Introduction

Rappelons rapidement le principe de fonctionnement d’un circuit imprimé.

Un circuit électronique consiste en l’interconnexion de différents composants (résistances, condensateurs, circuits intégrés, …). Ces connexions électriques doivent être réalisées avec un matériau conducteur d’électricité; habituellement le cuivre. Sur un circuit imprimé, on appelle ces connexions des pistes. Pour tenir ces pistes, on fait appel à un substrat isolant: l’époxy ou la bakélite (bien que d’autres matériaux soient également utilisés). Chaque piste relie donc différents composants via leurs broches. Les broches des composants sont reliées aux pistes par des pastilles de cuivre: c’est une zone plus large que la piste (afin de pouvoir y percer un trou) qui permet à l’étain de soudure d’adhérer et offre une meilleure résistance mécanique. Un circuit imprimé peut avoir une ou deux (voir plus) couches de cuivre afin d’augmenter la complexité du circuit. Enfin, il est possible de conserver de grandes étendues de cuivre reliées à une masse d’alimentation (ou à un autre potentiel); on parle alors de plan de masse. Ils ont plusieurs avantages, parmi lesquels une meilleure immunité du circuit au bruit électromagnétique, une meilleure dissipation thermique, …

La réalisation de circuits imprimés peut s’appuyer sur deux principes différents, mais à la finalité identique : enlever le cuivre autour des pistes afin d’isoler celles-ci les unes envers les autres. Je vais citer deux principes largement répandus:

• L’attaque chimique
• La gravure à l’anglaise (ou gravure mécanique)

L’attaque chimique

Cette méthode ancienne et fiable repose sur l’utilisation d’un composé chimique capable d’attaquer et dissoudre le cuivre.

On commence par prendre une plaque d’époxy recouverte d’une couche de cuivre et d’une couche photosensible.

Pour éviter de ronger tout le cuivre du circuit imprimé, on imprime un typon (représentation physique des pistes imprimées en noir sur une feuille transparent). Ce typon est utilisé pour insoler le vernis photosensible. Ensuite, comme pour la photographie argentique, il faut plonger la plaque dans un bain de révélateur. A ce moment, le dessin des pistes devrait apparaitre sur la plaque. On enlève les résidus de vernis photosensible et on plonge la plaque dans un bain d’attaque chimique (perchlorure de fer ou acide chlorique + peroxyde d’hydrogène).

ATTENTION : ces produits sont agressifs (voir très agressifs) et très salissant pour le perchlorure de fer.

On enlève la plaque du bain d’attaque dès que le cuivre est complètement dissout. Il ne reste alors plus qu’à percer les trous dans les pastilles et souder les composants.

Cette méthode a fait ses preuves. Elle est relativement bon marché, nécessite un peu de matériel spécifique (banc à insoler et bain de gravure) et de produits chimiques. Par contre, elle nécessiter une très bonne maitrise du temps (insolation, révélation, gravure) qui ne peut s’obtenir qu’après moult essais et échecs. En outre, elle est très salissante et s’accommode mal des espaces clos (dégagements gazeux).

La gravure à l’anglaise

Cette méthode repose elle sur l’utilisation d’une fraiseuse pour usiner la couche de cuivre. En usinant les contours des pistes, on obtient un résultat similaire à la méthode chimique: les pistes sont isolées entre-elles. C’est cette méthode que je vais détailler dans cet article.

Du logiciel de CAO au module de FAO

La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) nous permet de concevoir un circuit électronique en toute quiétude. Le lien est fort entre le schéma et le circuit imprimé: les logiciels de CAO actuels sont capables de rendre bien des services : contrôle électriques, contrôles dimensionnels, auto-routage, …

Cependant, la concrétisation d’une conception en un circuit imprimé fonctionnel reste encore une opération assez complexe. Voici ma chaine logicielle complète pour la réalisation de circuits imprimés:

NB : PERCIVAL et LANCELOT font tous les deux partie de l’environnement de FAO GALAAD.

On distingue trois grandes phases:

1. La conception du circuit proprement dite avec un logiciel de CAO, dans mon cas, EAGLE
2. La préparation à l’usinage avec PERCIVAL
3. L’usinage avec LANCELOT

Ces phases sont toujours reliées par un fichier descriptif du circuit imprimé : PERCIVAL attend un fichier Gerber en entrée et délivre un fichier PCB ou GCODE directement interprétable par le module d’usinage (LANCELOT).

Exportation du fichier Gerber avec EAGLE

ASTUCES :

• Il convient de ne pas définir de plan de masse dans EAGLE, la suite du processus en sera simplifiée. Le plan de masse sera géré par PERCIVAL.
• L’ajout de quatre repères en croix aux quatre coins du circuit va simplifier le réglage de la fraiseuse.

