Electronique > Réalisations > Jeux de lumière > Gradateur de lumière 008

Dernière mise à jour : 23/02/2008

Présentation

Le voici enfin ! Cela faisait plus d'un an que je me penchais sur la question et que je bossais dessus petit bout par petit bout, sans jamais m'y mettre réellement. Voici donc (pour moi) une première version d'un gradateur de lumière 230 V alternatif permettant de faire varier l'intensité d'une ampoule ou d'un groupe d'ampoules, à partir d'une tension continue externe. Il faut dire que l'on m'a poussé un peu, vous avez été assez nombreux à me réclamer un ustensile de ce genre. Malheureusement, si je peux m'exprimer ainsi, je n'ai pas réussi à le faire très simple, comme certains d'entre vous l'espéraient. Pour être plus précis, je pouvais faire plus simple mais avec une souplesse de variation moindre et surtout, chose à laquelle je ne tenais pas beaucoup, sans isolation galvanique avec le secteur. Si ce deuxième point est quasiment toujours contourné pour un gradateur simple avec commande manuelle (le tout pouvant être placé dans un boitier plastique), je ne pouvais décemment pas proposer un montage en rapport direct avec le secteur, sachant que la tension de commande peut venir de n'importe où. J'ai donc pris le pli de "compliquer" le montage mais de lui conférer une sécurité d'utilisation minimale pour le matériel et les personnes. Ce gradateur a été initialement conçu pour travailer avec une tension continue de commande comprise entre 0 V (intensité lumineuse minimale) à +5 V (intensité lumineuse maximale), mais un réglage intégré permet de travailler avec une tension de commande comprise entre 0 V et +10 V, toutes valeurs intermédiaires étant bien sûr permises. Une version plus simple basée sur l'emploi d'un composant programmable (PIC) est présentée à la page Gradateur de lumière 011.

Avertissement

Je n'ai pas fini la totalité des tests prévus, je me suis arrêté à la sortie du comparateur de tension U2:B, et tout fonctionne bien jusqu'à ce point. Me reste à tester la partie commande du triac avec un transformateur de type 600 ohms / 600 ohms (pour application interface téléphone), que je ne me souviens pas avoir déjà utilisé pour ce type de montage. Ne considérez donc pas ce montage totalement fonctionnel pour le moment ! Je le publie maintenant uniquement pour la partie commande en basse tension.

Le schéma

Je ne vais pas vous mentir en disant qu'il est très simple. Mais avouons qu'il n'est pas compliqué non plus. Il y a surtout plein de texte, sur ce schéma ;-)

gradateur_lumiere_008

Le principe général
Comme pour tout gradateur de lumière, le principe repose sur la mise en conduction plus ou moins tardive d'un triac, cent fois par seconde, et de profiter de l'effet de moyennage qu'offre l'inertie du filement d'une ampoule électrique. Mais le mieux est sans doute d'aller directement à la page Gradateur de lumière - Bases, où je parle de tout ça plus en détails (visite conseillée qui conditionne peut-être la compréhension de ce qui va suivre).

L'alimentation secteur
Le gradateur dont il est question ici fait appel à des composants actifs, transistors et circuit intégré, qui requièrent une tension d'alimentation modeste, disons de 12 V. Trois solutions au moins existent pour obtenir cette tension de 12V :
- Une batterie 12 V de voiture. Trop encombrante.
- Une alimentation 230 V / 12 V sans transformateur, basée sur la réactance d'un condensateur.
- Une alimentation classique avec transformateur d'alimentation 230 V / 12 V.
Comme je le disais en introduction, le gradateur est prévu pour recevoir une tension de commande externe. Je refuse donc d'office l'alimentation à condensateur (sans transformateur), pour des raisons évidentes de sécurité. Mais rassurez-vous, un petit transformateur peu couteux de 3 VA suffit amplement tout en étant très peu encombrant. Sachant cela, vous ne serez pas surpris de reconnaitre le classique pont de diodes et son fidèle condensateur de filtrage (révision). Ah, bah non, là c'est différent... On voit bien le pont formé par les quatres diodes D1 à D4, mais pas de trace du condensateur de filtrage. Normal, car nous ne voulons pas filtrer l'alimentation, tout du moins pas à cet endroit. Nous avons en effet besoin d'une tension alternative redressée qui monte et surtout qui descend jusqu'à zéro volt, au même rythme que l'onde secteur 230V. Pour pouvoir détecter à quel instant l'onde secteur est à son minimum, nous verrons l'utilité de cela plus loin. D'accord, mais les transistors et les circuits intégrés peuvent-ils se contenter d'une telle tension "demi-sinusoïdale" ? La réponse est bien sûr non, et c'est pourquoi on envoie la tension préalablement redressée vers un condensateur de filtrage, au travers d'une cinquième diode (D5) qui joue ici un rôle d'isolement. Pour résumer : avant la diode D5 (sur son anode), nous disposons d'une tension alternative doublement redressée, de fréquence 100 Hz. Après la diode D5 (sur sa cathode), nous disposons d'une tension continue, résultat du filtrage (lissage) opéré par le condensateur C1. Pour assurer à l'ensemble un fonctionnement correct, la tension continue disponible après D5 est stabilisée par le régulateur de tension U1 de type 78L12, qui est une version miniature du célèbre LM7812 (petit boitier plastique TO92 au lieu du gros boitier TO220). La tension en sortie du régulateur 78L12 est une tension parfaitement stable de +12V, qui sert donc à l'alimentation de toute la partie commande du gradateur.

La détection du passage par zéro de l'onde secteur
La détection du passage par zéro volt de l'onde secteur est assurée par le transistor Q1, qui reçoit sur sa base la tension redressée double alternance issue du pont de diodes (D1 à D4), et qui n'est pas filtrée, c'est ce que nous avons vu précédemment. Ce transistor Q1 est monté en commutation (bloqué ou saturé), il conduit quand la tension présente sur sa base est au moins de 0,6V. Comme la tension qu'on lui fourni au travers de R1 varie de 0V à 16V environ (tension crête après redressement), il reste plus longtemps saturé que bloqué. En réalité, il n'est bloqué qu'un très bref instant, juste au moment où l'onde secteur passe par 0 V. A ce moment précis, le transistor Q2 devient passant, grâce à la résistance de polarisation de base R3. On peut donc dire que Q2 n'est passant que pendant les passages par zéro de l'onde secteur. Et quand Q2 est passant, il décharge d'un coup d'un seul, le condensateur C3. Quand la tension d'entrée alternative remonte, le transistor Q1 se retrouve à nouveau saturé, et la base de Q2 se retrouve à la masse via la jonction émetteur - collecteur de Q1. