ELECTRONIQUE ET MICROSCOPIE

 

 

 

 

 

Que vient faire ici l'électronique dans un magazine consacré à la microscopie? D'accord, les composants électroniques se font de plus en plus petits mais quand même !

L'expérience montre que des modifications de l'éclairage des microscopes/loupes (adaptation de LEDs par exemple), remplacement d'une source d'alimentation ou ampoule disparue sur un micro d'occasion… peuvent poser problème aux amateurs microscopistes. D'autres questions du même type peuvent apparaître, auxquelles l'électronique peut apporter une réponse : comment alimenter sur secteur un accessoire gourmand en énergie , réaliser un indicateur simple qui montre si on ne sur-alimente pas la led, prendre des images à la web cam sans toucher aux boutons de la souris (3° main !) , faire du mode image par image avec une cadence variable au cours du temps, et pourquoi pas des réalisations plus ambitieuses : afficher numériquement les coordonnées de la platine XY pour retrouver un objet, construire une platine chauffante ou réfrigérante….

D'ou ce petit recueil décrivant sommairement les composants électronique les plus utiles, les caractéristiques qui permettent de bien les acquérir et quelques schéma basiques. Après cette lecture vous ne serez pas des " aigles " en électronique mais vous pourrez reconnaître les composants les plus courants et savoir comment les acheter.

 
     
 

Quelques rappels :

Préfixes : appliqués à une grandeur physique les préfixes ci dessous la multiplient par la valeur indiqué au dessous d'eux : la deuxième ligne est le symbole du facteur multiplicatif:

micro
milli
Unité
Kilo
Mega
Giga
µ
m
selon
K
M
G
0.000 001
0.001
1
1 000
1 000 000
1 000 000 000
1 / 1 000 000
1 / 1 000
1
X 1 000
X 1 000 000
X 1 000 000 000
 
Un kilo volt = 1 KV = 1000 V (ici le symbole de la grandeur est V comme Volt !)
un milliAmpère = 1 mA = 1/1000 d'Ampère ou 0,001 Ampère


 
     
 

Nature du courant :

Courant Continu : symbole = : exemples de générateurs : pile, accumulateur, batterie de voiture, alimentation stabilisée…caractérisé par la présence d'un pole + et un - : ne circule que dans un sens du + au -. Le courant est mesuré en Ampéres , la tension délivrée par la source : en Volts

Alternatif : symbole : ~ : exemple secteur 220 volts : change de sens 50 fois par seconde (Fréquence = 50 Hertz) donc circule dans les deux sens !. A la différence du continu : la tension peut être abaissée ou élevée avec un transformateur.

 

  La tension EFFICACE de l'alternatif (220 ici) est celle qui produirait la même dissipation de chaleur qu'un courant continu dans une même résistance. La valeur crête de l'alternatif est égale à √2 (racine carrée de 2) fois la valeur efficace (soit 1,4 fois)  

D - Dangers du courant : des que l'on travaille sur des TENSIONS supérieures à 48 volts il y a DANGER MORTEL. S'il faut ABSOLUMENT faire des mesures avec le secteur branché , ne travailler que d'une seule main (garder l'autre dans le dos ) pour éviter le passage de courant entre les bras pouvant engendrer un arrêt cardiaque. Si vous n'êtes pas SÛR de ce que vous faites, faites vous aider par un ami électricien


A - LES COMPOSANTS PASSIFS

 

 
-Résistances :

Unité Ohms ou Ω : leur rτle est de limiter le courant qui traverse un circuit en créant à leurs bornes une chute de tension (U=RI) ** MAIS attention cela produit dans le composant une dissipation d'énergie sous forme thermique (elle chauffe !) qu'elle doit pouvoir supporter : il existe donc plusieurs modèle de résistance de différentes puissances pour une même valeur (en Ohms) . La puissance dissipée est P = RI² : exemple 2 ampéres dans une résistance de 3 ohms = 12 watts (cela commence à chauffer sérieux !) la chute de tension , vous l'aviez deviné, est de 6 volts dans R. On pourrait s'en servir pour alimenter sous 12 volts = une ampoule de 6 volts consommant EXACTEMENT 2 ampères ! puisque ayant perdu 6 volts dans R il n'en reste plus que 6 sur les 12 pour alimenter l'ampoule ! Seules les résistances de puissance ont leur valeur marquée en clair. Pour les petites(1/4 , ½, et 1 Watt ) il y a un code de couleurs que je vous laisse le soin de chercher sur internet !

