Nous vous proposons de réaliser un variateur professionnel pour installation standard DMX512. Il contrôle des charges fonctionnant sur le secteur 230 VAC pour un total de 1 000 W de puissance.
Entièrement géré par microcontrôleur, cet appareil peut être paramétré par dip-switch et prendre toutes les adresses parmi 512 combinaisons.
Caractéristiques techniques :
- Tension d’alimentation : 100 à 245 VAC
- Puissance contrôlable (@ 230 VAC) : 1 kW
- Détecteur de passage par zéro (zero crossing)
- Filtre antiparasites
- Adresses paramétrables : 512
- Interface à ligne symétrique RS485
- Fonction autotest.
Tout fidèle lecteur sait l’importance que nous accordons au standard DMX512 ! Nous avons consacré beaucoup d’articles à des variateurs obéissant à ce standard incontournable pour qui veut jouer dans la cour des grands en matière de régie de lumières.
Notre réalisation
Eh bien voici à nouveau un article dédié à la construction d’un élément DMX512, lequel pourra d’ailleurs être réalisé en de multiples exemplaires, puisque, justement, ce standard permet de réaliser des commandes graduelles d’allumage de spots ou projecteurs à partir d’une console de régie lumières.
Chaque élément peut en effet être monté sur un bus et être identifié par son adresse propre, paramétrable par un dip-switch à dix micro-interrupteurs (au bout de la chaîne, on monte une résistance “terminator” ou bouchon).
Tout cela se branche sur le secteur 230 V. Neuf pôles binaires (le dixième sert à connecter le bouchon pour le dernier module monté sur le bus), cela fait bien 512 adresses possibles.
Chaque module peut commander un ou plusieurs luminaires pour une puissance totale de 1 kW ; le circuit dispose d’un détecteur de passage par zéro (“zéro crossing detector”) servant à détecter le moment (propice !) où l’onde sinusoïdale à 50 Hz du secteur passe par zéro de tension avant de changer de polarité.
Le variateur produit la variation de l’intensité lumineuse en recourant au découpage de l’onde et le ZCD (détecteur de passage par zéro) permet de déterminer quand déclencher le TRIAC pour alimenter le spot ou le projecteur.
Le schéma électrique
Jetons un coup d’oeil au schéma électrique de la figure 1 pour décomposer notre variateur DMX en blocs fonctionnels : l’unité de contrôle, l’alimentation secteur, le détecteur de passage par zéro (“zéro crossing detector”), l’étage de sortie et l’interface avec bus de communication.
L’unité de contrôle correspond au microcontrôleur PIC16F627 IC2, déjà programmé en usine avec un logiciel implémentant toutes les “routines” (sous-programmes) : celles nécessaires à la lecture des instructions DMX et à la vérification de l’adresse qu’elle contient (elle doit correspondre à celle attribuée au module au moyen du dip-switch DS1) et celles gérant l’étage qui fournit la tension variable à la charge.
Après l’initialisation des lignes d’E/S, le microcontrôleur PIC 16F627A lit l’état des neuf micro-interrupteurs d’adresse et le mémorise en RAM. Il s’apprête à lire la broche 7 (RB1/RX) correspondant à l’entrée de l’UART interne ; il reçoit les flux de données au standard DMX512 que la console envoie le long de la ligne de communication selon le protocole et en utilisant une interface à boucle de courant différentielle (symétrique) dont les fils sont A et B, référés à une masse commune.
Le standard DMX512 prévoit que la ligne, commune à tous les dispositifs connectés, se termine par un bouchon qui est tout simplement une résistance R27 de 120 ohms, à monter entre les fils A et B (cette résistance est insérée grâce au dixième micro-interrupteur du DS1 du dernier module du bus, celui situé le plus loin de la console, comme le montre la photo de la figure 6).
En effet, les périphériques DMX512 sont normalement dotés de deux connecteurs (en parallèle l’un de l’autre), un pour la liaison au précédent et l’autre pour l’ajout d’un nouveau module : les périphériques sont donc montés en cascade et il faut par conséquent fermer la ligne après le dernier (le dernier est celui qui a son connecteur XLR libre).
Le composant utilisé pour transformer les impulsions de courant différentielles en niveaux logiques TTL compréhensibles par le micro est un “transceiver” (émetteur/ récepteur) SN75176, soit un circuit intégré contenant deux convertisseurs RS485/TTL. Nous n’en utilisons que la section transformant les signaux RS485 provenant de la ligne symétrique en niveaux 0 et 5 V.
Chaque fois qu’un flux est détecté, le micro le lit et le décompose en données fondamentales : l’adresse et la commande proprement dite, consistant en une information (à huit bits) sur le niveau d’illumination que la lampe doit avoir, en fonction du réglage de la console par le régisseur.
