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Gradateur - Fonctionnement
Dernière mise à jour : 18/12/2016Présentation
Un gradateur de lumière est un appareil que l'on utilise pour faire varier l'intensité lumineuse d'une lampe. Dans la catégorie "ampoules 230 V", la variation peut être opérée de façon manuelle avec un simple rhéostat (sorte de potentiomètre de puissance). Mais cette méthode est peu recommandée à cause des pertes élevées de puissance (pertes qui se manifestent sous forme de chaleur) et du coût élevé d'un tel organe de commande. Il est donc logique que l'on se soit plutôt tourné vers un type de circuit électronique plus petit, où un potentiomètre agit comme élément de pilotage d'un "commutateur" électronique (thyristor ou triac pour le 230 V, transistor pour les très basses tensions) le tout formant un ensemble compact et peu coûteux Le schéma qui suit montre un exemple très répendu d'un gradateur de lumière prévu pour le réseau 230 V.
(gradateur lumière 001)
Une variation de lumière peut être réalisée de façon manuelle (avec un potentiomètre de tableau) ou de façon automatique, sur des périodes courtes (jeux de lumière) ou longues (simulateurs de crépuscule). Certains gradateurs peuvent être pilotés grâce à une tension de commande qui dicte l'intensité lumineuse souhaitée : par exemple 0 V pour une luminosité minimale et +5 V pour une luminosité maximale. Mais quelque soit le type de gradateur, le principe général reste le même. C'est de ce principe général dont il est question dans le présent article.
Remarque : malgré son encombrement et la perte de puissance qu'il engendre, le rhéostat ne produit pas de parasites de commutation, ce que ne manquent pas de faire les systèmes à base de commutateurs électroniques dans le domaine de la graduation de lumière.
Principe général
Imaginez deux personnes dans une pièce sombre équipée d'une lampe au plafond et de deux interrupteurs A et B de type va-et-vient. Cela se passe après une soirée festive. Une des deux personnes est sobre et l'autre a bu quelques verres de trop. Celle qui a été raisonnable se réveille en pleine nuit et se rappelle qu'elle devait réviser ses leçons pour le partiel du lendemain. Elle se lève, allume la lampe en pressant l'interrupteur A, et sort ses livres. Celui qui a un peu trop bu, réveillé et gêné par la lumière, se lève à son tour (en titubant, cela va de soi), presse l'interrupteur B et la lampe s'éteint. Le sobre presse l'interupteur A pour rallumer la lampe, et le grisé, avec un certain temps de retard dont il est inutile de rappeler la cause, presse l'interrupteur B pour l'éteindre. Les deux personnages ont chacun leur objectif et "tiennent bon" : ils restent à proximité des interrupteurs et vont ainsi "s'amuser" pendant de longues minutes à faire clignoter la lampe (on peut voir cela comme une suite de la fête). Analysons maintenant cette scène sous un angle technique, en supposant que le rythme de clignotement de la lampe (périodes d'allumages et d'extinction) est régulier. Pour faciliter le travail, admettons que le sobre met 1 seconde pour allumer la lampe quand le grisé vient de l'éteindre, et que le grisé met 3 secondes pour éteindre la lampe à partir du moment où elle est allumée. Cela nous donne le rythme suivant :
3 secondes allumée, 1 seconde éteinte, 3 secondes allumée, 1 seconde éteinte, etc.
On peut dire que la lampe est allumée 75% du temps
Si on faisait la "moyenne" de l'énergie électrique qui arrive à la lampe, on pourrait considérer qu'elle est continuement allumée mais à seulement 75% de sa puissance maximale. Bien entendu, ce principe de moyennage ne peut pas s'appliquer ici, en raison des temps d'allumage et d'extinction qui sont trop longs (l'oeil perçoit un clignotement, difficile donc de parler d'un éclairage continu). Mais continuons le raisonnement avec des personnage sur-boostés. Le sobre met maintenant 0,01 seconde pour réagir, et le grisé met maintenant 0,02 seconde pour réagir (les effets de l'alcool se dissipent vite, cest bien connu). Dans ce cas nous avons un nouveau rythme qui est le suivant :
20 ms allumée, 10 ms seconde éteinte, 20 ms allumée, 10 ms éteinte, etc.
Cette fois, la cadence des changements d'état est assez élevée pour que l'oeil, à cause de la persistance rétinienne (mais aussi à cause de l'inertie du filament de la lampe) ait l'impression que la lampe est continuellement allumée. La moyenne d'allumage dans ce nouveau cas de figure est de 66%. On comprend facilement que selon le temps de réaction des deux personnages, la quantité de lumière moyenne varie en fonction du rapport allumé/éteint.
Un gradateur de lumière pour réseau 230 V fonctionne globalement sur ce principe. Si on veut y intégrer nos deux personnages sobre et grisé, il faut intervertir leur rôle : le grisé cherchera à allumer la lampe avec un certain retard, alors que le sobre l'éteindra sans retard et à intervalles réguliers. Le potentiomètre de réglage de luminosité peut dans ce cas être vu comme la quantité d'alcool absorbé et le temps de retard qui en résulte. Plus le retard pris pour allumer la lampe est élevé (à partir du moment où elle vient de s'éteindre) et moins la lampe a le temps de s'éclairer. Si le temps de retard est nul (le grisé ne l'est plus du tout), la lampe est rallumée aussitôt après avoir été éteinte et elle s'allume "plein feu" (moyenne du temps d'allumage = 100%). Comme les humains se fatiguent vite et que leur temps de réaction laisse à désirer, on les a remplacé par un composant électronique bien plus rapide et plus fiable. Ce composant appelé triac sert d'interrupteur électronique commandé. Il a besoin d'une tension de commande pour s'activer (allumer la lampe) et se coupe de lui-même quand la source de tension de la lampe disparaît - ce qui arrive 100 fois par seconde avec notre secteur 50 Hz, qui rappelons-le est alternatif.
Détection du passage par zéro de l'onde secteur
L'onde secteur est alternative : la tension monte en suivant une courbe de type
sinusoïdale, redescend, passe par une valeur nulle (passage par zéro) puis "remonte" en valeur absolue
mais avec une polarité inverse. C'est pourquoi on la
représente si souvent par une courbe du type de celle qui suit
(jolie théorie), avec
des alternances positives situées au-dessus de l'axe horizontale
marqué
par la valeur 0 V, et des alternances négatives situées
au-dessous de
ce même axe :
Par rapport à une référence arbitraire (n'importe lequel des deux fils du secteur 230 V peut servir de référence), la tension électrique est positive, puis négative, puis positive, etc, avec un changement qui s'effectue cent fois par seconde. Un cycle complet (une alternance positive suivie d'une alternance négative) se produit donc cinquante fois par seconde. C'est le fameux "50 hertz" (50 Hz) qui représente la périodicité de ce signal qui alimente tant d'appareils électriques dans nos chaumières. La courbe suivante met en évidence les moments où l'onde passe brièvement par une valeur nulle (endroits marqués par des petits cercles rouges) :
Fixons maintenant des repères temporels bien précis et réguliers dans le temps. Pour des questions de facilité, disons que ces points de repère correspondent à l'instant précis où la tension du secteur passe par zéro volt. On pourrait bien choisir un autre instant, mais celui-là me plaît et est pratique à localiser. Nous avons donc cent points de repères par seconde, que l'on pourrait fort bien utiliser comme ordre de commande d'allumage d'une ampoule, sachant d'autre part que lorsque la tension secteur repasse par zéro 10 ms plus tard, l'ampoule s'éteint automatiquement parce que l'interrupteur placé dans son circuit est de type électronique et commandable, genre triac. Regardons ce que cela donne sur un graphique, légèrement agrandi sur l'axe des temps (axe horizontal) pour nous permettre d'y voir bien clair (la fréquence du signal est toujours de 50 Hz). Le graphe suivant montre l'onde secteur dans sa belle couleur verte, à laquelle on voit rajoutée une courbe rouge qui représente un signal de commande (Cde).
