PRINCIPE

Etude d'un système d'interphones audio, compatible d'un réseau cablé RS485

 


La transmission audio est en différentiel pour éviter les parasites et s'affranchir du mode commun lié à l'alimentation distante.

 

Un seul bouton pour mettre en route le système et parler. La réception doit être automatique, le terminal doit s'allumer tout seul.

 

Le LM386 et le 4053 sont montés sur support pour pouvoir être changés facilement.

 

Chaque terminal est relié au bus audio avec 2 résistances, de l'ordre de 600 Ohms. Elles évitent des problèmes si 2 terminaux sont simultanéments en émission, et surtout elles isolent bien les signaux RS485 de l'entrée mux.

 

Le bus audio doit être chargé à la masse pour présenter un état de polarisation référencé. Mais cette charge ne doit pas trop atténuer le signal, ni trop charger une transmission RS485.

 

Une charge équivalente totale de l'ordre de 10 fois la résistance série soit ~6 kOhms est acceptable.

 

La gamme de tension tolérable sur la ligne d'alim doit être la plus grand possible afin de ne pas trop contraindre la topologie réseau, par exemple de 7 à 14 Volts.

 

CONSOMMATION D'UN TERMINAL

 

Valim (Volts)

7

9

12

13,6

 
 

Courant LED

0,006

0,010

0,015

0,018

R=560 Ohms -2V

 

Polar V/2

0,001

0,001

0,001

0,001

2 fois 4,7k

 

Micro

0,000

0,000

0,000

0,000

4 Volts sur 15k

 

TL074 repos (typ)

0,006

0,006

0,006

0,006

1,4mA par ampli

 

LM386 repos (typ)

0,006

0,007

0,008

0,008

4,5mA + Vcc/4k

 

TOTAL REPOS (A)

0,019

0,023

0,030

0,033

 
               
 

Charge bus en émission

0,001

0,002

0,002

0,002

6k sur A et B

               

Peff HP

Vcrete HP

Ieff HP

         

0

0,00

0,000

0,019

0,023

0,030

0,033

 

0,004

0,25

0,022

0,057

0,065

0,076

0,089

 

0,008

0,35

0,031

0,067

0,078

0,089

0,103

 

0,016

0,50

0,044

0,082

0,095

0,106

0,122

 

0,031

0,71

0,062

0,103

0,118

0,130

0,147

 

0,062

1,00

0,088

0,131

0,150

0,161

0,180

 

0,125

1,41

0,125

0,170

0,194

0,204

0,226

 

0,250

2,00

0,177

0,225

0,255

0,263

0,288

 

 

La consommation essentielle est celle de l'ampli LM386 ; elle a la particularité de ne pas changer beaucoup selon la tension d'alim.

 

Le LM386 est alimenté au travers d'un réseau RC (10 Ohms et 4.7 uF) qui peut chuter jusqu'à 2 ou 3 Volts à pleine puissance.

 

Donc on considère que le courant maximal consommable par un terminal actif en réception (ampli ON) peut monter jusqu'à 260 mA unitaire sous 12 Volts pour une puissance de sortie de l'ordre de 250 mW RMS (soit 100 mV crête à l'entrée du LM386).

 

Cela dit, les mesures donnent moins de 100 mA de conso totale pour une sortie HP à 2V crête en signal sinus, soit 250 mWeff au HP.

 

NOMBRE DE TERMINAUX ET PUISSANCE ALIM

Lorsque qu'un terminal est en émission, le principe veut que tous les autres soit en réception. Si un terminal consomme beaucoup, c'est sûrement parce que le niveau sonore est élevé (potentiomètre de volume à fond). On peut raisonnablement penser que tous les terminaux ne seront pas dans cette configuration, et qu'ils seront à 3 dB (pour la moitié) ou 6 dB (pour l'autre moitié) en dessous.

 

Pour N terminaux dont un en émission,  cela donne 1x260 + (N-1)/2x200 + (N-1)/2x160 = Nx180+80

 

Nombre de terminaux

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Courant total

0,260

0,440

0,620

0,800

0,980

1,160

1,340

1,520

1,700

1,880

2,060

2,240

 

Limiter à 5 terminaux seulement est un peu juste.

Limiter à 7 ou 8 terminaux (alimentés à partir du central) est acceptable.

On peut toujours imaginer un relais d'alimentation sur des branches lointaines ou bien des terminaux auto alimentés.


TOPOLOGIE

Le bus est composé de 4 brins AWG26, 0.12mm2, 15 Ohm/100 m nominal (mais 23 Ohm/100 m mesurés) ; on prendra 230 mOhm/m pour les calculs. Chaque prise modular jack amène une résistance de contact de 20 mOhm par contact, marginale par rapport à la résistance du câble.

 

Aucune contrainte sur la topologie, donc pas de terminaison de ligne possible.

 

La seule contrainte est la longueur maximale d'un terminal à partir de l'alimentation centrale, qu'on fixe arbitrairement à 20 m.

 

CHARGE DU BUS ; ACTIF

En pire cas, on considère que 7 ou 8 terminaux max sont répartis en trois grappes (2+2+3 ou 2+3+3). La grappe la plus chargée (3) a son premier terminal à 18 m, puis un tous les mètres jusqu'à 20 mètres.

Soit I le courant maximal d'un terminal, R la résistance d'un brin par mètre, R0 la résistance d'un contact RJ9, Vi la tension au terminal i et V00 la tension au central.

V0 = V00 - 2(dist_mini-1)xRxIxN

V1 = V0 - 2(NxRxI) - 2(R0xI)

V2 = V1 - 2((N-1)xRxI) - 2(R0xI)

V3 = V2 - 2((N-2)xRxI) - 2(R0xI)

...

