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Source : PC-optimise.info
Date d´impression : 16/01/2019 (11:01:04)

Panneau lumineux en plexiglas Homemade

Page mise à jour le 06/01/2008 - Mandorlo G. et Mandorlo F.

Sommaire :
  1. Présentation du projet
  2. Gravure du plexiglas
  3. Découpes, perçage et mise en place des diodes
  4. Montage électrique
  5. Rendu final

1. Présentation du projet

Les boîtiers sont tout sauf personnels... Ils sont froids, inexpressifs et en aucun cas à l´image de leurs propriétaires. Pour peu qu´on n´ait pas deux mains gauches (pour un droitier, évidement ;) ), on peut facilement les personnaliser sans non plus sombrer dans le l´excès de la Jacky´s Touch, où finalement, l´excès de personalisation rend les objets parfois plus repoussants qu´autres choses !

Nous allons nous intéresser à la personnalisation d´une porte vitrée, mais on pourra appliquer le principe à bien d´autres domaines (tuning d´amplis de voiture...)

Une image valant largement un long discours, voici le résultat de ce qu´on cherche à réaliser :

Exemple de panneau lumineux (cliquer pour agrandir)

Exemple de panneau lumineux : les amateurs reconaîtront aisément les personnages représentés (l´image est dispo sur le WEB pour ceux que ca intéresse)

Le principe

Le plexiglas ayant un indice optique nPLEXY (voisin de 1.5) plus élevé que l´air (nAIR=1), en dessous d´un certain angle, la lumière émise dans la tranche ne peut que se propager et non pas ressortir : on ne peut pas voir le bleu de la source ! Cet angle est obtenu par la relation de Snell-Descartes, en utilisant le schéma suivant :

Schéma de principe

θmax = arcos(nAIR/nPLEXY) = 48°

Choix des diodes

Nos sources étant des diodes placées dans la tranche du plexiglas, nous devons donc faire attention à leur angle de vue (θvue), qui correspond au double du demi-angle du cône d´émission (noté θ1/2=0.5 x θvue). Pour éviter que la lumière ne s´échappe au voisinage de la diode et ne se réfléchisse de manière non contrôlée sur les parois supportant le plexiglas, on devra donc vérifier :

θ1/2 < θmax

Comme toujours, le mieux reste de se fier à la datasheet des diodes que l´on utilisera et de regarder la distribution spatiale de l´intensité lumineuse ! Dans notre cas, nous allons donc utiliser des diodes avec un θ1/2 de 12.5 °, à savoir des L-7104QBC-D (réf 466-3532 chez Radiospares).

Exemple de distribution spatiale de l´intensité lumineuse

Exemple de distribution spatiale de l´intensité lumineuse pour des diodes L-7104QBC-D : θvue est de l'ordre de 40 °

On constate que l´émission est concentrée dans un cone de θ1/2 = 20 °... et dans la datasheet, on parle d´angle de vue de 12.5°. On n´a donc presque pas de lumière au-delà de 20° << θmax, et c´est tout ce qu´on cherche à obtenir ! Quant à la répartition des diodes, on veillera à en mettre sur chacune des tranches pour les grandes surfaces, pour obtenir un éclairage relativement homogène. Ces diodes sont données pour 1500 mcd : elles éclairent vraiment fortement, il faudra donc éviter de les orienter vers le visage si on fait des tests !!
Pour les caractéristiques électriques, on verra plus tard !

Et la gravure dans tout ça ?

Maintenant qu´on a des diodes choisies de sorte que la lumière ne s´échappe pas du plexi, il va bien falloir faire quelque chose pour qu´elle ressorte là où on le désire ! Et donc on va créer des défauts et creuser le plexiglas !

Influence d´un défaut dû à la gravure du plexiglas

Comme représenté schématiquement ci-dessus, la gravure permet de rediriger la lumière selon une autre direction par réflexion sur l´interface air/plexiglas. La direction du faisceau étant modifié, on va pouvoir observer une transmission sur l´autre face, pour peu que l´angle par rapport à la normale soit inférieur à 52° (90°-θmax).
Evidemment, comme on va utiliser une fraise, on va faire apparaître pas mal de rugosité et donc on aura un peu de diffraction et un partie de la lumière sera aussi visible du coté de la face gravée. Cependant, comme plusieurs faisceaux peuvent arriver à l´oeil, on risque de visualiser comme une sorte de motif dédoublé (mise en évidence en page 5).

