Ecran d'ampoules piloté avec des LED photodiodes : maintenance

Cet article présente le fonctionnement et la maintenance d'un écran d'ampoules basé sur des capteurs de luminosité qui pilotent des ampoules 6 Volts 300mA. Une mauvaise soudure, un composant défaillant (suite à une mauvaise soudure) ou cassé, une mauvaise connexion ou une panne d'une partie de l'alimentation sont les principales causes de panne de cet écran d'ampoules. Les schémas et explications sont donnés ci dessous.

Conception de l'écran d'ampoules 6 V

Voici la conception et la réalisation de l'écran d'ampoules :

Ecran d'ampoules 6 Volts 300 mA piloté par des photodiodes

Ci dessous, une explication sur le fonctionnement de l'écran.

Principe de fonctionnement de l'écran d'ampoules -V

Chaque ampoule de l’écran d’ampoules est un pixel d’une image à reproduire sur l’écran. A chaque ampoule correspond un capteur qui mesure l’intensité lumineuse qu’il reçoit pour la traduire en tension électrique aux bornes de la (des) résistance(s) de 10 MOhms (notée 106). Cette tension électrique (29 à 62 mV avec éclairage indirect d’un halogène 500 W de jardin projeté sur plafond blanc) est multipliée par un gain égal à 1 + 100 k / 2,7 k (pour une résistance de 2,7 k) puis est envoyée à l’écran d’ampoules par une nappe HE10. Cette tension est conservée mais le courant est amplifié par le transistor BD139 fixé sur la douille de l’ampoule. Le gain en courant est de l’ordre de 100 (3 mA vers 300 mA).

Ci dessous, on appelle la carte "53-56" celle qui donne une tension de 53 à 56 mV.

Schéma d’une cellule pour les cartes 53-56, 56-58 et 58-62

Schéma d’une cellule pour les cartes 29-32, 32-34 et 34-36

Seule différence : 1 ou 2 résistances « 106 » (10 Mégohms) en parallèle avec les capteurs.

Différences entre cartes : temps de réponse

La résistance en parallèle avec le capteur est de 10 Mégohms sur les cartes 53 à 62 alors qu’elle est de 20 Mégohms sur les cartes 29 à 36. Cela permet de compenser le gain moindre sur ces dernières cartes. En effet, la tension qui apparaît aux bornes de la résistance est égale au produit résistance x photocourant.

Lors d’un saut brutal illumination / obscurité, le temps de réaction est dû à la constante de temps calculée ainsi :

Pour les cartes 53-56, 56-58 et 58-62 :

• 10 Mégohms x 4,7 nF = 0,047 seconde

Fréquence de coupure associée f = 1 / (2.Pi.R.C) : 3,4 Hz

• 20 Mégohms x 4,7 nF = 0,094 seconde (pour les cartes 29-32, 32-34 et 34-36)

Fréquence de coupure associée f = 1 / (2.Pi.R.C) : 1,7 Hz

Cette différence est peu visible vue l’inertie thermique des filaments des ampoules. Les cartes 29 à 36 pourront ainsi sembler un peu plus lentes que les autres.

Les cartes 29 à 36 présentent une plus grande dispersion entre gains des capteurs (suite à un tri moins précis). Elles offrent des niveaux de « gris » moins homogènes.

Condensateur 4,7 nF (472) de filtrage

Il y en a un par capteur. C’est un composant mécaniquement fragile qui peut se fissurer ou se briser facilement, surtout si la soudure est faite à trop haute température.

Son rôle est de filtrer le 50 Hz environnant. En effet, il forme un filtre passe bas de fréquence de coupure 3,4 Hz ou 1,7 Hz selon les cartes (voir plus haut).

Son impédance Z vaut à 50 Hz :

Z = 1 / (2.Pi.f.C) = 1 / (2 x 3,14 x 50 x 4,7 nF) = 680 kOhms

A 50 Hz, il présente ainsi une impédance bien plus faible que 10 ou 20 Mégohms. Le filtrage est efficace.

Condensateur 4,7 nF (noté 472) en parallèle avec les photodiodes pour filtrer le 50 Hz environnant

Tensions, courants et puissances en jeu dans l'écran d'ampoules 6 V

• Tension d’alimentation réseau : 230 V
• Caractéristique d’une ampoule : 6 V, 0,3 A, 1,8 W
• Nombre d’ampoules : 960 (24 x 40)
• Puissance totale de l’écran : 960 x 1,8 W = 1728 W

Dissipation maximale dans le transistor : ampoule à 3 V (0,2 A environ). Il y a 6 V - 3 V aux bornes du transistor et il circule 0,2 A dedans. Sa dissipation est alors de 3 V x 0,2 A = 0,6 W.

