Si la proposition d’un nouveau montage d’alarme centralisée ne peut que recueillir la faveur du public (on ne se demande plus, hélas, pourquoi !), l’intérêt de cette réalisation, dans le domaine des accessoires, capteurs ou dispositifs déclenchés de sortie, n’est pas moindre. En effet, ce sont les sirènes et les systèmes d’appel téléphonique (aujourd’hui GSM) qui arrivent en tête de vos demandes.
Notre réalisation
Aussi, afin de ne pas décevoir vos attentes, allons-nous vous proposer dans cet article un montage sur ce thème : il s’agit de construire une sirène à haute efficacité avec clignotant incorporé. Ceci dit, vous pourriez penser que ce circuit est surtout conçu pour satisfaire une vue de l’esprit, mais il n’en est rien : en effet, il y a sirène et sirène. Ici, nous allons traiter d’un appareil de signalisation acoustique et optique conçu pour être commandé par tous les moyens prévus par les systèmes d’alarme, soit “à chute du positif” et “à fenêtre de tension” (la méthode la plus sûre), mais aussi à contacts normalement fermés, avec, bien sûr, protection par circuit anti-sabotage auquel on peut connecter un ou plusieurs micro-interrupteurs (par exemple, un pour éviter que la sirène ne soit arrachée du mur sur lequel elle est fixée et un second pour déclencher l’alarme en cas d’ouverture du couvercle). Le tout est auto-alimenté par une batterie rechargeable en tampon, ce qui garantit l’autonomie du circuit et l’activation de la signalisation pendant une durée suffisante, même si les fils d’alimentation ont été coupés.
Le schéma électrique
Ces caractéristiques et d’autres vous apparaîtront avec évidence si vous analysez le schéma électrique de la figure 1.
La sirène que nous vous proposons de construire est conçue pour être utilisée en extérieur. Aussi faudra-t-il prévoir un boîtier pour la protéger des intempéries et une passivation du circuit imprimé par immersion dans un bain de vernis pour bobinages, une fois tous les composants montés.
Jetons donc un coup d’oeil au schéma : il nous montre la totalité de la structure de notre sirène. Pour en expliquer le fonctionnement, il faut le décomposer en sous-ensembles. Nous distinguons une section d’interface avec le dispositif de commande, un générateur de forme d’onde modulé en fréquence, un étage de sortie pour le contrôle du clignotant, un étage final ponté pilotant le transducteur magnétodynamique de puissance et la section d’alimentation.
Commençons par l’examen de cette dernière : elle correspond aux bornes 9 (commun négatif) et 10 (positif), c’est à elles qu’on doit fournir une tension continue entre 13 et 15 V pour une consommation de 2 A au moins. La tension appliquée entre les bornes, arrive à l’entrée de la logique de détection de la chute de tension du positif (nous allons l’analyser dans peu de temps) et, à travers la diode D6, à la batterie rechargeable ainsi maintenue en charge. La fonction de D1 est surtout d’éviter qu’en cas de coupure malveillante des câbles d’alimentation ou de la ligne positive (pour neutraliser l’alarme), la batterie continue à alimenter le circuit de détection. Des points + et – BATT, où est connectée la batterie au plomb-gel 12 V 2,2 A/h, D1 amène le courant au reste du circuit, lequel peut fonctionner, même en l’absence d’alimentation principale. R1 et l’électrolytique C3 jouent le rôle d’un filtre de suppression des perturbations de commutation dues aux allumages/extinctions du clignotant et au fonctionnement du pont pilotant le transducteur acoustique. Ils filtrent, en outre, d’éventuelles perturbations venant du secteur 230 V. Le tout sert à éviter tout déclenchement ou arrêt intempestifs de la sirène.
Entrons maintenant dans l’essentiel du circuit afin de voir les entrées, comment elles sont paramétrées et comment elles fonctionnent, sachant que, pour activer la sirène, on peut en utiliser une seule à la fois : la conséquence est que les autres doivent être inhibées, chacune selon sa structure propre. Toutes les entrées correspondent à la logique réalisée avec les portes U1a et U1b. Donc, pour comprendre comment et pourquoi utiliser une entrée plutôt qu’une autre, il faut savoir comment fonctionne cette logique.
