L’origine de ma réflexion concernant l’usage d’un diorama comme support pédagogique s’inscrit initialement dans une démarche centrée sur la commande de bras robotiques. Cette orientation répondait pleinement à mon objectif de renouer avec des disciplines telles que l’électronique, l’automatisme et la robotique. Elle s’articulait également avec l’intérêt croissant que je portais à la technologie Arduino. Ayant étudié, au cours de mon cursus, la programmation de microcontrôleurs et d’automates programmables, j’ai été particulièrement impressionné par la simplicité d’utilisation et le potentiel offert par les cartes Arduino.
Cette réflexion serait probablement demeurée au stade théorique — limitée à quelques esquisses conceptuelles et fichiers de modélisation 3D conçus sous FreeCAD — sans un événement déterminant pour la suite du projet : la réception, à titre de don, d’une carte Arduino Due. Ce geste a constitué un véritable catalyseur, me conduisant à passer de la conceptualisation à l’expérimentation concrète. J’ai ainsi entrepris de me familiariser avec l’environnement matériel et logiciel propre à cette carte, prélude au développement d’une première maquette de bras robotique pilotée par l’Arduino Due.
Malgré les imperfections inhérentes à cette première construction, cette maquette a constitué une étape décisive en rendant le projet tangible et dynamique. Elle a renforcé ma motivation à poursuivre son développement. Je suis pleinement conscient que cette avancée doit beaucoup à Rémi, membre de ma famille et généreux donateur de la carte, dont le geste a joué un rôle déterminant dans l’évolution du projet.
Quelques années plus tard, dans le cadre du développement du projet BATLab112, j’ai été amené à mobiliser d’autres modèles de cartes Arduino, parmi lesquels les cartes Uno et Mega, ainsi qu’un ensemble de modules complémentaires tels que des capteurs divers et des écrans tactiles. Le modèle de console de commande conçu pour piloter les différents systèmes du diorama à l’échelle 1/12 intègre notamment deux cartes Arduino Mega. Celles-ci assurent à la fois la gestion de l’affichage sur deux écrans tactiles et l’interprétation des commandes émises par l’utilisateur.
Cet article propose une analyse technique approfondie des choix relatifs au câblage du réseau électrique du diorama pédagogique de la Batcave, reproduisant à l’échelle 1/12 une infrastructure électrique fonctionnelle. Il s’inscrit dans le cadre de la documentation technique du projet, en explicitant la conception et le dimensionnement du réseau de distribution électrique depuis la sortie…
Cet article propose une analyse technique approfondie des choix relatifs au câblage du réseau électrique du diorama pédagogique de la Batcave, reproduisant à l’échelle 1/12 une infrastructure électrique fonctionnelle. Il s’inscrit dans le cadre de la documentation technique du projet, en explicitant la conception et le dimensionnement du réseau de distribution électrique depuis la sortie du convertisseur de puissance jusqu’aux consoles de commande. Cette étude méthodique aborde successivement la structuration du réseau de distribution, l’architecture interne des armoires électriques, les bilans de courant nécessaires à la définition des sections des câbles d’entrée et de sortie, ainsi que les critères retenus pour assurer une chute de tension conforme aux exigences fonctionnelles et de sécurité. Par cette démarche, l’article vise à clarifier les principes de câblage qui garantissent l’alimentation adéquate des éléments actifs du diorama, tout en respectant des contraintes techniques propres à un modèle réduit fonctionnel.
Architecture du réseau électrique du diorama
Le réseau électrique du diorama de la Batcave est conçu pour assurer la distribution de l’énergie nécessaire à l’alimentation des composants actifs, tels que les moteurs, les écrans, les capteurs et les dispositifs d’éclairage à LED. Son architecture est structurée en quatre sous-ensembles fonctionnels distincts.
Le poste HT/BT, implanté au niveau −2 du diorama au sein du local électrique, assure le raccordement au réseau domestique 230 V – 50 Hz et la conversion de la tension secteur en très basses tensions continues (12 V, 6 V et 5 V), adaptées aux exigences des différents équipements.
Les armoires de distribution, également situées dans le local électrique, permettent la démultiplication et la répartition de ces tensions vers les consoles de commande.
Le panneau de raccordement, implanté au niveau −1, centralise l’ensemble des liaisons issues des capteurs et des armoires de distribution avant leur connexion aux consoles.
