Une illumination pour la crèche

Si vous souhaitez rendre encore plus réaliste votre crèche de Noël, qu’elle soit modeste ou imposante, ce dispositif d’illumination fera merveille aux yeux des enfants, de toute la famille et des amis : il simule cycliquement le lever du jour et la tombée de la nuit. Ce montage peut piloter quatre charges lumineuses correspondant à la lumière du jour, au scintillement des étoiles, à l’éclairage des maisons et au passage de la comète. La puissance de sortie maximale est de 2 kW par canal. Toutes les fonctions sont gérées par microcontrôleur.


Certains considèrent l’électronique de loisirs (et les magazines du même nom !) comme le refuge des messieurs cultivant un jardin secret à l’abri des joies parfois trépidantes (enfants en bas âge) de la famille. Eh bien, tout au moins pour une fois (je devrais dire “une fois de plus” : n’avons-nous pas proposé en novembre dernier la construction d’une patinette électrique qui a fait fureur chez les papas et les enfants… et cela continue ?), ceux-là auront tort. L’électronique de loisirs, se préoccupe de la vie familiale et de ses fêtes, en particulier la plus belle et la plus importante aux yeux de tous, la fête des enfants et de l’enfance du monde : Noël, avec sa crèche, la plus traditionnelle des coutumes populaire.
Nous publions cet article ce mois-ci pour que vous ayez le temps de vous consacrer à la réalisation de ce merveilleux cadeau de Noël pour tous les enfants (et peut-être aussi les grands) vivant sous votre toit. Juste à temps mais pas trop tôt car vous savez bien ce que l’on fait quand on a largement le temps : on reporte, on classe, on oublie et, quand le moment est venu, on s’en rappelle mais il est trop tard. Alors, à vos fers avant que cela ne sente la mousse et la résine de sapin !



Notre réalisation
Ce montage n’est pas, comme cela a pu vous sembler au premier coup d’oeil diagonal sur la revue, un simple circuit de commutation aube/crépuscule. La seule présence de quatre sorties, au lieu de deux, permet de comprendre que notre montage est significativement plus complexe (et surtout plus attractif) qu’un simple circuit aube/crépuscule.
Cet appareil pour illumination réaliste de la crèche de Noël, offre des prestations très complètes que de nombreux lecteurs nous demandent inlassablement au fil des ans : ces lecteurs, bien sûr, ne projettent pas seulement d’illuminer la crèche de leur propre maison, mais ils se préoccupent d’agrémenter la crèche des églises, des oratoires, des centres communautaires et plus généralement des lieux de culte (dans certaines régions, en effet, la crèche de Noël est une tradition à laquelle les habitants ne dérogeraient pas pour un empire).
C’est la raison pour laquelle notre circuit est si puissant : il peut piloter quatre charges lumineuses de 2 kW chacune (ce qui fait un maximum de 8 kW, de quoi illuminer une crèche immense s’il y a lieu !). Mais, bien entendu, dans votre maison vous ne serez pas obligés d’illuminer la crèche avec autant de puissance : qui peut le plus peut le moins et vous pourrez vous contenter de quelques dizaines à quelques centaines de watts. Dans ce cas, les TRIAC de sortie resteront froids.
Donnons une description plus complète de ce montage en analysant les fonctions qu’il est en mesure de remplir (voir figure 2). Les quatre sorties permettent d’alimenter autant de charges électriques lumineuses simulant la lumière du jour, celle des étoiles, les feux des cabanes de bergers et des maisons et enfin la comète (celle qui servit de lanterne aux rois-mages).
Les lumières s’allument et s’éteignent graduellement suivant un cycle simulant le déroulement d’une journée entière. Nous avons subdivisé la séquence complète en quatre phases nommées JOUR, CRÉPUSCULE, NUIT et AUBE. La durée de chaque phase peut être réglée indépendamment : pour la nuit et le jour entre 3 et 10 minutes environ, pour les deux phases de transition (crépuscule et aube) entre 20 et 100 secondes environ.
Bien sûr, ces deux dernières sont les phases les plus suggestives : pendant le crépuscule la luminosité du jour diminue peu à peu et dans le ciel les étoiles s’allument. A un certain moment, avant que le cycle ne soit écoulé, les feux des maisons et des cabanes (feu dans l’âtre et lueur des chandelles) s’éclairent de façon vacillante. Le circuit peut en effet simuler le tremblement du bois qui brûle ou des bougies à la flamme hésitante.
Quand toutes les étoiles dans le ciel sont complètement illuminées, apparaît la comète. Evidemment, petits détails réalistes bien venus, pendant l’aube toutes les lumières s’éteignent progressivement alors que la lumière du soleil augmente lentement jusqu’à atteindre la luminosité maximale. Notre appareil est donc destiné à commander de manière complète et fiable les lumières d’une crèche afin de rendre encore plus suggestive la représentation de la Nativité.
En ce qui concerne les aspects plus proprement techniques, signalons que l’ensemble est géré par un microcontrôleur et rappelons que chacun des quatre canaux est en mesure de piloter une charge électrique maximale de 2 kW.