R2 et R4 forment un pont devant être fermé par une autre résistance reliée à la masse : mais pas n’importe laquelle car elle doit avoir une valeur comprise dans une certaine fourchette, de manière à maintenir, au repos, à l’état logique bas (0) la broche 1 de la NOR U1a et à l’état logique haut (1) les broches 5 et 6 de la NOR U1b. Ainsi, la sortie de cette dernière porte est à l’état logique 0 et celle de U1a, en supposant que sa broche 1 soit au niveau logique bas (0), à l’état logique 1. U1a et U1b forment donc un capteur à fenêtre de tension réagissant, si l’on met la broche 1 de la porte NAND U2a au 0 logique, quand la résistance insérée entre le point 3 et la masse n’assure plus les conditions ci-dessus, c’est-à-dire si elle est trop faible pour maintenir au 1 logique les broches 5 et 6 de la U1b et trop forte pour faire passer au 1 logique le niveau de la broche 1 de U1a. On peut en déduire facilement qu’en ouvrant ou court-circuitant à la masse le point 3, la sirène retentit.
Pour inhiber l’entrée à fenêtre de tension, donc pour maintenir la condition normale, il faut fermer à la masse le point 3 avec une résistance de 27 kilohms. Le circuit est structuré de manière à pouvoir mettre en oeuvre le capteur à fenêtre de tension pour réaliser la plus traditionnelle des entrées normalement fermée (ou close : NC), soit l’entrée devant être en courtcircuit et dont l’ouverture déclenche l’alarme. Si l’on souhaite l’utiliser, il faut désactiver l’entrée à fenêtre de tension en reliant entre les points 3 et 4 une résistance de 27 kilohms 1/4 de W. Ceci parce que l’entrée NC, bornes 5 et 6, est insérée dans le partiteur de tension (pont R4 et R2).
Avec la connexion décrite, le capteur à fenêtre fonctionne seulement commeNC, en ce sens qu’il ne détecte pas le court-circuit, justement parce que la résistance de 27 kilohms empêche que l’alarme ne se déclenche par fermeture.
Bien entendu, étant donné la conception du circuit, si l’on utilise l’entrée à fenêtre de tension, il faut placer un “strap” entre les points 5 et 6 : on peut la commander avec la sortie NC d’une centrale antivol en mettant en série au point 3 la fameuse résistance de 27 kilohms ou bien avec une sortie NO (normalement ouverte), en laissant la résistance entre les points 3 et 4 et en fermant le point 3 à la masse avec le contact.
Continuons et voyons ce qui arrive quand l’entrée à fenêtre de tension est déséquilibrée ou si la NC s’ouvre.
Pour la première, si le circuit s’ouvre, la porte U1b maintient sa sortie au 0 logique mais la broche 1 de la porte U1a passe, elle aussi, au niveau logique haut, ce qui contraint au 0 logique la broche 3 de cette dernière. En revanche, si la borne 3 est directement court-circuitée à la masse, la broche 1 de U1a reste au 0 logique et les broches 5 et 6 de U1b sont entraînées elles aussi au niveau logique bas (si l’on ouvre l’entrée NC, c’est la même chose). La broche 4 prend l’état logique haut (1), ce qui donne encore à la sortie 0. Cette condition suffit pour faire retentir la sirène, puisqu’elle peut contraindre au niveau logique haut la sortie de la porte NAND U2a, l’autre entrée de cette porte étant toujours au 1 logique.
Et c’est ici qu’entre en jeu ce que nous avons dit de la chute du positif : la broche 2 de la porte U2a est maintenue à l’état logique haut (1) tant que le circuit est correctement alimenté, mais il passe rapidement au 0 si les bornes 9 et 10 sont privées d’alimentation principale.
Dans ce cas, le tout fonctionne sur batterie mais la porte NAND met sa sortie au 1 logique et donne l’alarme. U2a fonctionne en somme comme un collecteur des deux conditions d’alarme : celles venant des entrées et de la chute du positif, les deux pouvant, à chaque instant, déclencher la sirène.
