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Un temporisateur électronique avec commandes de départ et d’arrêt

Ce temporisateur universel, réglable de 0,1 seconde à 5 minutes, commence à compter quand on presse la touche “start” et cesse lorsqu’on appuie sur “stop”, à moins qu’on ne laisse s’écouler la durée réglée et qu’il ne s’arrête alors tout seul : il permet de commander n’importe quel appareil électrique grâce à son relais à un contact. 

CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES
- Alimentation : 12 VDC
- Consommation au repos : 20 mA
- Consommation quand le relais est excité et la LED allumée : 55 mA
- Temporisation min : 0,1 seconde
- Temporisation max : 5 minutes extensible à environ 19 minutes
- LED de signalisation de l’état du relais
- Charge maximale du relais : 2 A / 240 VAC-10 A / 28 VDC
- Dimensions : 38 x 69 mm.

Dans cet article nous entendons vous proposer la réalisation d’un “timer” (temporisateur) à usage général, simple mais de qualité et vraiment universel : vous aurez ainsi la possibilité, surtout si vous êtes débutant, d’apprendre en vous distrayant des notions fondamentales inhérentes à la mise en oeuvre du circuit intégré le plus populaire de tous (plus de trente ans…et pas une ride !), le NE555, connu aussi selon les marques comme XR555, CA555, etc. et que tout le monde appelle 555.

Mais à quoi sert-il ? Il vous est bien sûr arrivé de devoir actionner, pendant une durée définie, un moteur électrique, une ampoule, une pompe ou une électrovanne ou plus généralement un quelconque dispositif électrique ou électronique : pour cela il est nécessaire de se servir d’un temporisateur (“timer” pour Shakespeare), c’est-à-dire d’un appareil pouvant ouvrir ou fermer un contact après écoulement d’une durée, d’un délai programmé. Autrefois ce cahier des charges était dévolu à des dispositifs électromécaniques, puis l’évolution de la technologie électronique a permis de réaliser facilement des temporisateurs en tout genre, simples ou complexes, mais capables d’activer ou de désactiver un relais ou un interrupteur électronique (thyristor, triac, etc.) sans intervention de l’utilisateur.

Dans cet article, nous vous proposons de vous familiariser et de construire un petit appareil avec sortie à relais dont les trois points de contact avec l’extérieur (commun A, normalement fermé B et normalement ouvert C) sont sur le bord droit de la platine (voir figures 4 et 5). Ces trois picots vous permettront, selon vos besoins ou vos désirs d’expérimentateur, d’actionner un utilisateur électrique en pressant la touche (le poussoir) “start” et de le voir ensuite se désactiver tout seul (automatiquement) après que la durée réglée se soit écoulée (sans omettre la possibilité d’une interruption volontaire et manuelle de celle-ci en appuyant sur la touche “stop”).

Avant d’analyser le schéma électrique du circuit, un mot sur le composant principal, le fameux 555, coeur battant (c’est le cas de le dire !) du montage : il s’agit d’un petit circuit intégré en boîtier DIL 2 x 4 broches contenant un FLIP-FLOP de type R/S à sortie nulle (revoir votre Cours), deux comparateurs, un transistor NPN et un “buffer” (tampon) de sortie inverseuse, elle aussi à transistors bipolaires.

Les entrées du FLIP-FLOP (Set et Reset) sont pilotées par les sorties des comparateurs : l’entrée reliée au “reset” (entrée non inverseuse) est accessible par la broche 6 (“Threshold”, seuil) et l’autre, commandant le “set” (inverseuse) l’est par la broche 2 (“Trigger”) ; l’inverseuse de la première et la non inverseuse de la seconde sont polarisées par un réseau résistif interne mettant l’une aux 2/3 du potentiel d’alimentation de la puce (appliquée broche 8) et l’autre au 1/3.

La configuration du composant permet de l’adapter à d’innombrables cas d’application parmi lesquels, justement, le canonique temporisateur “start / stop”, qui est aussi le meilleur exemple pour une bonne didactique du 555.

Le schéma électrique
Voyons maintenant, à partir du schéma électrique de la figure 1, comment se comporte de circuit intégré à tout faire lorsqu’il est entouré d’une poignée de composants avec lesquels il forme le circuit du montage proposé. Disons tout de suite que nous envisageons de l’alimenter en 12 VDC (tension à relier aux points + et –, comme le montrent physiquement les figures 2a, 3 et 4).

Supposons qu’avant la mise sous tension les condensateurs du circuit sont tous déchargés ; dès qu’elle intervient, le temporisateur se trouve au repos, par conséquent T1 est bloqué, le relais est relaxé et le contact entre A et B est fermé.