Choix de la taille du plexiglas

Etant donné que nous allons utiliser une paroi latérale de PC dans notre exemple, il convient de prendre en compte les paramètres suivants :

Montage de l´ensemble

2. Gravure du plexiglas

Désormais, on va réaliser les motifs qui vont être éclairés. Idéalement, rien n´empêche de réaliser les découpe avant la gravure, au contraire, cela permet de travailler avec les plastiques de protection du plexiglas, ce qui évite de le rayer !

Le matériel nécessaire

Afin de mener à bien notre projet nous allons avoir besoin :

MatérielAperçu
Une plaque de plexiglas

Une plaque de plexiglas avec ses plastiques de protection

- de plexiglas 5 mm d´épaisseur. On veillera à acheter du plexiglas qui respecte bien cette cote, car nous allons percer dans la tranche des trous de 3 mm... et on trouve souvent des plaques vendues comme 5 mm mais qui font plutôt 4 à 4.5 mm ! De préférence, on fera faire les découpe pour un résultat optimal
Kit Dremel série 300 avec arbre flexible

Kit Dremel série 300 avec arbre flexible

- d´un outil d´usinage, idéalement une Dremel ou compatible, avec si possible un repport de la tête de l´outils avec un flexible. Etant donné que la gravure pourra être longue et demander beaucoup de minutie, c´est un accessoire indispensable ! A noter que peu de marques proposent ce genre d´accessoires. On trouvera ce genre de produit dans tout magasin de bricolage qui se respecte.
Exemple de fraise à graver de 1.6 mm

Exemple de fraise à graver de 1.6 mm

- d´une fraise à graver avec une tête d´usinage entre 1 mm et 2 mm. Une fraise trop petite fera des sillons pas suffisament visibles et au-delà de 2 mm, le dessins paraitra grossier. Attention pour ceux qui utilisent des produits Dremel et plus particulièrement la fraise de référence 106 (1.6 mm) : il faut un embout qui convient... ou un mandrin universel.

Le reste du matériel est suffisament standard pour ne pas être mentionné (feutres, règles, papier...)

Nota Bene

Je n´ai pas d´action chez Dremel ;) Cependant, si leur produits peuvent paraître un peu cher, ca reste du matériel de qualité, et surtout, on n´a pas de mal à trouver des accessoires divers et variés. Bref, les amateurs de modélisme et de bricolage apprécient ! Un critère à prendre en considération surtout si on cherche un arbre flexible...
Seconde remarque : on peut aussi mettre de la gaine thermo sur la tige de la fraise pour éviter d´acheter un mendrin si celui-ci n´est pas compatible avec les petits diamètres.

Transfert du dessin à réaliser

Par rapport au motif que l´on souhaite regarder, il faudra veiller à réaliser une symétrie pour le motif imprimé. En effet, on va placer le dessin sous le plexiglas, et comme les gravures vont se trouver à l´intérieur, on grave en fait ce qui est vu de l´intérieur du boîtier. Evidement, s´il n´y a pas de texte, l´erreur n´est pas très grave, mais dans le cas contraire, ce sera gênant !
On essaira de retoucher l´éventuelle image de sorte à n´obtenir que les contours des motifs à dessiner. Cela donnera un bon aperçu du résultat, car on ne pourra pas vraiment faire de nuances : la lumière passera ou ne passera pas !
Le dessin obtenu sera alors scotché sur le plexiglas, après avoir préalablement enlevé les protections en plastique. On travaillera désormais sur un support propre et protégeant le plexiglas des rayures (sur un tissus par exemple).

Gravure des motifs à la fraise

Le plexiglas ayant tendance à vite fondre, il faudra veiller à n´utiliser la fraise qu´à faible vitesse. Dans le cas contraire, l´attaque est difficile à réaliser, puisqu´une pâte visqueuse va encrasser la fraise. Pour un motif de 30 cm x 30 cm, il faudra compter 1 heure et demie environ de travail. A cette étape, il est important de travailler en se plaçant à la verticale de la plaque, sinon, les motifs gravés sont décallés par rapport au dessin... et pour un meilleur résultat, il faut un décallage constant, donc pour faire simple, un décallage nul.

