Emetteur Arcana-B

Particularités de l’émetteur Arcana-B :

– Fréquence de 1 kHz fixe, voulue pour l’interopérabilité avec les autres montages Arcana

– Puissance importante et ajustable : l’émetteur s’alimente avec une tension de 12 à 36V, ce qui permet d’augmenter la puissance au besoin
 [1]

– Optimisation de la puissance pour une tension d’alimentation donnée, par l’utilisation d’un onduleur en pont complet. Pour une tension d’alimentation donnée, l’Arcana-B appliquera deux fois plus de tension à l’antenne que l’original.

– Fonction "bip-blanc-bip" : l’émission n’est pas continue, mais en pointillé, une seconde de signal, une seconde de blanc. Le signal est donc plus facile à identifier à l’oreille coté récepteur.

Principe de fonctionnement

Émetteur

Le cœur du montage est un onduleur de tension formé d’un pont en H à 4 transistors.

On utilise des transistors bipolaires Darlington, ce qui permet d’avoir un courant de commande faible.

L’utilisation de transistors MOSFET a été écartée, car pour les deux composants reliés au pôle positif, le pilotage aurait été difficile, d’autant plus qu’on se donne comme objectif une tension variable sur la ligne d’alimentation positive.

4 diodes de roue libre rapides, capables de passer 3A, sont installées en parallèle des transistors.

Un micro contrôleur PIC est utilisé pour générer indépendamment les 4 signaux de contrôle. L’utilisation de transistors supplémentaires entre le PIC et les Darlington permet de commander l’ensemble par un courant très faible en sortie du PIC.

Le micro contrôleur utilisé est un PIC 12F510, à 8 pattes dont 6 signaux. On utilise uniquement 4 signaux en sortie. On utilise l’oscillateur interne à 8 MHz du PIC.

Le PIC contrôle l’onduleur pour fournir un signal en "pseudo-sinus" :

La fonction "bip-blanc-bip" est également gérée par le programme.

Le faible courant demandé par le PIC et par les transistors placés à ses sorties permet de l’alimenter avec un régulateur linéaire standard. La chute de tension peut être très élevée dans le régulateur, ce qui n’est pas un inconvénient du fait de la faible intensité appelée par le PIC. On a néanmoins gardé un modèle en boitier TO220.

Comme une erreur est vite arrivée, on consent à perdre un peu de tension dans une diode de protection contre l’inversion de polarité. [2]

Le schéma complet :

Antenne

L’antenne est très similaire à celle de l’Arcana original : circuit résonnant LC série. Le circuit est accordé à 1 kHz.

Comme on souhaite un fonctionnement à 1 kHz, c’est le circuit LC qui doit être ajusté, et pas la fréquence de l’oscillateur. En conséquence, la bobine n’a pas 1000 tours, mais environ 1000 tours.

L’émetteur n’est pas dans le même boitier que l’antenne, pour éviter toute déformation du champ magnétique qui pourrait résulter de la proximité de circuits métalliques. [3]

Réalisation pratique

Émetteur

Le montage tient sur un circuit imprimé simple face suffisamment petit pour entrer dans une boite plexo 80x80. Si cette solution est retenue : Legrand a un modèle un peu souple et qui ferme bien.

Les douilles banane permettent de sortir les signaux du boitier de manière a peu près étanche. Mais attention que les fiches banane mâles coté alimentation ne se touchent pas quand la batterie est branchée.

Les transistors de puissance sont montés sur un radiateur, qui est peut-être tout à fait superflu. Attention à l’isolation des transistors montés sur le même radiateur, il faut placer une plaque de mica ou équivalent. Les transistors ont également été choisis pour leur encombrement réduit.

Les diodes de roue libre sont un peu grandes pour l’emplacement prévu, mais ça passe. Prévoir un perçage adapté. [4]

Typon en PDF A4 à l’échelle 1, coté imprimé à plaquer sur le cuivre (vérifier quand même l’échelle avant de graver !) :

Et le plan d’implantation :

Ce qui doit donner ceci :

Programmation du PIC

Il est nécessaire d’avoir un PIC reprogrammable, car l’ajustement de fréquence se fait par essais successifs avec reprogrammation.

Calibrage de la fréquence : Mesurer la fréquence de sortie avec un fréquencemètre (éventuellement, débiter sur une résistance plutôt que sur l’antenne).

Calculer la période réelle en milli-secondes.
Faire la différence avec la période voulue, soit une milliseconde exactement.
Diviser cette durée par une microseconde pour obtenir un nombre sans dimension. Multiplier par deux.

Le résultat est le nombre d’instruction NOP à ajouter (résultat négatif, période trop courte) ou enlever (résultat positif, période trop grande).