Pour lancer une séquence de commande, il faut presser puis relâcher P1 (“start”), ce qui met à la masse la broche 2 et donne une impulsion au zéro logique au “trigger” de la puce ; dans notre configuration cette opération rend l’entrée inverseuse du comparateur correspondant négative par rapport à la non inverseuse, de façon à donner au FLIP-FLOP interne une impulsion de “set” qui fait passer sa sortie Q au niveau logique bas. Cela détermine deux actions : le passage au niveau logique haut du driver de sortie (broche 3) et le blocage du transistor NPN dont le collecteur, à travers la broche 7, laisse le circuit de C2 ouvert, ce qui lui permet de se charger à travers les résistances R1 et R8.

Comme le montre le schéma électrique, la patte + de C2 est reliée, outre à la broche 7, à la 6 (“threshold”) mais, pour le moment, cela n’influe par sur le fonctionnement du circuit, car la sortie de l’ampli-op correspondant (et donc l’entrée R du FLIP-FLOP) restent au zéro logique. Tant que la broche 3 du 555 se maintient à l’état haut, T1 est contraint à la saturation et il alimente à travers son collecteur, la bobine du relais (dont le contact entre A et C est maintenant fermé) et le dipôle LD1 / R7, ce qui allume la LED, indiquant ainsi que le relais est excité.

Un changement significatif se produit quand, en se chargeant sous l’effet du courant acheminé par R1 et R8, C2 présente à ses extrémités une différence de potentiel supérieure à celle appliquée (comme référence) à la broche 5, tension équivalant à celle établie par le pont interne, soit 2/3 de l’alimentation.

La connaissance des transitoires dans les circuits R/C nous enseigne que cela se produit dans un délai de 1,1 fois la constante de temps de charge déterminée par R8/R1 et C2. Quand le seuil des 2/3 de la tension d’alimentation sur les broches 6 et 7 est atteint, le comparateur correspondant envoie au niveau logique haut l’entrée R du FLIP-FLOP. Comme, une fois P1 relâché, la broche 2 est au niveau logique haut (à cela pourvoie la résistance de tirage R4), le “set” de ce même FLIP-FLOP est mis à zéro (donc il est désactivé) et la sortie Q peut prendre la niveau logique 1. Le “buffer” (tampon) inverseur de sortie met la broche 3 au niveau logique bas et le transistor relié à la broche 7, à nouveau saturé, court-circuite C2 qui se décharge immédiatement (décharge maintenue de force).

Par conséquent le temporisateur revient au repos (à moins que la broche 2 ne se retrouve au zéro logique) et le relais se relaxe. Le cycle de temporisation s’écoule en un temps égal à :
1,1 x R x C,

où R est la somme R1 + R8 (deux résistances en série avec C2), ce dernier étant relié entre les broches 6 / 7 et la masse de référence (broche 1) ; si les valeurs sont en M (mégohm) et en μF (microfarad), le temps obtenu est en s (seconde). Par exemple, avec une R complexe de 1 M et un condensateur de 10 μF, le temporisateur, une fois P1 pressé, revient au repos après un délai de :
1,1 x 1 x 10 = 11 s.

Pour nous, R étant constituée par la série d’une résistance fixe (R1, de valeur très faible) et d’une résistance variable (R8 dont la valeur est prédominante), le délai pendant lequel le relais reste excité dépend étroitement de la position du curseur de R8 : quand ce curseur est tourné entièrement vers la gauche (vers le positif d’alimentation) la durée est de 100 ms (millisecondes) environ. La durée calculée est purement théorique et des différences pourront être observées, à cause de la tolérance des composants (5% pour les résistances et 20% pour les électrolytiques !).

Si, à n’importe quel moment, vous pressez P2, le temporisateur est réinitialisé selon le mécanisme suivant : la pression sur le poussoir force au zéro logique la broche 4, correspondant au “reset” du NE555 (soit celui du FLIP-FLOP interne), ce qui met immédiatement à l’état logique haut la sortie Q , indépendamment de la condition des broches 2, 6 et 7. Le transistor relié à la broche de décharge est porté à la saturation et il décharge instantanément C2, en le maintenant à zéro volt et en empêchant que, P2 étant relâché, le temporisateur ne redémarre.

T1 est ainsi bloqué, ce qui relaxe RL1. A ce moment le circuit reprend sa condition initiale, c’est-à-dire la condition de repos.

Pour recommencer un cycle, il faut, c’est bien compréhensible, presser à nouveau P1. Le relais est à un seul contact et il peut donc être utilisé comme interrupteur ou inverseur à monter en série avec l’un des fils d’alimentation de la charge : cette dernière doit fonctionner avec un courant continu ou alternatif ne dépassant pas 240 V pour un courant maximum de 2 A, ce qui suffit pour la plupart des applications. Parmi celles-ci, la commande temporisée de l’éclairage d’un couloir, hall, entrée, cage d’escalier, ou bien le fonctionnement intermittent d’une pompe, l’ouverture d’un portail électrique, etc. Le poussoir de “stop”, apparemment inutile, sera en réalité d’une grande utilité ne serait-ce que pour tester l’appareil : par exemple, si nous devons vérifier que toutes les ampoules d’une cage d’escalier fonctionnent, nous n’avons qu’à activer le temporisateur avec la touche “start” puis, un fois vérifié le bon état de l’éclairage, sans avoir à attendre l’écoulement du délai programmé, à éteindre ces éclairages avec la touche P2 de “stop”.

