TPE: Le jeu de lumière à LED.

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1 TPE: Le jeu de lumière à LED. Groupe : Majid Mohamed Ben Salah, Dylan Rivière, Alexis Roth Introduction: Les jeux de lumière à LED sont de plus en plus utilisés dans le secteur de l animation et du spectacle, en boite de nuit ou en soirées privées par exemple. Dans ce TPE, nous nous concentrerons sur le fonctionnement du modèle suivant : le Eurolite 19RGB. Nous allons étudier cet objet en particulier afin de pouvoir avoir une approche concrète de cet objet technique. Sommaire : I) Analyse fonctionnelle. II) Électronique : La carte électronique, ses composants, ses principes et son utilisation. III) Physique : La LED et la lentille convergente. IV) Mécanique : Le fonctionnement du moteur relié à la parabole à miroirs du dispositif. V) Conclusion Générale.

2 I)Analyse fonctionnelle. Dans cette partie, nous allons procéder à l'analyse fonctionnelle de l'objet technique présenté. Cela consiste à étudier quelles sont les solutions techniques qui permettent de satisfaire le besoin de l'utilisateur. On la présente le plus souvent sous forme de diagrammes. Nous allons présenter deux des diagrammes possibles pour faire une analyse fonctionnelle, le diagramme dit «Bête à cornes» et le diagramme dit «Pieuvre» a) Le diagramme bête à cornes. Eclairage de Utilisateurs la pièce Projecteur à LEDs Créer une ambiance colorée dans la pièce. Le diagramme bête à cornes et le plus simple des diagrammes d'analyse fonctionnelle, il permet d'identifier à quel besoin va subvenir le futur produit. Ici, le projecteur aide l'utilisateur en agissant sur l'éclairage de la pièce pour créer une ambiance colorée dans la pièce.

3 b) Le diagramme «Pieuvre» : Salle peu lumineuse Utilisateur Energie FP1 FC1 Commodité FC6 Projecteur Eurolite FC5 FC4 FC2 Sécurité FC3 Resistance Marché Transport FP1 Éclairer la salle avec des effets et au rythme de la musique. FC1 Se raccorder au réseau électrique classique. FC2 Être ventilé et protégé contre la surchauffe. FC3 Être au prix du marché actuel. FC4 Être facile à transporter. FC5 Protéger les éléments électroniques intérieurs. FC6 Pouvoir régler l'objet simplement. Le diagramme pieuvre permet d'identifier les fonctions principales et les fonctions complémentaires du produit, il permet aussi d'identifier certaines contraintes comme des normes par exemple.

4 II) Électronique : La carte électronique, ses composants, ses principes et son utilisation. La carte électronique étudiée est faite de beaucoup de composants tels que des condensateurs (plus ou moins importants), des diodes, des régulateurs, des résistances, des transistors. La partie étudié est un des composants dans cette carte : la puce électronique HCF 4060 BE. A) Qu est-ce qu une carte électronique? Un circuit imprimé est un support, en général une plaque, permettant de relier électriquement un ensemble de composants électroniques entre eux, dans le but de réaliser un circuit électronique complexe : on le désigne aussi par le terme de carte électronique. B) Définition d un microprocesseur : Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. (Généralement, le processeur est la partie d un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes). L apparition du microprocesseur est due à l évolution de l industrie électronique. L invention du transistor en 1947 a ouvert la voie de la miniaturisation des composants électronique. Les différents composants électroniques formant un processus ne pouvaient tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la compagnie Intel a réussi pour la première fois à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance aux microprocesseurs. La vitesse de traitements d un microprocesseur peut être exprimée en MIPS (million d instructions par seconde)

