Un nouvel électrostimulateur neuromusculaire biphasique contrôlé en courant version rechargeable sur secteur

Ce nouvel électrostimulateur neuromusculaire est la toute dernière mise à jour proposé dans l'article : "Un électrostimulateur neuromusculaire la nouvelle version, encore plus performante !". Cette fois, on aura la possibilité d’utiliser le secteur 230 V pour recharger la batterie interne, le chargeur étant incorporé à l’appareil, tout en garantissant une sécurité d’utilisation absolue. Divers programmes sont prévus, pour le développement musculaire, l’amincissement, etc.


Eh oui, nous avons proposé dans une version plus performante et avec un seul grand circuit imprimé dans l'article : "Un électrostimulateur neuromusculaire la nouvelle version, encore plus performante !" : le revoici dans une nouvelle mise à jour. L’appareil a eu beaucoup de succès auprès de nos lecteurs, c’est ce qui nous a encouragés à “remettre l’ouvrage sur le métier” (l’expression est de La Fontaine) par deux fois. Les améliorations ont chaque fois touché les performances et la simplicité du montage et de l’utilisation. Par exemple, on a ajouté des comparateurs signalant l’état de charge de la batterie. On a donné la possibilité au microcontrôleur de lire la position des boutons de réglage de l’intensité du courant d’électrodes, de façon à éviter une application brusque de la stimulation électrique.

La nouvelle version
Dans cet article-ci nous vous présentons la nouvelle mise à jour du montage : nous avons prévu cette fois la possibilité de relier l’appareil directement au secteur 230 V, de manière à charger plus rapidement et simplement la batterie alimentant le circuit. Le modèle précédent mettait en oeuvre, pour la charge, une alimentation secteur externe de 15 V et avait besoin de 7 heures pour recharger la batterie. En utilisant directement le secteur 230 V, en revanche, le temps de charge est considérablement réduit et il n’est plus nécessaire d’utiliser un dispositif extérieur. La sécurité de l’usager est garantie par un circuit spécial coupant automatiquement les électrodes quand l’appareil est branché sur le secteur (l’appareil n’est donc pas utilisable pendant la charge).
Une autre amélioration conférée au nouveau modèle est la présence, désormais, de deux LED signalant par leur clignotement que dans les connecteurs d’électrodes se trouvent les trains d’impulsions de courant nécessaires à la stimulation.

Figure 1 : Programmes disponibles.

L’électrostimulateur dispose de dix programmes divers d’entraînement. Par rapport à la version précédente, de légères améliorations ont été apportées : elles découlent d’expériences pratiques réalisées en quelques mois. Chaque programme est caractérisé par son ou ses domaines d’intervention (fessiers, abdos, potentialisation, raffermissement, cellulite, etc.).
Tous les programmes (parmi lesquels capillarisation, cellulite et TENS) se composent de trois phases : échauffement, musculation, relaxation. La première et la dernière phase ont des durées fixes, alors que la durée de la phase de musculation peut varier de 1 à 60 minutes (le tableau indique une durée conseillée par séance). Certains programmes prévoient un type de travail continu, alors que d’autres des temps de travail (10 à 15 secondes) alternés avec des temps de repos.

Quelques notions d’électrostimulation
Avant d’analyser les caractéristiques et les particularités du dispositif que nous proposons, voyons ensemble quelques concepts de base de la théorie de l’électrostimulation. Nous n’avons guère la place, dans cette revue d’électronique, d’approfondir la question et encore moins d’être exhaustifs : il nous semble cependant impératif de vous donner quelques notions de base afin que vous obteniez les meilleurs résultats avec votre électrostimulateur.
Le plus important à savoir est que les fibres musculaires ne sont pas toutes pareilles, on peut en effet les subdiviser en trois groupes :
- Fibres rapides de type A : soit fibres blanches réalisant des contractions rapido-résistantes.
- Fibres rapides de type B : toujours fibres blanches, mais permettant des contractions explosives.
- Fibres lentes : fibres rouges, caractérisées par des temps de contraction plus lents, mais aussi par une résistance à l’effort supérieure.
Il faut savoir en outre que le pourcentage de fibres blanches et rouges varie d’un muscle à l’autre, ainsi que d’un individu à un autre. Des recherches médicales ont démontré que pour stimuler les divers types de fibres, différentes fréquences spécifiques sont nécessaires :
- de 25 à 30 Hz pour les fibres rouges,
- de 40 à 50 Hz pour les fibres blanches A,
- de 70 à 80 Hz pour les fibres blanches B.
Troisième point, il faut considérer que chaque discipline sportive demande des pourcentages différents de fibres rouges/blanches : plus le sport est “de puissance” (comme le 100 m) plus on demande de fibres rapides, plus le sport est “de résistance” (comme le marathon), plus on demande des fibres lentes, mais aussi résistantes aux efforts prolongés (figure 2).
Il existe aujourd’hui deux domaines d’application différents de l’électrostimulation : le domaine thérapeutique et le domaine de la mise en forme ou modelage. Dans le premier cas, on parle de TENS : il se caractérise par une induction de courants faibles dans les nerfs avec pour finalité de stimuler la production de substances lénifiant la douleur (sédatives ou calmantes).
Dans le second, en revanche, on induit des courants d’intensité plus élevée de façon à réaliser la contraction du muscle voulu. Le terme même de “modelant” ou “modelage”, fait penser à une préoccupation esthétique de l’usager, mais en réalité il faut comprendre sous ce terme aussi des cures de réhabilitation et de restauration physiothérapeutiques.
Du point de vue esthétique, le parcours d’un courant est utilisé pour lyser (éliminer, faire fondre) la matière grasse, du point de vue physiothérapeutique l’électrostimulation est en revanche utilisée pour restaurer des fonctions endommagées par la fracture d’un membre et l’immobilisation de l’articulation qui s’ensuit, ou par une autre cause. Ainsi, l’athlète peut ensuite retourner à son activité immédiatement après la fin de la période de reprise de la mobilité, sans devoir attendre le temps normal (et fort long) de récupération.

Figure 2 : Pourcentage des fibres lentes et rapides.

Chaque activité sportive demande un rapport différent entre fibres lentes et rapides. Les sports de “puissance” réclament une quantité supérieure de fibres rapides (par exemple le “body building” un pourcentage de 60 % de fibres rapides et 40 % de fibres lentes), les sports d’efforts plus prolongés et donc de “résistance” demandent en revanche un plus grand pourcentage de fibres lentes (le marathon, par exemple, un pourcentage de 70 % de fibres lentes et de 30 % de fibres rapides). Chaque individu, dès la naissance, se caractérise par un certain rapport entre fibres rapides et fibres lentes. On doit noter qu’avec l’entraînement, il est possible de transformer des fibres rapides en fibres lentes, mais non l’inverse.
Le tableau montre les pourcentages de fibres lentes nécessaires pour différentes disciplines sportives.

Notre appareil
Le mode d’électrostimulation utilisé par notre appareil est de type cutané ou non invasif : des impulsions de courant sont appliquées à deux électrodes placées en contact avec la peau.
Le champ électrique se formant entre les deux électrodes provoque l’excitation des circuits nerveux qu’il investit et par conséquent la contracture du muscle. Pour obtenir les meilleurs résultats, la forme d’onde produite doit être rectangulaire et constituée d’impulsions étroites appliquées par paires (une positive et une négative) caractérisées par la même amplitude.
La valeur du courant doit être constante (et c’est pour cela, nous le verrons plus loin, que notre appareil est muni d’un limiteur de courant capable de faire débiter aux électrodes toujours et seulement l’intensité désirée) et, on l’a vu plus haut, la fréquence des impulsions dépend du type de fibre que nous souhaitons entraîner.
Concluons ce chapitre de description générale de la technique de l’électrostimulation en vous faisant quelques suggestions, utiles selon nous.
La première est que la stimulation ne doit pas être prise comme quelque chose de miraculeux ou une activité substitutive du sport. Elle peut, certes, rendre plus rapide la phase de récupération ou améliorer les prestations de cer tains groupes musculaires, mais seulement si elle est correctement pratiquée et, de toute façon, si elle vient en complément d’une activité sportive. La seconde concerne le positionnement des électrodes.
Selon le muscle que l’on veut entraîner, ou les résultats que nous nous sommes fixés, la position sera différente. Nous ne pouvons pas dans ces pages montrer toutes les diverses positions : nous vous conseillons d’acheter un livre consacré à ce sujet, on en trouve d’excellents en librairie et à un prix tout à fait abordable. Rappelons en outre que les articles : "Un électrostimulateur neuromusculaire Description et réalisation" et "Un électrostimulateur neuromusculaire Utilisation", montraient un certain nombre de points d’électrostimulation les plus favorables. Nous vous renvoyons à cet article pour apprendre à positionner les électrodes et à régler l’appareil en fonction du but précis que vous recherchez.
Si votre médecin, votre kiné, etc., sont ouverts à la discussion (ce qui arrive…), vous pouvez leur demander de vous aider à utiliser votre stimulateur neuromusculaire.

