparation de la carte, coupure des pistes et soudure des ponts et des composants). Il présente en outre l intérêt d être assez régulier dans son implantation (les différentes parties sont bien reconnaissables) et ce même si, a priori, il semble compliqué. 66

2 Matériel nécessaire une carte d expérimentation de 91 x 60 mm (36 bandes sur 23 rangées) Fr. 1,60 une carte d expérimentation de 75 x 12 mm (5 bandes sur 29 rangées) Fr. 0,20 1 résistance 2,2 kω 0,25 W (R1) Fr. 0,04 12 résistances 220 Ω 0,25 W (R2 à R12 et R25) Fr. 0,48 12 résistances 180 Ω 0,25 W (R13 à R24) Fr. 0,48 1 résistance 470 Ω 0,25 W (R26) Fr. 0,04 1 résistance 390 Ω 0,25 W (R27) Fr. 0,04 1 résistance 43 Ω 0,25 W (R28) Fr. 0,08 1 résistance 560 Ω 0,25 W (R29) Fr. 0,04 1 trimmer 500 Ω (AJ) Fr. 1,30 3 circuits intégrés LM 324 (CI1, CI2, CI3) Fr. 0,90 1 circuit intégré LM 317 (CI4) Fr. 0,45 1 circuit intégré LM 335 (CI5) Fr. 1,80 4 LED Ø 5 mm vertes (DEL1 à DEL4) Fr. 0,80 3 LED Ø 5 mm jaunes (DEL5 à DEL7) Fr. 0,60 5 LED Ø 5 mm rouges (DEL8 à DEL12) Fr. 1,00 un bouton poussoir (Po) Fr. 1,60 un connecteur à pression pour pile 9 V Fr. 0,80 une pile 9 V Fr. 2,70 ~ 500 mm de câble gainé 0,14 mm 2 rouge ~ 200 mm de câble gainé 0,14 mm 2 noir ~ 20 mm de câble gainé 0,14 mm 2 vert ~ 20 mm de câble gainé 0,14 mm 2 blanc Fil de soudure 67

3 Principe Le montage est divisé en deux parties principales : une alimentation stabilisée qui fournit une tension extrêmement stable et le thermomètre proprement dit. Regardons en premier lieu l alimentation qui va délivrer les différentes tensions de référence. Contrairement à ce que l on pourrait penser de prime abord, ce montage est assez simple à comprendre. Il présente donc l avantage de pouvoir être étudié de manière assez approfondie avec des élèves intéressés. 68

4 Le circuit intégré CI4 est une alimentation stabilisée LM 317. Celle-ci fournit une tension très régulière, même si la tension de la pile diminue. La tension délivrée par CI4 est définie par les résistances R25, R26 et la résistance ajustable (AJ). Cette dernière permettant de régler la tension de sortie du LM 317 (borne 2). Cette tension va à la fois définir les trois tensions de référence nécessaires au bon fonctionnement du thermomètre et constituer la tension d alimentation des circuits intégrés présents dans celui-ci. Le pont de résistances R27, R28, R29 permet de définir deux tensions de référence. À la borne A, nous aurons 2,83 V et à la borne B 3,05 V. i Nous avons vus que les CI doivent être alimentés en courant pour fonctionner. Toutefois la valeur de leur tension d alimentation peut varier de plusieurs volts sans affecter leur bonne marche. Le circuit intégré CI5 est la sonde de température. La tension à ses bornes variera en fonction de la température ambiante. Lorsque la température augmente, la tension à ses bornes augmente aussi. La tension présente à la borne C dépendra donc de la température, on l appelera dorénavant Vt. Passons maintenant au circuit qui utilise les tensions A, B et Vt, le thermomètre. Au cœur de ce circuit, se trouve une série d amplificateurs opérationnels (communément nommés amplis Op). L ampli Op est un comparateur de tensions et son fonctionnement est assez simple à comprendre. + V+ V- s L ampli Op possède cinq bornes : deux entrées (désignées par + et ), une sortie (S) et son alimentation (V+ et la masse V ). Sa tâche est de comparer les tensions présentes aux entrées + et, et de définir laquelle est la plus élevée. 69