• Dissipation maximale dans le LM317 : plein feu, 2,4 A circulent alors dans le LM317.
• Consommation d’un ensemble de 10 cartes de capteurs :
• Toutes ampoules éteintes : 20 W environ (1,0 A sur les 2 rails d’alimentation)
• Toutes ampoules allumées : 35 W environ (1,1 A sur le rail négatif, 2,4 A sur le rail positif).

Courants théoriques pour une carte d’alimentation 6 V et une carte de capteurs

Courants théoriques pour une carte d’alim 6 V, une alim auxiliaire et deux cartes de capteurs

Alimentation 6 V / 15 A (ATX modifiée)

Chaque carte d’alimentation de PC a été modifiée pour donner 5,8 à 6 V et 15 Ampères. Il n’y a pas de protection contre les courts-circuits en sortie. Chaque carte alimente 48 ampoules (48 x 0,3 A = 14,4 A et 48 x 1,8 W = 86,4 W) réparties en 2 colonnes voisines (2 colonnes de 24 ampoules). La connexion se fait par domino (paires de fil rouge et bleu épais). Les +6 V (et non les masses !) de chaque carte d’alim sont connectés entre eux pour créer un potentiel commun. En effet, un courant lié à l’alimentation des capteurs y circule, (voir plus haut, le courant de 0,144 A en vert).

Pour limiter l’appel de courant, la tension secteur redressée et lissée est partagée avec une ou deux cartes voisines. Les tensions +320 V, +160 V et 0 V sont ainsi partagées par 2 ou 3 cartes d’alim. Cela forme une économie de condensateurs.

Les 2 moitiés d’écran sont complètement indépendantes : aucune connexion électrique (nappe ou domino) ne doit exister entre elles. Attention aux branchements des nappes entre écran et capteurs !

Alimentation auxiliaire

L’alimentation auxiliaire alimente 10 cartes de capteurs (soit 480 capteurs) ainsi que les ventilateurs de l’ouvrage en bois (valise). Un transfo 50 Hz fournit une tension 12 V alternatifs.

Cahier des charges

Tension positive stabilisée 2 V : 1,0 A (toutes les ampoules éteintes) et jusqu’à 2,4 A (toutes les ampoules allumées). Cette tension supplémentaire compense la tension de déchet.

Tension négative : non stabilisée, 1,0 A (toutes les ampoules éteintes) et jusqu’à 1,1 A (toutes les ampoules allumées). Au moins 4 V en dessous de la masse des capteurs.

Ventilateurs : vitesse variable

Fonctionnement

Le transfo 12 V crée 3 tensions redressées :

• Positive : D1 et C1 créent une tension redressée qui est stabilisée par le LM317 à 2,0 V. La tension de 2 V (« Vout ») se calcule ainsi : Vout = 1,25 x ((200 + 120) / 200).
• D4 offre un passage possible pour un courant inverse et protège ainsi le LM317 si les alimentations de PC fonctionnent et que le transfo 12 V a grillé ou que le LM317 est en circuit ouvert. Le but est d’alimenter les cartes des capteurs.
• Négative : D2 et C2 créent une tension redressée négative non stabilisée. Cette tension doit être au moins 4V inférieure à la masse des cartes des capteurs.
• Négative : D3 et C3 créent une tension redressée négative non stabilisée pour les ventilateurs. L’alternance négative est utilisée pour équilibrer les courants consommés sur chaque demi-alternance. En effet, les amplis des capteurs consomment davantage sur l’alimentation positive (+V) lorsque les capteurs sont éclairés. Chaque ampli envoie alors un courant par les nappes en direction des bases des transistors montés derrière l’écran. R1 et P1 créent une tension réglable à la base de Q1. Q1 fonctionne en émetteur-suiveur. En cas de défaut de P1 (circuit ouvert), les ventilateurs se mettront à tourner à pleine vitesse au lieu de s’arrêter.

Schéma de l’alimentation et pattes des composants spécifiques

La partie métallique du LM317 est reliée à sa sortie « Vout ». D’après la spécification fabricant du LM317, « Tab is output ».

Le boitier métallique du TIP120 est relié à son collecteur C.

Valise d'alimentation 1 (avec transformateur torique)

Valise d'alimentation 2 (avec transformateur cubique 12 V 50 VA)

Pannes possibles de l'écran d'ampoules

Problème : Ampoule toujours allumée

Description

Une ampoule est toujours allumée même quand les capteurs ne reçoivent aucune lumière.

Quoi faire

Débrancher l'alimentation du secteur. Intervertir deux nappes. Alors, 2 cas possibles :

- L'ampoule allumée n'est plus la même

Trouver l'ensemble capteur+ampli correspondant. Vérifier si une résistance 106 (à proximité du capteur) n'est pas en faux contact ou si une patte de l'ampli n'est pas en l'air (bout de câble cassé, rupture d'une piste).

