[Tuto] Grenade flash électronique

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[Tuto] Grenade flash électronique

Message par Axam le Mer 30 Nov - 13:15

Salut l'équipe,
aujourd'hui un petit tuto concernant la réalisation d'une grenade flash électronique.

Principe
La grenade flash que je vous présente se base sur une simple série de LEDs, qui flashent à vitesse prédéfinie.
La grenade fonctionne telle que :
- Période d'attente avant mise en route, réglable
- Période de flash, réglable
- Fin du flash, ne fait plus rien jusqu'à réarmement du système
La vitesse du flash est elle aussi réglable.

Prérequis
Pour mener à bout ce tuto, il vous faudra un peu de matériel :
- Fer à souder + étain
- Du fil fin
- Veroboard (plaquette pour prototypages de circuits)
- Composants électroniques tels que détaillés ci-dessous (liens donnés)
- Pile 9 [V]
- Selon votre créativité, le matériel pour créer la shell de votre grenade
- Pour les amateurs, je vous conseille de vous procurer le logiciel gratuit LTSpice pour la conception et simulation de circuits. Ci-joint le fichier de simulation. Si vous prévoyez de faire le même projet avec d'autres composants, attention à modifier le fichier en conséquence (par exemple, vous verrez, les alimentations des ampli-op qui sont ici à 6 [V] car mes circuits sont clairement de la daube ...).

Schéma (de simulation) et explications
Vous vous en doutez, il y'a bien des manières d'arriver à la conception d'un circuit. J'ai choisi l'une des premières qui m'est venue à l'esprit, sans débattre sur le solutions annexes.



Ne partez pas tout de suite, le système est simple et le voici (ce qui apparaît coloré est une explication plus poussée du pourquoi du comment, surtout pour ceux qui voudraient tout comprendre Wink ):

Délai avant flash
Lors de l'activation de la grenade, les composants R26, D12, R27 permettent de charger le condensateur C10. Un condensateur, c'est comme une petite batterie. On le charge lentement, ce qui permet de créer le temps d'attente. Il se charge tel que :
Ensuite, grâce à R1 et R2, on crée une tension de référence que l'on compare grâce à U11 à le tension du condensateur. Lorsque le condensateur a une valeur plus haute que celle de référence, la sortie de U11 va saturer à la valeur d'alimentation de U11 (généralement, proche de la valeur de base de la pile). Ceci va donc permettre d'alimenter la suite du circuit.
Doú vient la possibilité de régler en tout temps le temps avant flash ? R1 est enfait un potentiomètre de 20 [kOhms], ce qui permet donc de le régler en tout temps et ainsi d'obtenir des valeurs de 0 [s] (allumage direct) à env. 5 [s] (potentiomètre à 20 [kOhms]).
R26 permet la charge du condensateur. En le chargeant à l'aide d'un courant (et non pas mettre une tension directement à ses bornes), on obtient une courbe typique de charge du condensateur tel que présenté avant. D12 permet d'empêcher le condensateur de se décharger, le courant ne pouvant revenir en arrière. R27 permet au condensateur de se décharger lorsque le circuit n'est plus alimenté (sinon, en réarment le circuit, le condensateur serait déja chargé et ainsi l'étape "sautée") et de limiter la tension maximale. 
R1 et R2 sont un simple diviseur de tension, oú l'on trouve la tension de référence Uref = Ualim * (R1/(R1+R2)). 
U11, un simple ampli-op. Ces derniers permettent de faire énormément de choses, mais ils sont ici câblés comme simples comparateurs. Celui-ci est ici alimenté en 6 [V], car les petits circuits chinois que j'ai acheté sont vraiment de mauvaise qualité, et ainsi avec Ualim = 9 [V] la tension de sortie maximale est d'env. 6 [V].


Délai de durée des flash
C'est exactement le même principe que précédemment. La seule différence est que l'alimentation du circuit est faite selon la sortie de U11, donc le condensateur ne se charge qu'après les X secondes du délai avant flash.
La même chose qu'avant pour R3 qui est en faite un potentiomètre de 50 [kOhms]. Il permet d'arriver à des flashs d'un temps de 0 [s] (pas vraiment utile) à un temps ..... infini .... Pardon ?!?
Ici, on utilise exactement le même principe qu'avant : on compare la tension du condensateur à une valeur de référence. Sauf que, contrairement à avant, le valeur de référence peut être plus grande que la valeur maximale que pourra atteindre le condensateur. Ainsi, U12 ne changera jamais sa valeur de sa sortie, comme la tension du condensateur sera toujours plus petite que celle de référence. On a donc un circuit qui permet aussi de laisser flasher la grenade jusqu'à réarmement de cette dernière.
Oui, c'est écrit 15 [s] sur le fichier. Cela dépendait du condensateur employé.