En effet le PIC 12F510 exécute une instruction toutes les 4 périodes d’horloge, et nous avons fixé l’horloge à 8 MHz.

Pour modifier répartir les NOP :

– jouer sur la valeur que l’on charge au début du sous programme "tempo1". Ceci agit automatiquement sur les 4 temps de chaque période
– insérer ou enlever au cas par cas les NOP entre les 4 parties de la "BoucleKilohertz". Ceci agit finement sur chaque temps : répartir les NOP
– Penser que le "goto" à la fin de la "BoucleKilohertz" compte comme 2 NOP.

Il faut avoir monté le PIC sur un support pour pouvoir l’ôter facilement.

On pourrait aussi jouer sur le registre OSCCAL du PIC, en comptant précisément les nombres de cycles de chaque instruction. En tout état de cause, il faut utiliser la valeur OSCCAL si elle est connue. [5]

Le programme : [6]

Antenne

Il y a environ un millier de tours, et un condensateur de 220 nF. L’accord a été trouvé en modifiant le nombre de tours de fil. [7]

Il faut utiliser du fil émaillé de 0,8 mm. [8]

On pourra s’aider un inductancemètre pour avoir une valeur de départ du condensateur. Si le noyau de ferrite n’est pas déjà collé, on pourra le faire coulisser pour faire varier l’inductance de l’antenne. Le fait d’enfoncer plus le noyau augmente l’inductance, comme le ferait quelques tours de plus. On pourra s’aider d’un petit haut parleur directement relié à quelques tours de fil autour de l’antenne, pour avoir une indication sonore de la puissance émise :

Comme sur l’Arcana d’origine, le noyau est constitué de 7 barreaux en ferrite de 20x1 cm.

L’antenne est protégée dans un tube de PVC d’évacuation, diamètre 80mm avec deux bouchons et deux manchettes femelle/femelle.

Le fil a été bobiné sur des transparents pour retroprojection, qui ont été enroulés sur un mandrin de diamètre à peine plus gros que les barreaux de ferrite. Le mandrin a été enlevé après bobinage. De cette façon, il y a peu d’épaisseur perdue entre les barreaux et le bobinage. D’où un diamètre bobiné plus petit, donc une longueur de fil plus petite à nombre de tours égal, donc une plus faible résistance série à inductance égale. Les barreaux ont été insérés après bobinage, et fixés par un point de colle au pistolet.

Si on avait bobiné directement sur les barreaux de ferrite, on aurait pu les casser du fait de la pression importante du fil.

Pour aider au bobinage fait à la main, on peut insérer de temps en temps un peu de scotch double face fin et large pour coller les moquettes.

La bobine assemblée est munie de 3 cales en haut et en bas, fixées avec du scotch mousse double face (ie : pas le même que pour fixer les spires de la bobine) :

Une encoche à été découpée dans un tube PVC de 80 mm, pour le rendre élastique et de diamètre légèrement inférieur. Il permet d’envelopper la bobine et ses cales. L’ensemble est inséré dans le tube PVC de 80, en force, mais néanmoins facilement démontable :

De la mousse est insérée à chaque extrémité entre le bout de la bobine et le bouchon, pour éviter que la bobine ne se déplace.

Un passe câble avec presse-étoupe étanche permet de sortir le câble rond 2x0,75 mm2 bipolaire utilisé pour l’antenne :

Un rilsan serré sur le câble, à l’intérieur près du presse-étoupe, aide à retenir le câble. Ce cette façon, on peut tirer sur le câble, notamment pour laisser pendre l’antenne.

Le câble est terminé par des fiches banane.

Alimentation

L’alimentation a été testée avec un adaptateur secteur 12V, deux adaptateurs secteurs en série pour 24V, une ou deux batteries 60Ah de 12V à 24V, et 16 accu NiMH format AA en série (18V).

Pour aller encore plus loin

Les améliorations possibles :

– protection du condensateur contre les surtensions par une varistance.
– tests d’antennes sans noyau, plates, avec résonance parallèle. Le site de l’américain Brian Pease donne quelques exemples d’antennes qui semblent tout à fait puissantes. Ces antennes pourraient être construites avec du fil de câblage courant.
– Brian Pease nous donne un avertissement sur le comportement des noyaux en ferrite. Le pilotage par un PIC nous permettrait simplement de faire une rampe en fréquence pour "accrocher" la résonance.
– Le contrôle par PIC permet de programmer une rampe de rapport cyclique en début de "bip". Ceci devrait permettre d’atténuer le conflit de sources si on utilise l’onduleur de tension pour exciter un circuit LC parallèle. A tester avec les antennes cadres sans noyau.
– Faire un montage pour entretenir un circuit LC (résistance négative) pour ajuster très finement l’accord de l’antenne.