Toutes les valeurs n'existent pas commercialement pour les résistances : elles suivent la série (E 12 la plus courante - avec ses multiples) :

 
1 - 1,2 - 1,5 - 2,2 - 2,7 - 3,3 - 3,9 - 4,7 - 5,6 - 6,8 - 8,2 - 10



 

** Loi d'Ohm : U = R x I (I =1 Ampère est le COURANT qui passe dans une résistance R de 1 Ohm soumise à une tension U de 1 volts. (ou I = U/R)

Si la résistance = 1 KO (kilo ohms soit 1000 ohms) le courant sous 1 volt sera de … 0,001 A soit 1 milli ampère : ce n'est pas plus compliqué !)

Associations de résistances : en série leur valeurs s'ajoutent (pas de problème) ; en // cela se complique : la formule donnant la résultante est R1xR2/(R1+R2) . Noter que si les résistances sont égales la valeur résultante est la moitié R1=R2 donc R// =R1/2. La bonne nouvelle est que le courant est 2 fois moindre dans chaque et que la puissance dissipée par chacune est … divisée par 2 : exemple : 2 ampères dans 2 ohms : P = RI² = 8 watts !

Je mets deux résistances 4 ohms en // résultat = 2 ohms mais le courant dans chacune est de 1 A donc P= 4 w, si j'en mettais 4 de 8 ohms en // P=2 watts dans chaque , cela peut être économique car une R de puissance 8 W est bien plus chère !

 
     


 

 

-Potentiomètre :

Il ne mesure rien comme son nom semble l'indiquer : c'est en fait une résistance avec deux bornes extrêmes où se mesure sa valeur de résistance et une borne intermédiaire correspondant au curseur qui est manœuvré par un axe. La courbe de variation de la résistance entre la borne du curseur et l'extrémité gauche peut être linéaire ou logarithmique. A préciser lors de l'achat (LIN est plus utile) ! La formule qui gère le facteur de division du pot et donne la tension sur le curseur en fonction de la résistance est  : V =U x Rc/Rh+Rc, Rc étant variable avec l'angle de rotation du curseur qui fait moins d'un tour. Il existe cependant des pot 10 tours pour des réglages fins…

-Condensateurs :

Unité de capacité le Farad : F : on utilise plutôt le micro farad : µF: leur rôle est de constituer une réserve d'énergie (un peu comme un réservoir) . Ils servent entre autre au filtrage de tensions alternatives redressées (voir ce terme au chapitre Diode) . Leur valeur se mesure en Micro farads pour cet usage. Attention : il ont une tension de service maximale qu'il ne faut jamais dépasser sinon ils sont détruits (claqués) ; par exemple pour une tension de 12 volts on utilisera de préférence des condensateurs 25 volts ou mieux 63 volts. Les capacités suivent une série E12 comme pour les résistances.

 
 
 
 

 

Association : c'est l'inverse des résistances : deux condensateurs en // ont leur valeurs qui s'ajoutent ! donc en série … ? sans intérêt en pratique ici !

 
-Transformateurs :

Utilisables UNIQUEMENT en alternatif : le rapport de transformation est le nombre de spires au secondaire sur celui du primaire. Les tensions délivrées sont indiquées en tensions efficaces ainsi que le Courant maximal utilisable sur chacune des sorties (d'autant plus important que le diamètre du fil est gros) . Les transformateurs sont vendus pour une puissance totale donnée : ainsi un transfo 24 VA ET sortie 12 volts pourra délivrer 12 volts sous 2 ampères au secondaire . S'il a aussi une sortie 6 volts celle ci pourra donner 4 ampéres MAIS pas en même temps que les 12 volts !