EAGLE comporte un module appelé CAM (Computer Aided Machining – équivalent anglo-saxon de FAO). Il est accessible depuis la fenêtre d’édition du circuit:

Ce module permet d’exporter différents types de fichiers d’usinage. On peut symétriser le circuit imprimé, le faire tourner, … Il est également possible de choisir les couches à exporter. La configuration du module CAM est appelée un job. Il est possible d’enregistrer ses jobs au format .cam pour les rappeler plus facilement et ne pas oublier d’étape.

Voici les grandes lignes à respecter pour l’export vers PERCIVAL d’un circuit simple face:

• Device: GERBER_RS274X
• Mirror
• pos. Coord
• Optimize
• Layers 16, 17, 18:
  • Bottom
  • Pads
  • Vias

Par extension, voici les grandes lignes à respecter pour l’export vers PERCIVAL de la face supérieure d’un circuit double face:

• Device: GERBER_RS274X
• pos. Coord
• Optimize
• Layers 1, 17, 18:
  • Top
  • Pads
  • Vias

Voici les deux fichiers .cam que j’utilise:

• percival_bottom.cam
• percival_top.cam

Pour générer le fichier Gerber, cliquer simplement sur « Process Job » et le tour est joué.

Importation du fichier Gerber dans PERCIVAL

Pour importer le fichier Gerber dans PERCIVAL, il faut passer par le menu Fichier -> Ouvrir -> Nouveau Circuit (Ctrl + O). Pointer ensuite sur le fichier .grb généré par EAGLE. Une incompatibilité du format Gerber généré par EAGLE va causer l’apparition de ce message d’erreur:

Rien de grave cependant: PERCIVAL nous informe simplement que le fichier Gerber ne contient pas les définitions des pastilles. D’une certaine façon, cela nous arrange puisque nous allons reconfigurer toutes les pastilles du circuit pour optimiser l’usinage. Après validation du message, un assistant de configuration des pastilles s’ouvre:

Les pastilles concernées s’allument en rouge sur le circuit. Il est alors possible de modifier leur forme, leurs dimensions, le diamètre de perçage, …

Il faut passer en revue toutes les pastilles de la carte (en navigant avec les boutons « < » et « >« ) pour définir tous ces paramètres. Il est facile de voir quelle taille de pastille va causer un court-circuit ou bien sera trop petite par rapport au diamètre de perçage.

Une fois cette tâche effectuée, on se rend compte que certaines pastilles n’ont pas été traitées:

Le problème provient de la manière utilisée par EAGLE pour exporter les pastilles oblongues: elles sont définies comme des pistes dans le fichier. Pour convertir ces « pistes » en pastille, il faut simplement faire un clic droit sur l’une d’elle et choisir définir comme pastille. PERCIVAL propose alors gentiment de transformer toutes les autres pastilles équivalentes. A vous de voir si PERCIVAL ne fait pas un excès de zèle en convertissant en pastille des pistes bien réelles.

Une fois les torts rétablis et les fausses pistes transformées en pastilles, il convient de refaire l’étape précédente en rouvrant l’assistant de configuration de pastilles (clic droit sur la pastille a configurer -> Editer les pastilles identiques).

Gestion des plans de masse

Avec la gravure à l’anglaise, le plan de masse est quasiment intrinsèque. En effet, à moins de faire en sorte que la fraiseuse retire tout le cuivre inutile, celle-ci na va faire qu’un simple détourage. Il va donc demeurer de grandes zones cuivrées autour des pistes. Il convient alors de les relier à la masse. Cette opération s’effectue dans PERCIVAL et requiert un peu d’attention. En effet, il faut identifier sur le circuit quelles sont les broches et pistes reliées à la masse. Ensuite, il faudra passer chaque piste une par une en faisant un Clic droit -> Définir comme plan-masse. Les pistes appartenant au plan de masse sont symbolisées en marron.

Il est également possible de convertir les pastilles reliées au plan de masse en pastilles thermiques. Cela va grandement simplifier le repérage et la soudure desdites pastilles. Pour ce faire, activer l’outil Pastille thermique (en choisissant l’orientation de la pastille) et cliquer les pastilles à convertir.

Cette fois-ci quand PERCIVAL propose de convertir les pastilles identiques, il est recommandé de ne pas le faire. Une croix apparait en légère surimpression sur les pastilles thermiques.

Réglage de l’origine du circuit

Pour usiner le circuit imprimé, le module d’usinage va nécessiter la prise d’origine de la pièce. Cette origine sera d’autant plus simple à régler si elle se situe sur le bord de la carte. Dans PERCIVAL, il est possible de positionner deux croix: une rouge et une bleue.

Ces croix pourront servir d’origine pièce au module d’usinage. Pour positionner précisément ces croix, il convient au préalable d’avoir prévu des repères dans EAGLE (une petite croix dans chaque angle dessinée avec des pistes sur chacune des faces à usiner). Une fois l’outil activé en mode « Pointage manuel », il suffit de cliquer sur l’extrémité d’une piste ou une pastille pour y positionner la croix.

