Dernière mise à jour : 30/10/2011
Présentation
Le système décrit ici permet de produire un effet
sonore quelque peu particulier, en faisant tourner un son
autour d'une personne par le biais de plusieurs haut-parleurs
placés en cercle.
Son
principe repose sur la distribution d'une source sonore mono vers
un haut-parleur parmi plusieurs, de façon séquentielle, avec
des transitions douces et sans heurt (sans cloc dans les HP). Le
système proposé ici travaille avec des signaux audio asymétriques de
niveau ligne (aux alentours de 0 dB, disons entre 100 mVeff et 1 Veff)
et est prévu pour attaquer huit systèmes d'amplification (un
amplificateur audio par HP), mais il peut sans problème être étendu à
un nombre supérieur de diffuseurs sonores, ce point sera abordé plus
loin.
Principe général de fonctionnement
Il existe
plusieurs approches pour obtenir l'effet désiré, qui dans tous les cas
consistent à atténuer plus ou moins fortement un signal audio sauf pour
une des voies d'amplification, celle que l'on appellera voie active. On
peut :
- soit utiliser des VCA (Voltage Controlled Amplifier, amplificateur commandé en tension);
- soit utiliser des optocoupleurs analogiques.
J'ai
choisi les optocoupleurs pour leur coût de revient bien plus bas et
pour leur plus grande facilité de mise en oeuvre. L'optocoupleur doit
être de type "analogique", on ne peut pas utiliser un optocoupleur logique de type MCT2 ou un TIL11
par exemple.
Choix des optocoupleurs
Du côté
analogique, on ne trouve pas beaucoup de références vraiment faites
pour cet usage. On peut par exemple
utiliser des optocoupleurs analogiques moulés de type NSL-32
ou VTL5Cx, voici les modèles que j'ai trouvés chez Farnell, avec prix et
commentaires perso.
| Rmax | Rmin | Prix | Commentaire |
| NSL-32 | 500 k | 500 | 2 € | Nota (1) |
| NSL-32SR2 | 5 M | 40 | 2,50 € | Nota (2) |
| NSL-32SR3 | 25 M | 60 | 3 € | Nota (3) |
| VTL5C1 | 50 MO | 200 | 6 € | Nota (4) |
| VTL5C2 | 1 MO | 200 | 6,50 € | Nota (5) |
| VTL5C3 | 10 MO | 1,5 | 6,50 € | Nota (6) |
| VTL5C4 | 400 M | 75 | 4,50 € | Nota (7) |
Nota
(1) : courant LED requis de 40 mA pour résistance Ron de 500 ohms.
Temps de montée de 3,5 ms. Temps de relachement de 500 ms pour
atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 500 kO de Rmax.
Nota (2) : courant
LED requis de 20 mA pour résistance Ron de 40 ohms. Temps de montée de
5 ms. Temps de relachement de 80 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 5 MO de Rmax.
Nota (3) : courant LED requis de 20 mA pour résistance Ron de 60 ohms, 150 mA pour 150 ohms. Temps de
montée de 5 ms. Temps de relachement de 10 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 25 MO de Rmax.
Nota (4) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 600 ohms, 40 mA pour 200 ohms.
Temps de montée de 2,5 ms. Temps de relachement de 35 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 50 MO de Rmax.
Nota (5) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 800 ohms, 40 mA pour 200 ohms.
Temps de montée de 3,5 ms. Temps de relachement de 500 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 1 MO de Rmax.
Nota (6) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 5 ohms, 40 mA pour 1,5 ohm.
Temps de montée de 2,5 ms. Temps de relachement de 35 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 10 MO de Rmax.
Nota (7) : courant LED requis de 10 mA pour résistance Ron de 125 ohms, 40 mA pour 75 ohm.
Temps de montée de 6 ms. Temps de relachement de 1500 ms pour atteindre
100 kO après coupure du courant dans la LED d'émission, 10 secondes
nécessaires pour retrouver les 400 MO de Rmax.
Remarques sur les "défauts" des optocoupleurs analogiques
Les
optocoupleurs dénoncés ci-avant présentent la particularité de posséder
un temps de recouvrement long, et pour certains il faut mettre le
paquet de courant pour bénéficier d'une résistance Ron (Rmin) vraiment faible.
Mais dans l'application de chenillard sonore qui nous concerne ici, il
est deux points qui présentent moins d'importance que pour une
application audio plus critique :
- la
dynamique permise par le rapport entre résistance max (source lumineuse
éteinte) et min (source lumineuse allumée). L'optocoupleur NSL-32 par
exemple présente un rapport de 1000 entre Rmin et Rmax, ce qui peut
laisser supposer qu'on aura droit à une dynamique de 40 dB une fois mis en circuit. Ce qui me
semble bien suffisant pour faire la distinction entre un HP qui émet
quelque chose et d'autres qui restent "muets" (il ne le sont en fait
pas entièrement mais le niveau est tellement faible par rapport au HP
actif qu'on peut les considérer comme tels).