Les consoles de commande, situées au même niveau, assurent le pilotage des composants actifs du diorama en intégrant les commandes manuelles, automatiques et les informations issues des capteurs.
Détail du réseau de distribution électrique vers les consoles de commande des équipements industriels du diorama
Le câblage interne du poste HT/BT ayant déjà fait l’objet d’une étude propre, cet article se focalise sur les armoires de distribution, le câblage électrique depuis la sortie du convertisseur de puissance jusqu’aux consoles de commande.
Armoires de distribution électrique du diorama
Le câblage du réseau de distribution électrique doit être conçu en prenant en considération l’ensemble des liaisons, tant en entrée qu’en sortie des armoires de distribution, ainsi que leur câblage interne. Les conducteurs d’entrée se prolongent au sein des armoires par le câblage interne, organisé dans la colonne descendante située sur la partie gauche de celles-ci. À l’inverse, les conducteurs associés à la colonne montante, disposée sur la partie droite des armoires, assurent la continuité du câblage interne vers l’extérieur et se prolongent par les câbles de sortie en direction des consoles de commande.
Câblage interne des armoires de distribution électrique
Les câbles d’entrée
Les câbles d’entrée, issus du convertisseur de puissance, assurent l’alimentation électrique de l’armoire de distribution. Ils pénètrent dans celle-ci par l’intermédiaire du presse-étoupe « Supply Input », avant d’être raccordés aux interrupteurs-sectionneurs. En aval de ces dispositifs de coupure, les conducteurs sont connectés au porte-fusibles de type Blade Fuse Holder. L’intensité du courant électrique circulant dans les câbles d’entrée correspond à la somme des intensités des courants délivrés par les six voies de sortie de l’armoire.
Les câbles de sortie
Les câbles de sortie sont prélevés sur chacune des six voies du porte-fusibles et raccordés aux bornes d’un connecteur de sortie de type Output Jack. L’intensité du courant circulant dans chaque paire de conducteurs est dimensionnée en fonction des besoins énergétiques d’une seule console de commande, pour la tension fournie par l’armoire de distribution.
Bilan électrique du diorama
Introduction
Le bilan électrique constitue une étape fondamentale dans le dimensionnement d’un réseau électrique, en permettant d’évaluer de manière globale et cohérente les besoins énergétiques d’un système. Il repose sur l’identification et la quantification des puissances et des courants associés à l’ensemble des charges alimentées, en tenant compte de leurs régimes de fonctionnement et de leurs conditions d’exploitation. Cette approche analytique vise à assurer l’adéquation entre les sources d’alimentation, les dispositifs de protection et les conducteurs, tout en garantissant la continuité de service, la sécurité des installations et la conformité aux contraintes normatives.
Métrique du bilan électrique des composants du diorama
Ce bilan électrique a pour but d’évaluer les ordres de grandeur des courants électriques, véhiculés par les câbles, afin de pouvoir en définir leur section. Ce bilan électrique porte sur les valeurs suivantes :
Caractéristiques
Désignation
P0 (mW)
Puissance à vide en milli-Watt
Pn (mW)
Puissance nominale en milli-Watt
Un (V)
Tension nominale en Volt
I0 (mA)
Courant à vide en milli-Ampère
In (mA)
Courant nominal en milli-Ampère
Is (mA)
Courant de décrochage en milli-Ampère ( Pour les moteurs 6VDC )
Information complémentaire
Il est important de noter que ce bilan électrique ne prend pas en compte l’alimentation en énergie électrique des 4 moteurs 12VDC du pont élévateur. Une armoire électrique spécifique au pont élévateur sera développée ultérieurement dans le projet.
Bilan électrique des armoires de distribution 12VDC
Les tensions de 12VDC sont utilisées pour alimenter en énergie électrique les deux Cartes Arduino Mega qui pilotent les deux écrans tactiles de la console. Le tableau suivant présente les bilans électriques d’une carte Arduino Mega à vide et d’un écran tactile TFT 2,8″ en fonctionnement nominal. La somme de ces valeurs correspondent aux valeurs utiles en entrée de la Console de commande.