A l'endroit où la courbe rouge est pile-poil sur l'axe horizontal 0 V, la lampe est éteinte, et quand la courbe rouge monte au dessus de l'axe horizontal 0 V, la lampe s'allume. Notez que dès l'instant où l'onde secteur passe par 0 V, le signal de commande est désactivé. En d'autres termes, la petite "poussée" vers le haut de la courbe rouge correspond à l'ordre d'allumage de la lampe. Si maintenant on remplie la zone de la courbe d'évolution de la tension du secteur 230 V, sur la période de temps pendant laquelle la lampe est allumée, c'est à dire entre l'instant où l'ordre d'allumage est donné et l'instant où le secteur repasse par la valeur 0 V, voilà ce que cela donne.
Comme on peut le voir, le temps d'allumage est court, et en plus de ça il se produit à la fin de chaque alternance, là où la tension appliquée à la lampe n'est plus très élevée. La lampe s'allume donc peu. Voyons maintenant ce qui se passe si l'ordre de commande est moins tardif, c'est à dire s'il se produit plus tôt par rapport au passage par 0 V de l'onde secteur. La courbe suivante montre un ordre d'allumage qui a lieu au moment où la tension secteur est à son maximum, en plein milieu de l'alternance.
Dans ces conditions, la lampe s'allume pendant une durée équivalente à la moitié de la durée totale d'une alternance, et si comme tout à l'heure on remplie la zone de la courbe d'évolution de la tension du secteur 230 V, sur la période de temps pendant laquelle la lampe est allumée, voilà ce que cela donne.
Même sans connaitre l'electronique - et en particulier les triacs - sur le bout des doigts, on perçoit de façon instinctive que la lampe va s'éclairer plus (ici à 50%). Si maintenant la commande d'allumage de la lampe à lieu un bref instant après l'extinction (passage par le 0 V), le "retard à l'allumage" est court, c'est ce que montre la courbe suivante.
Même procédé de remplissage que ci-avant, les zones pleines en vert montrent visualisent les périodes de temps pendant lesquelles la lampe est allumée.
Sous un tel régime, l'éclairement de la lampe est quasiment à son maximum. On peut donc deviner la suite : en modifiant le retard de l'ordre d'allumage par rapport à chaque passage par zéro de l'onde secteur, on peut modifier à son gré l'intensité lumineuse de la lampe. Tout gradateur de lumière "secteur" repose sur ce principe somme toute assez simple, mais qui présente toutefois l'inconvénient de pouvoir "couper" l'onde secteur à tout instant, ce qui peut provoquer des parasites importants dans l'entourage. Heureusement, il existe des moyens d'atténuer le parasitage provoqué en ajoutant un filtre spécialement conçu pour cette tache, voir Filtres pour triac.
Fonctionnement des gradateurs "secteur" simples
Les gradateurs simples, tels ceux présentés aux pages Gradateur de lumière 001 et Gradateur de lumière 002, se contentent de retarder la commande du triac par un simple réseau RC (résistance + condensateur). La résistance est en fait un potentiomètre cablé en résistance variable, par lequel passe le courant qui charge le condensateur. Si le réglage du potentiomètre correspond à une valeur ohmique faible, le condensateur se charge plus vite, et la tension qui monte à ses bornes atteint plus vite la tension minimale requise pour déclancher le triac (en fait, le seuil de déclanchement du triac est réhaussé artificiellement par un diac, que l'on peut assimiler à un interrupteur qui se ferme quand la tension à ses bornes atteint 32V environ) : la lampe s'allume rapidement après le passage par 0 V de l'onde secteur et brille fort. Si par contre le réglage du potentiomètre correspond à une valeur ohmique élevée, le condensateur se charge moins vite, et la tension qui monte à ses bornes atteint plus lentement la tension minimale requise pour déclancher le triac : celui-ci se déclenche plus tard, la lampe s'allume tardivement et s'éclaire moins.