Le schéma électrique
Pour entrer encore plus dans les détails, jetons un coup d’oeil un peu appuyé au schéma électrique de la figure 1. Nous voyons, et cela confirme ce que nous venons d’avancer, que toutes les fonctions logiques sont confiées au seul composant “intelligent” présent dans le circuit, c’est-à-dire le microcontrôleur U2, un banal PIC16F84, déjà programmé en usine MF405 (nous nous occuperons du logiciel un peu plus loin). Ce PIC contrôle au moyen de quatre lignes quatre opto-coupleurs lesquels à leur tour pilotent quatre TRIAC de puissance.
Sur les lignes, correspondant aux ports RA0 (broche 7), RA1 (broche 18), RA2 (broche 1) et RA3 (broche 2), sont présentes des impulsions (synchronisées avec la tension du secteur 230 V) activant les TRIAC et allumant les lampes.
En fonction du retard entre le passage par zéro de la sinusoïde du secteur et l’impulsion d’allumage (reproposé à chaque demie période), le TRIAC conduit pendant une durée pouvant varier de 0 à 100 %. Ce qui, évidemment, allume la lampe avec une intensité lumineuse allant du minimum au maximum. Afin d’obtenir une illumination graduelle de la lampe, le retard des impulsions est lentement réduit jusqu’à l’élimination complète. De même pour éteindre progressivement une lampe, le retard (initialement maximum) est peu à peu réduit jusque, dans ce cas, à l’élimination complète des impulsions.
Mais procédons par ordre. Sur la broche 6 du PIC (port RB0) est appliquée l’impulsion de synchronisation avec la tension du secteur 230 V. Cette impulsion est obtenue en prélevant la tension alternative unidirectionnelle présente en aval du pont redresseur PT1 avant le lissage dû au condensateur électro C5. Dans ce cas, il est nécessaire d’utiliser aussi une diode (D1) pour séparer l’étage du filtre de celui du redresseur. Ensuite la tension filtrée par C5 (tension continue) est stabilisée par le régulateur U1, à la sortie duquel est présent un potentiel de 5 V alimentant le microcontrôleur.
Nous avons dit précédemment que la séquence complète produite par notre circuit est constituée de quatre phases (jour, crépuscule, nuit et aube) dont les durées peuvent être réglées indépendamment : eh bien, pour modifier ces durées il est nécessaire d’agir sur les réseaux RC reliés aux ports RB1 (broche 7), RB2 (broche 8), RB3 (broche 9) et RB4 (broche 10). En fait, comme nous pouvons le remarquer sur le schéma électrique, nous avons utilisé quatre trimmers dont dépend finalement la durée des quatre phases.
A ce propos, il faut noter que la lecture des durées est faite par le logiciel à compter de la mise en marche, c’est-à-dire après une impulsion de “reset”. C’est pourquoi on trouve dans le circuit le poussoir P1 dont l’activation implique un “reset” général et la mémorisation des nouvelles durées. La LED LD1 clignote avec une fréquence égale au dixième de la fréquence du secteur 230 V, c’est-à-dire 5 Hz. Ainsi, la LED nous indique non seulement que le circuit est en fonctionnement mais encore que l’étage de synchronisation fonctionne correctement.
En ce qui concerne les caractéristiques du logiciel tournant dans le microcontrôleur, précisons qu’il se subdivise en cinq routines et subroutines : générale, jour, crépuscule, nuit et aube. Après l’initialisation des lignes de I/O, le menu général lit les paramètres des trimmers et passe à l’exécution des quatre subroutines. Les plus complexes sont certainement celles dans lesquelles la sortie “feux” est activée au moment où, en plus des variations de luminosités spécifiques des cycles aube et crépuscule, il est nécessaire que le logiciel simule les tremblements caractéristiques des flammes du feu et de la chandelle.
Mais revenons maintenant au schéma électrique et plus précisément aux étages de puissance dans lesquels nous avons prévu l’emploi de quatre opto-coupleurs MOC3020 séparant l’étage logique de celui du secteur 230 V. Ces composants sont étudiés spécialement pour le pilotage des TRIAC de puissance. Ils contiennent une LED et un DIAC, lequel excite le TRIAC relié entre sa gâchette et son anode 2. La charge (les lampes) est connectée entre l’anode 2 et un fil du secteur. L’autre fil du secteur est bien sûr relié à l’anode 1 du TRIAC. Les réseaux RC présents dans l’étage de puissance ont pour rôle de réduire au minimum les perturbations produites par la commutation des TRIAC. Notre prototype utilise des BTA10700B, à chacun desquels il est possible de relier une charge maximum de 2 kW environ. En utilisant des TRIAC plus puissants nous pourrions facilement augmenter cette valeur. De même, si vos exigences sont plus modestes (crèche de maison), nous pouvons monter des TRIAC moins puissants.
Ceci dit, l’analyse du circuit est terminée et nous pouvons maintenant nous consacrer aux aspects pratiques.