- le temps de
recouvrement après extinction de la source lumineuse. Si dans certaines
applications (tel que compresseur de dynamique audio) ce point est très
important, ici on peut tourner cette faiblesse en avantage. Qu'importe
en effet si le son décroit progressivement et non pas d'un seul coup
une fois qu'on passe à la voie d'amplification suivante ? N'est-ce pas
justement ce que nous cherchons ?
Ceci pour dire que dans la
pratique, le "moins bon" des optocoupleurs précités devrait très bien
convenir à notre affaire. Je pars donc sur l'idée qu'on peut faire
confiance au NSL-32 (le moins cher de tous) pour nous apporter
satisfaction.
Faire soi-même ses optocoupleurs ?
Oui,
pourquoi pas ! J'ai proposé quelques références d'optocoupleurs clé en
main mais rien ne vous empêche de mettre en regard une LED et une
cellule LDR. Je serais vous, j'essaierais avec une LED blanche et une
LDR dont la résistance en éclairement est faible (max 2 kO) et dont la
résistance en obscurité est forte (min 1 MO). Il existe pas mal de
références de photorésistances, vous pouvez outre les célèbres LDR03,
LDR05 ou LDR07, regarder ce qui se fait côté "Silonex" (nom d'un
fabricant chez qui on trouve des LDR à 0,50 euros). Si vous les faites
vous-même, n'oubliez pas de mettre chaque optocoupleur à l'abri de
la lumière ambiante et de son voisin.
Et pourquoi pas des portes analogiques style CD4016 ou CD4066 ?
Oui, pourquoi pas, on pourrait utiliser de tels circuits comme cela a été fait pour le commutateur audio 001. On pourrait aussi envisager l'emploi de transistors FET, comme déjà vu dans le commutateur audio 012.
Pour ce montage de chenillard sonore, je me suis dit qu'il fallait
tenter autre chose - que je n'avais pas encore fait de façon
"officielle". Mais bien sûr, libre à vous d'utiliser le mode de
commutation qui vous séduit le plus, en apportant quelques
modifications si cela s'avère nécessaire. Mon but n'est pas de vous
dicter une façon de faire, mais de donner des idées, en espérant que ces
dernières puissent à leur tour en faire naître de nouvelles dans votre
esprit.
Schéma
Le schéma complet se compose de deux
parties bien distinctes : le circuit séquenceur à base de NE555 et
CD4017 (partie verticale gauche du schéma), et le circuit de commutation analogique avec ses optocoupleurs
analogiques (partie verticale droite du schéma, à partir des diodes D2 à D9).
Section séquenceur
On retrouve ici ce qui a fait le succès du chenillard 001
et de ses petits et grands frères. Un circuit intégré "timer" de type
NE555 (U1) produit sur sa broche 3 un signal rectangulaire périodique
dont la fréquence (vitesse) dépend de la position de l'axe du
potentiomètre RV1 - en plus de dépendre de la valeur des autres
composants qui y sont attachés, à savoir C1, R1 et R2. La LED D1 câblée
en série avec R3 marque chaque nouvelle impulsion par un petit flash
lumineux. Cette LED indique donc directement la vitesse des
commutations successives des voies analogiques. La sortie 3 de U1/NE555
ne se contente pas de faire clignoter la LED D1. Elle est également
utilisée pour fournir ses impulsions de séquencement au compteur
décimal U2/CD4017, via sa broche 14 d'entrée d'horloge (CLK = Clock =
horloge). Les huit premières sorties du CD4017 (Q0 à Q7) pilotent la
circuiterie des commutateurs analogiques que nous verrons bientôt. La
neuvième sortie Q8 (broche 9) est rebouclée sur l'entrée de remise à
zéro MR (broche 15), de telle sorte que quand la huitième sortie Q7 a
fini de travailler, on revient aussitôt à la première sortie Q0, sans
tenir compte des deux dernières sorties Q8 et Q9 qui dans le cas
présent ne nous intéressent pas.
Section commutations analogiques
Ah,
le plus intéressant... Si vous avez déjà analysé un peu le schéma, vous
aurez constaté qu'il y a quelques composants additionnels entre les
sorties Q0 à Q7 du CD4017 et les entrées LED de chaque optocoupleur.
Ceci pour deux raisons :
- les transistors
Q1 à Q8 permettent de disposer d'un courant suffisant pour attaquer les
optocoupleurs. Le CD4017 est un circuit CMOS qui est tout à fait
capable d'allumer des LED récentes qui ne réclament que quelques mA,
mais même sous une tension d'alimentation générale de 12 V, le courant
de sortie qu'on peut espérer avoir ne suffira pas pour profiter
pleinement de la résistance la plus basse possible de la cellule
photorésistante incluse dans les optocoupleurs (pour certains modèles
il faut 40 mA d'attaque au niveau de la LED, c'est ce qu'on a vu
avant). Ces transistors permettent tout simplement de disposer d'un
courant d'attaque suffisant, il sont montés en suiveur de tension
(collecteur commun) et non en bêtes commutateurs tout ou rien, nous
verrons bientôt pourquoi.