 
-Fusibles :

Ils sont chargés de protéger un circuit où ils ont placés en SERIE, en fondant rapidement sous l'action d'un courant excessif : le courant de fusion est indiqué dessus : par exemple 1 A F (fusible Rapide 1 ampère (F comme FAST) ou 2 A T (2 ampéres Temporisé : utile s'il y a des pics de surtension importants à la mise en route) )

-Radiateurs :

Pour évacuer les calories des composants par échange avec l'air voire par ventilation forcée (ventilateur ) ceux ci peuvent être fixés sur des radiateurs : blocs d'aluminium à ailettes dont la surface doit être d'autant plus grande qu'il y a de chaleur à évacuer. Il existe des formules permettant de calculer celle ci . On utilise une graisse thermique blanche pour améliorer le contact du boîtier avec le radiateur. Attention ! le boitier métallique du transistor ou circuit intégré est relié électriquement en interne à une de ses électrodes donc il faudra isoler le radiateur de tout contact avec une autre partie du circuit !!!

 
 
 

 

 
- Circuit imprimé :

Ce n'est pas à proprement parler un composant mais il sert de support pour les souder et il réalise leur interconnexion grâce à des PISTES conductrices en Cuivre interconnectant les composants, ce qui augmente la fiabilité du montage .Il s'agit d'une plaque isolante de verre époxy (vert) ou de bakélite (marron) de 1,5 mm d'épaisseur sur laquelle est fortement collée une feuille de cuivre de 35 µm d'épaisseur elle même recouverte d'une couche de protection photo sensible. Par attaque chimique à partir d'un dessin de circuit transféré par insolation aux UV on grave les pistes selon le schéma, et on perce les pastilles de connexion avant d'y souder les composants.A gauche circuit imprimé percé - à droite pastilles à trous à câbler

 
 
Pour des circuits simples (5 à 6 composants ), on peut découper des pistes droites avec une petite meule sur une mini perceuse.
 



B - LES COMPOSANTS ACTIFS:



 

Semiconducteurs : ils sont désignés par un code alpha numérique correspondant à leur constructeur d'origine, mais repris ensuite en équivalence par d'autres constructeurs qui définit leur fonction.

- Diodes :

Ont la particularité de laisser passer le courant dans un seul sens MAIS provoquent un perte de tension de 0,6 volts : servent à redresser le courant alternatif par exemple. Elles sont données pour un courant de service maxi et une tension maxi (comme les condensateurs) . Le courant circule dans les sens anode à cathode , celle ci étant identifiée par un trait.

- LED :

(Light Emiting Diode ) ce sont des diodes particulières , également polarisées, qui émettent de la lumière . La chute de tension va de 1,6 volts pour les rouges, 1,9 pour les vertes et 3,9 V pour les blanches (sous le courant de service nominal à ne pas dépasser ). Voir leurs feuilles de caractéristiques ou data sheets fournies par le constructeur
(Voir par exemple : http://www.alldatasheet.com )

 
- Transistor :

C'est un élément amplificateur de courant qu'il puise dans l'alimentation à laquelle il est relié. Comme les diodes il est prévu pour un courant et une tension maxi (pas les deux à la fois, car il a aussi une puissance limitée et il en existe donc de plusieurs types comme les résistances ) Il y a deux types de transistors NPN et PNP avec des polarités de branchement inversées. De plus, ils sont caractérisés par leur gain en courant β (bèta) de l'ordre de 50 à 200 fois . L'électrode de commande est la base et le courant principal circule du Collecteur vers l'Emétteur (dans un NPN).

 
     

 

 

 
-Circuits intégrés :

Ce sont des assemblages de transistors et résistances miniaturisés ayant une fonction bien déterminée mais dont certains paramètres peuvent être ajustés de l'extérieur : pour ceux qui nous intéressent ici citons les régulateurs de tension à tension de sortie fixe et variables , prévus également pour une tension d'alimentation, courant et puissance donnée et les amplificateurs opérationnels. La possession de leur ‘data sheet' avec leur schéma de brochage est indispensable pour les utiliser au mieux !

 
 

 

 

 
C - Les outils :

 

 

(a minima) : pour assembler les composants la soudure reste le moyen le plus fiable. Elle est constituée par des rouleaux de fil d'alliage étain/plomb (60%/40%) contenant une résine décapante, qui fond vers 350 ° C à l'aide d'un fer à souder électrique. Pour le choix de celui ci une puissance de 30 à 60 watts est suffisante. S'il y a deux ou trois composants on peut se contenter de blocs de jonction à vis.


 
 
- Le multimètre :

= Contrôleur universel :

Il permet la mesure des tensions, courants en = et alter ainsi que des résistances. Voici les montages élémentaires pour la mesure. Il faut toujours sélectionner le calibre plus élevé que la grandeur à mesurer : par exemple pour 12 Volts se placer sur le calibre 20 V . Attention cependant à ne pas mesurer une tension en position ampèremètre (court circuit assuré !) ou ohmètre) : en général un fusible interne protège l'appareil mais pas toujours…
 
     

 

Branchement :

Voltmètre en // sur le circuit à mesurer Ampèremètre en SERIE

 
 
 
 
Ohmetre : mesure les résistances ou la continuité d'un circuit (il affiche R=0 dans ce cas) : le circuit mesuré doit être hors tension . L'ohmètre a sa propre pile interne, et la résistance à mesurer doit être débranchée du circuit au moins d'un coté pour éviter de fausser la mesure .
 
  Avec une diode : dans le sens passant il indique environ 0,5 volts et l'infini dans le sens inverse et possède une position SPECIALE pour ce test. On peut aussi voir sur cette position si un transistor est coupé

 
 

 

D - QUELQUES MONTAGES SIMPLES :

 

 

 

La présentation des composants vous ayant mis en appétit, voici quelques exemples de montages de difficulté progressive et commentés : noter qu'ils peuvent être associés entre eux !
Note préliminaire :
comme on l'a vu, les composants ont des caractéristiques physiques limitées : puissance, tension de service, courant maxi…il est donc prudent d'appliquer un facteur 1,5 à 2 sur ces valeurs extrêmes : par exemple le calcul donne pour un transistor une puissance dissipée de 8 watts. Ne pas prendre un modèle 10 watts mais plutôt un 15 watt ! Pour filtrer une tension redressée de 20 volts ne pas prendre un condensateur isolé à 25 volts mais plutôt à 50 volts ! Réaliser le montage progressivement en testant chaque partie séparément (et ne pas oublier de débrancher l'alimentation principale avant d'intervenir dessus !!. Deuxième précaution : si vous n'êtes pas sûr à 100 % de ce que vous faites demander conseil à quelqu'un.

 

 
 
- MONTAGE 1 : Faire du continu à partir de l'alternatif

Par exemple 12 volts continu 1 ampère à partir du secteur 220 volts : Il nous faut un transformateur 220/12 volts 12 VA ou plus, 4 diodes de redressement, un fusible 0,5 ampères (oui c'est bien 0,5 A car il est au primaire ! ) : NB les diodes sont montées en " pont " pour redresser les deux alternances : schéma du centre. ( Le schéma de gauche ne semble pas avoir d'intérêt… pourtant , compte tenu du fait que la valeur efficace est réduite de moitié, une ampoule 12 volts alimentée ainsi en mono alternance aura une puissance (d'ou un éclairement) 4 fois moins grande ! Petit problème : un léger scintillement apparaît puisqu'elle n'est alimentée qu'une alternance sur 2. :

 

 

 

 
- MONTAGE 2 : Alimentation à deux "vitesses"

Exemple d' alim à 2 vitesses pour lampes de microscope alimentées en alternatif ! (ne convient pas pour LEDS !) )

 
     
     

 

 
- MONTAGE 3 : Faire du continu à partir de l'alternatif

M3 : Si l'on veut un courant plus " continu " il faut rajouter un condensateur de filtrage dont la valeur sera de l'ordre de 1000 à 2000 micro farads selon ce que l'on accepte en ondulation résiduelle. MAIS attention nous allons nous retrouver avec 12 x 1,4 = 16,8 volts efficaces car la tension continue filtrée est quasiment égale à la valeur crête (En toute rigueur il faut retirer 2 x 0,6 volts : chute de tension dans les redresseurs soit 16,8 –1,2 = 15,6 v)

 
 
 

 

 
- MONTAGE 4 : alimenter une LED en 12 Volts

M4 Alimenter une led à partir d'une tension continue  de 12 volts de M3 Le filtrage est indispensable avec une LED Led Blanche 8000 milli candelas avec courant 20 mA : calcul de la résistance : il doit passer 20 mA dans la led avec une perte de 3,9 volts à ses bornes, donc R = U/I soit (15,6 -3,9)/0,02 A = 11,7/0,02 = 585 ohms (valeur qui n'existe pas : les plus proches sont 560 et 680 ) . En pratique 680 convient

 
     

 

 
- MONTAGE 5 : Eclairement variable.