Figure 1 : Schéma électrique de l’illumination pour la crèche.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ trimmer
R2 = 4,7 kΩ trimmer
R3 = 4,7 kΩ trimmer
R4 = 4,7 kΩ trimmer
R5 = 470 Ω
R6 = 22 kΩ
R7 = 4,7 kΩ
R8 = 180 Ω
R9 = 180 Ω
R10 = 180 Ω
R11 = 180 Ω
R12 = 470 Ω 1/2 W
R13 = 470 Ω 1/2 W
R14 = 470 Ω 1/2 W
R15 = 470 Ω 1/2 W
R16 = 120 Ω 1 W
R17 = 120 Ω 1 W
R18 = 120 Ω 1 W
R19 = 120 Ω 1 W
R20 = 470 Ω
C1 = 100 nF 63 V polyester
C2 = 100 nF 63 V polyester
C3 = 100 nF 63 V polyester
C4 = 100 nF 63 V polyester
C5 = 100 μF 35 V électro
C6 = 10 μF 63 V électro
C7 = 100 nF multicouche
C8 = 10 nF 400 V polyester
C9 = 10 nF 400 V polyester
C10 = 10 nF 400 V polyester
C11 = 10 nF 400 V polyester
C12 = 100 nF 630 V polyester
C13 = 100 nF 630 V polyester
C14 = 100 nF 630 V polyester
C15 = 100 nF 630 V polyester
D1 = 1N4007
LD1 = LED 5 mm rouge
U1 = 7805
U2 = PIC16F84-20-MF405 programmé
Q1 = Quartz 20 MHz
PT1 = Pont de diodes 1 A
FC1 = MOC3020
FC2 = MOC3020
FC3 = MOC3020
FC4 = MOC3020
TR1 = BTA10-700B
TR2 = BTA10-700B
TR3 = BTA10-700B
TR4 = BTA10-700B
TF1 = Transfo. 230/9 V 1,6 VA

Divers :
1 Support 2 x 9
4 Supports 2 x 4
5 Borniers 2 pôles pas 10 mm
1 Poussoir pour circuit imprimé NO
1 Porte-fusible pour circuit imprimé
4 Dissipateurs ML26
1 Fusible 10 A
5 Boulons 15 mm 3MA

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

Figure 2 : 24 heures de lumière.