Le schéma électrique de l’électrostimulateur neuromusculaire
Passons enfin à l’analyse du schéma électrique des figures 3 et 4. Le circuit est subdivisé en deux blocs fonctionnels : la section ce contrôle (figure 3) et la section de sortie (figure 4).
La section de contrôle produit deux signaux rectangulaires en opposition de phase dont la fréquence est régulée par le PIC16F877 : l’onde rectangulaire produite se trouve en sortie sur les bornes PULSE1 et PULSE2, respectivement broches 33 et 34 du microcontrôleur, ce dernier réglant en outre la durée de la phase de stimulation et repos en fonction des paramètres spécifiés au moyen des poussoirs P1 à P5. Le PIC se charge aussi de toute la gestion du système : par exemple, les deux afficheurs à 7 segments sont commandés par le microcontrôleur au moyen des puces U2 et U3 et sont utilisés pour visualiser certaines informations de contrôle (par exemple, les minutes restant avant la fin de l’entraînement).
Le schéma électrique de la section de sortie montre qu’elle reçoit en entrée les deux formes d’ondes de tension PULSE1 et PULSE2 et, au moyen de deux transformateurs à prise centrale TF1 et TF2 et d’un circuit spécial, les transforme en impulsions de courant envoyées ensuite aux électrodes par les sorties PLATE SX et PLATE DX.
Dans cette partie du circuit se trouvent deux potentiomètres R61 et R62, utilisés pour régler l’intensité maximale en milliampères (mA) du courant de sortie. On trouve aussi les relais RL2 et RL3 : ils sont commandés par le PIC à travers les sorties A, B et C et servent à couper le courant des électrodes dans le cas où, au début d’un entraînement, la valeur du courant paramétré sur R61 et R62 dépasserait un certain seuil. Cela afin d’éviter qu’un entraînement ne commence avec une intensité de courant d’électrodes trop élevée (en l’occurrence celle de la séance précédente) laquelle, bien que non dangereuse, pourrait sembler pénible, voire douloureuse, n’étant pas atteinte progressivement.
Sur toutes les connexions vers les électrodes il y a en plus un cavalier (J1 et J2) utilisé pour augmenter ultérieurement l’intensité du courant.
En effet, si le cavalier est ouvert, les résistances R58 et R59 limitent le courant, si en revanche le cavalier est fermé les deux résistances sont court-circuitées et ainsi on obtient l’intensité maximale de courant.
Comme on l’a dit en introduction, les LED LD17 et LD18 sont utilisées pour signaler la présence des impulsions sur les électrodes correspondantes.
Dans le schéma électrique de la figure 4 (section de sortie), le bloc d’alimentation est compris : il comporte une batterie rechargeable de 12 V et un circuit de recharge. Il est en effet possible de brancher l’appareil sur le secteur 230 V, afin de recharger la batterie interne : toute la ligne principale est alors coupée (le relais RL1 est excité), de façon à éviter un contact accidentel de l’usager avec la tension du secteur.
Par rapport à l’ancien modèle de circuit, on a ajouté un transformateur TF3 à double secondaire convertissant la tension alternative du secteur 230 V en 18 V (2 x 9 V). Les trois diodes D18 à D20 ont été insérées pour abaisser de 2 V environ les 18 V.
Enfin, le pont PT1 transforme l’alternatif en continu.