On peut s'aider du multimètre pour vérifier la continuité des pistes.

- Patte 1, 3, 5 ou 7 en court-circuit avec patte 8 : supprimer le court-circuit !

- L'ampoule allumée n'a pas changé

Débrancher l'alimentation du secteur. Le problème vient du transistor qui commande l'ampoule. Vérifier les connexions du transistor. Si les connexions sont bonnes, le transistor doit être remplacé (transistor mort en court-circuit).

Problème : Ampoule allumée longtemps puis s’éteint progressivement

Description

Lorsqu’on arrête l’éclairage des capteurs, une ampoule reste allumée plusieurs secondes avant de s’éteindre. Elle met du temps à s’éteindre mais peut se rallumer vite.

Que faire

Vérifier la ou les résistance(s) 106 (10 Mégohms) du côté du capteur correspondant. Il y a certainement un circuit ouvert (mauvaise soudure, rupture d’une piste). Ne pas hésiter à remplacer la résistance 106.

Si ce n’est pas cela, vérifier la résistance 104 (100 kOhms) du côté de l’ampli TL072 correspondant.

Problème : Ampoule toujours éteinte

Description

Même si l'éclairage des capteurs est fort, une ampoule de l'écran refuse de s'allumer.

Quoi faire

Intervertir d'ampoules. Déduire si l'ampoule est grillée. Si elle n'est pas grillée, débrancher l'alimentation du secteur, puis intervertir deux nappes derrière l'écran. Alors, 2 cas sont possibles :

- L'ampoule éteinte n'a pas changé

Dans ce cas, éclairer fort les capteurs, rebrancher l'alimentation et court-circuiter le transistor pour allumer directement l'ampoule. Si l'ampoule s'allume, le transistor (et/ou ses connexions) est défectueux. Vérifier ses connexions puis, au besoin, le remplacer.

- L'ampoule éteinte n'est plus la même

Le problème vient de la carte des capteurs (plus difficile) ou de la nappe. Il peut y avoir :

- Une des pattes du capteur concerné mal soudée.

- Court-circuit entre patte 4 et patte 1, 3, 5 ou 7 : supprimer le court-circuit !

- Court-circuit entre masse et patte 3 ou 5. Vérifier les pistes, les soudures. Remplacer le condensateur 472 ou la (ou les) résistance(s) 106.

- Résistance en faux contact entre la masse et une patte de l'ampli ou faux contact entre l'ampli et le connecteur HE10 de la carte. Déconnecter la carte des nappes. Tester au multimètre en mode Ohmmètre en mettant une fiche de l'ohmmètre à la masse de la carte et l'autre fiche de l'ohmmètre sur le picot du HE10 correspondant. L'ohmmètre placé sur le calibre "200k" doit afficher 102 à 104 kOhms typiques. S’il n'affiche aucune valeur (circuit ouvert), c'est très certainement une résistance en faux contact sur l'ampli correspondant au problème. Si il affiche une valeur correcte (40 kOhms à 110 kOhms), vérifier que l'ohmmètre affiche entre 2,6 kOhms et 3,4 kOhms entre la patte 2 et la masse, et aussi entre la patte 6 et la masse. Une rainure peut couper le circuit (tester au multimètre la continuité des pistes, y compris la masse tout près des capteurs).

- Nappe défectueuse (changer de nappe pour vérifier).

Si tous les tests ci dessous sont OK, vérifier les soudures autour de l'ampli correspondant. Si les soudures sont bonnes, alimenter la carte des capteurs, éclairer et mesurer la tension sur le picot correspondant (voltmètre en position DC). Elle doit varier entre 0 V et 6 V mais ne pas rester toujours inférieure à 2 V. Si c'est le cas, l'ampli est défectueux.

Problème : Ampoule qui rougeoie dans l’obscurité (vu sur site le 28 mai 2011)

Description

Fonctionnement bon à plein feu mais l’ampoule rougeoie dans l’obscurité alors qu’elle devrait être éteinte. L’éclat de l’ampoule peut même osciller légèrement à un rythme de 3 à 7 secondes, pouvant même évoquer le battement d’un cœur. Ce phénomène à première vue inexpliqué étonne encore aujourd’hui.

Il semble que le rougeoiement de l'ampoule soit dû au 50 Hz résiduel qui n’est plus filtré par le condensateur 472 (4,7 nF). La périodicité de la luminosité résiduelle pourrait être due à des interférences avec les ventilateurs ou entre les alimentations des deux valises. Il s’agit en effet d’alimentations à découpage fonctionnant chacune à des fréquences quelque peu différentes, donc non synchronisées.