Le graphique éclaire (lui aussi !) mieux que toute description la succession des éclairages contrôlés par notre montage. Pour le jour, l’unique lampe (ou série de lampes) allumée est celle simulant le soleil et éclairant “ comme en plein jour”, justement, la crèche. Cette lampe reste allumée pendant 3 à 10 minutes, en fonction du réglage du trimmer R1. Ces minutes écoulées, une nouvelle phase commence : le crépuscule, dont la durée dépend du trimmer R2. En agissant sur ce dernier, il est possible de paramétrer une valeur entre 20 et 100 secondes environ. Peu à peu la lumière du jour s’atténue alors que la luminosité des lampes simulant les étoiles augmente, jusqu’à l’extinction complète du soleil (coïncidant avec la luminosité maximale des étoiles). Exactement à la moitié de cette phase de transition, les éclairages des maisons (feux dans les cheminées, chandelles) commencent à s’allumer et ils atteignent leur éclat maximum au bout du cycle. A noter que cette sortie produit une lumière tremblante simulant les lueurs irrégulières du feu de bois ou de la flamme des chandelles. Enfin, quand le cycle est achevé, la lampe simulant la comète s’allume elle aussi graduellement.
Le passage de luminosité minimale à la luminosité maximale se produit en un temps égal au quart de celui paramétré pour le crépuscule. A ce moment-là nous nous trouvons en pleine nuit avec les étoiles qui brillent dans le ciel, la comète entièrement illuminée et les feux des maisons allumés, avec leurs lueurs tremblantes caractéristiques.
La durée de cette phase (comprise, comme pour le jour, entre 3 et 10 minutes environ) est réglée avec le trimmer R3. Quand cette durée est écoulée, la quatrième et dernière phase commence : l’aube. L’intensité lumineuse des étoiles diminue progressivement alors que celle du jour augmente peu à peu, jusqu’à l’extinction complète des étoiles et à la luminosité maximale des lampes simulant la lumière du jour. Au début de cette phase la comète s’éteint aussi graduellement mais beaucoup plus rapidement, si bien qu’après une période égale au quart de la durée paramétrée pour l’aube, la comète se trouve complètement éteinte. Toujours au début de cette phase de transition, la luminosité des feux domestiques commence aussi à baisser jusqu’à l’extinction complète. Dans ce cas, le passage de la luminosité maximale à l’extinction complète dure la moitié du délai paramétré pour l’aube.
A ce moment nous avons simulé un cycle de 24 heures et le système s’apprête à répéter à l’infini la séquence programmée. Pour modifier les durées des phases, il est nécessaire, après avoir réglé les trimmers, de presser le poussoir de “reset”, de manière à valider les nouveaux paramètres dans le microcontrôleur.

La réalisation pratique
Comme le montre la figure 4, nous avons utilisé, pour réaliser notre illumination pour la crèche, un seul circuit imprimé de belle taille supportant même le transformateur d’alimentation.
La figure 4b (sur Internet) en donne le dessin à l’échelle 1. Il vous permettra de réaliser la carte sans peine par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Quand le circuit imprimé est gravé et percé, si vous comptez utiliser toute la puissance permise par les TRIAC que nous proposons de monter, étamez-le, avant de monter les composants, bien sûr, dans sa partie haute, celle qui commence à la sortie des opto-coupleurs (vous verrez, les pistes sont plus larges).
Vous pouvez ensuite commencer à insérer et souder les composants dans l’ordre : montez toutes les résistances (séparez bien les quart de W, les demi W et les 1 W) puis la diode, en ayant soin d’orienter sa bague dans le sens indiqué par la figure 4a. Poursuivez avec les supports du circuit intégré PIC et des 4 opto-coupleurs MOC3020 (vous les insérerez après la dernière soudure).
Montez ensuite tous les condensateurs en respectant bien la polarité des électrolytiques, toujours en vous aidant de la figure 4a (la patte la plus longue est le +). Profitez-en pour monter la LED rouge, puisqu’elle est dans le même cas que les condensateurs électrolytiques : polarisée, sa patte la plus longue est l’anode + (aidez-vous cette fois du schéma électrique de la figure 1 en plus de la figure 4a), le méplat, peu visible, est à tourner vers le bas ou l’extérieur du circuit imprimé.
Insérez et soudez le régulateur 7805 couché et fixé par un petit boulon 3MA et le pont redresseur (en respectant sa polarité +/–). Montez le poussoir P1 et les 4 trimmers R1 à R4. Montez le quartz Q1 debout, bien enfoncé, et le porte-fusible. Mettez tout de suite en place le fusible 10 A (diminuez cette valeur si vous utilisez l’appareil pour une crèche familiale de faible puissance lumineuse, par exemple 1 A pour 200 W).
Montez les 4 TRIAC couchés dans leurs dissipateurs ML26 (figure 3), les pattes courbées à angle droit et maintenus chacun par un petit boulon 3MA.
Montez les 4 gros borniers au pas de 10 mm correspondants et le gros bornier au pas de 10 mm d’entrée du cordon secteur (prenez un cordon avec des brins de gros diamètre si vous comptez commander une grande puissance).
Enfin montez le transformateur d’alimentation secteur 230 V. Câblez les borniers de commande des charges électriques en les reliant à celles-ci avec des fils de diamètre adapté à la puissance en jeu.
Les soudures étant terminées et bien vérifiées (ni court-circuit entre pistes ou pastilles, ni soudure froide collée), il ne vous reste qu’à enfoncer (avec des doigts de fée, pas à coup de marteau) le circuit intégré et les 4 opto-coupleurs dans leurs supports, en prenant grand soin d’orienter leurs repère-détrompeurs en U dans le bon sens, montré par la figure 4a, soit vers la gauche.
A partir de maintenant, attention : la partie “puissance” (celle que vous avez éventuellement étamée) va se trouver soumise à la tension (mortelle !) du secteur 230 V. Les dissipateurs des TRIAC sont sous tension : n’y touchez pas. Pendant les essais (et l’utilisation) n’y mettez pas les doigts (ni autre chose), au besoin portez des gants de caoutchouc : le ridicule ne tue pas (surtout quand on est seul dans son atelier), mais le secteur oui !
Effectuez les branchements des borniers aux lampes avant de mettre sous tension : certes c’est plus qu’évident mais comprenez-moi…