Création des pulsations de flash
Pour fabriquer les pulsations, les fameux flash, j'utilise ici un circuit NE555 câblé en tant que timer, U10.
C'est un schéma typique, donc il n'y pas énormément d'explications à faire. La seule qui nous intéresse est le couple R5 - R32, qui permet de fixer la fréquence des flashs.
R5 est un potentiomètre de 2 [kOhms], et permet de régler la fréquence d'env. 28 [Hz] (R5 min) à 10 [Hz] (R5 max).
Le dimensionnement de la fréquence se base sur la formule f = 1 / (2*(R6+R22)*C12). Dans le dimensionement tel que présenté, le duty cycle est de 50 [%] (même temps ON que OFF).

Détetion de "quand flasher"
Maintenant que nous avons nos deux "pulsations", on doit déterminer quand "allumer les flash".
En regardant les deux pulses (sorties de U11 et U12) :

Nos flash doivent apparaître après le délai avant flash et disparaître après la durée des flash. On voit bien sur l'image que c'est quand les deux pulsations sont actives.
On peut traduire ça tel que Flash = U11 * U12 !!! numériquement parlant; le "*" signifie ET !!!
On active donc les flash quand U11 et U12 ont des valeurs positives. Vient donc une multitude de possibilités pour détecter ces pulsations, mais j'utilise ici de simples diodes (D15 et D16), câblées pour simuler une porte logique AND.
Elles sont mises à l'envers par rapport aux sorties de U11 et U12. La résistance R33 est une pull-up, qui permet de mettre la pin RST au +9 [V] de base. Dès qu'une sortie (U11 ou U12) est à 0 [V], la diode correspondante conduit et la valeur de RST passe à Ud (Ud de la 1N4148 env. = 0.55 [V]). Dès que les deux sorties ont des valeurs positives, les diodes ne conduisent plus et RST peut passer à env. 9 [V]. A ce moment, le circuit NE555 s'active et les flash commencent.
!!! Les diodes sont importantes. Si Ud est trop élevé, le NE555 restera toujours activé (pour qu'il soit éteint, selon le datasheet, RST ne devrait pas dépasser env. 0.7 [V]). !!!


Sortie
La sortie peut être reprise directement du NE555 jusqu'à env. 225 [mA]. Si les LEDs que vous branchez ne consomment pas plus, il suffit de les brancher et le tour est joué Smile
Malheureusement, il est fort possible que votre charge de sortie soit plus gourmande que ça. Je mets cette section en couleur car il faut connaître un peu les transistors pour comprendre.
Il est possible de réaliser un driver de courant, qui permettra de conduire des charges plus gourmandes. Pour cela, j'utiliserai un transistor NPN, quel que soit le modèle.
Vous trouvez ce qu'on appelle le datasheet de votre composant, qui est en soit sa carte d'identité. Dedans, vous aurez besoin de trouver les informations suivantes :
- B (bêta), appelé aussi Hfe, qui est le gain du transistor
- Ic(max), qui est le courant constant maximal pouvant traverser le transistor du côté collecteur
- Vbe, qui est la valeur de la tension de la diode base-émetteur
- Vce, la tension minimale qui sera "prise" par le transistor en saturation entre le collecteur et l'émetteur

Ensuite, vous branchez votre transistor tel que :

Il faut maintenant utiliser les informations trouvées pour dimensionner le driver, et voir s'il ne brûlera pas ^^
- Première chose, déterminer Ic, qui est le courant de charge (vos LEDs par exemple). Si vous savez combien vos LEDs consomment, notez-le. Si vous n'avez qu'une résistance comme valeur connue (un relais par exemple), vous pouvez déterminer IC avec la formule Ic = (9-Vce) / R.
- Ic(max), trouvé dans le datasheet, < Ic calculé ? Si oui, passer à la suite. Sinon, il faudra un transistor plus puissant.
- Une fois Ic calculé et déterminé que votre transistor est utilisable, on passe à Ib. Dans telle configuration, Ib = Ic / B. Tous les transistors ne sont pas exactement les mêmes, B pouvant changer entre deux pièces (et même suivant la température ...). Pour être sûr que le transistor sature, on ajoute un coefficient de sécurité, ce qui donne Ib = (Ic/B)*10.
Il ne faut pas mélanger : ce n'est pas parce que Ib(sécurité) * B > Ic(calculé) que Ic vaudra Ib(sécurité)*B. On ajoute le coefficient de sécurité qui assurera la saturation du transistor. Ic ne consommera que ce qu'il aura en charge, pas plus. Sinon, on risquerait de devoir changer de transistor rien que pour ça ^^
- Ib < Ioutne555 ? Si oui, on passe à la suite. PS : on peut brancher plusieurs circuits drivers sur la sortie, tant que le total des Ib ne vaut pas plus que Iout. Cela permet d'utiliser plus de charges en sortie, voir de séparer votre charge en plusieurs parties si vous n'avez pas de transistors assez puissants pour tout driver d'un coup.
- Ib connu, on peut calculer R1 = (OutNE555 - Vbe) / Ib. OutNE555 dépend de la tension d'alimentation du circuit, qui vaut environ 2 [V] en moins que la tension d'alimentation du NE555.
Et voilà, votre circuit driver est dimensionné, tout simplement Smile