L’adresse est comparée avec celle mémorisée dans la RAM car, tous les dispositifs DMX étant sur un unique bus, le variateur peut recevoir des commandes destinées aux autres périphériques : il doit donc savoir quelles instructions lui sont effectivement adressées, lesquelles il doit ignorer et lesquelles il doit exécuter.
Si l’adresse correspond avec celle indiquée par DS1, le logiciel intervient sur le sous programme de commande de la sortie de puissance ; le sous programme consiste essentiellement à produire des impulsions de déclenchement (“trigger”) à envoyer, au moyen du photocoupleur IC4, au TRIAC chargé d’alimenter le projecteur ou les spots, afin d’implémenter la fameuse méthode de découpage de l’onde sinusoïdale du secteur 230 V.
Autrement dit, nous contrôlons l’utilisateur en jouant sur la quantité d’énergie électrique qui lui est fournie à chaque demi période de l’onde sinusoïdale, afin de modifier la valeur moyenne.
En pratique, la chose s’obtient en déclenchant la gâchette du TRIAC avec un certain retard par rapport au passage par zéro de la sinusoïde : plus on doit donner de la puissance à la charge, plus faible doit être le retard et vice versa, jusqu’à arriver à des conditions limites, soit aucun retard (maximum de tension, maximum de luminosité) ou aucune impulsion de déclenchement (par d’alimentation, projecteur éteint).
Pour effectuer un découpage correct de l’onde, le microcontrôleur doit savoir quand la tension du secteur passe par zéro, c’est-à-dire à quel moment finit une onde et commence l’onde de polarité opposée.
Cette fonction est remplie par le bloc ZCD (détecteur de passage par zéro), constitué de R23, R23, D5, IC3, R10 et C4 : alimenté en 230 V à travers le réseau de limitation (R23/R24 pour limiter le courant et D5 pour protéger de la tension inverse), le photocoupleur conduit quand la polarité détectée est positive sur la phase par rapport au neutre. Il s’ensuit que chaque fois que la tension secteur dépasse la valeur de seuil de la LED interne à IC3, le phototransistor de sortie est saturé et diminue de quelques centaines de mV la tension entre les broches 4 et 5, ce qui fait lire par la ligne RB0 du microcontrôleur la transition de l’état logique haut à l’état logique bas. Notez que cette structure spéciale du ZCD ne permet que la détection du commencement de la demi onde positive ; par conséquent elle détermine sur RB0 du micro une impulsion de niveau logique bas durant un peu moins de dix ms à chaque période de la sinusoïde.
A chaque fin de conduction du TRIAC, le logiciel utilise la transition 1/0 logique pour déterminer l’envoi à la gâchette de l’impulsion de déclenchement relative à la demi onde positive et le retour au niveau logique haut pour savoir quand la demi onde positive se termine et la négative commence Il faut donc envoyer une nouvelle impulsion car l’inversion de polarité de la tension secteur a bloqué le thyristor.
Nous savons en effet que les TRIAC, une fois déclenchés, restent en conduction même sans maintien de la polarisation de gâchette et se bloquent que si la tension entre phase et neutre s’annule ou si elle change de sens. L’étage de sortie, soit la ligne qui, au moyen du TRIAC, fait circuler le courant nécessaire dans la charge, est doté d’un filtre LC série servant à limiter les parasites produits par l’entrée en conduction/blocage cyclique de la diode contrôlée (c’est-à-dire le TRIAC).
Sans réseau réactif, ils se propageraient le long de la ligne 230 V et perturberaient les appareils électriques, en particulier les récepteurs AM et les téléviseurs.
Le variateur DMX512 dans son ensemble est alimenté par le secteur à travers un transformateur dont l’enroulement primaire est à plusieurs prises intermédiaires (mais en France on se servira uniquement de la prise 230 V en fermant sur elle l’anode de D8 à l’aide du cavalier JP1).
Le fusible F2 protège la ligne électrique d’un éventuel court-circuit du transfo et F1 la protège contre les surcharges en sortie (ou un court-circuit sur le bornier utilisateur).
D6 est insérée pour redresser la demi onde qui va activer le photocoupleur du ZCD. Elle concourt, avec D5, à protéger la LED de IC3 contre une inversion de polarité.
En aval du secondaire du transformateur se trouve un pont de Graetz constitué de D1, D2, D3, D4 : il est utilisé pour redresser le 12 V alternatif, les impulsions sinusoïdales étant lissées par l’électrolytique C10 afin d’obtenir une composante continue à faible ondulation résiduelle (“ripple”) qui polarise et illumine LD1 (cette LED fait office de voyant pour la tension secteur).