- on peut avoir envie de créer une
"trainée auditive" quand on passe d'un haut-parleur au suivant. Dans
tous les cas la commutation de l'un à l'autre se fait sans heurt, mais
il peut être intéressant, surtout si le son tourne lentement autour de
l'auditeur, de disposer d'un affaiblissement moyennement lent au niveau
des HP qui passent à l'état inactif. Les quelques composants situés
entre chaque sortie du CD4017 et le transistor qui lui correspond (D2,
C3 et R4 pour la première voie, D3, C4 et R6 pour la seconde voie, etc)
permettent une mémorisation de l'état actif avec un relâchement
progressif. C'est exactement le même principe qui a été adopté pour mon
chenillard lumineux 005
qui produit un effet "queue de comète". La constante de temps
d'extinction du son pour chaque voie dépend de la
valeur donnée au réseau RC situé juste après la diode (C3 et R4 pour la
première voie, C4 et R6 pour la seconde voie, etc).
Plus la valeur de ces composants est faible et plus le
son s'éteindra rapidement. Avec les valeurs proposées ici, le
temps d'extinction est compris entre 3 et 5 secondes environ, il dépend
aussi des optocoupleurs utilisés. Bref, des essais en perspective pour
disposer de l'effet que vous recherchez. Les transistors Q1 et Q8 sont
montés en suiveurs de tension pour que les LED des optocoupleurs voient
une tension descendre progressivement et non pas de façon abrupte.
L'humain curieux que
vous êtes aura écarquillé aussi fort qu'il le peut ses yeux, en
constatant qu'il n'y a aucune résistance de limitation de courant entre
les émettteurs des transistors de commande Q1 à Q8 et les LED des optocoupleurs
qui leur sont raccordées. Sacrilège, au fou ! Pas de panique, une
petite précaution a été prise de ce côté, qui prend la forme d'un
limiteur de courant construit sur une base de régulateur de tension
intégré 78L05 (U11, régulateur de tension positif 5 V). La résistance
RX détermine le courant max qui peut circuler dans l'ensemble des
optocoupleurs, il est ici limité à 22 mA (RX = 220 ohms). Cette
curieuse approche vous permet d'adapter le courant dans les LED des
optocoupleurs en changeant une seule résistance et non huit. Bien sûr
il n'y a rien d'obligatoire dans cette façon de faire, et rien ne vous
interdit de jeter U11 et RX puis d'ajouter une résistance en série avec chaque LED d'optocoupleur.
Calcul des niveaux en sortie des optocoupleurs
Les
quelques lignes qui suivent donnent une idée du taux d'affaiblissement
entre le signal audio qui entre sur le connecteur d'entrée J2 et celui qui
ressort sur un connecteur de sortie (J3 pour la première
voie, J4 pour la seconde voie, etc), quand la cellule photorésistive de l'optocoupleur
est à sa valeur min ou à sa valeur max.- Point de départ : Vin = 1 V et R5, R7, ..., R17 et R19 = 47 kO
si opto = NSL-32, alors VsMax = 1 x 47000 / (47000 + 500) = 0,998 V et
VsMin = 1 x 47000 / (47000 + 500000) = 0,086 V (rapport 11,6 soit
environ 20 dB)
si opto = NSL-32SR2, alors VsMax = 1 x 47000 / (47000 + 40) = 0,999
V et VsMin = 1 x 47000 / (47000 + 5000000) = 0,009 V (rapport 111 soit
environ 40 dB) - Point de départ : Vin = 1 V et R5, R7, ..., R17 et R19 = 4,7 kO
si
opto = NSL-32, alors VsMax = 1 x 4700 / (4700 + 500) = 0,903 V et
VsMin = 1 x 4700 / (4700 + 500000) = 0,009 V (rapport 97 soit
environ 40 dB)
si opto = NSL-32SR2, alors VsMax = 1 x 4700 / (4700
+ 40) = 0,991 V et VsMin = 1 x 4700 / (4700 + 5000000) = 0,0009 V
(rapport 1050 soit environ 60 dB)
Au
vu de ces calculs vite faits, on en déduit rapidement qu'il vaut mieux
à priori utiliser un NSL-32SR2 plutôt qu'un NSL-32, mais que ce dernier
peut tout de même convenir. Après tout, 40 dB d'atténuation ce n'est
pas si mal que ça.
Plus de 8 haut-parleurs ?
Le
principe adopté ici permet en théorie de disposer d'autant de voies
analogique qu'on le désire. Bien sûr en pratique cela va surement
nécessiter quelques adaptations du côté des optocoupleurs, mais qui ne
tente rien n'a rien. Pour disposer d'un séquencement sur 10 voies, 16
voies ou plus, jetez donc un oeil sur mes schémas de chenillards lumineux, histoire de voir comment tourne leur mécanique.
Prototype
Non
réalisé, mais optimiste comme je suis, je dirais que ce montage devrait
globalement fonctionner comme je le pense. A vous de jouer et de me
faire un compte-rendu détaillé de tous les problèmes rencontrés. Et
tant que vous y êtes - et dans l'hypothèse où vous avez la
moindre compassion pour mon pauvre cerveau fatigué - pensez à noter les
corrections dans votre compte-rendu...
Circuit imprimé
Non réalisé.
Historique
30/10/2011
- Première mise à disposition.