Le circuit est maintenant prêt pour le calcul des contours d’isolation.

Calcul des contours d’isolation

Les contours d’isolation sont les chemins que suivra la fraise afin d’isoler électriquement les pistes du circuit. Le calcul des contours dépend principalement de deux facteurs:

• La forme de l’outil
• La largeur d’isolation entre la piste et le plan de masse

Le premier facteur se règle dans le menu Paramètres -> Bibliothèque d’outils.

Ce menu permet de déclarer les différents outils en votre disposition. Ainsi, PERCIVAL adapteras les calculs d’isolation et de perçage à la forme et au diamètre des outils disponibles. En outre, le module d’usinage sera à même de vous demander d’installer le bon outil avant chaque phase de gravure ou de perçage.

J’utilise personnellement ces outils:

• Un stylet conique à 60° pour l’isolation (soie de 3.17mm)
• Un foret de 0.8mm pour les perçages (soie de 3.17mm)
• Une fraise à rainurer de 2mm pour le détourage

Il est possible de remplir le nombre de dents et la vitesse de la broche pour chaque outil. PERCIVAL calcul ainsi les vitesses avance optimales pour l’usinage.

Pour calculer les contours d’isolation, il faut utiliser le menu Usinage -> Contours d’isolation -> Calculer les contours. Il est possible de choisir le nombre de passes à réaliser autour des pistes et des pastilles. Plus ce nombre est élevé, plus large sera le contour d’isolation, mais plus long sera l’usinage. Pour ma part, je me contente de deux contours successifs et d’un contour supplémentaire autour des pastilles. Quand le calcul est terminé, PERCIVAL affiche un rendu du résultat final. Les contours affichés en rouges sont ceux qui ont été « forcés » par le logiciel, les pastilles ou pistes adjacentes étant trop proches.

Il est également possible de gérer le détourage de la carte (découpe du circuit à la fraise) en ajoutant ou non pontets de maintien.

Usinage du circuit

Positionner la carte à usiner

Pour fixer la carte à usiner sur la table de la fraiseuse, j’utilise pour ma part du Scotch double faces transparent « extra-fort »:

https://www.leroymerlin.fr/v3/p/produits/adhesif-scotch-fixation-double-face-interieur-exterieur-l1-5mxl19mm-transparent-e1400097015

Il présente l’avantage d’avoir une épaisseur suffisante pour ne pas usiner la table de la fraiseuse. Il est en outre assez simple à décoller.

Un petit carré d’adhésif dans chaque coin et un au centre de la carte suffisent à maintenir le circuit en place pendant tout l’usinage.

Lancer l’usinage

L’usinage du circuit n’est alors plus qu’une « simple » formalité. Il suffit de choisir le menu Usinage -> Fraisage, et de choisir Chainer automatiquement au module d’usinage. Le fichier GCODE est automatiquement généré et passé à LANCELOT pour la gravure.

ATTENTION : Si le circuit a été inversé à la génération du fichier GERBER (mirror activé pour la face du dessous dans EAGLE), il convient de ne pas activer l’inversion horizontale à ce moment du processus.

LANCELOT est lancé automatiquement.

La première page permet de configurer l’usinage. Le tableau en haut à gauche récapitule les différentes phases de la réalisation. Il est possible de les activer (entouré en vert) ou de les désactiver (barré de rouge) à volonté. Chaque phase est associée à un outil et repérée par le numéro de l’outil dans le magasin. Il est également possible de surcharger les paramètres d’usinage (profondeur des passes, vitesse d’avance, …). Enfin, il est possible de tourner ou symétriser le circuit, au cas où une erreur se serait glissé dans le processus précédent.

La deuxième page permet de positionner la carte sur la table d’usinage. Il faut prendre l’origine de la carte (croix rouge, croix bleue ou bien un coin du circuit) en X et Y. Pour le réglage de la hauteur d’outil, deux méthodes sont disponibles:

• La machine est équipée d’un capteur de hauteur d’outil mobile
• Le positionnement de l’outil à fleur de la carte

Pour la première méthode, il convient de se référer à la notice d’utilisation du logiciel LANCELOT. Pour la seconde, je préconise une astuce à base d’Ohmmètre. ATTENTION : toute cette manipulation devra être effectuée broche hors tension, vous allez entrer en contact avec l’outil.

• Installer l’outil dans la broche
• Amener l’outil à quelques millimètres de la surface de la carte
• Passer le pilotage en mode 1mm ou 1/10mm selon la distance entre l’outil et la carte
• Mettre l’Ohmmètre en mode continuité (bip quand les pointes de touche se touchent)
• Mettre une pointe sur la carte (partie cuivrée) l’autre sur le mandrin de la broche (ou directement l’outil si le mandrin est en plastique)
• Descendre l’outil progressivement et doucement jusqu’au bip de l’Ohmmètre
• Cliquer sur Z – ok

ATTENTION : avec un foret de 0.8mm, cette manipulation peut s’avérer destructrice pour l’outil sir la vitesse de descente est trop élevée.

