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Electronique (1)
Un dispositif anti buée pour Strock 250(1)
Introduction
Il peut arriver, durant les nuits d'automne, que l'on soit obligé d'interrompre l'observation parce que le miroir secondaire se couvre de buée.... et, contrairement aux oculaires, il n'est pas facile de le mettre bien au chaud dans sa poche !
Il faut alors avoir recours à un chauffage électrique qui empêchera la température du secondaire de chuter.
Cet article décrit une réalisation, assez générale pour s'appliquer aux autres cas de buée, et un peu plus évolué que les montages tout ou rien à interrupteur manuel.
Objectifs
Les critères pour réaliser l'anti-buée étaient, dans l'ordre de priorité :
- Une consommation minimale
- Un système automatique débrayable
- Un large choix de la tension batterie et puissance de chauffage
- Un système intégré dans le strock
Pour obtenir une consommation minimale, il faut n'appliquerà la résistance chauffante que le strict minimum de puissance. On a donc choisi un montage basé sur des impulsions de courant envoyées aux résistance de chauffage ; le rapport cyclique des impulsions varie avec la différence de température entre l'air et le miroir
Le système sera doté d'un interrupteur autorisant les positions on / off/auto
Le système n'exigera pas de tension régulée mais supportera une tension batterie de 4 à 12 Volts ou plus. L'intensité de courant dans la résistance pourra atteindre plusiers ampères si souhaité.
Le tout devra se loger dans la cage du secondaire.
Principes
Branchements
Le miroir secondaire est entouré d'un fil résistant pour le chauffage et d'une thermistance sur le centre arrière pour le contrôle de température.
Les 2 fils connectés à la résistance chauffante et les 2 fils connectés à la thermistance sont collés sur les tiges de l'araignée et sont branchés sur une carte située dans l'épaisseur de la cage du secondaire. Cette carte est fixée à la cage du secondaire par l'interrupteur et la fiche jack d'alimentation. Un petit trou dans le ctp permettra de régler le zéro à l'aide d'un petit tournevis
La pile ou batterie est libre (poche de l'observateur ou fixée à l'extérieur de la cage ou posée à terre....) son branchement se fait à l'aide d'une fiche jack.
Une led permet de visualiser les impulsions de chauffage.
Electronique
Deux thermistances sont utilisées pour connaître la différence de température air-miroir. L'une est soudée sur le circuit électronique, l'autre est collée à l'arrière du miroir.
Un ampli opérationnel permet de sortir une tension proportionnelle au deltaTemp. Le zéro est réglable et dépend des thermistances. Il n'est pas utile de pouvoir régler le gain.
La génération des impulsions ayant un rapport cyclique dépendant du deltaTemp est réalisée par un comparateur prenant en entrée le résultat de l'ampli op ci dessus et une dent de scie générée par un astable.
Un transistor Mosfet permet une sortie de puissance vers la résistance chauffante.
Schéma électronique
Ci dessous le schéma électronique (cliquez dessus pour une taille normale)
Les thermistances utilisées sont des CTP (coefficient de température positif) TSP102K ayant une sensibilité d'environ 0,7% /°C et une valeur typique d'environ 820 Ohms à 0°C.
Toute autre CTP ayant environ la même valeur de résistance et sensibilité est utilisable.
Le montage en différentiel (les CTP sont linéarisées avec une résistance de 2.7K) nous donne donc en entrée de l'ampli opérationnel :
VAB = V+( Th1/(Th1+(R10+R11+R2) ) - Th2/(Th2+R1)) = 1.474*10-3*V+/°C
En sortie de l'ampli opérationnel, nous aurons donc une tension :
Vout = VAB (1+ (R4/R9)) = 68.8*10-3*V+ /°C
La dent de scie, générée par le circuit NE255 et appliquée en entrée du comparateur se situe entre (1/3) V+ et (2/3)V+ donc a une amplitude de V+/3 .
On a donc un passage de 0% à 100% de la puissance de chauffage sur un différentiel de température de 0 à 4,85 °C .
Il est tout à fait possible d'augmenter la sensibilité (augmenter la résistance R4) .
Mais ceci serait au détriment de la stabilité et il vaut mieux pouvoir appliquer une puissance importante manuellement (si on a oublié de brancher le circuit et qu'on veut évacuer très rapidement la buée ) et travailler avec un rapport cyclique très faible en continu .
Enfin, augmenter la sensibilité induirait des ajustements très fins des positions capteur et résistances chauffantes sur le secondaire pour éviter des oscillations liées au modèle thermique de l'ensemble
Noter que, pour augmenter le rendement, on peut supprimer la diode de protection D2 -ce qui a été fait pour le circuit prototype- . Le risque d'inversion de polarité est faible avec une fiche jack.
L'interrupteur est à 3 positions (on/off/automatique)
Enfin, le transistor Mosfet utilisé autorise plus d'une dizaine d'ampères et a une résistance de conduction de 0,16 Ohms. On se passe donc de radiateur tant qu'on reste aux environs de 2A (soit un chauffage d'une dizaine de watt sous 6Volts!).. au delà , il faudrait songer à éloigner la thermistance de mesur de l'air ambiant et la caler à quelques dizaines de centimètres hors du circuit imprimé et du flux d'air réchauffé par le transistor.
