Electronique - Realisations - Commutateur audio 004

Electronique > Réalisations > Commutateurs audio > Commutateur audio 004

Dernière mise à jour : 14/07/2014

Présentation

Ce commutateur audio est commandé de façon électronique, à partir de boutons poussoirs (de tableau ou au pied). Une voie d'entrée peut être routée vers une sortie parmi huit, ou une entrée parmi huit peut être sélectionnée et être routée vers une sortie unique. Cette bidirectionnalité est obtenue grâce à l'usage de relais électromécaniques. Une voie à la fois peut être sélectionnée, en fonction du poussoir actionné. Dans aucun cas il ne peux y avoir deux voies sélectionnées en même temps. La voie sélectionnée est mémorisée tant que le montage reste sous tension, et ce même quand le bouton poussoir de la voie choisie est relâché. Le montage dont il est question ici peut être considéré comme une extension du commutateur audio 003, qui ne présente que trois voies de commutation possibles. L'approche est légèrement différente, et moyennant quelques composants additionnels (poussoirs et diodes), il est possible de porter le nombre de voies de 8 à 15, voire à 16. A y regarder de près, ce petit article est plus un exercice de logique qu'un descriptif d'un système audio. Dans le même esprit, voir le Sélecteur 001.

Schéma

Le schéma peut sembler assez complexe, mais en le décortiquant pas à pas, vous verrez que tout est finalement très simple.

Le schéma ci-avant ne montre que la partie commande à proprement parler, les sections "interface de sortie" et "routage" des signaux BF sont abordées plus loin, pour simplifier la compréhension de cette première partie. Le coeur du montage repose sur un circuit intégré de type CD4514, qui est un démultiplexeur BCD vers décimal. Comment, vous pouvez répeter ? Ah la la, ces termes rébarbatifs font toujours aussi mal, à ce que je vois... Entrées binaires du CD4514 : A, B, C et D. Sortie décimales de ce même circuit : Q0, Q1, ... jusqu'à Q15. Je vais faire simple, et excusez-moi de ne pas entrer plus dans les détails. Sur les entrées binaires, vous pouvez appliquer n'importe quelle combinaison de 0 et de 1. Par exemple 1 sur A et 0 sur les trois autres entrées, ou 1 sur les entrées B et C et 0 sur les deux autres entrées. Si vous faites le compte de toutes les combinaisons possibles, vous devriez trouver 16 (sinon, recommencez). Pour chacune des combinaisons possibles, une seule sortie Q0, Q1, ... ou Q15 est activée. Tiens, il y a justement 16 sorties... Le hasard, selon vous ?

Sélection de la voie désirée

La sélection de la voie désirée s'effectue en appuyant sur l'un des huit boutons poussoirs SW1 à SW8. Comment ça, huit boutons ? J'en vois neuf ! Hum, c'est vrai, il y aussi SW0, qui a un rôle un peu particulier, puisqu'il sert ici à désactiver l'ensemble des sorties 1 (Out1) à 8 (Out8) en activant la sortie 0 (Out0) que nous n'utiliserons pas. Le tableau ci-après montre les diverses combinaisons que l'on peut avoir avec notre circuit, et montre en particulier l'état logique des entrées (A, B, C et D) et des sorties (Q0 à Q15) du démultiplexeur CD4514 en fonction du bouton poussoir actionné.

Poussoir actionné	A	B	C	D	Q0	Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	Q6	Q7	Q8	Q9	Q10	Q11	Q12	Q13	Q14	Q15
SW0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW1	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW2	0	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW3	1	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW4	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW5	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW6	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0
SW7	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0
SW8	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0

Comme on peut le voir, les sorties Q9 à Q15 ne passent jamais à 1 (état logique haut) avec le cablage adopté. Cependant, en ajoutant 7 boutons poussoir et un certain nombre de diodes, il est tout à fait possible de porter le nombre de voies de sélection à 15. Voire à 16 si l'on décide d'utiliser la sortie Q0 comme les autres. Pour que tout cela fonctionne, on emploie une ou plusieures diodes pour amener un état logique haut aux entrées du CD4514 qui correspondent à celles que l'on veut activer quand on appuie sur un bouton poussoir donné. Par exemple, si l'on veut que la sortie Q3 soit activée quand on appuie sur le bouton poussoir SW3, il suffit de regarder les entrées du CD4514 qu'il faut activer pour que la sortie Q3 le soit. La table de correspondance entre entrées et sorties du circuit intégré est appelée table de vérité, et on la trouve dans le document du constructeur (Datasheet). Cette table nous indique que pour activer Q3, il faut activer en même temps les entrées A et B. Il suffit donc de ramener le pôle positif de l'alimentation sur ces deux entrées A et B quand on appuie sur SW3, ce qui est réalisé ici grâce aux diodes D11 et D12. Voici ci-après deux exemples de visualisation des états logiques aux divers points du montage, quand on actionne les poussoirs 2 ou 7.