Une fois l’origine réglée, il est alors possible de lancer l’Usinage Automatique (ou de faire une simulation avant d’ouvrir les hostilités).

Si tout fonctionne comme prévu, LANCELOT devrait aller au bout de la première phase avant de demander un changement d’outil. Il convient alors de refaire la prise d’origine en Z.

Voici le résultat pour un circuit simple face basé autour d’un PIC18F4550 :

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Voici deux petites vidéos de l’outil en action (Attention, le volume sonore est un peu élevé…):

Conclusion

Avec le bon outillage, il est aisé de passer d’une conception virtuelle à un circuit bien réel. Il est tout a fait normal d’éprouver une certaine appréhension lors des premiers mouvement de la broche. J’ai cassé quelques outils et gâché un certain nombre de cartes avant de pleinement prendre en main les différents modules logiciels du processus. Il est important d’être méthodique de bout en bout. Le processus que je présente ici n’est bien sûr pas parole d’évangiles, cependant, il fonctionne à merveille chez moi.

Bonnes réalisations !

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Avertissements:

Cette réalisation a pour but de générer de hautes tensions. Il vous revient de prendre toutes les précautions nécessaires pour ne pas vous mettre en danger ou endommager vos appareils électroniques!

Historique

Comme son nom l’indique, le résonateur Tesla est l’une des inventions du savant Serbe Nikola Tesla. Né le 10 juillet 1856 à Smiljan, Nikola Tesla entre à l’école Polytechnique de Graz en 1875. Il y assimilera deux années d’études en un an seulement avant de quitter l’université faute d’argent. Il commence son travail d’ingénieur en 1881 pour l’Office du télégraphe à Budapest. À l’avènement du téléphone, il est promu chef électricien puis ingénieur-chef de la compagnie. On lui devrait le premier haut-parleur. En 1882, il vient travailler à Paris pour la société Continental Edison où il finit de mettre au point le premier moteur à induction. Il expérimente les résonateurs hautes fréquences entre 1899 et 1900 dans le but de créer une tour de télécommunications. Ce sont les fameuses bobines de Tesla.

Source: Wikipedia

Principe de fonctionnement du résonateur Tesla

L’objectif du résonateur Tesla est de produire des champs électriques intenses à haute fréquence. L’idée de Tesla repose sur deux principes fondamentaux:

• L’utilisation d’un transformateur
• L’utilisation de la résonance

Un transformateur électrique est chargé d’augmenter ou d’abaisser une tension électrique sinusoïdale en utilisant le couplage magnétique de deux bobines aux nombres de spires différents. Le rapport de transformation est alors donné par le rapport du nombre de spires de la bobine secondaire sur le nombre de spires de la bobine primaire. Le résonateur Tesla est un transformateur élévateur de tension comportant très peu de spires au primaire (une dizaine) et beaucoup plus au secondaire (plusieurs milliers).
L’idée de génie de Tesla fut d’utiliser ce transformateur à sa fréquence de résonance. Pour ce faire, il place un condensateur en série avec le primaire et un autre en série avec le secondaire. Les valeurs des condensateurs sont choisies pour que les deux circuits LC résonnent à la même fréquence.
La haute tension est alors produite par la décharge répétitive du condensateur dans la bobine primaire. Le transformateur entre en résonance (autour de 500kHz) et un très haut potentiel électrique apparait sur le condensateur secondaire.

Schéma d’un résonateur Tesla

On retrouve le condensateur primaire, les bobines primaire et secondaire, ainsi que le condensateur secondaire qui est en réalité soit un tore soit une sphère métallique. Un interrupteur est chargé de connecter périodiquement le condensateur primaire à la bobine primaire. Quand l’interrupteur conduit, le condensateur se décharge dans la bobine et le circuit primaire entre en résonance. Quand l’interrupteur est ouvert, le condensateur se charge à la tension d’alimentation du résonateur.

Particularité d’un résonateur à éclateur solide

Les bobines de Tesla conventionnelles sont alimentées en haute tension alternative (de l’ordre de 10kV). L’interrupteur du primaire doit donc être capable de commuter de très forts courants sous une tension de 10kV à la fréquence d’alimentation de la Tesla (50 Hz en France). Pour réaliser ma mini Tesla, j’ai choisi d’utiliser une alimentation 12V continue et de mettre un transistor MOS comme interrupteur primaire. Ceci présente plusieurs avantages, comme notamment la possibilité de régler la fréquence de commutation du MOS en jouant sur la fréquence du signal de grille.

