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Dernière mise à jour : 11/05/2008
Présentation
Un temporisateur est un circuit
électronique qui permet de mettre en route un système
pendant un certain temps, ou qui permet de le mettre en route au bout
d'un certain temps. Les applications d'un temporisateur sont multiples
et variées, et on peut aussi bien avoir besoin d'activer un
circuit pendant quelques secondes que pendant quelques heures voir
plusieurs jours. Un temporisateur peut être construit à
partir d'un simple monostable,
mais nous verrons qu'il existe d'autres solutions, un peu moins simples
mais qui permettent d'obtenir des durées de temporisation
très longues.
Utilisations (exemples)
Le temporisateur est un circuit très utilisé. Il permet :
- d'allumer une lampe pendant trois heures à partir du moment où la nuit tombe;
- d'allumer une lampe dans une cage d'escalier pendant 5 minutes
à partir du moment où un usager appui sur un bouton
poussoir;
- d'allumer une ampoule de
plafonnier de voiture pendant 1 minute, à partir du moment où les
portes sont fermées;
- de retarder la production d'un évenement, par exemple déclancher une
sirène au bout de 15 seconde si aucun code valide n'a été saisi sur un
clavier, après détection de l'intrusion;
- de définir précisement le temps pendant laquelle une
sirène d'alarme doit se faire entendre (30 secondes par exemple).
Caractéristiques principales
On peut faire un rapprochement assez serré entre monostable et
temporisateur, même si la finalité n'est pas forcement
exactement la même. En effet, le monostable délivre une
impulsion d'une durée donnée et revient ensuite à
son état initial. Si le but de la temporisation est de faire
fonctionner un appareil pendant un certain temps, un monostable peut donc faire l'affaire. Si le but de la temporisation est de mettre en route un appareil au bout d'un certain temps, un monostable peut aussi faire l'affaire, non en agissant comme commande, mais en agissant comme retardateur de commande. Il est donc normal de le voir partager certaines caractéristiques avec celles du monostable.
Impulsion de
déclanchement (ou
impulsion d'entrée)
Il s'agit de l'évenement qui démarre la temporisation. Il
peut s'agir d'une impulsion
ou d'un simple changement d'état
logique sans retour à l'état initial. L'impulsion de
déclanchement peut provoquer le changement immédiat de
l''état logique de la sortie du temporisateur (si fonctionnement
pendant un temps donné) ou provoquer son changement
d'état de façon retardée (si démarrage au
bout d'un certain temps).
Polarité de l'impulsion
de
déclanchement
Elle peut
être positive (bas-haut-bas ou bas-haut) ou négative
(haut-bas-haut ou
haut-bas).
Etat de la sortie
C'est ainsi que l'on nomme l'état logique de la sortie dans
lequel le temporisateur se trouve lorsqu'il vient d'être
déclanché, c'est à dire quand l'état
logique de sa sortie se trouve à l'opposé de
l'état logique présent au repos.
Polarité de l'impulsion
de
sortie
Au repos, la sortie du temporisateur peut être
à l'état haut ou à l'état
bas, et lors de son activation,
passer à l'état
opposé, bas ou haut.
Durée de la temporisation
C'est la durée pendant laquelle la sortie du temporisateur est activée, ou le temps au bout duquelle elle le sera.
Temporisateur simple, de quelques secondes à quelques dizaines de secondes
Le temporisateur simple permet de mettre en route un appareil pendant
un certain temps, dès apparition de la commande de
déclanchement. L'exemple qui suit permet d'allumer une lampe
pendant quelques secondes, à partir du moment où on
appuie sur un bouton poussoir. Comme vous pouvez le constater, le
nombre de composants requis est très restreint.
Le principe de fonctionnement est très simple : à la mise
sous tension du montage, le condensateur C1 est déchargé
et se comporte donc comme un court-circuit. Un courant s'établie
donc au niveau de la base du transistor Q1, via C1 et R2, et le
transistor conduit, provoquant l'allumage de la lampe L1. Puis le
condensateur se charge lentement au travers de R1, ce qui conduit
à une diminution lente du potentiel au point commun R1 / C1,
puisque le courant circulant dans R1 diminue petit à petit. Au
bout d'un certain temps, la tension aux bornes de R1 est trop faible
pour maintenir la conduction de Q1 : Q1 se bloque et la lampe
s'éteint. Pour redémarrer le processus, il suffit
d'appuyer sur le bouton poussoir SW1, ce qui décharge d'un coup
le condensateur C1, qui peut alors recommencer son cycle de charge. Ce
circuit est certes très simple, mais présente deux petit
inconvénients, qui n'en sont pas forcement toujours :
- pour obtenir une temporisation de quelques secondes seulement, il faut utiliser un condensateur de forte valeur;
- la transition lampe allumée / lampe éteinte n'est pas
franche, la durée de l'extinction dépend de la valeur de
la résistance de base R2. Si la valeur de R2 est trop faible, le
courant de base pourrat être trop important au moment de l'appui
sur le bouton poussoir, et le transistor peut griller. Si la valeur de
R2 est trop grande, la temporisation sera allongée mais le
courant de base de Q2 sera probablement insuffisant et la lampe ne
s'allumera pas entièrement.