Il s’ensuit que, si l’on veut, on peut activer la sirène seulement avec la chute du positif, en l’alimentant à travers un contact NC de l’installation antivol : ainsi, en cas d’alarme, le contact s’ouvre et prive la sirène d’alimentation.
Pour obtenir cette modalité, il faut court-circuiter les points 5 et 6 (pour inhiber l’entrée NC) et insérer la résistance de 27 kilohms entre les points 3 et 4.
Voyons maintenant ce qui se passe dans la transition 0/1 à la sortie de la porte U2a : supposons que la porte NAND U3a ait sa broche 2 au 1 logique, sa sortie passe de l’état logique haut à l’état logique bas et, à travers le réseau C10/R21, apporte une impulsion 0 logique aux entrées de la porte U2d. Ici le propos se divise en deux selon la position du cavalier J2 (au milieu du schéma près de C10) : disons que s’il est fermé (en place), on obtient le fonctionnement normal et la sirène sonne tant que la condition l’ayant déclenchée dure (et de toute façon pour une durée maximale de 6 minutes). Simultanément le clignotant fonctionne : la lampe pilotée par T4, T5, T6 et T7 clignote. En revanche, si le cavalier est ouvert (retiré), seul le clignotant est activé.
Analysons les deux cas en partant de ce dernier.
Figure 1 : Schéma électrique de la sirène universelle avec clignotant.
Figure 2 : Les applications possibles et les signaux d’activation.1 = “Tamper”*
2 = “Tamper”
3 = Ligne symétrique
4 = Ligne asymétrique
5 = Ligne normalement fermée
6 = Ligne normalement fermée
7 = Entrée de blocage
8 = Entrée de blocage
9 = Négatif d’alimentation
10 = Positif d’alimentation
11 = Sortie pour clignotant
12 = Sortie pour clignotant
Tamper *: (modification possible au moyen d’un cavalier)
FONCTIONNEMENT A “CHUTE DE POSITIF”
Alimenter la sirène (13 à 15 Vcc) en passant à travers les entrées “tamper” si elles sont prévues. Prévoir un cavalier entre 5 et 6. Insérer une résistance de 27 kilohms entre les bornes 3 et 4.
FONCTIONNEMENT A “CHUTE DE NEGATIF”
En partant d’une tension d’alimentation (13 à 15 Vcc), relier le positif à la borne 10, la masse aux points 1 et 9. Prévoir un cavalier entre les points 2 et 5. Insérer une résistance de 27 kilohms entre les bornes 3 et 4.
CONNEXION A UNE LIGNE SYMETRIQUE
Alimenter la sirène (13 à 15 Vcc) en passant à travers les entrées “tamper” si elles sont prévues. Prévoir un cavalier entre les points 5 et 6. Utiliser les bornes 3 et 4 pour la connexion à une ligne symétrique.
Figure 3 : La sirène magnétodynamique.CARACTERISTIQUES PRINCIPALES
Impédance = 4 Ω
Puissance de travail = 25 W
Puissance en pointe = 40 W
Réponse = 700 à 7500 Hz
Fréquence de coupure = 700 Hz
Pression acoustique (1 m) = 108 dB
Angle de diffusion = 90°
Poids = 910 g
Le circuit proposé dans cet article est prévu pour piloter tout haut-parleur magnétodynamique à impédance caractéristique de 4 ou 8 ohms, comme le modèle CR86 visible sur la photo.
Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la sirène universelle avec clignotant.
Figure 4b : Photo d’un des prototypes.
Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la sirène.Liste des composants
R1 = 220 Ω
R2 = 15 kΩ
R3 = 470 kΩ
R4 = 33 kΩ
R5 = 27 kΩ
R6 = 1,2 kΩ
R7 = 1 MΩ
R8 = 1 MΩ
R9 = 180 kΩ
R10 = 1 MΩ
R11 = 560 kΩ
R12 = 1,2 kΩ
R13 = 3,9 kΩ
R14 = 3,9 kΩ
R15 = 100 kΩ
R16 = 100 kΩ
R17 = 1 MΩ
R18 = 100 kΩ
R19 = 3,9 MΩ
R20 = 10 kΩ
R21 = 100 kΩ
R22 = 10 kΩ
R23 = 27 kΩ
R24 = 470 kΩ
R25 = 10 kΩ
R26 = 2,2 kΩ
R27 = 270 Ω 1 W
R28 = 100 Ω
R29 = 2,2 kΩ
R30 = 2,2 kΩ
R31 = 2,2 kΩ
R32 = 2,2 kΩ
R33 = 100 Ω
R34 = 27 kΩ
R35 = 470 kΩ
C1 = 47 nF multicouche
C2 = 100 μF 35 V électrolytique
C3 = 100 μF 35 V électrolytique
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 220 pF céramique
C6 = 1 μF 63 V électrolytique
C7 = 1 μF 63 V électrolytique
C8 = 220 pF céramique
C9 = 100 μF 35 V électrolytique
C10 = 100 nF multicouche
C11 = 10 μF 63 V électrolytique
C12 = 1 μF 63 V électrolytique
C13 = 100 nF 63 V polyester
C14 = 100 nF multicouche
C15 = 100 nF 63 V polyester
D1 = 1N4007
D2 = Zener 6,8V
D3 = 1N4148
D4 = 1N4148
D5 = 1N4148
D6 = 1N5408
D7 = 1N4148
D8 = 1N4148
D9 = 1N4148
D10 = 1N4148
U1 = 4001
U2 = 4093
U3 = 4011
T1 = NPN BC547
T2 = NPN BC547
T3 = PNP BC557
T4 = PNP BC557
T5 = NPN BC547
T6 = NPN BC547
T7 = PNP BD438
T8 = NPN BD437
T9 = NPN BD437
T10 = PNP BD438
T11 = PNP BD438
FUS1 = Porte-fusible pour CI
Divers :
6 Borniers 2 pôles
3 Supports 2 x 7
3 Barrettes tulipes 2 pôles
2 Cavaliers
1 Fusible 2 A
J2 retiré (ouvert)
C10 est inséré et par conséquent effectivement la sortie de la porte U2d réagit à l’impulsion 0 logique en produisant à son tour une autre impulsion, mais 1 logique, ce qui entraîne deux effets : elle envoie un niveau logique bas momentané (de la même durée que le niveau haut présent sur la broche 11 de la porte U2d…) à la sortie de la porte NAND U3d et une autre identique à la sortie de la porte U2c.
Comme l’électrolytique C9 est chargé (il s’est chargé quand la sortie de la porte U3d était au 1 logique et ne se décharge pas pendant l’impulsion…), la broche 8 de la porte U2c se trouve au niveau logique haut et rien ne change à sa sortie. Le multivibrateur astable constituant la base de la sirène est désactivé. En revanche, la section du clignotant fonctionne : elle est activée par un second astable, constitué par la porte NAND U2b, balayant la modulation de fréquence de l’onde produite par la sirène. Toujours active, cette porte pilote la base du PNP T5. Quand la sortie de la porte U3a passe au 0 logique, ce qui sature T4 (ce transistor est monté en interrupteur statique…), l’onde rectangulaire due à la commutation de T5 peut atteindre la base de T6, lequel se commute lui aussi au gré des états de sortie de la porte U2b et fait passer alternativement la base de T7 en conduction ou en blocage. Le collecteur de ce dernier est relié au fusible FUS1, à travers lequel est alimentée l’ampoule 12 V du clignotant. Notez que l’apparent “gaspillage” des transistors employés pour le contrôle de l’ampoule vient essentiellement de la nécessité de pouvoir éteindre le clignotant avec un niveau logique en bloquant le signal de contrôle de telle façon que l’ampoule, au repos, ne soit pas alimentée.
J2 en place (fermé)
Voyons à présent ce qui se passe si le cavalier J2 est en place : la commutation 1/0 logique à la sortie de la porte NAND U3a met au 0 logique les entrées de la porte U2d et au 1 logique la broche 11 de cette dernière. Les sorties de U2c et U3d se commutent toutes deux au 0 logique. La première maintient au 0 logique les broches 8 et 13 de U1 et laisse l’astable principal libre d’osciller et de produire les deux formes d’onde (en opposition de phase l’une l’autre) pilotant les deux côtés du pont de sortie. La seconde commence à charger, lentement, l’électrolytique C9. Les signaux produits par l’astable U1c/U1d sont modulés en fréquence, c’est-à-dire qu’ils subissent un glissement causé par la tension en dents de scie émoussées obtenue en faisant passer l’onde rectangulaire produite par la porte U2b dans le réseau filtrant R9/R10/D5/C7. On obtient de ce fait un son toujours plus aigu revenant ensuite à la fréquence la plus basse pour redevenir aigu, cycliquement et tant que les conditions de déclenchement de l’alarme durent.