5 Depuis le milieu des années 1970, la complicité et la puissance des microprocesseurs ou CPU n a pas cessé d augmenter au-delà de tous les autres types de processeurs. Les premiers processeurs étaient conçus spécifiquement pour un ordinateur d un type de donnée. Aujourd hui les microprocesseurs sont utilisés dans plusieurs machines programmables différentes, on les trouve partout, de l automobile aux téléphones portables, en passant par les jouets pour enfants. Le microprocesseur est l un parmi plusieurs circuits qui réalise une fonction de traitement. Toutes les fonctions sont intégrées sur une puce de silicium. Si la complexité est très grande, on peut distribuer les fonctions de façon répétitives. Le microprocesseur ne peut être utilisé seul, il faut ajouter : Des mémoires pour stocker des données et les programmes. Des circuits d entrée/sortie et des interfaces Des circuits annexes (multiplexeur, décodeurs) Une horloge L alimentation De nos jours, il y a plusieurs formes de processeur ou microprocesseur. L évolution des microprocesseurs a était fulgurante ; on est passé des 1 millions de transistors en 1990 à plus de 100 millions de transistors aujourd hui

6 C) La puce électronique : HCF 4060Be La puce HCF 4060 est un compteur-diviseur à 14 étages avec oscillateur. C est un circuit classé «CMOS» CMOS = Complementary Metal Oxyde Semiconductor Ces circuits sont réalisés à partir de transistors à effet de champ de type MOS. Ils sont plus faciles à fabriquer que d autres circuits. Ils permettent une plus grande intégration à grande échelle. Leur principal inconvénient est leur vitesse de fonctionnement relativement faible par rapport à d autre. On peut observer également un multiplexage d affichage : Le multiplexage est utilisé principalement dans la télécommunication mais il connaît aujourd hui des dériver et donc des évolutions utilisé en industrie par exemple. Dans un système d'affichage, le multiplexage est un procédé qui consiste à utiliser plusieurs voyants ou plusieurs afficheurs et à ne pas tous les allumer à la fois, en vue d'économiser de l'énergie et de limiter le nombre de fils de câblage. Par exemple, l'affichage de votre radio réveil numérique, de votre machine à laver ou de votre four micro-onde est fort probablement multiplexé. Principe : Le principe est simple à comprendre, lorsque l on regarde une télévision, l image vue est constituée d'une suite d'images, qui elles-mêmes sont constituées de plusieurs lignes, chaque ligne étant quant à elle composée de plusieurs points individuels. Les points sont allumés à tour de rôle, les lignes sont dessinées les unes après les autres, et les images se succèdent rapidement, à une cadence de 25 images par secondes. En un instant donné, un seul point de l'image est éclairé sur la télévision, et

7 pourtant vous voyez une image complète. Pourquoi? Parce que tout se passe très vite, à tel point que votre œil n'arrive pas à suivre. La raison pour laquelle cela est fait comme ça est lié à l'histoire de la télévision et à la technique alors employée, qui ne permettait de transmettre qu'un seul point à la fois. Pour tromper le téléspectateur, il faut envoyer les points les uns après les autres à très grande vitesse (en réalité on ne transmet pas des points mais des tensions continues qui varient dans le temps). Pour que l'œil et le cerveau ne fassent pas la différence, c'est à dire pour qu'il ne se rende pas compte que tout n'est pas affiché en même temps, il faut que la cadence d'affichage aille au-delà d'une certaine vitesse, qui est voisine de 20 Hz. Les anciens films tournés à 15 images par seconde rendent parfaitement le côté saccadé ou "scintillant" que l'on a cherché par la suite à éliminer pour diminuer la fatigue visuelle due à ce défaut. Les téléviseurs 50 Hz on fait leur apparition (affichage doublé de chaque image d'origine), et les écrans d'ordinateur affichent actuellement entre 60 et 100 images par seconde. En exemple, l'affichage d'un nombre de 0000 à 9999 implique l'emploi de quatre afficheurs, et si chacun est allumé à tour de rôle, il faut que ce soit rapide. Le multiplexage est une technique qui consiste à faire passer plusieurs informations à travers un seul support de transmission. Elle permet de partager une même ressource entre plusieurs utilisateurs. Il existe deux techniques principales de multiplexage : temporelle et fréquentielle. Multiplexage fréquentiel : Il consiste à faire passer plusieurs informations en simultané en jouant sur la longueur d'onde de la lumière émise. Plus simplement, on envoie plusieurs couleurs en simultané sur un seul brin optique. C est ce qu on retrouve lors de l exemple avec la télévision, et c est ce qui ce passe lors de notre exemple avec nos LED Le compteur diviseur étudié permet de contrôler les LED et de créer des