5 V+ Lorsque la tension à l entrée + est plus élevée que celle à l entrée, la sortie S est reliée à la tension positive de l alimentation (V+). + s V+ Lorsque la tension à l entrée est plus élevée que celle à l entrée +, la sortie S est reliée à la masse (0 V). + s V- Ajoutons sur la sortie S une résistance et une LED, appliquons à l entrée + la tension de référence 2,83 V et sur l entrée la tension variable Vt Si la température est basse, Vt est faible et inférieur à 2,83 V. La sortie S est donc à la masse. La LED ne s allume pas. Si la température augmente, dès que Vt dépasse 2,83 V, S passe à la tension V+ et la LED s allume. Elle reste allumée, même si la température continue d augmenter. Le fonctionnement d une LED est expliqué aux pp. 44 et

6 Pour obtenir un thermomètre, il suffit de superposer plusieurs de ces unités de comparaisons, en leur appliquant à chacune une tension A différentes. Cette différence de potentiel est fixée par les résistances R2 à R12 : Il existe des CI qui intègrent quatre amplis Op. Il s agit du LM 324. la différence de potentiel entre les bornes B et A est de 3,05-2,83 = 0,22 V 0,22 : 11 = 0,02 V soit 20 mv. Pour résumer, à chaque fois que la température augmente de 2 C, la tension Vt augmente de 20 mv et la LED correspondante s allume. Les bornes et alimentent les quatre amplis Op. 71

7 Réalisation Remarque préliminaire : la réalisation du thermomètre est présenté ici sur deux circuits distincts (le thermomètre et son alimentation électrique) en prévision de la fabrication du cadre photo présenté plus loin. Toutefois, il est parfaitement imaginable de placer le tout sur une seule carte, en la prenant plus longue et en modifiant quelque peu l implantation des composants de l alimentation. La séparation s est avérée nécessaire en raison d impératifs techniques d encombrement. Le thermomètre, marche à suivre 1. Scier une carte de laboratoire aux dimensions 91 x 60 mm (36 bandes de cuivre et 24 rangées de trous). 2. Poncer les côtés. 3. Marquer et percer les coupures de bandes selon le plan. 4. Selon le plan d implantation, souder d abord les ponts, puis les résistances. 5. Souder les LED (le fond des LED est appuyé contre la carte). Attention à bien les orienter comme indiqué sur le plan (le côté plat de chaque LED dirigé vers le «haut»). LED vertes (DEL1 à DEL4), LED jaunes (DEL5 à DEL7), LED rouges (DEL8 à DEL12). 6. Souder les supports de circuits intégrés (voir remarque ci-contre) et y placer les CI. 72 Coupure de bandes, explications illustrées p. 37. Implantation des ponts et des composants pp. 37 à 39. Souder un circuit intégré (ou son support) p. 40. Si l on souhaite réaliser le cadre photo présenté plus loin, et contrairement à ce qu il est conseillé de pratiquer, il ne faut pas mettre de support, mais souder directement les CI sur la carte (pour une question d épaisseur). Dans ce cas, changer d IC à chaque soudure, afin d éviter la surchauffe de l élément.

8 L alimentation 1. Scier une carte de laboratoire aux dimensions 75 x 12 mm (5 bandes de cuivre et 29 rangées de trous). Poncer les côtés. 2. Marquer et percer les coupures de bandes selon le plan. 3. Selon le plan d implantation, souder d abord les ponts, puis les résistances. 4. Souder le trimmer en l appuyant bien sur la carte. 5. Souder le LM 317 (CI4) après avoir courbé les broches à 90 en direction de la plaque de refroidissement. 6. Souder la sonde de température (CI5) en faisant attention au sens. Courber les broches de manière que la sonde ne dépasse pas de plus de 2 mm le trimmer en hauteur. Câblage LM 317 prêt à être soudé, vu de profil : Souder la sonde comme un transistor, voir p Relier ensemble les deux circuits à l aide de câble gainé ( + en rouge, masse en noir, A, B et C à choix vert, blanc ou n importe quelle autre couleur disponible). 2. Souder le connecteur de pile au circuit (câble noir) et au bouton poussoir (câble rouge). Relier la deuxième broche du bouton au circuit (câble rouge aussi). 3. Tester le montage (celui-ci ne fonctionne que lorsque l on presse sur le bouton poussoir, afin d éviter d user trop rapidement la pile). 73