Figure 1 : Schéma électrique du temporisateur électronique.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du temporisateur électronique.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du temporisateur électronique.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine du temporisateur électronique.

Liste des composants
R1 = 1 k
R2 = 10 k
R3 = 4,7 k
R4 = 1 k
R5 = 10 k
R6 = 4,7 k
R7 = 1 k
R8 = 2,5 M trimmer
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 μF 16 V électrolytique
D1 = 1N4148
T1 = BC547
U1 = NE555
LD1 = LED 5 mm rouge
P1 = poussoir pour circuit imprimé NO
P2 = poussoir pour circuit imprimé NO
RL1 = relais 12 V un contact

Divers :
1 support 2 x 4
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

La réalisation pratique
Il faut tout d’abord réaliser (ou vous procurer) le petit circuit imprimé simple face dont la figure 2b donne le dessin à l’échelle 1. Quand vous l’avez devant vous, montez tous les composants (en vous aidant des figures 2a et 3 et de la liste des composants) en commençant par le support du 555 et en terminant par les périphériques : les deux poussoirs P1 et P2, le relais, les trois picots de sortie de ce dernier (si vous en mettez, sinon les trois trous suffisent) et les deux picots d’alimentation (même remarque). Vous n'insérerez le 555 dans son support qu’après la dernière soudure terminée. Faites très attention à l’orientation des composants polarisés : électrolytique, diode, LED, transistor et 555 (pour ce dernier, repère-détrompeur en U vers R1).

Quand la petite platine est terminée, alimentez-la avec une petite alimentation bloc secteur 230 V fournissant 12 V continus stabilisés et débitant 200 à 300 mA, sans intervertir la polarité, en vous aidant de la couleur des fils (voir figure 4) : rouge + et noir –. Câblez les sorties ABC du relais en fonction de l’application que vous avez prévue (voir figures 4, 5 et 6 et lire plus haut). Si vous voulez commander une charge inductive, moteur ou transformateur, mieux vaut relier le petit filtre antiparasites de la figure 6 aux bornes (AB ou AC) que vous utilisez.

Si vous vouliez commander une charge fonctionnant sous une tension ou un courant supérieurs aux maxima admis par RL1 (lire ci-dessus), il est possible d’attaquer avec le contact de ce relais un relais plus puissant (c’est le principe du servo-relais ou relais asservi).

Rien ne vous empêche de finaliser le montage en installant la platine dans un boîtier plastique adapté dont la face avant laisserait passer les deux poussoirs et la LED de signalisation.

Dans l’un des petits côtés, vous pourriez monter une prise d’alimentation et dans le petit côté opposé vous pourriez pratiquer un trou pour le passage des câbles allant à la charge. Et, à propos de cette dernière, méfiez-vous toujours de la tension mortelle du secteur 230V !

Modifier le délai de temporisation
Comme le montre la figure 5, si les cinq minutes de délai maxi (que les valeurs indiquées dans la liste des composants permettent d’obtenir) ne vous suffisent pas, vous pouvez envisager, en modifiant les valeurs de R8 (le trimmer) et de C2 (l’électrolytique), de le prolonger jusqu’à environ 19 minutes : avec R8 = 10 M et C2 = 100 μF vous y parviendrez (R8 étant alors entièrement tourné vers la droite). Le tableau de la figure 5 vous permet d’ailleurs de choisir d’autres valeurs de délai de temporisation maximal. N’oubliez pas toutefois que R8, mais surtout C2 ont des tolérances pouvant influer sur la précision du délai maximal, aussi ne vous dispensez pas d’un contrôle expérimental. D’autre part, mieux vaut jouer sur la valeur de R8 que sur celle de C2, car même si les potentiomètres ont des fuites de courant, cela n’est rien en comparaison des fuites que présentent les électrolytiques de forte capacité.

Figure 4 : Signalisations, commandes et alimentation du temporisateur électronique.

Figure 5 : Le réglage de la durée de la temporisation.
Simplement en modifiant les valeurs de la résistance R8 et du condensateur électrolytique C2, il est possible d’obtenir un délai de temporisation maximal différent. La formule permettant de trouver cette durée maximale, étant données les valeurs du trimmer et du condensateur est la suivante : t (en seconde) = 1,1 x R (en M) x C (en μF).

Figure 6 : Filtre antiparasites.
A monter entre les deux pôles utilisés du relais si l’on veut commander une charge inductive.

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