Figure 3 : Schéma électrique de la section de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 4 : Schéma électrique de la section de sortie de l’électrostimulateur.

Liste des composants
R1 = 390 Ω
R2 = 390 Ω
R3 = 390 Ω
R4 = 390 Ω
R5 = 390 Ω
R6 = 390 Ω
R7 = 390 Ω
R8 = 390 Ω
R9 = 390 Ω
R10 = 390 Ω
R11 = 390 Ω
R12 = 390 Ω
R13 = 390 Ω
R14 = 390 Ω
R15 = 4,7 kΩ
R16 = 10 kΩ
R17 = 10 kΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 10 kΩ
R20 = 10 kΩ
R21 = 220 Ω réseau résistif
R22 = 220 Ω réseau résistif
R23 = 220 Ω réseau résistif
R24 = 220 Ω réseau résistif
R25 = 100 Ω
R26 = 390 Ω
R27 = 2,2 kΩ
R28 = 150 Ω
R29 = 100 Ω
R30 = 2,2 Ω
R31 = 20 kΩ 1 %
R32 = 2,2 kΩ
R33 = 12 kΩ 1 %
R34 = 2,7 kΩ
R35 = 10 kΩ 1 %
R36 = 2,2 kΩ
R37 = 8,2 kΩ 1 %
R38 = 1,5 kΩ
R39 = 15 kΩ
R40 = 15 kΩ
R41 = 2,2 kΩ
R42 = 2,2 kΩ
R43 = 33 Ω
R44 = 15 kΩ
R45 = 15 kΩ
R46 = 2,2 kΩ
R47 = 2,2 kΩ
R48 = 33 Ω
R49 = 220 Ω
R50 = 2,2 kΩ
R51 = 2,2 kΩ
R52 = 2,2 kΩ
R53 = 2,2 kΩ
R54 = 15 kΩ
R55 = 15 kΩ
R56 = 2,2 kΩ
R57 = 15 kΩ
R58 = 2,2 kΩ 2 W
R59 = 2,2 kΩ 2 W
R60 = 1 kΩ
R61 = 1 kΩ potentiomètre
R62 = 1 kΩ Potentiomètre
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 10 pF céramique
C3 = 10 pF céramique
C4 = 1000 μF 35 V électrolytique
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 470 μF 25 V électrolytique
C8 = 470 μF 25 V électrolytique
C9 = 100 nF 63 V polyester
C10 = 100 nF 63 V polyester
D1 = 1N4007
D2 = 1N4007
D3 = BYW96
D4 = BYW96
D5 = BYW96
D6 = BYW96
D7 = BYW96
D8 = BYW96
D9 = BYW96
D10 = BYW96
D11 = BYW96
D12 = BYW96
D13 = BYW96
D14 = BYW96
D15 = 1N4007
D16 = 1N4007
D17 = 1N4007
D18 = 1N4007
D19 = 1N4007
D20 = 1N4007
PT1 = Pont 1 A
DZ1 = Zener 4,7 V
DZ2 = Zener 4,7 V
DZ3 = Zener 5,1 V
DZ4 = Zener 5,1 V
DZ5 = Zener 5,1 V
DZ6 = Zener 5,1 V
LD1 = LED 5 mm verte
LD2 = LED 5 mm verte
LD3 = LED 5 mm verte
LD4 = LED 5 mm verte
LD5 = LED 5 mm verte
LD6 = LED 5 mm verte
LD7 = LED 5 mm verte
LD8 = LED 5 mm verte
LD9 = LED 5 mm verte
LD10 = LED 5 mm verte
LD11 = LED 5 mm verte
LD12 = LED 5 mm jaune
LD13 = LED 5 mm rouge
LD14 = LED 5 mm jaune
LD15 = LED 5 mm verte
LD16 = LED 5 mm rouge
LD17 = LED 3 mm jaune
LD18 = LED 3 mm jaune
DS1 = Afficheur 7 seg. c.c.
DS2 = Afficheur 7 seg. c.c.
U1 = PIC16F877-EF480 programmé en usine
U2 = 4511
U3 = 4511
U4 = LM317
U5 = 7805
U6 = LM393
U7 = LM393
T1 = BC547
T2 = BC547
T3 = MPSA42
T4 = MPSA92
T5 = MPSA42
T6 = MPSA92
T7 = IRFZ44N
T8 = IRFZ44N
T9 = IRFZ44N
T10 = IRFZ44N
T11 = BC547
RL1 = Relais 12 V 2 RT
RL2 = Relais 12 V 2 RT
RL3 = Relais 12 V 2 RT
J1 = Dip 1 pôle
J2 = Dip 1 pôle
Q1 = Quartz 20 MHz
BZ1 = Buzzer sans électronique
P1 = Micropoussoir
P2 = Micropoussoir
P3 = Micropoussoir
P4 = Micropoussoir
P5 = Micropoussoir
TF1 = Transfo. C.3176
TF2 = Transfo. C.3176
TF3 = Transformateur 220 V 2 x 9 V 6 VA