9 Étalonnage Pour étalonner le thermomètre, on agit sur la tension fournie par l alimentation (le LM 317 en fait). 1. Se munir d un thermomètre de référence.. 2. Régler le trimmer AJ avec un petit tournevis pour que la LED allumée corresponde à la valeur indiquée par le thermomètre de référence. Si le thermomètre de référence indique 20 C, tourner le curseur de AJ jusqu à ce que les LED DEL1 à DEL 6 d éclairent. Le réglage est alors valable pour l ensemble de l échelle. Si le thermomètre de référence indique une valeur intermédiaire (19 C), régler sur la LED plus proche (DEL5) et contrôler plus tard. 74

10 Application n 3 Un cadre photo avec thermomètre intégré Joindre l utile à l agréable, tel est le but de cet objet qui trouve facilement place dans la salle de séjour ou dans une chambre à coucher. Année de programme 7e - 8e Temps de réalisation 15 périodes Prix approximatif Fr. 5. Il est présenté ici avec trois volets, mais peut aussi être adapté facilement avec deux, voire un seul. Objectifs Approfondir la technique de découpe du carton Lire un plan, tracer avec précision Approfondir la technique de couvrure Matériel nécessaire un rectangle de carton-bois, 750 x 510 x 2 mm Fr. 3,00 un rectangle de carton-machine de 450 x 340 x1 mm ou chutes ~ Fr. 0,40 un rectangle de papier banane ou d un autre papier de couvrure un rectangle de toile 4 boutons-pression Colle à chaud, colle contact 75

11 Réalisation Ce boîtier, assez compliqué de conception, est fondé sur une technique que je nomme «technique du sandwich». L idée étant que le boîtier occupe le moins d espace possible en épaisseur et que le circuit donne l impression d être fondu dans la masse. Un système à bouton-pression permet d accéder rapidement à la pile, qui est cachée dans un pied. Mache à suivre pour le premier volet (celui qui contient le thermomètre) 1. Découper dans du carton-bois de 2 mm quatre rectangles de 170 x 150 mm et dans du carton-machine de 1 mm 2 rectangles aux mêmes dimensions. 2. Tracer et découper les pièces 1a, 1b et 1c (ne pas effectuer encore les perçages!). La surface à mi-carton permet de conserver un fond à la photo, tout en ménageant un peu d espace au circuit. La couche de carton-machine laisse quant à elle la place pour glisser la photo. 3. Coller l une sur l autre les pièces 1a, 1b et 1c. 4. Tracer les perçages et les percer. Pour l ouverture du bouton, tracer le carré de 11 x 11 mm et percer au centre à Ø 10 mm. Limer ensuite les bords. 5. Nettoyer le bord des perçages au papier de verre. 76

12 6. Tracer et découper les pièces 1d, 1f et 1g. 7. Sur la pièce 1d, estamper les quatre trous à la pince à sertir les boutons-pression. Reporter les trous sur les pièces 1f et 1g. 8. Sur la pièce 1d, sertir quatre boutons («petits chapeaux»). 9. Tracer et découper la pièce 1e. Percer les trous de Ø 13 mm. 10.Coller 1e sur 1d (les boutons de la pression passent dans les trous de Ø 13 mm). 11.Présenter 1d+1e sur la pièce 1a+1b+1c. Par l avant, introduire le bouton poussoir dans l ouverture de 11 x 11 mm et presser doucement dessus pour marquer dans le carton l emplacement de ses broches. 12.Percer au Ø 1,5 mm dans les marques laissées par les broches. Passer au feutre noir la zone se trouvant sous le bouton poussoir. Soudure de câbles sur un bouton poussoir, voir p Souder deux câble rouges à deux broches du bouton poussoir (identifier, à l aide du ohmmètre, les «pattes» qui sont mises en contact lors de la pression). 14.Passer les câbles dans le carton et coller Po avec de la colle contact. 77