Figure 3a : Gros plan sur les dissipateurs de deux des quatre TRIAC avec les deux borniers de sortie des commandes de lumières correspondants (attention, en fonctionnement les dissipateurs sont sous tension secteur 230 V).

Figure 3b : Brochage des triac BTA10-700B.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de l’illumination pour la crèche.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’illumination pour la crèche*. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Les essais et les réglages
Tournez complètement vers la gauche les 4 trimmers de réglage des durées, connectez (si ce n’est déjà fait) aux borniers de sortie des ampoules (avec douilles) de 30 ou 50 W, vérifiez que vous n’avez pas oublié d’insérer le fusible de valeur adaptée à la puissance commandée et branchez le cordon secteur 230 V dans une prise de courant.
Vérifiez avant tout que la LED clignote à une fréquence de 5 Hz exactement et que, tout de suite après la mise sous tension, la lampe reliée à la première sortie s’allume complètement (les autres doivent rester éteintes). Si la LED ne s’allume pas ou ne clignote pas à la fréquence prévue, contrôlez si vous n’avez fait aucune erreur de montage dans le circuit de synchronisation.
Armez-vous de patience et attendez que la durée de la première phase (jour) s’écoule et que la phase du crépuscule commence. Vérifiez que l’allumage des lampes se produit de la manière et avec les durées prévues (figure 2) jusqu’à l’atteinte de la troisième phase (nuit). Après trois minutes la quatrième phase doit commencer (aube) avec l’extinction graduelle des lumières OUT2, 3 et 4 et l’allumage complet de la lumière du soleil.
Là encore, contrôlez que les changements et les durées sont conformes à ce qui est prévu (figure 2).
Si tout fonctionne correctement, essayez de faire varier les durées des différentes phases (en tournant le curseur des trimmers), sans oublier que les nouveaux réglages ne prennent effet qu’après avoir pressé le poussoir de “reset” P1.
Il ne vous reste alors qu’à installer la platine de manière définitive, dissimulée dans la crèche : là encore ayez la hantise de l’électrocution, isolez bien la platine de l’humidité ambiante (mousse…), ainsi que de tout objet métallique conducteur et faites tout, même l’impossible, pour qu’un enfant ne puisse en aucun cas venir la toucher.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de l’illumination pour la crèche.

On remarque les borniers au pas de 10 mm, en mesure de supporter des courants élevés sans faillir ! Afin d’éviter un échauffement excessif, surtout si l’on veut commander des charges importantes, il est conseillé d’étamer toutes les pistes de l’étage de puissance (vers le haut de la platine, après la sortie des opto-coupleurs, les pistes sont plus larges).

Conclusion
Même si c’est un peu tôt pour le dire, passez un joyeux et lumineux Noël avec votre simulateur circadien. C’est l’époque de l’année où les nuits cessent de s’étirer en longueur et où les jours, de ce fait, augmentent peu à peu (solstice d’hiver). Aristote ne prétendait-il pas que “l’art (la technique) est imitation de la nature” ? Vous allez montrer à quel point il avait raison.

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