Le graveur à l´oeuvre

Le graveur à l´oeuvre... Hélas ce n´est pas l´auteur de PC-Optimise, mais son frère ;)

On pourra s´assurer de l´avancement de la gravure au fur et à mesure...

Avancement de la gravure : cliquer pour agrandir Avancement de la gravure : cliquer pour agrandir

Avancement de la gravure : cliquer pour agrandir

3. Découpes, perçage et mise en place des diodes

Etant donné qu´il va bien falloir fixer le plexiglas sur un support, nous allons procéder à quelques petites découpes.
Les connaisseurs auront noté sur la toute première page qu´il s´agit d´un boîtier ayant déjà une porte transparente (mais de 3 mm d´épaisseur). Nous allons donc nous contenter d´utiliser les mêmes trous de fixation et de la même visserie !

Etant donné qu´on ne pourra pas mettre de diode là où une vis est présente, on pourra essayer de répartir régulièrement les vis et les diodes. Dans notre cas, nous allons mettre :

Le matériel nécessaire

MatérielAperçu
Foret metal (zoom sur la pointe)

Foret metal (zoom sur la pointe)

- un foret métal de 3 mm de diamètre pour placer les diodes avec une perceuse à faible vitesse de rotation. A noter qu´une visseuse peut largement faire l´affaire. D´autres tailles de forets seront nécessaires pour fixer le plexiglas
Scie à métaux

Scie à métaux

- Une scie à métaux pour les éventuelles découpes. On prendra une lame avec une denture de 10 dents/cm maximum. On pourra aussi utiliser une mini-scie pour les petites découpes

Des outils plus classiques seront aussi nécessaires : un marteau accompagné un élément pointu, un feutre, une lime.

Réalisation des découpes & des perçages

Rien de bien compliqué : on protège le plexi des rayures, et quelque soit l´outil utilisé (scie ou perceuse), on veille à ne pas échauffer localement le plexiglas : donc petite vitesse de rotation, et pas de mouvements rapides pour le sciage. Dans les deux cas, il n´y a pas de réelle difficulté. On pourra limer les surfaces coupées pour un résultat plus propre, notament dans les coins si on doit ensuite percer.

Découpe des coins Découpe des coins

Découpe des coins pour placer les diodes

Pour les perçages, on veillera à utiliser un outil pointu et un marteau pour forcer le centrage du foret. Pour les trous de gros diamètre, on pourra utiliser plusieurs perçages intermédiaires, mais on veillera à ce que le foret attaque avec une vitesse suffisante lorsqu´on agrandit un trou, sous peine de faire éclater le plexiglas.

Perçage sur une des tranches Perçage sur le coin

Réalisation des perçages

On ne sera pas de trop de plusieurs mains pour réaliser les perçages des diodes. Il faudra aussi s´assurer de bien caller l´outil de perçage (perceuse ou visseuse), car il y a moins de 1 mm d´erreur, et il ne faut pas dévier ! Ceci explique l´empilement un peu "inhabituel" de boites en tout genre... quand on n´a pas à disposition un établi bien fourni et qu´il faut faire avec les moyens du bord !

Pose des diodes

Les diodes nécessitent un trou de 4 mm de profondeur environ. Le trou sera suffisament profond dès que le plexi entrera en contact avec leur base.

Dimensions d´une diode classique 3 mm

Dimensions d´une diode classique 3 mm (issue de la datasheet des L-7104QBC-D) : cotes en mm (in)

La mise en place des diodes ne pose aucune difficulté puisqu´il suffit de les coller ! Si de la "Super glue" fera largement l´affaire (une goutte par diode), on veillera à placer toutes les cathodes de la même façon de sorte à simplifier la réalisation du circuit électrique. Pour des raisons de compacité une fois les soudures réalisées, il est préférable de placer les diodes conformément aux photos suivantes, de sorte à pouvoir replier les pates dans la tranche du plexiglas.