8 signaux rectangulaires pour la transmission des données. Grâce à lui, les LED s éclaire dans un ordre définie et répétitif au bout d un certain moment (jusqu à la fin du cycle). Elles peuvent s éclairaient plusieurs à la fois et donc jouer avec les jeux de couleurs car les LED changent de couleurs. La répartition des LED sont particulièrement placé dans un ordre définie et elles sont allumées dans un ordre également définie et répétitif au final. Grâce au logiciel «Crococlip» voila la matrice à LED que le compteur diviseur produit (en version simplifiée) : Bien sur cette matrice a était simplifié pour un meilleur fonctionnement et une meilleur explication par la suite. Ce que je peux dire de ce Crococlip c est que les LED sont branché dans un ordre bien particulier. J ai relié tous les cathodes des LED en ligne puis je les aie reliées au compteur décimal décodé à gauche. Puis les anode sont reliées en colonne et relié par la suite également au compteur décimal décodé. Ce compteur sert à décoder le binaire et le transformer en signaux électrique. Ces signaux électrique sont ensuite acheminer jusqu aux LED par le bien de plusieurs composants très divers (résistances, condensateurs ) ce qui permet au final l éclairage des LED dans un ordre précis et voulu.

9 III) Physique : La LED et la lentille convergente. A) Étude de cas généraux : LED et Lentille convergente. 1) les LEDS La LED est un composant dit passif, de la famille des semi-conducteurs (comme la diode). Il s'agit d'une diode un peu particulière, qui a la propriété d'émettre de la lumière quand un courant la parcourt (de l'anode vers la Cathode). Cathode, pôle "négatif" de la LED, patte la plus courte. Anode, pôle "positif" de la LED, patte la plus longue. Il en existe de plusieurs sortes, fabriquées avec des matériaux différents, qui seront choisi par le constructeur en fonction du rendement et du type de lumière désirés. Certaines LED ont un rendement très supérieur à d'autres, on les réserve à de l'affichage en extérieur (feux tricolores, feux stop des voitures, panneaux d'affichage vidéo), ou pour de la signalisation critique en intérieur (voyant d'alarme par exemple).

10 FONCTIONNEMENT : C'est lors de la recombinaison d un électron et d un trou d électron dans un semi-conducteur qu il y a émission d un photon. En effet, la transition d un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde. Elle est alors radiative (émissive) et elle s accompagne de l émission d un photon. Un trou d'électron (habituellement appelé tout simplement trou) est l'absence d'un électron dans la bande de valence, qui serait normalement remplie sans le trou. L élément semi-conducteur est un élément dopé avec des impuretés afin de créer une jonction PN qui doit être polarisée en sens direct lorsqu on veut emmètre de la lumière (du sens P vers N). Jonction PN : La cathode, constituant la zone N a subi un dopage de type N consistant à augmenter la densité en électrons dans l élément semi-conducteur. L anode, constituant la zone P a subi un dopage de type P consistant à la densité en trous d électrons dans le semi-conducteur. Lorsque cette jonction est parcourue par une tension positive, les trous d électrons (porteur positif) de la zone P sont repoussés vers la jonction, et les électrons (porteur négatif) de la zone N sont attirés vers la jonction. A l interface de ces deux zones, soit les porteurs continuent leur trajet dans le semi-conducteur, soit ils se recombinent (l électron tombe dans le trou d électron) en émettant un photon visible. Ce qui donne la lumière qu on voit. Les différentes couleurs de lumière (rouge, vert, bleu ) sont obtenues suivant le choix du semi-conducteur utilisé et le traitement appliqué.