Fonctionnement des gradateurs automatiques
Le principe du retard à l'allumage de l'ampoule est conservé, mais la valeur de ce retard est rendu variable avec une électronique adéquate. La réalisation d'un gradateur automatique est moins simple que celle d'un gradateur simple (manuel), car il faut ajouter un circuit de détection du passage par zéro volt, et quelques composants électronique supplémentaires pour une commande "synchronisée" du triac. Un exemple d'un tel gradateur est donné à la page Gradateur de lumière 003. Profitons de ce paragraphe pour signaler l'existence de gradateurs de lumière automatiques fonctionnant en basse tension continue, pour lesquels la variation de l'intensité lumineuse est basé sur un praincipe totalement différent, qui est celui de la modulation de largeur d'impulsion. Un exemple de gradateur automatique fonctionnant sous une tension de +12 Vcc est présenté à la page Gradateur de lumière 006.
Fonctionnement des gradateurs commandés
Ce type de gradateur n'est pas beaucoup plus compliqué que le gradateur automatique. Son principe de fonctionnement général repose toujours sur le retard à l'allumage de l'ampoule, mais la partie commande est un peu différente, en ce sens qu'elle fait appel à un circuit que l'on pourrait classer dans les convertisseurs "tension / durée". Un exemple d'un tel montage fonctionnant sur le secteur 230 V et dont la tension de commande est comprise entre 0 V et +5 V (ou entre 0 V et +10 V), est proposé à la page Gradateur de lumière 008. Signalons là aussi l'existence de gradateurs de lumière commandés fonctionnant en basse tension continue, pour lesquels la variation de l'intensité lumineuse est là encore basée sur la modulation de largeur d'impulsion. Un exemple de gradateur commandé fonctionnant sous une tension de +12 Vcc et dont la tension de commande est comprise entre 0 V et +5 V, est présenté à la page Gradateur de lumière 005. Un gradateur peut aussi être commandé avec des données transmises par une télécommande infrarouge, ou encore par des évenements informatiques quelconques. Un exemple de gradateur multi-voies commandé par des évenements MIDI (notes de musiques issues d'un clavier MIDI ou d'un séquenceur logiciel) est présenté à la page Gradateur de lumière 013.
Courbes de variation de luminosité et signaux PWM
La sensibilité de l'oeil au flux lumineux perçu par la rétine n'est pas linéaire. Le rapport entre puissance lumineuse réelle et sensation de puissance lumineuse (association oeil + cerveau) suit une courbe de variation logarithmique (tiens, un point commun avec l'oreille et l'audition). C'est pourquoi les gradateurs qui font usage de la technique PWM / MLI selon le principe linéaire "10% pour 10% et 90% pour 90%" pour piloter des LED ne sont pas si "plaisants" à utiliser. Il y a toujours un truc qui cloche quand on fait varier l'intensité lumineuse dans les faibles niveaux. Dans mes premiers montages de gradateurs de lumière avec LED, j'utilisais soit la variation de courant, soit une commande PWM avec courbe de variation linéaire. Bah oui, il fallait bien que je débute, comme tout le monde. La commande en PWM est source de très nombreuses discussions, car la courbe idéale dépend de nombreux paramètres (type, couleur et puissance d'éclairage entre autre). Ainsi la courbe de variation linéaire peut à la limite convenir pour une lampe à incandescence, mais est peu apropriée aux LED, pour lesquelles une courbe ajustée convient mieux. Désormais, j'utilise principalement une commande de type PWM pour faire varier l'intensité lumineuse de mes LED, avec une courbe de variation exponentielle ou en S, pour une meilleure répartition visuelle de la graduation.
J'ai adopté ce type de courbe en S (en vert sur le graphe qui précède) après quelques essais personnels, et après lecture de divers forum qui, malheureusement pour moi, présentaient des formules mathématiques et n'ont réussi qu'à me faire mal à la tête.