Les deux formes d’onde, sortant des broches 10 et 11 des NAND, pilotent respectivement T1 et T2 : chacun de ces deux derniers travaille à double charge et polarise un transistor NPN et un PNP du pont. Une telle structure garantit l’excursion maximale de la tension sur le haut-parleur, ce qui développe une puissance très élevée (plus de 25 W RMS) qui, adéquatement utilisée, permet de faire beaucoup de bruit ! En effet, en adoptant un transducteur magnétodynamique spécial pour sirène, doté d’un cornet, on atteint un niveau de 108 dB !
Avant de conclure, revenons vers le condensateur C9, car il faut apercevoir l’effet d’un temporisateur particulier, monté justement avec son aide, nécessaire pour bloquer la sirène (mais pas le clignotant, lequel reste actif tant que la condition d’alarme dure) quand elle a sonné pendant au moins 6 minutes consécutives. Par référence à l’étage d’entrée, si la condition d’alarme demeure pendant cette durée ou plus, la sortie de la porte NAND U3d continue à décharger C9 à travers R19 : la décharge prend 6 minutes, durée après laquelle la broche 8 de U2 passe au 0 logique et contraint la sortie de ce NAND à prendre le niveau logique haut, même si la broche 9 reste au 1 logique. Par conséquent, l’astable principal s’interrompt et les signaux de commande du pont cessent, puisque les sorties des portes U1d et U1c passent toutes deux au 0 logique.
Le dernier détail du circuit concerne les bornes 7 et 8, représentant l’entrée appelée DE BLOCAGE (figure 2) : normalement, elles demeurent ouvertes mais il convient de les fermer pendant la manutention afin d’empêcher le déclenchement de la sirène et du clignotant quand on doit intervenir sur le circuit. Si on les court-circuite, R5 et R34 vont à la masse, ce qui sature le PNP T3 dont l’émetteur prend un potentiel de quelques centaines de millivolts : cela met au 0 logique la broche 2 de U3 (normalement maintenue au 1 logique par la sortie du bistable U3b/U3c) et rend insensible la sortie de ce dernier à d’éventuels signaux d’alarme. Notez que le maintien du court-circuit entre les bornes 7 et 8 ne décharge plus C9, car R20 (qui le charge à travers D10) a une valeur de 10 kilohms seulement, contre les 100 kilohms de R18.
La réalisation pratique
La sirène peut être construite en réalisant d’abord, bien sûr, le circuit imprimé (dont la figure 4c donne le dessin à l’échelle 1) par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" et en se procurant tous les composants dont la liste se trouve figure 4, le tout étant ensuite installé dans un boîtier protecteur des intempéries et dont le fond et le couvercle seront dotés de micro-interrupteurs anti-sabotage (figure 5).
Quand le circuit imprimé est gravé et percé, montez tous les composants de la liste en suivant bien la figure 4a afin de ne faire aucune erreur (ni confusion ni interversion de composants ni inversion de polarité).
Pour cela suivez un ordre logique. Par exemple, insérez et soudez d’abord les trois supports 2 x 7 broches (ni court-circuit entre broches ni soudure froide collée) puis les “straps” d’interconnexion (à réaliser avec des queues de composants inutilisées).
Montez ensuite toutes les résistances (il y en a 35) après les avoir repérées et classées selon leur valeur ohmique (et leur puissance pour R27 : 1 W). Montez maintenant les diodes (bague-repères orientées dans le bon sens montré par la figure 4ab), les condensateurs multicouches, céramiques, polyesters et enfin les électrolytiques (en respectant bien la polarité : la patte la plus longue est le +).
Montez également les transistors : pour T1 à T6, c’est le méplat qui sert de repère d’orientation, pour T7 à T11, c’est le fond métallique (figure 4a).