11 Dans notre cas les LED sont alimentés avec la même source d énergie. Alimenter simultanément deux LED différentes, par exemple une rouge et une bleue, avec la même source d'alimentation n est pas si compliqué. Vous bénéficiez de contacts libres sur des relais ou sur des interrupteurs, et souhaitez tout naturellement les exploiter pour allumer ou éteindre les LED. On décide de n'utiliser qu'une seule résistance de limitation de courant pour toutes les LED, en nous disant que quand toutes les LED sont allumées en même temps on perd un peu en luminosité mais que c'est acceptable. Ce qui donne un schéma de câblage équivalent au suivant. Ce schéma est bien entendu simplifié. La durée de vie d'une LED est normalement spécifiée par le constructeur, elle peut atteindre heures (environ 10 ans). Attention cependant, la durée de vie spécifiée correspond à une utilisation en continu, sous un courant contrôlé (par exemple 20 ma) et à une température ambiante donnée (par exemple 25 C). Tout écart (courant plus important ou température plus élevée) peut conduire à une réduction importante de la durée de vie. Certaines LED sont données pour une durée de vie de heures, parfois même "seulement" heures. 2) Lentille convergente Une lentille convergente transforme un faisceau de lumière parallèle (onde plane) en un faisceau qui converge vers un point situé en aval de la

12 lentille. La lentille de notre «jeux de lumière» est précisément une lentille «mince» plus dite Exemple de lentille convergente dans un schéma. B) Étude physique du «FE-19 Eurolite LED» Dans notre cas, chaque élément étudié auparavant a une utilité bien concrète dans le fonctionnement de ce jeu de lumière. -Tout d abord, les 18 LEDS unicolores émettent de la lumière, certaine de la lumière bleue, d autres rouges, et enfin certaines verte. Les LEDS Ces LEDS sont «réglées» pour émettre de la lumière de façon à produire des formes après passage de la lumière à travers la lentille convergente. -Mais avant cela, cette lumière émise par ces LEDS est dirigée vers les miroirs (16 au total ) disposés de façon à ce que les rayons lumineux soient déviés en direction de la lentille convergente toujours dans le but de créer ces formes après sortie définitive des rayons lumineux du système.

13 Les 16 miroirs -Pour finir, ces rayons lumineux ressortent de ce système après passage à travers la lentille convergente. L image parut à la sortie a une certaine forme originale pour attirer l œil de l observateur. La lentille Une des images formée, entre autres On peut représenter les relations concernant ces trois éléments physique avec le schéma suivant :

14 IV) Mécanique : Le fonctionnement du moteur relié à la parabole à miroirs du dispositif. Malgré ce que l'on pourrait penser au premier abord, ce projecteur a bien une partie interne qui fonctionne mécaniquement. Il y a en effet un ensemble avec un moteur et une parabole sur laquelle des miroirs sont collés qui fonctionnent de manière mécanique. Voici donc l'objet de notre étude, cette parabole remplie de 16 miroirs est reliée à un moteur. On constate d'ailleurs quand on lit l'autocollant au dos que le moteur tourne à 20/24 rotations par minute. Cependant, on se rend compte rien qu'à l œil nu que cette parabole qui est reliée ne peut pas faire ces 24 rotations en une minute.

15 On utilise donc un appareil de mesure appelé le Tachymètre pour mesurer le nombre de rotations que fait un objet par minute. Pour cela on fait un montage avec le moteur et la parabole de façon à ce qu'elle tourne en continu et ainsi on peut mesurer, il faut aussi tracer un trait blanc sur la parabole pour que l'objet trouve le point de départ et d'arrivée de la parabole et pour qu'il puisse prendre la mesure. Après mesure, voici les résultats : On constate une légère infériorité de vitesse entre la parabole et la vitesse initialement prévue et inscrite au dos du moteur. On peut donc facilement en déduire qu'il y a quelque chose dans le moteur qui fait que celui-ci est ralenti, il faut donc trouver quoi, et pour ce faire, il faut ouvrir le moteur pour observer l'intérieur. Voilà donc la partie du moteur que l'on doit ouvrir : Et voilà le résultat après l'ouverture du moteur électrique :

