Conrad 4019631150066 Operation Manual [fr]

Avant-propos

Beaucoup d’entre vous ont attendu le temps de l’Avent avec impatience, pour pouvoir découvrir à nouveau le calendrier électronique avec ses 24 expériences. Le
thème de cette année est « Amplificateurs opérationnels (AOP) et transducteurs acoustiques ». L’accent est mis sur le quadruple amplificateur opérationnel
OPV LM324, qui offre plusieurs expériences intéressantes, notamment avec le transducteur acoustique piézo-électrique. Il est possible de produire divers types de
bruit, et les plus habiles peuvent même construire un instrument de musique simple. Le transducteur piézo-électrique peut aussi être utilisé comme microphone
ou capteur de vibrations, lorsque ses faibles signaux sont amplifiés avec l’AOP.

Toutes les expériences peuvent être montées et testées avec succès, sans aucune connaissance préalable. Les images d’assemblage vous aideront dans ce sens. Si
vous observez cependant bien les schémas de câblage, vous pourrez construire les expériences un peu différemment et économiser un fil çà et là. Le texte décrit
toujours d'abord l’assemblage proprement dit et la fonction attendue. Une brève explication supplémentaire est ensuite généralement fournie. Toutes les notions
électroniques fondamentales ne peuvent bien sûr pas être transmises ici, mais ces informations pourront stimuler la curiosité des uns et des autres à pousser un
peu plus la recherche.

Certaines expériences sont associées à des exercices supplémentaires pour lesquelles des points de solution sont attribués. Vous êtes seul(e) à décider si un
exercice a correctement été résolu, ou alors vous pouvez faire appel à un arbitre, peut-être un membre de la famille ou un ami. Tous les points seront additionnés
à la fin et vous pourrez déterminer si vous êtes déjà un(e) expert(e) en électronique.

Nous vous souhaitons beaucoup de plaisir et de Bonnes Fêtes de Noël !

1 Bruits électriques

La première case renferme un composant central de ce calendrier électronique : un transducteur acoustique piézo-électrique avec fils de raccordement. La
première case comprend également quelques fils. Une batterie de 9V est également nécessaire. Si vous n’avez pas de batterie neuve à portée de main, vous pouvez
utiliser une batterie fortement usagée et devenue trop faible pour les autres appareils. Maintenez les deux câbles du transducteur acoustique piézo-électrique sur
la batterie. Un petit claquement se fait entendre lors de la première connexion. Plus aucun bruit ne se fait entendre lors de la deuxième connexion, puisque le
transducteur acoustique est déjà chargé. Vous pouvez cependant tenir ensemble les deux fils du disque piézo-électrique ou les relier avec un bout de fil pour les
décharger. Un bruit de claquement se fait entendre ici aussi, et un autre lors de la recharge, à condition cependant que les extrémités nues des câbles ne soient
pas en contact direct, car la résistance cutanée peut aussi entraîner une décharge.

Pour information : le disque céramique piézo-électrique est en même temps un petit condensateur avec deux
plaques métalliques et un isolateur au milieu. Les forces électriques entre les charges entraînent la déformation de
l’isolateur, ce qui produit donc un bruit. Lorsque le condensateur est déjà rechargé à 9 V (volts), une nouvelle
connexion avec la batterie ne fait plus aucune différence, on entend donc plus aucun bruit.

Exercice : Vous pouvez générer des craquements à plus fort volume par inversion répétée de la polarité de la
batterie. Si vous parvenez à le démontrer. 2 points.

2 Trouver le contact

La deuxième case renferme une platine enfichable et un clip batterie pour la batterie de 9 V. Les câbles souples du clip batterie sont dénudés et étamés aux
extrémités, ce qui permet de les enficher dans les trous de contact de la platine enfichable. Cependant, ces câbles doivent être enfichés une seule fois et être
maintenus dans la même position. Pour tout déconnecter, il est préférable de déconnecter la batterie du clip, tout en maintenant la connexion des fils de
raccordement. Un petit fil est intégré à la platine pour la décharge de traction, afin d’éviter tout mouvement important des câbles de la batterie.

De même, les câbles de raccordement du transducteur acoustique piézo-électrique doivent être enfichés une seule fois et maintenus dans leur position autant que
possible. La méthode qui consiste à percer des petits trous à travers le film placé à l’arrière de la platine enfichable s’est avérée efficace pour y faire passer les
câbles. Ainsi, les raccords du disque piézo-électrique peuvent toujours être maintenus dans leur position, même si le composant n’est pas utilisé pour certaines
expériences. À propos : peu importe lequel des fils du transducteur acoustique représente le contact supérieur ou inférieur, alors qu’il est indispensable pour la
batterie que le pôle positif (rouge) soit branché en haut.

Construire ce modèle avec un commutateur à fil dénudé. Le raccord supérieur du transducteur acoustique doit être relié en alternance au pôle positif et au pôle
négatif de la batterie. Retirer l’isolation du fil et découper des segments adaptés du fil restant à l’aide d’une pince coupante de côté, à partir desquels les contacts
de commutation seront réalisés. Tous les autres fils de connexion et le morceau de fil réservé à la décharge de traction du câble de batterie conservent leur
isolation au milieu ; seules leurs extrémités seront dénudées sur une longueur d’environ 5 mm. L’isolation en plastique est suffisamment souple pour être retirée

avec les ongles. Alternativement, vous pouvez utiliser un couteau tranchant pour l’entailler tout autour, sans pour autant entamer le fil, au risque de le rompre
facilement. L’expérience peut commencer une fois que tout est correctement assemblé. Vous pouvez charger et décharger le disque piézo-électrique autant de fois
que vous le souhaitez à l’aide du commutateur assemblé. Un produit est alors produit à chaque fois.

La batterie n’est pas impérativement nécessaire ici ! Court-circuiter le transducteur acoustique avec le commutateur et appuyer légèrement sur la membrane avec
un objet pointu. Ouvrir le contact et éliminer ensuite la pression mécanique du disque qui se charge alors en électricité. Un claquement se fait clairement entendre
lorsque le contact est à nouveau branché. Cependant, le disque piézo-électrique ne se charge pas seulement avec une pression mécanique, mais aussi avec un
changement de température. Chauffer le disque en le touchant lorsque le contact est ouvert. Il se recharge et produit un bruit au moment de la décharge. Un
nouveau claquement peut être produit après une petite période de refroidissement.

Exercice : Exposez votre cons­truction au froid à l’extérieur
pendant un moment. Ramenez-la
ensuite au chaud à l’intérieur et
produisez au moins cinq cra­quements consécutifs bien
audibles : 3 points.

3 Charger et décharger

La case 3 cache une résistance de 2,2 k (2,2 kiloohms). Elle est identifiée par trois bagues de couleur (rouge, rouge, rouge). Une quatrième bague dorée indique
la classe de précision de 5%. Connecter cette résistance parallèlement au transducteur acoustique. Elle entraîne alors toujours une décharge rapide. C’est
pourquoi un contact simple suffit dans ce cas. Un bruit se fait entendre à chaque fermeture et à chaque ouverture du contact. Ne pas laisser le commutateur fermé
trop longtemps, car la résistance consomme de l’énergie. La batterie doit autant que possible résister jusqu’à la fin de l’expérience.

Pour information : il est possible d’estimer facilement à quel moment la batterie sera déchargée. L’intensité du
courant est de 9 V divisés par 2,2 k, soit environ 4 mA. Avec une capacité de batterie alcaline de 500 mAh, il
faudrait 125 heures ou
cinq jours environ pour que la batterie soit vide.