R22, C8 et C11 forment un filtre passebas supprimant tout résidu d’alternatif ou autre parasite venant du secteur, afin de passer au régulateur VR1 une composante parfaitement continue : ce dernier en tire une tension stabilisée à 5 V, tension nécessaire pour alimenter le microcontrôleur, le ZCD (détecteur de passage par zéro) et la LED du photocoupleur de commande du TRIAC.
Figure 1 : Schéma électrique du variateur DMX monocanal.
Liste des composants
R1 : 10 k
R2 : 10 k
R3 : 10 k
R4 : 10 k
R5 : 10 k
R6 : 10 k
R7 : 10 k
R8 : 10 k
R9 : 10 k
R10 : 10 k
R11 : 10 k
R12 : 100 k
R13 : 1,5 k
R14 : 1,5 k
R15 : 1,5 k
R16 : 1,5 k
R17 : 2,2 M
R18 : 1 M
R19 : 330
R20 : 470
R21 : 470
R22 : 220
R23 : 22 k 1 W
R24 : voir texte
R25 : 1 M
R26 : 1 M
R27 : 120
C1 : 15 pF céramique
C2 : 15 pF céramique
C3 : 10 nF céramique
C4 : 10 nF céramique
C5 : 100 nF multicouche
C6 : 100 nF multicouche
C7 : 100 nF multicouche
C8 : 100 nF multicouche
C9 : 100 nF multicouche
C10 : 220 μF 25 V électrolytique
C11 : 220 μF 25 V électrolytique
C12 : 100 nF 250 V polyester au pas de 15
L1 : self 1 mH 5 A
X1 : quartz 20 MHz
LD1 : LED 3 mm verte
LD2 : LED 3 mm rouge
D1 : 1N4007
D2 : 1N4007
D3 : 1N4007
D4 : 1N4007
D5 : 1N4007
D6 : 1N4007
TR1 : TIC246M
IC1 : SN75176
IC2 : PIC16F627A-EV8039 déjà programmé en usine
IC3 : 4N33
IC4 : 3020P
VR1 : 7805
JP1 : cavalier à trois pôles
JP2 : cavalier à deux pôles
SW1 .. dip-switch à dix microinterrupteurs à 90°
TRF : transformateur 2,5 VA 230 V/1 x 12 V
Divers :
1 support 2 x 3
1 support 2 x 4
1 support 2 x 9
2 porte-fusible pour ci avec couvercles
1 fusible 5 A
1 fusible 100 mA
1 connecteur XLR mâle
2 borniers deux pôles
1 dissipateur
1 boulon 3MA 10 mm
1 barrette verticale trois pôles
1 boîtier plastique ou métallique approprié
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Le microcontrôleur et son programme résident
Concluons cette analyse théorique par quelques mots sur le microcontrôleur : il peut être programmé “in-circuit” (soit dans le variateur DMX après l’y avoir monté) et c’est pour cela que RA5, RB6 et RB7 sont acheminés vers le connecteur SERVICE, auquel arrive aussi le 5 V et la masse commune.
Comme nous devons nous contenter des E/S dont il dispose, RB6 et RB7 nous servent, en utilisation normale, pour lire l’adresse ; aussi, pour les utiliser en programmation, il faut ouvrir les micro-interrupteurs 4 et 5 et faire en sorte que leur état ne dépende que de ce qui est présenté par le programmateur sur PGC et PGD et par les résistances de limitation R13 et R14.
Notez enfin que le cavalier JP2 est là pour activer la fonction autotest.
Pour le comprendre, songez que le programme résident du PIC comporte un sous programme d’autotest qui est lancé si le circuit reçoit l’alimentation alors que la ligne Vpp se trouve au niveau logique bas ; en effet, après initialisation des E/S, le programme principal lit RA5 et, en fonction du niveau trouvé, décide du mode de fonctionnement (s’il voit le zéro logique –JP2 fermé– il lance l’autotest et dans le cas contraire –JP2 ouvert– il lance le programme normal).
Attention à un détail : le test est exécuté si, en plus de trouver RA5 au zéro logique, le micro voit l’état logique 1 sur RA0 à RA3 et RB3 à RB7 ; par conséquent les micro-interrupteurs 1 à 9 doivent être sur OFF, bien sûr avant la mise sous tension du variateur.
Le sous programme de test utilise celle du découpage de l’onde qui contrôle le TRIAC pour effectuer une variation de luminosité du projecteur : autrement dit, en alimentant le variateur avec JP2 fermé, nous verrons le projecteur passer progressivement de l’extinction à la luminosité maximale et vice versa, cycliquement, jusqu’à la coupure du courant.