Quoi faire

Le condensateur 472 (4,7 nF) est mal soudé (fer à souder trop chaud par exemple), fissuré ou brisé. Ce défaut n’est pas toujours visible à l’œil nu mais se mesure facilement avec un multimètre spécial (< 1 nF au lieu de 4 à 5,5 nF). En tous les cas, il faut remplacer le condensateur. C’est un composant fragile.

Problème : colonnes éteintes

Vérifier la présence de l'alimentation sur le domino correspondant et si la LED de la carte d’alimentation brille. Si elle ne brille pas, l’alimentation est à remplacer. Déduire si la carte d'alimentation de PC est à remplacer ou si c'est un faux contact dans le domino correspondant.

Vérifier l’état des LED sur la carte de capteurs correspondante.

Vérifier aussi la ventilation et la température des radiateurs des cartes dans les ouvrages en bois (valises).

Problème : capteurs qui brillent rouge

Absence d’alimentation négative des amplis (patte 4). Vérifier l’alimentation des amplis (connexions derrière l’écran, continuité dans les nappes, continuité sur la carte).

Problème : alimentation de PC qui siffle

Vérifier la tension sur le domino correspondant. Si cette tension n’est pas entre 5,7 V et 6 V, la carte est défectueuse. Sur l’alimentation de PC qui siffle, dessouder le gros fil bleu (pas le rouge) qui va vers un domino. Intervertir la paire de fils rouge+bleu avec une paire issue d’une alimentation qui fonctionne pour placer les 2 colonnes mortes au bord de l’écran. Vérifier l’état des 3 condensateurs (gonflés sur la haut?).

Repérage des pattes des amplis

Schéma bloc et boitier de l’ampli TL072 (noter l’encoche qui sert de repère)

Tests à l’ohmmètre

En guise d’ultime vérification pour toutes les cartes, on doit mesurer à l’ohmmètre sur les cartes :

Entre masse et patte 1 : 102 à 104 kOhms (40 à 110 kOhms accepté)

Entre masse et patte 2 : 2,6 à 3,4 kOhms

Entre masse et patte 3 : 10 MOhms ou 20 MOhms (tous les multimètres n’ont pas de calibre suffisamment grand). En tous les cas, un court-circuit détecté doit être supprimé !

Patte 4 : alimentation négative

Entre masse et patte 5 : comme entre masse et patte 3

Entre masse et patte 6 : comme entre masse et patte 2

Entre masse et patte 7 : comme entre masse et patte 1

Pattes 8 : alimentation positive

Pannes rencontrées le 19 mai 2011 avant finalisation de l'écran

Sur 960 ampoules, 37 ne fonctionnaient pas correctement. En voici les raisons :

Ampoules toujours éteintes

• résistance 10 MOhm (106) qui vaut 12 kOhms (détérioration suite à une soudure prolongée). A remplacer.
• Patte de capteur non soudée. A souder.
• Patte 7 d’ampli non soudée. A souder.
• Piste coupée entre résistances et patte 6. Pont de soudure à faire.
• Piste coupée entre patte de capteur et masse. Pont de soudure à faire.
• Sortie HE10 reliée à patte 2 au lieu de patte 1 de l’ampli (au bord de la carte). Corriger la connexion.
• Fil non soudé sur patte 7 (soudure arrachée). Fil à souder correctement.
• Fil non soudé sur HE10 (soudure arrachée). Fil à souder correctement.
• Résistance 3 kOhms non soudée. A souder.
• Pattes 7 et 8 non soudées. A souder.
• Fil absent entre patte 7 d’ampli et HE10.
• Transistor HS (Vbe = 6 V mesurés). A remplacer.
• Fil non soudé sur patte de capteur (soudure arrachée). Fil à souder correctement.
• Court-circuit sous le HE10 de la carte de capteurs entre sortie d’ampli et -Vcc.
• Court-circuit entre douille et fil (derrière l’écran) à cause d’une gaine fondue. Remplacer le fil.

Ampoule un peu allumée quand elle devrait être éteinte mais bien allumée lors d’un plein feu

• Condensateur 4,7 nF (472) ouvert. A remplacer. Difficile à détecter visuellement. Problème observé sur site (28/05/2011) sur 40 ampoules environ.
• Résistance 3 kOhms non soudée. A souder. Instabilité probable et oscillations haute fréquence de l’ampli qui fonctionne alors en suiveur.

Ampoule toujours allumée ou allumée de façon aléatoire

• Résistance 100 kOhms (104) non soudée ou ouverte. A remplacer.
• Résistance 10 MOhms (106) non soudée ou ouverte. A remplacer.

Mot de la fin sur l'écran d'ampoules

L'écran d'ampoules 6 Volts est une impressionnante et belle réalisation et sa maintenance est nécessaire parce qu'il est possible que l'une ou l'autre ampoule ne fonctionne pas correctement.

Ecran de 1000 ampoules 6 V 300 mA