Exercice : Construisez deux contacts de connexion et connectez votre résistance cutanée en série par rapport à la
résistance disponible de 2,2 k. La résistance cutanée est d’environ 100 k, de sorte que la décharge se fait plus
lentement et plus silencieusement en cas de faible intensité du courant. La résistance actuelle n’a plus qu’une
fonction de protection et limite le courant en cas de liaison directe accidentelle des contacts du capteur. Vous
pouvez modifier la résistance par des contacts plus ou moins forts. L’objectif est que le claquement se fasse
uniquement entendre à la fermeture du commutateur, et non plus à l’ouverture : 4 points.

4 Éclairage et son

Ouvrez la case 4 et vous y trouverez une diode électroluminescente (LED) rouge. Montez le voyant LED dans le circuit positif de votre construction. Cela vous
permet de voir à quel moment le commutateur est fermé et à quel moment le courant circule. Il faudra tenir compte de la polarité lors du montage du voyant LED.

Le voyant LED a deux raccords différents. Le fil court est le pôle négatif (cathode), le fil long est le pôle positif (anode). Une fois que le voyant LED a été monté, il
devient difficile de déterminer quel est le fil court. Il existe cependant un deuxième marquage. Le bord inférieur large est aplati côté cathode. En outre, le grand

support à l’intérieur des voyants LED est relié à la cathode sur tous les voyants LED de ce calendrier.

Pour information : En cas de connexion en série, la tension de batterie de 9 V est répartie entre les différents
consommateurs. Le voyant LED a maintenant une tension d’environ 2 V, tandis que la résistance en a 7. Étant
donné que la tension du haut-parleur piézo-électrique n’est elle aussi plus que de 7 V, le claquement est un peu
plus faible à l’actionnement du commutateur. Notre ouïe étant pourtant habituée à de plus grandes plages de
volume différentes, cette petite différence passe pratiquement inaperçue.

Exercice : Actionnez le contact de commutation de sorte que les deux fils ne se touchent que légèrement ou
ne se frottent que légèrement. Cela se traduit par un bruit de grattage dans le haut-parleur, comme c’était
souvent le cas avec les anciens téléphones. Le contact n’est ni complètement fermé ni complètement
ouvert. Le voyant LED produit alors une lumière vacillante. Il faut cependant faire preuve de beaucoup
d’habileté pour obtenir cet effet : 4 points.

5 Le circuit intégré a-t-il bien atterri ?

Ouvrez la cinquième case. Celle-ci renferme la pièce maîtresse de ce calendrier, le quadruple amplificateur opérationnel LM324. Ce circuit intégré (Integrated
Circuit (IC)) à 14 pattes de connexion contient quatre amplificateurs individuels ayant chacun deux entrées et une sortie. Ces différents amplificateurs sont
interchangeables, alors que les deux raccords de la tension de service ne peuvent jamais être inversés, cela risquerait sinon d’endommager irréversiblement l’IC.
Le pôle positif se trouve sur la broche 4, tandis que le pôle négatif se trouve sur la broche 11. Sur une platine d’expérimentation, le pôle positif se trouve
généralement en haut et le pôle négatif en bas. L’IC doit donc être utilisé de telle sorte que le marquage soit à l’envers.

Imaginez que le quadruple AOP soit un vaisseau spatial qui doit atterrir sur Mars. Tout le monde attend impatiemment un premier signe de vie qui prouve que le
vaisseau a bien atterri. Dans le cas d’espèce, ce signe de vie est donné par l’activation du voyant LED rouge. Et la résistance empêche tout dommage s’il arrivait
qu’une erreur se produise. Contrairement à l’atterrissage sur Mars, on pourrait tout corriger aisément et recommencer l’expérience.

Pour information : Un amplificateur opérationnel amplifie la différence de tension entre ses
deux entrées. En cas de différences plus importantes, la sortie est soit complètement activée,
soit complètement désactivée. Dans ce cas, la tension à l’entrée+- est supérieure à la tension
à l’entrée--, raison pour laquelle le voyant LED est allumé. L’IC utilise normalement la
tension de service à plein régime, sauf que, cette fois, la résistance de protection se trouve
encore dans le circuit positif ici.