	Activation du bouton poussoir SW2 : Grâce à la diode D10, l'entrée A du CD4514 est activée, alors que les trois autres entrées B, C et D restent inactive. Avec ce code d'entrée BCD, le CD4514 active sa sortie Q2, les autres sorties restent inactives.
	Activation du bouton poussoir SW7 : Grâce aux diodes D18, D19 et D20, les entrées A, B et C du CD4514 sont activées, alors que l'entrée D reste inactive. Avec ce code d'entrée BCD, le CD4514 active sa sortie Q7, les autres sorties restent inactives.

Mémorisation de la voie sélectionnée

C'est là que l'on rigole un bon coup, histoire de s'oxygéner un peu. Voilà, on peut continuer. Les boutons poussoir, quand on les relâche, ne jouent plus aucun rôle. Si l'on se contente des diodes D9 à D21 pour activer les entrées A à D et que l'on ne fait rien d'autre, le CD4514 réactivera systématiquement sa sortie Q0 dès relâchemant du bouton. C'est normal, puisque toutes les entrées A à D repassent alors à l'état logique bas, à cause des résistances R9 à R12 (ce sont des résistances de rappel au zéro volt, nécessaire pour les diodes D9 à D21, ça ne fonctionnerait pas bien sans). Il faut donc mémoriser la dernière sortie activée. Et pour cela, quelques diodes supplémentaires (D0 à D8 et D22), un condensateurs (C1) et deux résistances (R13 et R14) suffisent. En réalité, seuls C1 et R13, montés en dérivateur, suffisent pour l'action désirée. Ces quelques composants servent à envoyer une impulsion brêve sur l'entrée STB (Strobe) du CD4514 quand on appuie sur un des boutons poussoir. Cette entrée, quand elle est portée à un potentiel positif, permet à la sortie sélectionnée d'être activée. Si cette entrée est à l'état bas, la sortie sélectionnée ne change pas, même si les entrées changent. Et c'est exactement ce qu'il nous faut ! A chaque fois que l'on appuie sur un des boutons poussoir, une impulsion positive est envoyée sur l'entrée STB, et comme cette entrée repasse presque aussitôt à l'état bas (à cause du condensateur C1 qui ne laisse pas passer une tension continue fixe), le changement d'état des entrées n'a plus aucune influence. En d'autres termes, l'appui sur le bouton poussoir est pris en compte, mais pas son relâchement.

Partie "puissance"

Le circuit intégré CD4514 n'est pas en mesure de délivrer assez de courant pour piloter directement un relais électromécanique. C'est pourquoi il est fait usage d'un circuit intégré ULN2804, qui contient 8 étages de "puissance" parfaitement adaptés à notre usage.

Les huit étages de puissance intégrés dans le ULN2804 sont en fait constitués de deux transistors montés en darlington (imaginez simplement qu'un darlington est un double transistor qui possède un très grand gain en courant). Chacune des entrées du circuit doit être reliée sur une sortie du CD4514 (In1 du ULN2804 sur sortie Q1 du CD4514, In2 du ULN2804 sur sortie Q2 du CD4514, etc).
Remarque : le ULN2803 pourrait aussi être utilisé, mais cela nécessiterait des résistances de limitation de courant supplémentaires pour chaque voie de commande. Le ULN2803 est en effet prévu pour être commandé avec des niveaux TTL +5 V, alors que le ULN2804 est prévu pour être commandé avec des niveaux CMOS 6-15 V.

Remplacement des boutons poussoirs par un commutateur rotatif

Il est tout à fait possible d'utiliser un commutateur rotatif (Lorlin par exemple) de type 1 galette / 12 positions en remplacement des boutons poussoir.

Dans ce cas, les contacts sont maintenus au lieu d'être momentanés, mais cela ne pose aucun problème à l'électronique qui suit, le fonctionnement sera totalement identique. A la différence près que pour passer de la position 2 à la position 7, les valeurs intermédiaires seront balayées.

Routage des signaux BF

Le routage est assuré ici par des relais électromécaniques, voir le schéma partiel suivant.

Schéma partie car trois relais seulement sont représentés, mais il y en a bien 8 en tout qui doivent être cablés de la même façon. Un seul relais est actif à la fois (aucun ne l'est sur le schéma qui précède). Chaque relais n'est ni plus ni moins qu'un double interrupteur, qui ne laisse pas passer le signal audio quand il est au repos, et qui le laisse passer quand il est en position travail.

Commutation de sources audio symétriques

Le montage présenté ici permet de commuter des sources audio asymétriques mono ou stéréo. Les liaisons audio symétriques sont assurées par deux fils de modulation en plus de la masse, on peut donc également assurer la commutation de sources audio symétriques mono en gardant les mêmes relais et le même câblage. Pour la commutation de sources audio symétriques stéréo, il convient de doubler le nombre de contacts de relais, puisqu'on se retrouve avec quatre fils de modulation au lieu de deux. On peut pour cela utiliser deux relais en parallèle pour chaque voie audio (un pour la voie gauche et l'autre pour la voie droite), ou encore utiliser un relais à quatre pôles qui à lui seul assure le routage des quatre fils de modulation. Gardez cependant à l'esprit que la masse n'est pas commutée et reste commune à l'ensemble des voies. Si cela pose un problème, il faut ajouter un relais supplémentaire rien que pour la masse, ou utiliser un relais 6 pôles ou 8 pôles, plus difficile à trouver (pour le prix, comparer celui d'un relais 8 pôles à celui de quatre relais 2 pôles ou deux relais 4 pôles). Le circuit intégré ULN2804 qui commande les relais n'a pas besoin d'être changé ni "doublé" car chacune de ses sorties est en mesure de délivrer assez de courant pour piloter deux ou même trois relais (ceux utilisés ici ne doivent pas consommer plus de 150 mA à l'unité).

Temps de commutation

Les relais électromécaniques ont un temps de réponse ON généralement plus court que le temps de réponse OFF, ce qui signifie que durant un bref instant, deux sources peuvent se trouver reliées ensemble. Si cela est gênant, vous pouvez insérer une cellule de retard (temporisateur) qui enclenche la mise ON des relais après un délai de 10 ms (durée à ajuster le cas échéant). Cela laissera le temps au relais actuellement activé de décoler avant l'activation d'un autre. Bien sûr cette cellule de retard ne devra pas jouer au moment de la mise OFF.

Choix des relais

Il existe plusieurs types de relais qui peuvent être utilisés pour la présente application. Mais comme pour tout relais, il faut tout de même choisir un modèle approprié aux signaux de commande et aux signaux à commuter. Comme les signaux à commuter ne sont pas des signaux de puissance, il ne faudra pas chosir un relais ayant un fort pouvoir de coupure, car en général ce genre de relais compte sur un courant minimal pour autonettoyer ses contacts. Prenez plutôt des relais "classiques" dont l'empattement est bien standardisé (ils peuvent se monter sur un support standard de circuit intégré à 16 pattes), et qui ressemblent à ceux-ci :

Si pour vous, la fiabilité dans le temps est un critère très important, choisissez des relais avec contact dorés, ils vous feront un long usage. Il existe aussi des relais étanches, dans lesquels la poussière ne risque pas d'entrer et de se mettre entre les contacts, mais vous devez bien imaginer que ces "super" relais coûtent un peu plus chers que les normaux. Que dire du bruit de commutation des relais... ces derniers font en effet un petit bruit au moment où ils changent d'état, ce qui peut gêner certains utilisateurs. Personnellement, ce n'est pas le genre de chose qui m'ennuie. Vous pouvez aussi essayer des relais minitaures de type "reed", qui ont la forme d'un circuit intégré. Pour ce qui est de la tension de commande, choisissez votre relais en fonction de l'alimentation du système de commande, sachant que les relais ont généralement des tensions de commandes de 5 V, 12 V ou 24 V. Si vous optez pour une alimentation de 12 V, pas de problème, il vous faut un relais 12 V. Si vous optez pour une alimentation de 9 V, il sera préférable de prendre un relais 5 V et de placer en série avec sa bobine, une petite LED rouge, qui abaissera la tension aux bornes de la bobine à une valeur convenable (ainsi le relais ne chauffera pas trop), et qui en même temps servira de témoins de commutation. La LED devra pouvoir dans ce cas supporter le courant requis pour la bobine du relais.
Attention ! Si la tension adoptée pour les relais n'est pas celle de 12 V utilisée pour le reste du montage, vous devrez prévoir une alimentation séparée pour les relais et pour l'électronique de commande.

Remplacement des relais par des commutaeurs analogiques

Comme le nombre de relais commence à ne plus être négligeable, vous aurez peut-être envie de trouver une solution moins couteuse et plus discrète. Dans ce cas, vous pouvez réfléchir à l'utilisation d'un multiplexeur analogique de type CD4067, qui dispose de 16 entrées-sorties et d'une sortie-entrée. Ce type de composant, tout comme le CD4514, présente quatre entrées logiques de commande pour la sélection de la voie désirée. Le CD4514 ne peut pas être remplacé directement par le CD4067, car il n'existe pas de broche de verrouillage sur le second. Il faut donc trouver un moyen de mémoriser l'état des entrées logiques de sélection. A vous de jouer !

Alimentation

Une alimentation simple de +12 V de ce type convient parfaitement pour les circuits intégrés utilisés ici. Attention, les relais devront posséder une tension de commande en concordance avec la tension d'alimentation choisie (12 V en l'occurence) !

Circuit imprimé

Non réalisé.

Historique

14/07/2014
- Ajout infos concernant la commutation de sources audio symétriques (§ Routage des signaux BF).
27/12/2006
- Première mise à disposition.