La réalisation pratique de l’électrostimulateur neuromusculaire
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. Les opérations à accomplir sont les mêmes que pour le modèle précédent : pour plus de clarté, revoyons tout de même ensemble les principales. Le circuit imprimé double face à trous métallisés est unique : tous les étages de l’appareil y trouvent leur place, même le transformateur d’alimentation secteur 230 V, désormais.
Tout d’abord procurez-vous le circuit imprimé double face à trous métallisés ou réalisez-le vous-même à partir des dessins proposés par la figure 5b-1 et 2 : mais attention, les dessins ne sont pas à l’échelle 1 et vous devez d’abord en faire une photocopie en agrandissement de 141 %. Si vous le faites vous-même, n’oubliez pas de réaliser les nombreuses connexions entre les deux faces, ce que les trous métallisés font sur le modèle industriel.
Montez tous les composants dans un certain ordre (en ayant constamment sous les yeux la figure 5a et la liste des composants, ainsi que les figures 5b-1 et 5b-2). Commencez par les cinq supports de circuits intégrés : soudez-les et vérifiez vos soudures (pas de court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée).
Montez ensuite toutes les résistances sans les intervertir (triez-les d’abord par valeurs, tolérances et puissances) et les 2 potentiomètres : ceux-ci sont à monter à travers les deux trous du circuit imprimé, boîtier côté composants et axe/écrou côté soudures, soudez leurs broches près de RL2 et RL3 (figures 5a et 5b). Attention, certaines résistances sont en réseau (R21 à R24) : ce sont des “peignes” à monter debout, pattes bien enfoncées.
Montez toutes les diodes, y compris les zeners, en orientant soigneusement leurs bagues repère-détrompeurs dans le bon sens montré par la figure 5a.
Montez le pont de diodes PT1 (en respectant la polarité +/– de ses pattes).
Montez tous les condensateurs (en ayant soin de respecter la polarité des électrolytiques, leur patte la plus longue est le +).
Montez les transistors T1 à T6 et T11, méplat repère-détrompeur tourné dans le bon sens et T7 à T10, partie métallique regardant dans la bonne direction, soit vers R50, R51, R52 et R53.
Montez U4 et U5, sans les confondre, couchés dans leurs dissipateurs en U ML26 et fixés par de petits boulons 3MA (semelles métalliques côté dissipateurs).
Montez le quartz debout, broches bien enfoncées, le buzzer près du PIC (en respectant bien sa polarité), les deux connecteurs à cavaliers J1 et J2, les deux porte-fusibles et les fusibles 1 A, les trois relais 12 V et enfin tous les borniers : un à 2 pôles pour câbler la prise secteur 230 V du panneau arrière et deux petits à 2 pôles pour la batterie (respectez la polarité rouge +/noir –) et l’interrupteur S1.
Retournez la platine en prenant le circuit imprimé double face à trous métallisés côté “soudures” et placez-y les cinq poussoirs P1 à P5 et les dix-huit LED, après les avoir classées par diamètres (3 ou 5 mm) et par couleurs (rouges, vertes, jaunes) : respectez bien la polarité de ces dernières (l’anode + est la patte la plus longue). Placez les deux afficheurs à 7 segments (le point, en bas à gauche, sert de repère-détrompeur). Montez enfin les quatre prises RCA “cinch” verticales pour circuit imprimé, deux par deux sous les potentiomètres.
Bien sûr, les soudures pour ces composants se font côté “composants”, qui porte donc mal son nom ! (Voir figure 5b-2.)
Retournez à nouveau la platine et montez les transformateurs : les deux petits spéciaux TF1 et TF2 transformant le courant impulsionnel et le grand TF3 pour l’alimentation secteur 230 V. Vérifiez que vous n’avez rien oublié et contrôlez encore une fois toutes vos soudures.
Insérez les cinq circuits intégrés dans leurs supports, repère-détrompeurs en U orientés dans le bon sens : vers la gauche de la platine pour U1, U2 et U3 et vers le haut de la platine pour U6 et U7.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de l’électrostimulateur.