Réalisation

La première chose à faire est de bobiner le secondaire. Assurez-vous au préalable d’avoir tout ce qu’il faut… Pour ma bobine secondaire, j’ai bobiné du fil de cuivre de 0.125mm de diamètre sur un tube de PVC de 32mm sur une longueur d’environ 10cm (le fil a cassé avant que j’atteigne mon objectif de 15cm…). Qu’à cela ne tienne, je poursuis ma réalisation!!!
Pensez bien à laisser suffisamment de mous au fil de cuivre de chaque côté de la bobine pour permettre les connexions électriques. Ensuite: la bobine primaire. Pour celle-là, rien de plus simple: quelques tours de fils de cuivre (celui que vous avez, pour moi du 0.75 mm²) sur un tronçon de PVC de plus grand diamètre que celui du secondaire et voilà! Ensuite, le condensateur secondaire. Le mien est une balle de ping-pong soigneusement recouverte de scotch aluminium.
Enfin: le circuit électronique de commande. Pour simplifier la réalisation, je génère la commande du MOS avec mon GBF, mais rien n’empêche de construire un petit oscillateur avec un 555 pour rendre votre réalisation parfaitement mobile. L’alimentation 12Vdc est tirée d’un vieille alimentation de PC (et alors 😉 ). Attention toutefois à ce que votre alimentation soit assez tolérante aux retours de hautes fréquences et aux courts-circuits! Le schéma n’a en sois rien de compliqué:

On retrouve le condensateur primaire connecté directement à la source, le PMOS intercalé entre le condensateur et la bobine du secondaire. Attention: le PMOS conduit quand la grille à un potentiel inférieur à Vcc – 5V et il est bloqué quand le potentiel de grille est égal à Vcc. Si vous avez un NMOS sous la main, n’hésitez surtout pas à modifier le schéma!

Les premiers essais

Après avoir relié l’alimentation, le signal de commande du MOS et relié le bas de la bobine secondaire à la masse, il ne reste plus qu’à mettre en route! Selon la fréquence du signal de commande, on peut isoler deux modes de fonctionnement:

Fréquences basses (de l’ordre du kHz): le résonateur fonctionne comme Tesla l’avait prévu: la capacité du primaire entre en résonance avec la bobine. J’ai réussi à produire des étincelles d’un petit millimètre. Assez décevant me direz-vous, mais ces fréquences sont audibles et l’on peut faire chanter la Tesla!

Fréquences élevées (environ 750 kHz): la capacité n’a plus le temps de se charger ou de se décharger et la bobine primaire entre directement en résonance avec la tension hachée fournie par le MOS. Cette fois, les étincelles atteignent facilement le centimètre.

Pour trouver la fréquence de résonances, il y a deux écoles: à l’oscilloscope (méthode « propre ») ou au tube fluo (méthode « amusante »). A l’oscilloscope, il suffit laisser la sonde posée négligemment sur le plan de travail à proximité de la Tesla pour observer les signaux HF rayonnés par la Tesla. Avec un tube fluo, c’est le même principe: il faut saisir le tube par une électrode et approcher l’autre de la Tesla. Le fluo devrait s’allumer. Ensuite, que vous utilisiez le fluo ou l’oscilloscope, il faut régler la fréquence de commande du MOS pour obtenir la plus grande amplitude de signal (à l’oscilloscope) ou la plus forte luminosité (au fluo).

NB: si vous n’avez pas de fluo, une ampoule à économie d’énergie (fluocompacte) ou même une simple LED feront l’affaire.

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On peut remarquer la taille impressionnante du dissipateur thermique du MOS. Tous d’abord, je n’en avais pas d’autre (eh oui, ça joue…), ensuite, à basse fréquence, le courant circulant dans le MOS peut provoquer un échauffement très intense (mon premier MOS mourut ainsi dans d’atroces souffrances). Donc, ne négligez pas le refroidissement du MOS: un accident est vite arrivé!

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!!! Avertissements !!!

Cette réalisation utilise des tensions continues supérieures à 200V. Un contact direct avec une pièce nue sous tension peut causer un choc électrique.

Historique:

Avant l’avènement des LED (1962), Afficheurs 7 segments et autres tubes VFD (1980), l’indicateur numérique par excellence était le tube Nixie. Produit en série à partir de 1954, ce sont des tubes à vides à cathode froide munis d’une dizaine d’électrodes (entre 10 et 12 généralement). Chaque électrode à la forme d’un chiffre, avec potentiellement un ou deux points décimal. L’application d’une tension sur l’une des électrode provoque une luminescence de celle-ci. En associant plusieurs tubes, il est possible de réaliser un indicateur numérique. Ces composants furent utilisés dans les premiers voltmètres à affichages digital, les calculatrices et autres appareils numériques:

Source: Wikipedia

Mise en oeuvre

Le principal problème technique posé par l’utilisation de tubes Nixie réside dans leur tension d’alimentation. La datasheet de mes tubes IN-16 (En Russe…) indique une tension d’amorçage d’au-moins 200 volts continue. La tension d’alimentation après amorçage doit être maintenue à environ 170 volts continue sous un courant de 2.5mA. La première difficulté consiste donc à obtenir 200Vdc sous 10mA (4 tubes) à partir d’une alimentation de sécurité (idéalement 9-15Vdc). La deuxième difficulté va être de trouver des composants (drivers d’affichage) capables de manipuler une telle tension.

