jeudi 17 janvier 2013

Joystick

Le joystick d'origine est pratiquement introuvable. Il existe de nombreux modèles qui peuvent faire l'affaire. C'est souvent ce no-name chinois (modèle 4SJ200-0A-M4-S) qui est utilisé, car il est bon marché et dans le cas d'un remplacement, il est parfaitement adapté à l'ouverture de l'original. On peut toutefois déplorer qu'il ne soit pas aussi robuste et bien conçu que celui utilisé par EMS, mais il fonctionne.
Le problème de cette adaptation se situe plutôt au niveau des impédances.

valeur des potentiomètres et spécifications

Les potentiomètre originaux sont marqués 10K et les spécifications donnent des tensions de sorties de +/-1.5V ou +/-2V selon le modèle (je crois que le MKII et l'AKS sont en 1.5V).
Seulement voilà, les potentiomètres originaux ne sont pas utilisés dans leur pleine course, mais seulement à 33% de celle-ci (cela reste à vérifier, c'est plus une déduction de mes calculs). On peut bien sûr trouver des joysticks n'utilisant qu'une partie de la course, y compris pour le modèle cité plus haut (à voir s'il existe effectivement, parfois ils n'existent que sur le papier et doivent être commandés chez le fabriquant en très grande quantité. C'est le cas pour la version sans ressorts de centrage: le même modèle en NS (no spring), n'existe pas à la vente. Il est toutefois très facile de les retirer).

problématique


Calculons un diviseur simple de tension, à partir de la propotionalité des trois résistances pour obtenir +/-2V aux bornes du potentiomètre:


10V/21V = R1/Rtot
4V/21V = 10K/Rtot
7V/21V = R2/Rtot

on obtient:
  • R1 = 25K
  • Rpot = 10K
  • R2 = 17.5K
On mesure bien les tensions souhaitées, mais à présent connectons la sortie du potentiomètre du joystick au potentiomètre Range de 5K (relevé sur les AKS que j'ai eu entre les mains): la tension chute à +55mV et -6mV, en toute logique. On le déduit grâce à thévenin :

Rth =  R1 || Rpot+R2  (|| : en parallèle avec...)
1/R1 + 1/R2 = 1/Rth

puis le théorème du diviseur de tension donne pour +2V:

Vout = ( Rrange / Rrange+Rth ) · Vth = 5K/13.1K · 2V = 0.552V

Si l'on ajoute à cela que les impédances d'entrée des modules sont de ne sont que de 10K, le résultat est catastrophique.

Si l'original n'utilise effectivement que 3.3K des 10K du potentiomètre, nous pouvons compter sur une tension de thévenin de +/-3V, qui chutera à 2V en attaquant le potentiomètre range. L'impédance totale de tout le circuit du joystick n'excède alors pas 1.6K, ce qui, bien que ne pouvant pas être considéré comme soutenu, devait être un bon compromis pour EMS à l'époque.

On pourrait calculer R1 et R2 de façon à ce que la chute de Vth nous donne les bonnes tensions Vout, mais au-delà de la complexité du calcul (voir plus bas), cela ne réglerait pas le problème de haute impédance: pour obtenir des tensions supérieures, R1 et R2 seraient inférieures à celle du diviseur ci-dessus, mais la résistance totale serait toujours au-delà de 1.6K, ce qui n'est déjà pas brillant.

première solution

On utilisera donc un suiveur de tension simple, ou "buffer", à partir d'un Ampli OP. Le TL082 ou TL072 sont de bon choix, ce sont des doubles AOP à entrées JFET, donc à très haute impédance. La tension de sortie est égale à celle d'entrée (Gain=1), mais avec une impédance très basse, de quelques ohms seulement, parfait pour attaquer un ou même plusieurs modules sans chute de tension.

Celui-ci sera inséré entre la sortie du joystick et le range.

deuxième solution

Si le range  est au maximum, toute la tension attaque les modules, mais si celui-ci est à mi-course, nous avons à nouveau une chute, car l'impédance monte à 1.25K. Ça n'est pas dramatique en comparaison du circuit original, mais on peut vouloir l'éviter tout de même. On peut également vouloir éviter les aller-retours de fils vers la matrice si on y place les buffers.

Calculons donc R1 et R2 pour Vout = +/-2V, puis plaçons le buffer à la sortie du range. J'ai procédé comme suit:
  1. utiliser deux modèles simples de diviseurs (deuxième figure), et tracer la courbe de toutes les possibilités de valeurs de R1 et R2 tel que Rout = 2V, puis pour Rout = -2V
  2. adapter cette deuxième courbe de façon à ce qu'elle corresponde à la première
  3. utiliser les valeurs de R1 et R2 aux croisement des courbes
1.
Ecrivons une formule qui nous donne Vout = 2V:

Vo = (Rrange / (R1||R2)+ Rrange) · Vth
Vth = ((R2 / R1+R2) · Vabsolu) -9V         (V absolu = 21V)

Si l'on assemble les deux formules:

Vo = (Rrange / (R1||R2)+Rrange) · ((R2 / R1+R2) · Vabsolu)̣̣ -9V
ou:
2V = (5K / (R1||R2)+5K) · ((R2 / R1+R2) · 21V) -9V

Isolons R1. Il vient:

R1 = 25000R2 / 27500+R2

De la même façon, R1 et R2 pour -2V donne:

R1 = -35000R2 / R2-17500

J'ai utilisé Grace pour tracer les courbes, mais n'importe quel logiciel similaire fera l'affaire, pour autant que l'on puisse lire les valeurs intermédiaires, avec le pointeur par exemple.

2.
Réintroduisons le potentiomètre dans notre raisonnement:
La première courbe est en fait R2+Rpot en fonction de R1, et la deuxième R2 en fonction de R1+Rpot. Adaptons cette dernière et retraçons une courbe avec les nouvelles valeurs:
R2+Rpot et R1-Rpot

3. On peut maintenant relever les valeurs, et soustraire 10K à R2. J'ai obtenu:
R1 = 6214K
R2 = 9272K
Pour obtenir ces valeurs pratiquement, il faudra utiliser deux résistances en parallèle ou en série, selon ce qui est le plus arrangeant (on peut facilement faire chuter précisément une résistance de valeur pratique à peine supérieure à la valeur requise avec une résistance en parallèle de grande valeur. La précision se fera grâce au défaut de la plus petite dû à la tolérance).
J'ai du répéter le point 2. car un des potentiomètre du joystick n'était que de 8.8K.
J'ai fait le montage sur une plaquette d'expérimentation, que j'ai fixé sur le joystick à l'aide de l'une de ses vis. Je mesure ainsi +/-1.97V à la sortie vers la matrice. L'erreur provient sans doute de la tolérance des potentiomètres, des imprécisions de décimales dans les calculs et de la tolérance lors de la mesure des résistances. Mais l'important est surtout d'avoir une tension stable pour attaquer les modules, ce qui est parfaitement le cas.