Voici la liste des composants :
Part Value Device C1 100nF condensateur découplageC2 100nF condensateur découplageC3 100µF condensateur chimique 25V C4 100nF condensateur découplageC5 100nF condensateur découplageC6 3.3µF condensateur tantale 25VC7 100nF condensateur découplageC8 100K résistanceC11 100µF condensateur chimique 25V D1 1N4933 diode protection 1A D2 diode protection 15A IC1 LM358N double ampli op. IC3 NE555N monostable J1 connecteur 2 ptsJ2 DCJ0202 fiche d'alimentation J3 connecteur 2 pts LED1 LED 3MM Q2 IRF530 transistor mosfet R1 2.7K résistance R2 220 résistance variable R3 TSP102K thermistance 1K 0.7%/°C
R4 560K résistance R5 1.2K résistance R6 2.2 K résistance R7 68K résistanceR8 68K résistanceR9 12K résistanceR10 2.2K résistanceR11 390 résistanceS1 interrupteur 3 positions
Circuit imprimé et montage
Le circuit imprimé et le montage ne posent pas de difficultés particulières...
On cablera les straps en premier (dont certains se trouveront sous des composants) et on fera attention à bien positionner la fiche jack femelle pour respecter la polarité d'alimentation (+ au centre de la fiche).
Soudez la Led de manière à ce qu'elle affleure la cage du secondaire une fois la circuit imprimé monté sur le Strock.
Vous trouverez ci dessous le schéma du circuit imprimé (côté composant) et celui du placement des composants. Cliquez dessus pour l'obtenir en format JPG 400 DPI.
Thermique
Les capteurs de températures doivent être traités avec attention.
La spécification des capteurs nous indique que leur coefficient d'échauffement à l'air libre est de 10mW/°C. On calcule que, sur le montage, chaque thermistance va dissiper 6mW sous 9 Volts donc la température de la thermistance à l'air libre est supérieure à la température ambiante de 0,6°C.
Mais, me direz-vous, nous calculons un différentiel donc, une fois réglé, ces 0.6°C ne nous gènent pas....
Faux :
- Car on veut pouvoir travailler avec une tension variable (une pile ou une batterie n'ont pas la même tension une fois déchargées) et la puissance dissipée varie avec le carré de la tension.......
- Et le coefficient d'échauffement n'est pas identique dans les 2 thermistances (l'une est associée au miroir secondaire, l'autre à l'air libre...
On veut garder un schéma simple et ne pas stabiliser la tension.... donc il faudra :
- Assurer un bon couplage thermique avec le miroir : coller la thermistance au dos ou mettre de la graisse conductrice entre la thermistance et le miroir
- Coller sur la thermistance de mesure de température de l'air libre un petit carré d'aluminium noir pour diminuer le coefficient d'échauffement
Le résultat sera une augmentation de la constance de durée thermique (à vide, elle vaut 3 secondes) mais on peut penser que la température extérieure ne varie pas très rapidement !
Enfin, le couplage thermique entre résistance chauffante et thermistance doit être ajusté expérimentalement : on pourrait envisager de coller la thermistance au centre dos du miroir et mettre la résistance en spirale également sur le dos....
- Un couplage trop fort ne réchauffera pas le miroir (la résistance chauffe la thermistance)
- Un couplage trop faible oscillera (la thermistance détectera trop tard que le miroir est à température)
Réglages
Le seul réglage est celui du zéro à l'aide de la résistance variable... Veillez à le faire avec la longueur (et la section) définitive des fils de connexion à la thermistance. Assurez vous également que les 2 thermistances soient à la même température (mettez les en contact pour en être sûr). Réglez alors la résistance pour être juste en dessous de l'apparition des impulsions de chauffage... (Ce réglage est accessible une fois le dispositif monté mais sera alors moins précis....)
Une goutte de vernis à ongle pour caler la résistance variable et le travail est fini.... reste à monter l'ensemble dans le strock .
Prototype
La photo qui suit montre le prototype assemblé (quelques retouches du circuit imprimé ont eu lieu mais l'implantation n'a globalement pas changée).
A gauche, la fiche jack femelle et à droite l'interrupteur à 3 positions : ces 2 éléments servent à fixer la plaquette dans la cage du secondaire.
La fiche en haut à droite sert à brancher la résistance chauffante.
La diode D2 a été remplacée par un strap
Le transistor de puissance est à l'horizontale, face métal vers le haut.
Evitez d'utiliser des supports de circuit intégrés : vu leur faible prix, évitez les risques de contacts oxydés et soudez les directement sur le CI
La thermistance de mesure de température de l'air est en bas à droite à côté de la résistance variable de réglage du zéro: on veillera à fixer la plaquette en gardant le transistor mosfet en haut pour que la chaleur ne perturbe pas cette thermistance. Sur ce proto, on n'a pas collé de petit radiateur sur la thermistance.
Enfin, et c'est indispensable compte tenu de l'environnement, recouvrez la face cuivre du circuit imprimé par une couche de vernis pour éviter les oxydations .
Conclusion
Ce montage est plus général que sa simple utilisation pour le secondaire d'un strock et doit pouvoir s'appliquer à tout dispositif chauffant anti buée. Son intérêt principal étant une consommation d'énergie de chauffage limitée au strict minimum.
Il reste aujourd'hui à tester ce montage dans un environnement réel et faire éventuellement les retouches et réglages qui s'avèreraient nécessaires.
Gilles
(1) Le strock 250 est décrit dans les pages de son concepteur Pierre Strock http://strock.pi.r2.3.14159.free.fr/
et sur le site web du club Magnitude78 http://www.astrosurf.com/magnitude78/ .. et sur ce site.