Figure 5b-1 : Photo d’un des prototypes de la platine vue côté composants. Comme vous pouvez vous en douter, les photos ne sont pas à l’échelle 1 !

Figure 5b-2 : Côté soudures, où prennent place les poussoirs, les LED, les prises RCA et les axes/écrous des potentiomètres (les soudures sont sur l’autre face).

Figure 5c-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés, côté composants.

Figure 5c-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés, Côté soudures.

Le montage dans le boîtier
Quand la platine est entièrement montée et vérifiée, on l’installe dans le boîtier pupitre : des trous sont à pratiquer dans la face avant pour le passage des commandes (axes des deux potentiomètres et touches à effleurement des cinq poussoirs), des fiches RCA mâles (sorties électrodes) et des signalisations (deux afficheurs à 7 segments et pas moins de dix-huit LED). Le panneau arrière est à percer aussi : un trou pour l’interrupteur M/A et un pour la prise secteur 230 V recevant le cordon.
La platine unique est fixée par entretoise derrière la face avant et la batterie rechargeable est fixée par colliers et vis au fond du boîtier.
Les connexions internes se limitent au câblage de l’interrupteur, du cordon et de la batterie.

Les essais
Quand tout cela est fait, passons aux essais en prenant un exemple d’utilisation.
Tout d’abord, chargez la batterie interne. Pour cela, branchez l’appareil sur le secteur 230 V, vérifiez l’allumage successif des deux LED de charge en attendant que la batterie soit chargée. Par sécurité, on ne peut utiliser l’appareil tant qu’il est branché sur le secteur.
Quand la charge est complète, débranchez le cordon secteur et, à l’aide de l’interrupteur M/A situé sur le panneau arrière, allumez l’appareil.
Voyons comment l’utiliser. Reliez les deux électrodes (droite et gauche) aux connecteurs correspondants (notez que pour chaque côté deux connecteurs sont disponibles, ceci car certains muscles ont besoin pour leur entraînement correct de 3, voire de 4, électrodes), tournez complètement en sens antihoraire les boutons d’intensité du courant d’électrodes et, avec la touche Sélection, choisissez un programme d’entraînement. Avec les touches Augmente et Diminue, il est possible de régler la durée de l’entraînement : l’afficheur visualise la durée en minutes. En pressant la touche Début, le programme est activé, en pressant la touche Arrêt, le programme passe directement à la dernière phase, celle de relaxation. Si, en revanche, on presse deux fois consécutives, le cycle est bloqué immédiatement et on saute à la dernière phase.
On a en plus la possibilité d’arrêter momentanément le processus (touche Pause) : l’appareil se met alors en attente, l’afficheur continue cependant à visualiser la durée restante (la minuterie interne ne se remet pas à zéro).
Si l’on presse à nouveau sur Pause, le traitement recommence là où il avait été interrompu.

LE DISPOSITIF PRÉSENTÉ DANS CET ARTICLE NE DOIT ABSOLUMENT PAS ÊTRE UTILISÉ PAR LES PERSONNES MALADES DU COEUR, SURTOUT SI ELLES SONT PORTEUSES D’UN “PACE MAKER” (PILE CARDIAQUE OU STIMULATEUR CARDIAQUE) OU LES FEMMES ENCEINTES.

Un électrostimulateur neuromusculaire "Description et réalisation""

Un électrostimulateur neuromusculaire "Utilisation"

Un électrostimulateur neuromusculaire "la nouvelle version, encore plus performante !"

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