13 15.Découper un morceau de toile de 140 x 60 mm. Tracer l axe dans la longueur, encoller et plier les bords sur la ligne médiane. Couper quatre morceaux de 35 mm de long. 16.Coller deux pièces de toile dans les encoches latérales prévues à cet effet. Ne pas oublier de laisser «la couture» à l arrière. 17.Coller la pièce 1d+1e sur la pièce 1a+1b+1c. L avant du boîtier est terminé. 18.Pour le dos du boîtier, sertir les boutons-pression (partie mère) sur la pièce 1f et coller par dessus la pièce 1g. 19.Selon ses goûts, pratiquer au sommet de ces deux pièces un chanfrein de 45 dans les coins (à la lime ou à la ponceuse) et pratiquer une découpe des pieds

14 Mémoire de brevet 2004 Intégration de l électronique dans les travaux manuels 19.Couvrir séparément l avant et le dos du boîtier. Pour protéger le fond de la fenêtre et que celui-ci reste propre, il est souhaitable de glisser à la place de la photographie un carton fin de dimension 86 x 105 mm. On retire celui-ci lorsque la couvrure est terminée. 20.Réaliser le pied cache-pile selon le plan. Couvrir de papier et coller à l arrière du dos. 79

15 Mémoire de brevet 2004 Intégration de l électronique dans les travaux manuels 21.Réaliser les volets 2 et 3 sur le même modèle (pas de pied sur le volet 2) et ne pas oublier d insérer au bon moment les toiles des charnières de la pièce voisine. 22.Collage des charnières. On pourrait coller ensemble toutes les couches, sans se préoccuper d une pièce «avant» et d une pièce «dos». Toutefois, il est assez joli de garder la même ligne de séparation au centre de chaque volet. Garder donc une séparation 2a+2b+2c+2d+2e et 2f+2g. Cela permet en outre de cacher la limite du papier de couvrure à l intérieur. 23.Dans le volet 1, souder le câble rouge du connecteur de pile à l un des câbles du bouton poussoir (entourer la soudure d un petit bout de gaine thermorétractable ou de bande isolante) et souder le câble noir sur le circuit d alimentation. Insérer le circuit du thermomètre en poussant les LED dans les perçages. Mettre un point de colle sur le LM 317 et fixer le circuit d alimentation à sa place en veillant que le trimmer et la sonde de température soient bien en face des trous et qu aucun câble ne passe devant. Placer les câble pour qu ils ne gênent pas la fermeture et cliper le couvercle. 80 Mettre un point de colle à chaud pour tenir les câbles venant du bouton poussoir pour les maintenir en place (s ils sont bougés trop souvent, ils risquent de se casser).

16 Liste de prix indicatifs des principaux éléments composant le thermomètre à LED. Dénomination Type, dimensions Fournisseur, lieu d'achat Référence, Nombre n de commande de pièces achetées Prix unitaire Commentaire, quantité réellement nécessaire Carton-bois 900 x 600 x 2 mm Dépôt SVTM CB env. 750 x 510 mm Pins (clou + attache) Dépôt SVTM PIN pièces (sachet de 100 pièces) Résistance 2,2 kω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièce Résistance 220 Ω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièces Résistance 180 Ω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièces Résistance 470 Ω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièce Résistance 390 Ω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièce Résistance 43 Ω 0,25 W Film métallique Distrelec pièce Résistance 560 Ω 0,25 W Couche de carbone Distrelec pièce Trimmer 500Ω Horizontal Distrelec pièce Circuit intégré LM 324 Quadruple Distrelec pièces Circuit intégré LM 317 Distrelec pièce Circuit intégré LM 335 Distrelec pièce LED Ø 5 mm Verte Distrelec pièces LED Ø 5 mm Jaune Distrelec pièces LED Ø 5 mm Rouge Distrelec pièces Bouton poussoir JB-15FP Distrelec pièce 81