Collage des diodes Collage des diodes Collage des diodes

Collage des diodes : on veillera à faire attention à toutes les diposer à l´identique

4. Montage électrique

Cette fois, il s´agit de dimensionner les résistances que nous allons placer à coté des diodes pour en controler le courant : il est donc essentiel de se baser sur la datasheet des diodes (pour l´exemple de ce tuto, ce sont donc des L-7104QBC-D). Pour des raisons évidentes, les calculs sont à reprendre pour toutes autres diodes.

Pour les néophytes la diode est un élément polarisée, raison pour laquelle une patte est plus longue (l´anode, notée A) que l´autre (la cathode, notée K).

Montage électrique

Caractéristiques des diodes

Intensité lumineuse en fonction du courant Caractéristique en mode passant

Propriétés électriques des diodes

La courbe de gauche montre que l´intensité lumineuse est proportionnelle au courant : pour les gens de la physique qui connaissent les principes qui se cachent derrière la diode, c´est tout à fait normal.
La seconde courbe est celle qui nous intéresse vraiment puisqu´on va choisir un point de fonctionnement de notre diode et faire en sorte qu´elle fonctionne à ce régime. Cette courbe étant une caractéristique pour chaque diode, il faudra se placer plus ou moins haut en courant selon que l´on ait une diode haute luminosité (comme c´est le cas ici) ou non. On veillera aussi à ce que la puissance de fonctionnement ne soit pas trop proche des conditions limites.

Dans notre cas, on se contentera de I0 = 10 mA pour V0 = 3.2 V, vu que l´on a des diodes à très haut rendement de 1500 mcd. Du coup, la diode consomme 32 mW, ce qui ne pose aucun soucis, vu qu´elle peut monter à 105 mW.

Montage des diodes

Bien que disposant du 5V et du 12V, nous allons travailler avec le 12V uniquement qui permettra de chainer un maximum de diodes. On pourra mettre E(12/V0) (E pour partie entière) diodes au plus en cascade et ajuster avec une résistance, selon le shéma suivant :

Circuit pour 2 diodes

Pour n diodes, on doit donc prendre R tel que : R = (12 - n x V0)/I0
Il convient aussi de s´assurer que les résistances vont supporter le courant I0 ! Pour cela on vérifiera que la puissance qui les traverse (PR = (12 - n x V0) x I0) est inférieure à leur puissance de fonctionnement (0.25W pour les résistances les plus petites).
La consommation globale, pour m branches de n diodes est alors donnée par P = m x (12 V) x I0.
Dans notre cas, avec 2 diodes pour chacune des 6 branches, on trouve :

Conclusion ?

Ca ne consomme presque rien : même pas 1 W !

Pour ceux qui n´ont pas envie de faire le moindre calcul, le script suivant permet de tout faire tout seul, pour peu qu´on précise un point de fonctionnement.

Dimensionnement

V0 = V
I0 = mA
Nombre de diodes par branches =
Nombre de branches =

Les valeurs de résistances étant normalisées, on pourra utiliser cette autre page de PC-Optimise qui traite des résistances.

Le matériel nécessaire

Aucun outil particulier n´est requis pour l´électronicien occasionel. Il suffira d´avoir :

Proposition de montage de la porte

L´ordre des composants ayant peut d´importance, on pourra commencer par réaliser les branches séparément, en mettant les résistances entre deux diodes. Il faudra par contre bien s´assurer que les diodes sont bien montées dans le même sens !
Pour chaque fil à souder, on étamera d´abord la zone dénudée afin de faciliter la soudure. On étamera aussi les pattes des composants (diodes et résistances) avant de fixer les uns avec les autres. Il ne faut pas oublier que les diodes ne résistent pas à plus de 260 ° pendant 5s : il ne faut donc pas trainer pour souder.

Réalisation du câblage autour du plexi

On devine la résistance sur la patte de gauche de la diode au centre de la photo.

Une fois tout le câblage terminé, on appliquera du scotch d´électicien pour tout bien protéger, vu que le boîtier est en métal, et que les fils sont amenés à se déplacer lors du montage si on a prévu peu de marges. C´est le cas du Super Lanboy qui a servi ici : il a y a moins de 5 mm de marge pour le montage du panneau à l´arrière après avoir travaillé à la pince une partie du boîtier !