Vn-1 = Vn-2 - 2(2xRxI) - 2(R0xI)

Vn = Vn-1 - 2(RxI) - 2(R0xI)

 

 

V central (V00) :

12,00

Résistance au mètre :

0,230

Résistance au contact :

0,020

Nombre de terminaux :

3

Distance du premier terminal :

18

         
 

courant unitaire

 

0,023

0,045

0,090

0,180

V0

11,47

10,94

9,89

7,78

V1

11,44

10,88

9,76

7,52

V2

11,42

10,84

9,67

7,35

V3

11,41

10,81

9,63

7,26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La gamme de tension 7 à 12++ Volts est respectée, il ne faudra pas mettre plus de 3 terminaux par grappe à partir du central.

Un calcul plus direct en prenant 3 terminaux sous 7 Volts, en bout de grappe (18, 19 et 20 mètres), et qui consomment 131 mA, 170 mA et 225mA donne moins de 2.25 Volts de chute par brin, soit 7.5 Volts en bout de grappe en partant de 12 Volts au central.

CHARGE DU BUS ; REPOS

En considérant 8 terminaux au repos, la consommation s'établit autour soit à 240 mA, sous la tension max. de 12V.

Cela fait presque 3 W consommés en permanence, qu'il faut augmenter avec les pertes de l'alimentation centrale avec le désagrément d'avoir les récepteurs toujours on. Il faudrait que l'état repos soit non consommant.


COMMENT METTRE ON/OFF LE SYSTEME

En émission, il doit suffire d'appuyer sur un seul PTT pour alimenter tous les terminaux.

 

En réception, soit on écoute toujours, soit on détecte le mode commun propre aux émissions audio. Autrement dit, soit le système est gérer en central, soit individuellement.

Si on écoute toujours, le système marche sur le principe d'une détection centralisée qui alimente d'autorité tous les terminaux au bout d'une temporisation (qq minutes), l'alimentation centrale se met en veille ; la façon la plus simple consiste à baisser la tension sous un seuil. La tension du bus peut descendre jusqu'à 7V naturellement, le seuil est donc en dessous de 7 V.

 

L'inconvénient est que l'alim ne peut pas être utilisée par un autre système, c'est pourtant une ressource commune, que la consommation OFF des terminaux doit être faible pour distinguer un PTT actionné, et enfin que la transmission RS485 pendant que les terminaux sont ON risque de ne pas passer inaperçu.

Si on détecte le mode commun, cela autorise chaque terminal a être autonome, avec une alim permanente. Il faut par contre chiader l'alim centrale pour qu'elle ne consomme pas trop sur le secteur.

 

Le pire cas est lorsqu'un terminal émetteur est au central (Vmax=12 V++) et le récepteur est en pire cas (Vmin=7.2 V). L'émetteur présente une tension mode commun de 6 V, ramenée à 5.4 V en sortie à cause de la charge du bus prise à 10 fois la résistance ligne de sortie. Le récepteur voit une tension de 5.4 - (12-7.2)/2 ~ 3 Volts. Un émetteur RS485 présente un mode commun typique toujours inférieur à 3 Volts.

 

 

Donc en réglant le seuil de détection à 3 Volts, çà devrait marcher et çà marche....

 

 


La chute de tension induite par le MOSFET est de l'ordre de 15mV (0.3 A @ 50mOhm)

 


SCHEMA

 

 

Photos d'un terminal fini, le bonton d'appel est noir, en bas à droite et le micro à côté
Photo d'un terminal ouvert, avec quelques modifs sauvages...

 

 

 

 

 

AMELIORATION

Sur le préampli micro, C10 trop fort, car VR1 est souvant au quart ou à mi course, soit 10k ou 20k. Donc C10 pourait être ramené à 100nF, voire 47nF

 

 


TEST DES TERMINAUX

  1. Vérifier isolation entre V+ et masse
  2. Vérifier isolation entre Vcc et masse
  3. Mettre alim V+ à 12.7 Volts ; vérifier OFF, courant consommé nul                          <0.2mA
  4. Activer PTT : vérifier au Voltmètre :
    1. vérifier conso ~30 mA                                                                        31.3, 29.8, 31.0
    2. chute de tension Q1 : <2 mV                                                                                  ok
    3. tension polarisation : ~Vcc/2                                                                                   ok
    4. sortie TL074 1,2,3 : ~Vcc/2                                                                                     ok
    5. sortie CD4053 : : ~Vcc/2                                                                                        ok
    6. shunt alim LM386 (10 Ohms) : < 80 mV (8 mA @10 Ohms                           68, 51           
    7. sortie LM386 : ~Vcc/2                                                                                             ok
    8. polarisation micro : Vcc - 2 Volts à Vcc/2 Volts                                       5.9, 8.2, 8.2
  5. V mode commun sur bus A/B
    1. vérifier OFF tant que Vcm < 3 Volts                                                                       ok
    2. vérifier ON si Vcm > 3.5 Volts                                                                                 ok
  6. PTT et scope sur sortie ampli micro ;
    régler ajustable pour amplitude ~100 mV crête en parlant normalement                   difficile
  7. Scope sur sortie bus A puis sur bus B
    1. PTT OFF ; vérifier tension nulle
    2. PTT ON ; vérifier tension continue ~Vcc/2 + présence signal ~100 mV crête      ok
  8. Générateur sur bus A/B (100 mV crête) + VA à V+/2, scope sur sortie HP
    1. vérifier LM386 et gamme potentiomètre                                                                 ok
    2. balayer 300 Hz - 3000 Hz et vérifier stabilité signal au scope                                ok
    3. vérifier courant consommé < 280 mA, potar à fond                                    <100 mA