Les tubes Nixie

Il existe plein de revendeurs de tubes Nixie sur la toile (dont pas mal sur eBay). Je me suis orienté vers kosbo.com sur les conseils d’un ami. Je n’ai vraiment pas été déçu: livraison sérieuse, tous les tubes sont arrivés entiers. Pour ces derniers, j’ai choisi un modèle de petite taille: l’IN-16. Il s’agit de tubes russes d’environ 3cm de haut. Ils ont l’avantage d’utiliser une électrode différente pour le 2 et pour le 5 (qui était souvent la même monté dans deux orientations différentes).

Pour les nostalgiques voici la datasheet d’origine en Russe: IN-16_02.pdf

Pour les non russophones, voici une traduction dans la langue de Shakespeare fournie par kosbo: IN16_layout.pdf

Le pilotage des tubes Nixie va être confié à un composant d’époque (russes également, équivalent du DM54 de MSI et du 74141…): le K555. Il s’agit d’un décodeur BCD vers décimal capable de commuter la tension d’alimentation des tubes.

L’alimentation 200Vdc

Il est possible de réaliser une alimentation à découpage 15V -> 200V à base d’un NE555, d’une capacité et d’une bobine. L’un des schéma circulant sur la toile est le suivant:

Il est tiré du site: http://www.turbokeu.com. J’ai réalisé un prototype d’une telle alimentation avec des composants tirés d’un fond de tiroir:

• Un condensateur 33µF 500 Vcc de marque CMF
• Une inductance 100µH C&D Technologies
• Un MOS IRF740 comme hacheur

Étonnement, L’alimentation s’est très bien comportée: pas de sifflement gênant, pas de surchauffe de l’IRF740, un courant convenable et une tension de sortie à partir de 170V. Cependant, lors du réglage de la tension de sortie, celle-ci à dépassée la tension de claquage de mon condensateur… Tout à refaire! J’avoue alors m’être tourné vers une solution plus simple, bien que moins élégante: acheter un module d’alimentation pour tubes Nixie. Je me suis tourné vers le revendeur de mes tubes, kosbo.com, et j’ai trouvé un petit module intégré recevant une alimentation de 12V et ressortant environ 200V ainsi que 5V régulé pour l’électronique de pilotage.

L’électronique de pilotage

L’intelligence est confiée à un PIC18F4550 (exhumé d’un fond de tiroir…), pas du tout de l’époque des tubes, animé par un quartz à 20MHz. Les valeurs envoyées aux K555 pilotant les tubes sont mémorisées dans des verrous cd4042 4 bits qui multiplexent l’un des port du PIC. L’horloge calendrier est un module MikroElektonika RTC2 Click qui a l’avantage énorme d’embarquer la pile de sauvegarde. Quatre boutons poussoirs permettent le réglage de l’heure.

Voici le schéma de principe:

Ma réalisation est faite intégralement sur platine d’essai à bandes. Je ne fournirais donc pas de typon de l’horloge.

Galerie

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!!! Avertissements !!!

• Rayonnements UV

Les rayonnements UV contiennent des longueurs d’onde assez courtes suffisamment énergétiques pour endommager l’appareil visuel humain. Il est impératif de ne jamais regarder les tubes UV en vision directe.

• Tubes fluo

Les tubes fluo fonctionnent sur l’excitation des électrons d’atomes de mercure. En se désexcitant, les électrons émettent des photons UV. Deux risques entourent ces tubes. Tout d’abord ils contiennent des vapeurs de mercure: en cas de bris il faut faire attention à bien récupérer tous les débris et gouttelettes de mercure. Ensuite, les atomes sont excités par décharge électrique: les bornes des tubes UV sont soumises à de fortes différences de potentiel (plusieurs milliers de volts). ATTENTION LES DOIGTS !!!

Réalisation

Le banc à insoler est l’outil indispensable à quiconque souhaite réaliser ses propres circuits imprimés. Malheureusement pour les amateurs, une insoleuse, même bon marché, reste un achat onéreux (plus d’une centaine d’euros). Il est cependant possible de s’en tirer à moindres frais. La base du banc à insoler est la même que celle d’un scanner: une boite contenant une source lumineuse munie d’une vitre sur le dessus et d’un couvercle qui permet de bien plaquer l’échantillon sur la vitre.