La diminution du courant de base de Q2, tout en conservant un
même courant de collecteur (pour un éclairage nominal de
la lampe) pourrait donc à priori améliorer les choses.
Connaissez-vous un moyen d'avoir autant de courant collecteur pour un
courant de base moindre ? Un gain de transistor (beta) plus grand ?
Oui, tout à fait. Et tant qu'à faire, plutôt que de
chercher un transistor NPN classique possédant un gain plus
important que celui du 2N2222 utilisé ici, pourquoi ne pas
choisir directement un transistor darlington ? Là au moins on
est sûr d'avoir un gain très grand (un darlington est une
association de deux transistors montés en cascade et dont le
gain total est égal à la multiplication des gains des
deux transistors). Essayons donc avec un petit transistor darlington de
type BC517, sans toucher la valeur des autres composants. La
temporisation est dans ce cas au moins dix fois plus longue, et on
atteint sans peine 40 secondes avec C1 = 100 uF et R1 = 220 KO ! En
poussant C1 à 1000 uF et en utilisant une 68K pour R2, la
temporisation atteint presque 100 secondes, soit plus d'une minute et
demi. Mais là encore, la transistion lampe allumée /
lampe éteinte reste assez progressive. Je le
répète, ce comportement n'est pas forcément une
tare, et on peut même l'exploiter de façon très
pratique, comme je l'ai fait pour la lampe basse tension à
extinction progressive décrite en page Piano lumineux 001.
Temporisateur simple, de quelques minutes à une heure
Si l'on veut disposer d'une grande durée de temporisation tout
en conservant une valeur de condensateur raisonnable, il convient de
réfléchir à une autre façon de faire. Cette
autre façon de faire pourrait bien être un circuit mettant
en oeuvre un circuit intégré style "Timer" tel le célèbre NE555, ou encore un AOP cablé en comparateur de tension. Qu'en dites-vous ? Je vous propose donc les deux schémas suivants.
Circuit à base de NE555
Ce circuit à base de
NE555 permet d'atteindre une durée de l'ordre de
la demi-heure avec un condensateur de 2200 uF et une résistance
de 820 KO, à condition que le condensateur soit de bonne
qualité et présente un faible courant de fuite
(résistance parallèle
parasite la plus élevée possible). Si le condensateur
n'est pas de bonne qualité ou est trop vieux, son courant de
fuite l'empêchera de se charger au deux tiers de l'alimentation
(seuil de basculement "supérieur" du NE555) et la sortie restera
toujours activée.
Circuit à base d'AOP ou comparateur de tension
Ce circuit, un poil plus élaboré que le
précédent, autorise une durée de temporisation
d'environ 1000 secondes avec un condensateur C1 de 1000 uF et une
résistance associée R1 de 1 MO. Cela fait tout de
même une temporisation d'un quart d'heure, ce qui est tout de
même bien correct pour un circuit aussi simple. Et si on utilise
un condensateur de bonne qualité de 4700 uF pour C1 (pour la
même raison que celle évoquée ci-avant), la
temporisation dépasse une heure ! Le détail de
fonctionnement de ce temporisateur est décrit à la page Temporisateur 001,
je vous invite à vous y reporter s'il vous interresse. Pour ce
montage comme pour le précédent à NE555, il faut
noter que la durée de la temporisation n'est pas très
précise et qu'elle peut différer de plusieurs secondes
d'un coup à l'autre.
Temporisateur de plusieurs heures
Les choses se compliquent, car le principe du condensateur qui se
charge est valable tant que sa valeur ne prend pas des proportions
gigantesques. Pour obtenir une temporisation de très longue
durée, on préfère utiliser un condensateur de
faible valeur, dont la stabilité en température et dans
le temps est bien meilleur que celle d'un gros condensateur chimique
polarisé. Oui mais, un condensateur de faible valeur ne permet
pas d'obtenir des durées de charge très grandes ! Cela
est vrai. C'est pourquoi l'idée principale n'est pas d'attendre
que le condensateur se charge jusqu'à une certaine valeur, mais
de provoquer une suite de charges et de décharge du
condensateur, et de "compter les coups". Ainsi, on peut dire que la
temporisation est écoulée au bout de 100 coups, ou au
bout de 1000 coups, ou encore au bout de 65535 coups. De la sorte, un
cycle de charge / décharge opéré en une seconde
(ce qui est très simple à obtenir et de façon
précise), permet d'atteindre une temporisition de 100 secondes
au bout de 100 coups, une temporisation de 1000 secondes au bout de
1000 coups, etc... Mais ça devient une usine à gaz, ce
truc ! Pas du tout ! On a juste affaire à deux sous-ensembles
fort simples : un oscillateur rectangulaire
pour produire les "coups", et un compteur logique pour les compter.
Prenons l'exemple simple d'un NE555 monté en oscillateur de
période 1 seconde, suivi d'un compteur de type CD4017 (base
classique d'un petit chenillard).