Montage et tests
Il ne reste plus maintenant qu'à monter le circuit. Vous aurez remarqué que le schéma donné ne ressemble pas à un schéma standard. Normal, c'est un fichier de simulation. 
Vu que je n'ai plus accès à des machines pour tirer mes PCBs, je n'ai pas voulu refaire le schéma et l'implémentation pour si peu.
Mais, toutes les informations y sont données, si ce n'est qu'il faut regarder les circuits que vous achetez pour savoir quelles pins sont à quel endroit sur le chip.
Attention aux courts-circuits en montant le circuit, ainsi qu'à ne pas toucher les chips sans vous être "déchargé statiquement" (vous savez, quand vous frottez un ballon de baudruche contre un habit et que vous pouvez faire hisser vos cheveux sur votre crâne ? C'est un exemple d'électricité statique. Rien qu'en marchant, vous vous chargez statiquement.) Ils sont très sensibles; il faut essayer de toucher un élément relié à la terre de votre maison pour vous décharger (un boîtier métallique d'un appareil ménager branché par exemple, au pire un morceau de métal pour faire circuler les charges).
Je n'ai pas de photos du circuit, mais il suffit de suivre le schéma quoi ^^

Il manque juste un élément sur le schéma : l'interrupteur d'activation. Ben oui, imaginons une grenade : on aimerait qu'elle s'active une fois la cuillère lâchée, pas dès que la pile est branchée. L'interrupteur se met entre la pile et l'alimentation du circuit, simplement. Dans mon cas, j'ai utilisé un interrupteur à languette NO / NC, ce qui veut dire qu'il possède trois pins dont deux sont reliées quand l'interrupteur n'est pas appuyé. Dans l'idée, la cuillère de la grenade appuie le bouton quand elle n'est pas lancée; une fois jetée, le bouton est relâché et le circuit se met en route.

Pour le tests, réglez les trois potentiomètres à moitié et branchez le circuit. Appuyez / relâchez le bouton (selon son type); si, dans l'idée, il y'a un temps avant les flash et que les flashs durent un certain temps puis s'arrêtent, tentez de bouger ensuite les potentiomètres pour trouver les valeurs qui vous conviennent.
Ne reste plus que la mise en "boîtier" et vous aurez terminé !

Pièces
Voici la liste des pièces spécifiques utilisées :
- Pour U11 et U12, ce sont des LM358 (il y'a les deux ampli-op à l'intérieur d'un seul chip)
- Pour les diodes 1N4148
- Pour le NE555
- Pour le switch à languette pour l'activation de la grenade
- Pour les Veroboard
- Pour les LEDs

Vous pouvez aussi y trouver les résistances, potentiomètres et condensateurs nécessaires. Pensez aussi à un adaptateur pour brancher une pile 9 [V] !

Produit final
Bon, vient le moment de faire marcher votre imagination. A vous de faire avec ce que vous avez pour concevoir une shell résistante, si possible molle pour éviter de faire mal ...
Dans mon cas, vu que c'était un prototype et que j'ai très peu de temps comme je suis actuellement au service militaire, j'ai fait quelque chose de .... vite fait.
J'ai récupéré une grenade factice que j'avais pour transporter une petite réserve de billes. Elle avait l'avantage d'être creuse et d'avoir déjà le système de cuillère.
Je l'ai découpé en deux, fait des trous pour les bandes de LEDs, un trou pour l'interrupteur, et câblé le tout. Le tout refermé, il a fallu scotcher les deux parties découpées. Du scotch rouge bien visible, ainsi que quelques bandes colorées pour la retrouver facilement ont été ajoutées. Il restait à rajouter un ressort sur la cuillère (étant une grenade factice, elle se dévissait au col et n'était pas faite pour être dégoupillée).

Le prototype final se présente donc tel que :
Pour une petite vidéo du prototype :
 

Et voilà, votre grenade flash est prête à en éclairer plus d'un !
Restez juste correcte au niveau de la puissance des LEDs. C'est inutile de se foutre en l'air les yeux. Il suffit de peu pour simplement aveugler quelqu'un attendant dans une pièce noire Wink

N'hésitez pas s'il y'a des questions, j'essaierai d'y répondre entre deux exercices de section Laughing

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Airsoftement !

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