Montez enfin le porte-fusible et les 6 borniers à 2 pôles au pas de 5 mm : cinq pour les entrées 1 à 10 et deux pour le haut-parleur ou transducteur acoustique.
Puis les 3 barrettes tulipe femelles à 2 pôles au pas de 2,54 mm avec leurs 2 cavaliers (J1 comme “tamper” ou broches de modifications et J2 pour clignotant seul) : ces derniers, au pas de 2,54 mm, sont à réaliser avec de la barrette tulipe mâle (couper deux fois 2 pôles et soudez deux queues de composants entre les deux pôles). La barrette femelle restante est pour le branchement de l’ampoule du clignotant (12 V 15 W).
Soudures vérifiées, enfoncez doucement les 3 circuits intégrés dans leurs supports sans les confondre et repère-détrompeurs en U orientés dans le bon sens montré par la figure 4a, soit vers la gauche.
L’installation dans le boîtier
Prenez le boîtier (prévu pour résister aux intempéries, surtout à l’eau, tout en permettant au son de la sirène de sortir) et fixez au fond la platine. Si vous avez prévu un ou plusieurs microinterrupteurs, reliez-les en série aux deux points de J1 (“tamper”, modifications) avec un connecteur au pas de 2,54 mm, sinon court-circuitez J1 avec son cavalier (voir ci-dessus).
Fixez le haut-parleur (ou sirène magnétodynamique de 4 ou 8 ohms, 25 W RMS, figure 3) et reliez-le, avec deux fils de 1 mm2 ou plus, au bornier séparé (aucune polarité n’est à respecter).
Placez la batterie rechargeable mais ne la branchez pas encore.
Après avoir décidé le type de commande que vous voulez, réalisez le câblage du bornier principal : en particulier, utilisez les deux points “tamper” (1 et 2) seulement si effectivement vous pensez monter les micro-interrupteurs d’anti-sabotage, sinon reliez l’alimentation sans passer par eux.
Enfin, fermez J2 (cavalier au pas de 2,54 mm) si vous voulez activer la sirène, ou bien laissez-le ouvert si vous désirez qu’en cas d’alarme, seul le clignotant se déclenche.
Cela fait, ménagez le passage des fils d’alimentation (même si vous avez choisi la commande à chute du positif) et reliez la batterie (négatif au point – et positif au point + du circuit imprimé).
N’inversez pas la polarité ! Attention aussi à un autre détail : si vous avez monté les micro-interrupteurs anti-sabotage, vous devez fermer le couvercle (le boîtier est supposé déjà fixé au mur) en moins d’une dizaine de secondes car, ce laps de temps écoulé, l’alarme se déclenchera et la sirène commencera à vous tarauder l’oreille avec ses 25 W RMS… et cela fait très mal ! Ce délai dépend de C11 essentiellement et l’installateur doit absolument éviter d’être assourdi par la sirène (ce n’est pas le but !) : en effet, si la batterie est chargée, même si l’alimentation n’est pas connectée au dispositif, l’alarme se déclenchera.
Dernier conseil : si vous devez intervenir sur la sirène et ouvrir le boîtier, restez éloigné (si vous pouvez…) du transducteur acoustique et, quand le couvercle est enlevé, couvrez tout de suite le transducteur avec un chiffon, le temps de court-circuiter les bornes 7 et 8.
Vous pouvez aussi envisager de pratiquer ces interventions en mettant dans vos oreilles ces petits cylindres jaunes de polyuréthane qu’utilisent les plongeurs (on les trouve en pharmacie)… et sur vos oreilles un casque antibruit pour travaux agricoles (ce sont des écouteurs enveloppants dans lesquels on aurait oublié d’insérer l’électronique) : un tympan risque la lésion irréversible à 108 dB.
Figure 5 : Si l’on veut réaliser une vraie sirène extérieure, il faut protéger la platine et le haut-parleur par un boîtier dimensionné en conséquence. Il faut ensuite pratiquer des trous en face du haut-parleur pour le passage du son, sans permettre toutefois l’entrée de l’eau. Nous avons utilisé une protection en acier zingué et une seconde en plastique.