Matériel
P0(mW)
Pn(mW)
Un(V)
I0(mA)
In(mA)
Carte Arduino Mega (1)
630
(*)
12
52
(*)
Ecran TFT 2,8″ (2)
(**)
330
3,3
(**)
100
Total (Arduino + Ecran) x2
1920
12
160
(*) Les mesures de la carte Arduino portent uniquement sur la consommation électrique à vide
(**) Les mesures de l’écran portent sur la consommation électrique en fonctionnement nominal
Bilan électrique des armoires de distribution 6VDC
Les tensions de 6VDC sont utilisées pour alimenter en énergie électrique les mini moteurs de la plateforme rotative et du pont roulant, via la console de commande. Le tableau suivant présente le bilan électrique pour le moteur 6VDC 300 RPM de la plateforme rotative et les 2 moteurs 6VDC 10 RPM du pont roulant ainsi le contrôleur L298N.
(*) Les courants I0 et In s’additionnent pour le calcul de la puissance nominale
Bilan électrique des armoires de distribution 5VDC
Les tensions de 5VDC sont utilisées pour alimenter en énergie électrique les cartes électroniques du panneau de commande et les relais implantées dans la console de commande. Le tableau suivant présente le bilan électrique pour les composants actifs ; relais et leds. La carte électronique des relais contient 5 relais. La carte électronique du panneau des commandes contient 7 leds. Pour ce calcul, nous considérons que tous les relais et toutes les leds peuvent être actifs en même temps.
Le dimensionnement des sections de câble électrique constitue un élément essentiel de la conception des réseaux de distribution, car il conditionne à la fois la sécurité, la fiabilité et la performance des installations. Il repose sur l’analyse des courants à transporter, des longueurs de liaison et des conditions d’exploitation, afin de limiter l’échauffement des conducteurs et de maîtriser les chutes de tension. Cette démarche intègre également les exigences normatives et les dispositifs de protection, garantissant une alimentation électrique adaptée aux charges tout en assurant la pérennité de l’infrastructure.
Section des câbles d’entrée
Les tableaux suivants, présentes pour chacune des armoires électriques, l’impact du choix de section des câbles d’entrée en fonction du résultats des bilans électriques précédents. La longueur des câble d’entrée est fixée à 1m.
Armoire de distribution 12VDC
La valeur de l’intensité du courant électrique prise pour ce calcul est de 400 mA pour une console de commande, en prenant 20% de marge par rapport au résultat du bilan électrique précédent. Dans la perspective où 6 consoles de commandes sont alimentées en énergie électrique par les 6 sorties de l’armoire de distribution, la valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence est de 6 x 400 = 2400 mA.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
2400
1
0,03
72
0,6%
1
2400
1
0,02
48
0,4%
1,5
2400
1
0,01
24
0,2%
Armoire de distribution 6VDC
L’armoire de distribution électrique est dimensionnée pour 6 sorties. Le bilan électrique prend en compte l’utilisation de 2 sorties seulement (Plateforme et Pont roulant). Par conséquent, la valeur de l’intensité du courant électrique est multipliée par 3, soit un total de 600 mA. La valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence pour ce calcul est de 720 mA, en prenant 20% de marge, par rapport au résultat du bilan électrique.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
720
1
0,03
21,6
0,4%
1
720
1
0,02
14,4
0,2%
1,5
720
1
0,01
7,2
0,1%
Armoire de distribution 5VDC
La valeur de l’intensité du courant électrique prise pour ce calcul est de 630 mA, en prenant 20% de marge, par rapport au résultat du bilan électrique. Dans la perspective ou 6 consoles de commandes sont alimentées en énergie électrique par les 6 sorties de l’armoire de distribution, la valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence est de donc de 6 x 630 = 3800 mA.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
3800
1
0,03
114
2,3%
1
3800
1
0,02
76
1,5%
1,5
3800
1
0,01
38
0,8%
Conclusion
Une section de câble au moins égale à 0,5mm2 est suffisante pour obtenir une chute de tension en ligne inférieure à 1% pour les armoires de distribution électrique de 12VDC et 6VDC. Par contre, une section de câble au moins égale à 1,5mm2 est nécessaire pour obtenir une chute de tension inférieure à 1% pour l’armoire de distribution électrique 5VDC.
Section des câbles de sortie
Armoire de distribution 12VDC
La valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence est de 200 mA en prenant une marge de sécurité d’au moins 20% par rapport à la valeur du bilan électrique.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
200
2
0,07
14
0,1%
1
200
2
0,03
6
< 0,1%
1,5
200
2
0,02
4
< 0,1%
Armoire de distribution 6VDC
En prenant en compte la configuration la plus sévère (2 moteurs 300 RPM + 1 Contrôleur L298N), la valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence est de 200 mA, en prenant une marge de sécurité d’au moins 20% par rapport à la valeur du bilan électrique.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
200
2
0,07
14
0,2%
1
200
2
0,03
6
0,1%
1,5
200
2
0,02
4
< 0,1%
Armoire de distribution 5VDC
La valeur de l’intensité du courant électrique prise en référence est de 650 mA en prenant une marge de sécurité d’au moins 20% par rapport à la valeur du bilan électrique.