On rajoute en série un potentiomètre monté en résistance variable (plot du milieu et d'une extrémité soit 2 plots utilisés sur les 3 )

- MONTAGE 6 : Alimenter la Luxeon en 12 V (350 mA)

Alimenter une led de puissance LUXEON (350 mA) en 12 volts : si on adopte le même calcul la résistance serait de 11,7 /0,35 : 33 ohms (‘En pratique 33 ohms existe) MAIS calculons la puissance dans R : P = RI² soit 33 * (0,35x0,35) : 22 * 0,12 = 4,04 watts : il faudra une résistance plus grosse (on prendra minimum une 5 watts)  ! Sachant qu'il n'y a pas de potentiomètre supportant 4 watts on ne pourra pas utiliser un principe aussi simple qu'en M5 pour faire varier l'éclairement.

- MONTAGE 7 : Alim régulée de précision 6V 15 Ampères.

Faire une alimentation régulée de précision fixe (ALIM APN ) 6 volts 1,5 ampère : on utilise un régulateur intégré LM 317 : pourquoi celui là : parce qu'il est ajustable . il y a des modèles fixes en 5, 12, 15 volts mais difficile à trouver en 6 ou 8 volts !! NB : le LM 317 est protégé contre les courts circuits en sortie mais il devra être monté sur radiateur. Ces régulateurs doivent être ‘encadrés' par des condensateurs de faible valeur : 0,1 µF pour éviter des oscillations (mais ici cela a peu d'importance)   

 

 
     

 

 

- MONTAGE 8 : Variante d'alimentation 6 Volts

J'ai un régulateur 5 volts fixe (limité à 1 ampère en sortie) : on ‘relève' la référence de tension sur la patte reliée à la masse (0 volts) en y plaçant 2 diodes en série pour avoir 1,2 volts de décalage : la sortie donne 5+1,2 volts = 6,2 volts (acceptable)

- MONTAGE 9:Alimentation variable 1,5 à 12 V et 1,5 Ampères 

Mmême schéma mais avec un potentiomètre : noter la résistance R1 en série avec celui ci (‘butée') qui évite de dépasser 12 volts en sortie . La tension est donnée par la formule du dessin où 1,25 volts est la référence de tension interne du LM 317 NB avec la version LM 317 KH on peut aller jusqu'à 3 ampères avec un radiateur bien plus gros ! (il faut que le transfo soit alors au moins un 36 VA ou mieux 40 VA)

- MONTAGE 10: Faire varier l'éclairage de la Luxéon.

Utiliser mon alim du M9 pour faire varier la lumière de la luxeon : on rajoute une résistance série de 22 ohms 5 watts : on contrôle ainsi le courant dans une gamme de 0 mA à 360 mA.

Variante : utiliser l'alim M9 pour alimenter des leds 20 mA (anneau pour loupe bino par exemple) . Le montage pilote 24 leds mais on peut encore y ajouter des ‘branches'

 
     

 

 
- MONTAGE 11 : Thermomètre électronique.

J'en ai assez de casser mes thermomètres en verre pour aller mesurer la température d'un prélèvement . L'électronique vient à notre aide grâce à un circuit intégré spécial le LM 335 , qui donne une sortie de 0,01 volts (10 milli volts) par° … C ! (à + ou 6 1 °) Le modèle LM 35 DZ à une précision de + ou - 0,6°)

 
     


 

Le montage est hyper simple : L'indicateur de mesure sera notre multimètre sur la gamme 2,000 volts, si j'ai 20 ° la sortie de IC est de 0,2 volts sur la gamme 2,000 V du multimètre l'affichage sera donc de . 200 le dernier chiffre indiquant le 1/10 de ° (Déplacer mentalement le point décimal !). monter le boîtier plastique du circuit dans un tube étanche (avec de la graisse thermique) si vous voulez le plonger dans l'eau 

Bon, cela vous a plu ??? Il y a pas mal de choses à faire en électronique et on peut aussi optimiser des montages existants .Pour en savoir plus : voir ce site très bien fait http://perso.wanadoo.fr/f6crp/elec/index.htm