Pour réaliser une insoleuse, il vous faut un vieux scanner (les plus récents sont trop exigus pour y caser les tubes UV sans trop de modifications), quelques tubes UV pour insoleuse et quelques réglettes fluos.

Voici le matériel que j’ai utilisé:

• Un scanner Agfa 1212 (très spacieux)
• 4 tubes UV 8W pour insoleuse
• 4 réglettes fluos 8W (moins coûteux que 4 ballasts et 4 starters)

Pour que l’insoleuse soit efficace, il ne faut pas que les tubes soient trop proches de la vitre pour éviter les problèmes de parallaxe qui pourraient nuire à la qualité des pistes:

Tubes trop près: les pistes fines ne seront pas visibles sur le CI

Cas limite: les pistes fines peuvent être gravées, mais seront surement trop petites pour être exploitables (microcoupures, surgravure…)

En outre, plus les tubes sont éloignés, plus l’éclairement du CI sera homogène.

Dans un premier temps, j’ai simplement fixé mes réglettes fluo sur le fond du scanner renforcé d’une plaque de contre plaqué. J’ai supprimé le décrochement qui supportait le mécanisme d’entraînement du chariot avec un Dremel. Pour éviter les fuites de rayons UV, j’ai ajouté des flancs en contre-plaqué pour boucher les différents trous du scanner. Le tout a été assemblé à la colle thermofusible.

Les tubes se retrouvent à environ 1cm de la vitre. Cela me semble un peu faible et j’envisage de rehausser l’insoleuse pour diminuer encore la parallaxe. Cependant, mes premiers essais d’insolation semblent concluants: j’ai gravé une empreinte pour un boitier CMS TQFP-100 sans constater de coupures de pistes.

Le temps d’insolation est réglé avec un relais temporisé placé en amont. Je vais surement réaliser une régulation électronique avec un micro-contrôleur pour simplifier l’utilisation. Une durée d’insolation comprise entre 2 et 3 minutes semble convenir.

A vous de jouer !!!

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Le TSX17 est un API (automate programmable industriel) conçu dans les années 90 par la firme Télémécanique. Il s’alimente en 24V, fournis 20 entrées et 20 sorties tout ou rien, un bus d’extension et un bus RS485. Il est en outre possible de lui ajouter des langages en mettant des cartouches d’extension dans l’automate. D’origine, le TSX17 se programme soit en ladder soit en grafcet avec le logiciel PL7/1. Une cartouche d’extension le rend compatible avec le logiciel PL7/2, une autre encore le rend compatible avec le logiciel Automgen (bien qu’il soit possible de programmer un TSX17 avec Automgen sans la cartouche idoine).

Cependant, s’il est une chose indispensable à la programmation d’un TSX17, c’est bien le câble de liaison pour le connecter sur un PC. Ayant récupéré un TSX17 sans ce fameux câble, je me suis donc penché sur sa réalisation. Voici le cahier des charges:

• Protocole d’entrée: Liaison série RS232
• Protocole de sortie: Liaison série RS485
• Fournir deux modes de communication: ASCII ou binaire

Version UART

Après avoir fureté sur le net, j’ai déniché le schéma de principe du câble sur ce site regroupant plein d’informations utiles:

Il ne reste plus qu’à réaliser un convertisseur RS232 RS485. Comme le passage d’une liaison asymétrique à une liaison symétrique est un processus courant, des composants spécifiques existent sur le marché.

Le logiciel PL7/2 est disponible en téléchargement ici. Attention, ce logiciel est conçu pour fonctionner sous OS/2, le concurrent peu connu de Microsoft. Une méthode pour utiliser OS/2 de nos jours consiste à installer OS/2 warp 4 sur une machine. Aujourd’hui, OS/2 est commercialisé par la société eComStation.

Voici le schéma de mon adaptateur:

La liaison RS485 est ramenée à des niveaux TTL par un MAX481. Ces signaux TTL sont ensuite conditionnés par un classique MAX232 et envoyés sur la prise DB9. Une subtilité intervient pour retourner la liaison RS485: j’ai récupéré le Tx inversé comme signal de retournement. Cependant, cela laisse les buffers du MAX485 ouverts à chaque 1 sur Tx. Mon prototype fonctionne, mais il serait plus sûr d’ajouter un dispositif de pull-up sur la RS485 pour ne pas la laisser flottante.

Je n’ai pas dessiné de typon: j’ai réalisé mon adaptateur sur plaquette à bandes. Libre à vous d’adopter l’implantation qu’il vous convient.

Mise à jour: Après discussion sur ABCelectronique, un schéma comportant le pull-up m’a été soumis. J’en remercie XF75! Je relaie donc l’information:

Version USB (non testée)

Comme la RS232 se fait de plus en plus rare sur les nouveaux PC, j’ai conçu un autre adaptateur pour le TSX17 qui se connecte directement en USB. Il est architecturé autour d’un PIC18F4550. Ce dernier est programmé pour être reconnu comme un port COM sur le PC. La liaison RS485 est gérée par l’UART du PIC. Il s’occupe aussi de retourner la liaison quand le PC parle au TSX17 et vice versa.