Proposition de montage pour le boîtier

Pour plus de confort, on veillera à utiliser un interrupteur pour éventuellement désactiver l´éclairage. Pour des raisons évidentes, il faudra aussi veiller :

Avec ces quelques conseils, on obtient un montage qui ressemble à celui ci-dessous, avec deux interrupteur : l´un pour la porte et l´autre pour un néon.

Réalisation du câblage du boîtier

Exemple de câblage pour alimenter un néon et le panneau en plexiglas

NB

Le 12V est disponible sur le fil jaune des prises molex.
On pourra utiliser une vieille alimentation de PC pour effectuer les tests (voir cette astuce) en n´omettant pas de mettre une charge sur le 5V et sur le 12V, car notre circuit consomme vraiment peu. Sinon, on pourra utiliser un transfo 12V DC.

5. Rendu final

Normalement, à ce stade, on a un panneau qui fonctionne, avec le câblage opérationel !
Les photos avec des objets qui éclairent ne sont pas évidentes à prendre... Sans flash, la durée d´exposition a tendance à grimper, ce qui explique le manque de netteté des photos prises de nuit.

Quide de la face gravée !

Tout d´abord, on va regarder si un des cotés est plus "joli" que l´autre... On passera sur les traces de doigts involontaires qui font "nébuleuse dans l´espace" (l´auteur se reconnaitra).

Avec la gravure à l´extérieur (cliquer pour agrandir) Avec la gravure à l´extérieur (cliquer pour agrandir)

A gauche, la gravure est à l´extérieur, et à droite, à l´intérieur du boîtier.

Les photos sont prises dans les mêmes conditions. Si on compare la luminisoté du dessin par rapport aux diodes en périphérie, on constate que celui de droite ressort davantage. De plus, si on regarde très attentivement la photo de gauche au niveau du pied, on constate que le dessin est dédoublé.

Détail avec la gravure devant, à l´extérieur du boîtier

Détail avec la gravure devant, à l´extérieur du boîtier : on voit clairement apparaitre un dédoublement du dessin !

Montage final et nettoyage

Pour tout nettoyage, on prend un chiffon doux et on supprime toutes les traces de poussière et de graisse que nos grosses paluches ont pu déposer ! Et surtout, on fait attention lors du montage à ne pas toucher la face interne du plexi... l´autre, on peut encore la (re-)nettoyer !
Tout d´abord une photo de jour : on voit facilement les motifs. C´est assez joli... enfin, ca dépend des goûts !

Le panneau une fois monté et vu de jour (cliquer pour agrandir)

Le panneau une fois monté et vu de jour (cliquer pour agrandir)

La même chose, dans l´obscurité :

Un détail de la gravure (cliquer pour agrandir) (cliquer pour agrandir) Un détail de la gravure (cliquer pour agrandir) (cliquer pour agrandir) Le panneau une fois monté et vu de nuit (cliquer pour agrandir)

Quelques aperçus de nuit (cliquer pour agrandir)

L´éclairage dans le boîtier est uniquement dû au panneau en plexiglas !

Conclusion

Le montage complet prend pas mal de temps (il faut bien une journée complète), mais il semble que les résultats soient là ! On veillera à prendre les précautions nécessaires pour tout ce qui concerne la manipulation du plexiglas et la partie électrique en soignant l´isolation du montage.
Après ça, le boîtier est nettement plus "personnel" : on aime ou on n´aime pas le dessin qui y figure, ça c´est personnel. Il est aussi possible de contrôler l´instensité lumineuse de la porte en la branchant sur un rhéobus !
Les applications sont nombreuses : sur le même principe, on pourra faire du "tuning" sur presque tout élément sur lequel on applique un vitrage, comme certains amplis audio.
Un point important : la consommation est dérisoire !

Pour ceux qui le souhaitent, on peut tout à fait envisager de mixer les couleurs des diodes, puisqu´on peut en trouver en rouge, vert et blanc, ou encore utiliser des diodes bicolores. Avec le câblage adéquat, on pourrait tout à faire faire clignoter partiellement ou entièrement le panneau au rythme de la musique ou d´un jeu ! Là, ca devient franchement du Jackysme... A chacun de faire selon ses envies !

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