Pour désactiver l’autotest et passer en utilisation normale, il faut couper l’alimentation du variateur et l’alimenter à nouveau après avoir ouvert JP2. Donc, en utilisation normale, laissez ce cavalier ouvert.
La réalisation pratique
Une fois qu’on a réalisé le circuit imprimé simple face (dont la figure 2b donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte d’abord les trois supports de circuits intégrés et on vérifie bien ces premières soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée).
Montez les quatre “straps”, près de IC2, au dessus de C6 et à droite d C2-C1 : des queues de composants feront l’affaire.
Puis on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les figures 2a et 3, ainsi que la liste des composants. Leur insertion et leur soudure ne posent pas de problèmes particuliers, elles réclament seulement un peu de soin, mais prenez tout de même bien garde à la polarité (au sens de montage) des composants polarisés (diodes et LED, transistor et circuits intégrés, régulateur et condensateurs électrolytiques).
Montez d’abord les résistances, les diodes, les LED et les petits condensateurs (céramiques et polyesters), continuez avec C12 et les électrolytiques, les cavaliers JP1 et JP2 (au pas de 2,54 mm).
Le transistor sur son dissipateur (10 °C/W pour TO-220), le régulateur debout sans dissipateur, le quartz debout, les deux porte-fusible, l’énorme self 5 A et terminez par le transfo, le dip-switch, les deux borniers et l’autre connecteur périphérique DMX_IN.
N’enfoncez le PIC et les deux autres circuits intégrés dans leurs supports qu’à la toute fin du montage, repèredétrompeurs en U orientés vers le haut.
Quand la platine est réalisée, installez-la dans un boîtier plastique ou métallique à l’aide de quatre vis autotaraudeuses et pratiquez des évidements d’un côté pour les fils d’entrée du secteur 230 V (voir figure 4) et de sortie vers la charge (borniers) et de l’autre pour le câble allant à la XLR mâle (voir figure 5).
Vous pouvez aussi rendre le dip-switch accessible de l’extérieur en pratiquant un évidement rectangulaire supplémentaire (voir figure 6). Prévoyez deux trous sur le dessus pour les deux LED.
Vous pouvez maintenant insérer les trois circuits intégrés dans leurs supports et paramétrer le dip-switch, comme le montre la figure 6. Pour le câblage des deux borniers (du secteur et à la charge) prenez du fil d’au moins 1 mm².
Si le boîtier est métallique, prenez un cordon secteur avec fil jaune/vert de terre (3 x 0,75 ou mieux 3 x 1 mm²) et reliez ce fil au boîtier avec une cosse à souder enfilée dans une des vis.
Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de la platine du variateur DMX monocanal.
Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine du variateur DMX monocanal.
Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine du variateur DMX monocanal. Ne pas oublier de monter les “straps” filaires à côté de IC2, au dessus de C6 et à droite de C2-C1 (faites-les avec un reste de queues de composants).
Figure 4 : Borniers facilitant les connexions extérieures.
Figure 5 : Brochage du connecteur socle XLR vu de derrière. Reliez les points 1, 2 et 3 aux points DMX IN 1, 2 et 3 du circuit imprimé.
Figure 6 : Les fonctions des dix micro-interrupteurs du dip-switch binaire.
Le variateur comporte dix micro-interrupteurs binaires dont neuf (1 à 9) servent à communiquer au microcontrôleur l’adresse identifiant l’appareil en une chaîne de DMX512 : neuf micro-interrupteurs correspondent à neuf lignes d’adresses permettant de paramétrer les 512 combinaisons possibles du standard. A propos de ce paramétrage, notez que le 0 logique correspond à ouvert (OFF) et 1 à fermé (ON). Le dernier des micro-interrupteurs est utilisé pour insérer la résistance R27 (c’est le bouchon) entre les deux fils de signal A et B : il faut le fermer seulement si, sur la chaîne DMX512, le variateur se trouve au bout des câbles de liaison du bus, sinon laissez-le ouvert.
Conclusion
ce variateur DMX512 est un dispositif indispensable pour toute installation d'éclairage professionnel. Facile à construire et à paramétrer grâce à ses 512 adresses configurables, il permet de contrôler une puissance allant jusqu'à 1000W avec précision et fiabilité. Grâce à son interface RS485 et son détecteur de passage par zéro, il garantit une gestion optimale des projecteurs ou luminaires. Ce projet s'avère idéal pour quiconque souhaite monter un système d'éclairage DMX fiable, évolutif et conforme aux standards actuels de l'industrie.