Le schéma est fort simple: il reprend toute la partie RS485 du montage précédent et remplace la partie RS232 par le PIC18F4550.

Le circuit imprimé tient sur une seule face.

Le typon au format PDF
Je n’ai pas encore écrit le firmware du PIC. Cependant, il peut être facilement obtenue à partir de l’exemple fourni par MikroElektronika pour la bibliothèque USB Device

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Qu’il s’agisse de sonoriser une pièce ou simplement d’ajouter du son à un système embarqué, la réalisation simple d’un amplificateur de puissance peut s’avérer utile. J’ai réalisé cet amplificateur avec comme idée de départ le pilotage de 4 haut-parleurs encastrés de 4 W. Vu la qualité des HP à ma disposition, je n’avais pas besoin d’un ampli Hi-fi à tubes et d’un DSP 40 canaux ! C’est pourquoi ce montage s’attache avant tout à la simplicité de réalisation qu’à la qualité acoustique obtenue. N’oubliez jamais : un ampli haut de gamme ne pourra s’exprimer qu’à travers des HP de qualité. Inversement, les meilleurs HP ne pourront que transmettre l’énergie fournie par l’ampli ; si celui-ci est trop faible, le son produit sera de mauvaise qualité et distordu ! Donc pour mon montage : simplicité, puissance raisonnable et qualité correcte.

Le LM4780 — Le cœur du montage

Le temps des amplis à lampes est révolu (sauf pour le haut de gamme) ! Place aux composants intégrés, pour le plus grand bonheur des amateurs d’électronique. En effet, il n’a jamais été aussi simple de réaliser un amplificateur audio capable de performances honorables. On trouve aujourd’hui des amplificateurs de puissance intégrés capable de fournir plus de 100 W de puissance en sortie, sans ajouter de circuits annexes compliqués et tout en garantissant des caractéristiques acoustiques honorables. Le LM4780 de Texas Instrument est l’un d’entre eux.

Disponible en boîtier 27 broches TO-220, le LM4780 est un amplificateur double 2x60W optimisé pour l’amplification des signaux audio (moins de 0.5 % de distorsions harmoniques sur la bande audible). Il est conçu pour fonctionner avec deux rails d’alimentation symétriques. Le boîtier est prévu pour être monté sur un (gros) radiateur. Pour le reste, il se comporte comme un ampli op traditionnel : monté en ampli non-inverseur avec un gain fixé par la résistance de contre réaction. Les HP branchés directement sur les sorties et les signaux audio appliqués aux entrées non inverseuses. Il faut juste s’occuper en plus des deux entrées de MUTE : pour diminuer le clac produit dans les HP à la mise sous tension, il est possible d’ajouter une cellule RC qui ôte le MUTE quelques instants après la mise sous tension, quand le circuit est stable.

L’alimentation

Nous parlons ici de réaliser une alimentation continue symétrique +/- 30V capable de passer 120 W ! on oublie tout de suite les régulateurs de tension. Même les meilleurs modèles à découpages sont loin de remplir ces conditions. On en revient donc aux fondamentaux :

• Un transformateur torique double secondaire
• Deux redresseurs à diodes
• Des grosses capacités de lissage

Attention : ce montage s’alimente directement en 230Vac ! Il convient d’ajouter un dispositif de protection en amont du transfo. Cependant, celui-ci constitue une magnifique charge inductive, donc un appel de courant énorme à la mise sous tension. Prévoyez en conséquence une protection adaptée : disjoncteur thermique ou fusible d’accompagnement moteur… Un simple disjoncteur 2A magnétothermique tombe à chaque mise sous tension.

Le schéma

Ce schéma s’inspire plus que fortement de celui fourni dans la datasheet du composant. Un détail cependant : les deux résistances entre les entrées audio et la masse ! Elles évitent aux entrées de rester en l’air quand la prise jack est débranchée. Autrement, elles récoltent tout le bruit ambiant et le bruit amplifié passe dans les HP… Cependant, elles ne doivent trop charger la sortie son du périphérique branché en amont.

Conclusion

Le LM4780 tient ses promesses ! Quand la doc annonce 120 W, ils semblent atteignables. Le résultat est bluffant pour un si petit composant. Il se comporte aussi bien qu’un ampli Hi-fi traditionnel pour piloter des enceintes 8Ohms, même si les sonorités sont différentes. Attention, si vous branchez dans haut parleurs trop faible impédance et trop faible puissance, vous risquez de leur dire adieu : j’en ai perdu 2 lors des essais… Rassurez-vous, ils pas eu le temps de souffrir…

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