17 Un cadre photo avec thermomètre électronique intégré Montage du thermomètre 1. Scier une carte de laboratoire aux dimensions 91 x 60 mm (36 bandes de cuivre et 24 rangées de trous). 2. Poncer les côtés. 3. Marquer et percer les coupures de bandes selon le plan. 4. Selon le plan d implantation, souder d abord les ponts, puis les résistances. 5. Souder les LED (le fond des LED est appuyé contre la carte). 6. Souder les circuits intégrés. Montage de l alimentation 1. Scier une carte de laboratoire aux dimensions 75 x 12 mm (5 bandes de cuivre et 29 rangées de trous). Poncer les côtés. 2. Marquer et percer les coupures de bandes selon le plan. 3. Selon le plan d implantation, souder d abord les ponts, puis les résistances. 4. Souder le trimmer en l appuyant bien sur la carte. 5. Souder le LM 317 (CI4) après avoir courbé les broches à 90 en direction de la plaque de refroidissement. 6. Souder la sonde de température (CI5) en faisant attention au sens. Courber les broches de manière que la sonde ne dépasse pas de plus de 2 mm le trimmer en hauteur. Câblage 1. Relier ensemble les deux circuits à l aide de câble gainé ( + en rouge, masse en noir, A, B et C à choix vert, blanc ou n importe quelle autre couleur disponible). 2. Souder le connecteur de pile au circuit (câble noir) et au bouton poussoir (câble rouge). Relier la deuxième broche du bouton au circuit (câble rouge aussi). 3. Tester le montage.

18 Fabrication du cadre 1. Découper dans du carton-bois de 2 mm quatre rectangles de 170 x 150 mm et dans du carton-machine de 1 mm 2 rectangles aux mêmes dimensions. 2. Tracer et découper les pièces 1a, 1b et 1c (ne pas effectuer encore les perçages!). 3. Coller l une sur l autre les pièces 1a, 1b et 1c. 4. Tracer les perçages et les percer. Tracer le carré de 11 x 11 mm et l ouvrir. 5. Nettoyer le bord des perçages au papier de verre. 6. Tracer et découper les pièces 1d, 1f et 1g. 7. Sur la pièce 1d, estamper les quatre trous à la pince à sertir les boutons-pression. Reporter les trous sur les pièces 1f et 1g. 8. Sur la pièce 1d, sertir quatre boutons. 9. Tracer et découper la pièce 1e. Percer les trous de Ø 13 mm. 10.Coller 1e sur 1d. 11.Présenter 1d+1e sur la pièce 1a+1b+1c. Par l avant, introduire le bouton poussoir dans l ouverture de 11 x 11 mm et presser doucement dessus pour marquer dans le carton l emplacement de ses broches. 12.Percer au Ø 1,5 mm dans les marques laissées par les broches. Passer au feutre noir la zone se trouvant sous le bouton poussoir. 13.Souder deux câble rouges à deux broches du bouton poussoir. 14.Passer les câbles dans le carton et coller Po. 15.Découper un morceau de toile de 140 x 60 mm. Tracer l axe dans la longueur, encoller et plier les bords sur la ligne médiane. Couper quatre morceaux de 35 mm de long. 16.Coller deux pièces de toile dans les encoches latérales prévues à cet effet. 17.Coller la pièce 1d+1e sur la pièce 1a+1b+1c. L avant du boîtier est terminé. 18.Pour le dos du boîtier, sertir les boutons-pression (partie mère) sur la pièce 1f et coller par dessus la pièce 1g. 19.Selon ses goûts, pratiquer au sommet de ces deux pièces un chanfrein de 45 dans les coins et pratiquer une découpe des pieds. 19.Couvrir séparément l avant et le dos du boîtier. 20.Réaliser le pied cache-pile selon le plan. Couvrir de papier et coller à l arrière du dos. 21.Réaliser les volets 2 et 3 sur le même modèle. Ne pas oublier le collage des charnières. 22.Dans le volet 1, souder le câble rouge du connecteur de pile à l un des câbles du bouton poussoir et souder le câble noir sur le circuit d alimentation. Insérer le circuit du thermomètre. Mettre un point de colle sur le LM 317 et fixer le circuit d alimentation à sa place en veillant que le trimmer et la sonde de température soient bien en face des trous et qu aucun câble ne passe devant. Placer les câbles pour qu ils ne gênent pas la fermeture et cliper le couvercle.

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