Le schéma qui suit n'est pas ce qui se fait de mieux en
pratique, il n'est proposé ici que pour le principe
général.
Avec ce montage :
- la sortie Out1 est active pendant la durée de la
temporisation, et se désactive une fois la temporisation
écoulée;
- la sortie Out2 est inactive pendant la durée de la
temporisation, et s'active une fois la temporisation
écoulée.
- une fois la temporisation écoulée, ce qui survient
après cinq impulsions d'horloge sur l'entrée CLK du
CD4017, le système est verrouillé.
Nous avons donc une temporisation de l'ordre de 5 secondes alors que la base de temps n'est que de 1 seconde.
Bien entendu, le "gain de temps" n'est pas énorme, et il
convient de trouver un compteur avec beaucoup plus d'étages pour
profiter pleinement du principe. En son époque, le constructeur
EXAR proposait un circuit spécialement étudié pour
des temporisations de courte et longue durée : de quelques
microsecondes à plusieurs jours. Ce circuit était le
XR2240, qui permettait de compter entre 1 et 255 unités de
temps. On trouve encore ce circuit à la vente, mais moins
facilement que par le passé. Mais qu'importe, puisqu'on peut
reprendre le principe avec des composants fort courant et pas chers...
Voyez donc le schéma suivant, qui permet d'obtenir une
temporisation de 12 ou 24 heures, avec un seul circuit
intégré de type CD4060, qui intègre ce qu'il faut
pour réaliser la base de temps et le comptage.
A la mise sous tension, le compteur du CD4060 est remis à
zéro, grâce au couple C3 / R3 qui fournit une brêve
impulsion positive de RAZ sur l'entrée MR. A cet instant, toutes
les sorties du circuit intégré sont à
l'état logique bas. La constante de temps,
déterminée par C1, C2 er R1 est globalement de 1 secondes
avec les valeurs données sur le schéma.
Remarques :
- pour une constante de temps de 1 seconde, vous pouvez utiliser une
résistance de 470 KO et des condensateurs de 10 uF, ou utiliser
une résistance de 100 K0 et des condensateurs de 47 uF. Si votre
circuit refuse d'osciller avec le premier couple, essayez avec l'autre.
- chaque sortie change d'état toutes les n secondes : la sortie
Q3 change d'état toutes les minutes environ, et la sortie Q13
change d'état toutes les 24 heures environ. Si vous souhaitez un
état permanent de la sortie utilisée, vous devez ajouter
quelques composants pour bloquer l'oscillation une fois la
temporisation écoulée. Une simple bascule (bascule D ou
JK) peut suffire pour accomplir cette tache.
- les sorties Q0 à Q2 ne sont pas disponibles sur le CD4060, ce
qui rend l'opération de vérification de la durée
un peu fastidieuse (longue).
Ce circuit est donc interressant si l'on souhaite obtenir une
temporisation de longue durée mais avec une précision
moyenne; on a un bon ordre de grandeur, mais on n'est pas à la
seconde près. Pour une grande précision, on doit utiliser
un oscillateur très stable, par exemple piloté par
quartz. L'inconvénient des quartz est qu'il n'en existe pas de 1
Hz. Mais comme on n'est pas à un circuit intégré
près quand on sait ce qu'on veut, on peut ajouter un ou deux
CD4060 pour "compenser" la plus grande rapidité de
l'oscillateur. Le schéma suivant montre ainsi un oscillateur
piloté par quartz oscillant à la fréquence de
32,768 KHz grâce à un quartz "d'horloger" de même
fréquence, suivi de deux compteurs assurant la division de fréquence et donc la multiplication de la période (base de temps).
Sur la sortie Q13 du premier CD4060, on récupère un
signal de fréquence 2 Hz, ce qui correspond à une
période de 0,5 seconde. Si on divise plusieurs fois par deux ce
signal de 2 Hz, on finit par atteindre des périodes très
longues, et ce avec une très grande précision. Ainsi, on
retrouve en sortie Q13 du second CD4060, un signal dont la
période est de plus de deux heures et quart. Et si l'on
recherche une plus grande durée encore, un troisième
CD4060 pourra là encore faire l'affaire. Ce troisième
CD4060, dont l'entrée RS serait reliée à la sortie
Q13 de U2, fournirait en effet sur sa première sortie Q3, un
signal dont la période serait proche de 32 heures ! Comme vous
l'avez sans doute compris, le revers de la médaille d'un
système aussi précis est sa difficulté à
produire de façon simple, une période de durée
comprise entre deux valeurs fixes, puisque les divisions
opérées à la suite augmentent toujours le temps
dans un rapport de deux. Bien sûr, il est possible d'adopter un
facteur de division à un endroit donné, tel qu'on se
retrouve avec une période plus pratique à utiliser.
Ainsi, si on divise par 120 le signal de 2 Hz présent en sortie
Q13 du premier CD4060, on obtient une période de 1 minute toute
ronde, que l'on peut ensuite diviser avec des CD4017 pour obtenir des
temps de temporisation de 1 min, 2 min, 3 min, etc.