S (mm2)
I(mA)
L (m)
R (ohm)
△U(mV)
△U(%)
0,5
650
2
0,07
46
0,9%
1
650
2
0,03
20
0,4%
1,5
650
2
0,02
13
0,3%
Conclusion
Une section de câble au moins égale à 0,5mm2 est suffisante pour obtenir une chute de tension en ligne inférieure à 1% pour les 3 armoires de distribution électrique.
Bilan de dimensionnement du câblage du réseau électrique du diorama
Câble
Longueur
Section
Type
AWG (1)
Depuis Convertisseur vers Armoire
1 m
1,5 mm2
Cuivre
15
Depuis Armoires vers Consoles
2 m
0,5 mm2
Cuivre
20
(1) AWG – American Wire Gauge – est une norme américaine de définition des section de câble
Le processus de conception d’un circuit imprimé (PCB) comporte une étape déterminante : l’implantation des composants électroniques. La qualité de cette implantation influence directement les performances du routage, c’est-à-dire l’organisation des pistes reliant les composants entre eux. Pour optimiser cet agencement, des logiciels spécialisés proposent des solutions fondées sur divers paramètres, tels que le nombre de couches disponibles, les priorités fonctionnelles ou encore les contraintes de fabrication.
Dans le contexte du projet BATLab112, cette phase d’implantation revêt une importance particulière, en raison de contraintes spécifiques liées à la reproduction d’un environnement technique fonctionnel à l’échelle 1/12. L’utilisation de FreeCAD permet de visualiser et d’anticiper ces contraintes grâce à la modélisation 3D intégrée.
Ergonomie et cohérence fonctionnelle à l’échelle 1/12
La première contrainte concerne l’intégration des composants selon une logique d’ergonomie réaliste. Sur le PCB dédié aux commandes manuelles de la console, plusieurs éléments — boutons poussoirs, interrupteurs, voyants lumineux — doivent être positionnés conformément à une logique d’utilisation proche de celle d’un pupitre réel.
Ainsi, la disposition ne peut être arbitraire :
chaque voyant doit se situer à proximité immédiate de la commande qu’il signale ;
l’ensemble des commandes doit suivre un ordre cohérent, garantissant lisibilité, intuitivité et continuité d’usage.
Cette approche vise à préserver la valeur pédagogique et immersive du diorama technique, en assurant une correspondance entre interaction utilisateur et organisation fonctionnelle.
Contraintes de volume et d’intégration mécanique
La seconde contrainte d’implantation concerne l’intégration mécanique des composants. Chaque élément doit présenter un volume compatible avec les limites imposées par la structure du diorama. L’épaisseur totale du PCB, la hauteur des composants, ainsi que l’espace disponible dans les caissons ou parois constitutifs du modèle réduisent la liberté d’implantation classique.
L’usage de FreeCAD offre ici un avantage déterminant : la modélisation 3D permet de vérifier la compatibilité dimensionnelle, d’anticiper les conflits d’encombrement et d’ajuster précisément les choix d’implantation.
Conclusion
En conclusion, l’usage d’un logiciel spécialisé dans l’implantation et le routage de PCB ne garantit pas une prise en compte satisfaisante des deux contraintes majeures identifiées — l’ergonomie fonctionnelle à l’échelle 1/12 et l’intégration mécanique des composants. En effet, ces outils opèrent généralement sans lien direct avec l’environnement mécanique réel du projet, ce qui limite leur capacité à assurer une cohérence entre implantation électronique et contraintes structurelles.
Pour cette raison, j’ai choisi de réaliser la phase d’implantation au sein de FreeCAD, déjà utilisé pour la conception du design mécanique du dispositif. Cette intégration dans un environnement unique de modélisation 3D permet de visualiser de manière globale et précise l’impact des choix d’implantation des composants sur l’architecture générale de l’équipement dans lequel le PCB doit s’insérer. Une telle démarche favorise la cohérence entre électronique et mécanique, condition essentielle à la qualité et à la pertinence pédagogique du projet BATLab112.
BATLab112 