16 On distingue donc 4 engrenages qui servent déjà à réduire la vitesse de rotation. Il y a en effet un rapport entre les engrenages qui détermine le nombre de fois que la vitesse est réduite par chaque ensemble d'engrenages. ( Nombre de dents de la roue menante) Ceci nous donne un coefficient multiplicateur. (Nombre de dents de la roue menée) Concrètement si l'on fait le rapport de tous les engrenages d'un système et qu'on le multiplie par la vitesse de sortie, on trouve la vitesse du moteur initiale. L'objectif est maintenant de représenter cet ensemble pour en voir le fonctionnement, pour cela on utilise un logiciel Inventor, c'est un logiciel de modélisation 3D qui va nous permettre de recréer la totalité du système virtuellement. On va donc recréer les pièces une par une, pour ensuite les assembler dans un ensemble pour enfin les animer grâce à des contraintes mécaniques spécifiques. Voilà donc la liste des pièces qui ont été modélisées sur Inventor : - L'ensemble fixe sur lequel repose tous les engrenages. - Le premier engrenage avec la petite barre de fer où on fixe la parabole. - Un second engrenage qui vient tourner avec le premier. - Un troisième engrenage qui tourne avec le second. - Un dernier engrenage qui tourne avec le troisième. Voici le comparatif entre la pièce réelle et sa modélisation sur Inventor, notons que l'échelle prise pour Inventor est de 2 pour des raisons pratiques.

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18 Vous pouvez donc voir ci-dessus la totalité des pièces qui ont été nécessaires à recréer le moteur du projecteur. Une fois que toutes ces pièces ont été dessinées et mises en relief de façon à obtenir ces résultat, il ne reste plus qu'à les assembler en appliquant des contraintes spécifiques à chaque pièce aussi bien pour les assembler que pour les lier entre elles pour qu'elles effectuent un mouvement spécifique. On obtient le résultat suivant : Voici les différentes contraintes qui ont été nécessaires pour que le système soit fonctionnel : - Toutes les pièces ont d'abord subit un placage d'axe et de surface avec l'ensemble fixe afin d'être fixées sur leur support. - Ensuite, il fallait faire une contrainte de rotation entre l'engrenage 1 et 2, l'engrenage 2 et 3, et l'engrenage 3 et 4. - Pour finir, il fallait aussi ajouter la contrainte d'affleurement entre l'engrenage 1 et 2, l'engrenage 2 et 3, et l'engrenage 3 et 4. Sans quoi nous ne pouvions pas piloter la contrainte de rotation qui permet de mettre en mouvement notre moteur. Conclusion : Grâce à cette étude, on apprend que même sur un objet qui à première vue, ne présente pas beaucoup d'éléments mécanique, on a quand même un vrai système d'engrenages à l'intérieur.

19 Cette diversité est vraiment plaisante et a permis de diversifier l'étude et de ne pas s'arrêter seulement à la physique et au Génie Électronique. L'étude a pu être très concrète et par conséquent plus agréable qu'une étude sur un sujet plus «standard». V) Conclusion générale. Pour conclure, nous ajouterons que ce TPE nous a permis de comprendre le fonctionnement d'un objet qui pouvait paraître à première vue plutôt banal et courant mais qui finalement s'est révélé très intéressant et plus complexe que l'on aurait pu l'imaginer. Il nous a aussi permis de pouvoir croiser 3 matières différentes, le Génie Électronique, le Génie Mécanique ainsi que la Physique. Cela nous a appris que pour un même objet technique, on peut avoir plusieurs manières de l'étudier et que de nombreuses facettes peuvent se cacher dans un même objet du quotidien.