Exercice : Transformez la connexion de telle sorte qu’un autre amplificateur soit utilisé parmi
les quatre disponibles (1 point). Ou testez directement avec tous les trois autres amplifica­teurs (3 points).

6 Capteur de contact

La case 6 laisse apparaître une résistance de 330 k (orange, orange, jaune). Réalisez une connexion avec une entrée AOP ouverte. Deux fils à extrémités

dénudées mènent à l’extérieur. En mode normal, le voyant LED est allumé. Il s’éteint en cas de raccordement des deux fils d’entrée. Il suffit de toucher les deux fils
du doigt, car la conductivité de la peau suffit pour modifier l’état. Si vous touchez un seul fil au niveau de l’entrée+-, le voyant LED peut s’allumer ou s’éteindre, et
parfois même vaciller. Si des lignes électriques se trouvent dans les environs, le haut-parleur peut produire un ronflement ou un ronronnement.

Pour information : La tension entre les deux entrées est amplifiée de 10.000 fois
environ. Dans ce cas toutefois, l’entrée inverseuse (–) est directement reliée à la
sortie. La contre-réaction ainsi créée réduit l’amplification de tension à un. Ainsi, la
sortie a presqu’exactement toujours la même tension que l’entrée non inverseuse
(+). L’amplification de tension est certes d’une fois seulement, mais l’AOP fournit
une très grande amplification en courant. C’est pourquoi l’amplificateur est sensible
aux faibles signaux parasites.

Exercice : Touchez faiblement l’anode LED et l’entrée. Le voyant LED ne doit pas
complètement s’éteindre, mais éclairer faiblement : 4 points.

7 Luminescence en cas de contact

La septième case renferme un tout nouveau composant, à savoir un condensateur de 100 nF (nanofarad). Il s’agit d’un condensateur céramique disque portant
l’inscription 104 (100 000 pF, picofarad). Intégrez-le dans le circuit. Le voyant LED est cette fois-ci raccordé au pôle positif, ce qui inverse le mode veille. En mode
normal, le voyant LED est éteint. Il s’allume cependant si vous court-circuitez les fils ou les touchez du doigt. Il reste alors longtemps luminescent et ne s’éteint que
lentement. On pourrait en faire une veilleuse qui s’allume sur simple contact et s’éteint automatiquement.

Pour information : Cette connexion ne fonctionne pas avec n’importe quel AOP,
mais elle est dépendante d’une caractéristique particulière de ce type exactement.
Le LM324 contient des amplificateurs opérationnels bipolaires avec étages d’entrée
PNP qui fonctionnent jusqu’à la tension négative et même encore plus en-dessous.
Le courant de base des transistors d’entrée est d’environ 30 nA, soit 0,03 µA. Ce
très petit courant ne charge que lentement le condensateur à l’entrée. La tension
d’entrée augmente d’environ 0,3 V/s. Il faut donc attendre un peu plus de 20 s pour
que la tension dépasse 7 V et que le voyant LED s’éteigne.

Exercice : Touchez faiblement les entrées de telle sorte que le voyant LED ne
s’éteigne pas, mais reste uniformément en luminescence. Vous devez vous-même
déterminer comment former la bonne résistance avec vos doigts : 3 points.

8 Commande d’éclairage

Un nouveau voyant LED apparaît derrière la case huit. Il est vert et doit être relié à la sortie de l’AOP à la place du voyant LED rouge. Le voyant LED rouge est quant
à lui réaffecté : il devient une photodiode, et donc un capteur de lumière efficace. Veuillez tenir compte du sens de montage avec la cathode à l’entrée de l’AOP. Le
voyant LED vert s’allume si vous éclairez le voyant LED rouge avec une lampe de poche éblouissante.