Fréquence et résolution des signaux PWM
Petite parenthèse pendant qu'on y est. Un signal PWM/MLI est caractérisé par une fréquence et une résolution qui définit le nombre de pas de réglage du rapport cyclique. Dans les montages les plus simples à base de microcontrôleur (Arduino, PIC, etc) la résolution du signal PWM est de 8 bits, ce qui correspond à 256 pas de réglage (255 pas en plus du zéro). Cette résolution (précision de réglage) est suffisante pour un usage "amateur non critique" mais pose problème quand on veut ajuster le niveau de luminosité dans les très faibles valeurs, même avec une courbe non linéaire.
L'oeil en effet est plus sensible aux petites variations de niveaux quand l'intensité lumineuse est faible, qu'il ne l'est aux petites variations de niveaux quand l'intensité lumineuse est élevée. Il faudrait donc pour bien faire disposer d'une résolution plus élevée, tout du moins pour les plus faibles niveaux d'intensité lumineuse. Il est désormais admis qu'une résolution de 12 bits (4096 pas de réglage) est suffisante dans la majorité des cas, et qu'une résolution de 16 bits (65536 pas de réglages) est idéale. Le problème avec les générateurs simples de signaux PWM basés sur un microcontrôleur qui fait tout le boulot, c'est que plus on monte en résolution et plus la fréquence baisse (il faut garder assez de ressources pour les autres tâches).
Heureusement, on trouve désormais plusieurs circuits intégrés générateurs PWM dédiés et pilotables par microcontrôleur (via un bus de commande SPI, I2C ou SMBUS). Ces circuits dédiés PWM travaillent principalement en 12 bits ou en 16 bits et proposent souvent plusieurs canaux (sorties) PWM. Exemples connus : PCA9685 (16 canaux 12 bits), TLC59711 (12 canaux 16 bits) ou encore TLC5947 (24 canaux 12 bits). Il en existe bien d'autres, mais nombreux sont ceux qui n'existent qu'en boîtiers CMS peu pratiques pour l'amateur (cas des références citées ci-avant, mais on trouve pour elles des modules précâblés et prêts à l'emploi). A noter en passant l'existence de circuits PWM qui travaillent en 8 bits mais qui offrent des passages en douceur quand on passe d'une valeur 8 bits à une autre valeur 8 bits (progression réelle opérée en résolution 11 bits en interne). Ce type de circuit permet de libérer d'un certain poids le microcontrôleur qui commande le tout, et d'obtenir un résultat visuel quasi-parfait. C'est ingénieux, il faut bien l'avouer.
Graduation des lampes LED 230 V
Les gradateurs 230 V standards sont conçus pour travailler avec des charges résistives (non inductives ni capacitives) telles que lampes à incandescence d'une certaine puissance (généralement 40 W minimum), avec ou sans halogène. Les gradateurs appelés "variateur de vitesse" sont conçus pour piloter une charge inductive telle qu'une perceuse. Le principal problème posé par les lampes LED 230 V est lié à leur consommation électrique "trop" basse et à la méthode utilisée pour leur alimentation (ajout de composants électroniques dans la lampe LED elle-même). Une règle assez empirique mais adoptée par plusieurs fabricants consiste à diviser par 10 la puissance max d'un gradateur, quand on veut graduer une lampe LED (ou un groupe de lampes LED). Ainsi, un gradateur classique de puissance maximale 400 W prévu pour une lampe à incandescence, ne pourra pas être utilisé pour plus de 40 W avec des lampes LED. Pour un fonctionnement sûr, il faut utiliser un gradateur "compatible LED" et une lampe LED compatible gradateur (dimmable LED).Voir page Gradateur de lumière 003 pour discussion et essais avec diverses lampes LED.
Historique
18/12/2016- Ajout de précisions sur les gradateurs de lumière basés sur le principe PWM.
17/02/2008
- Première mise à disposition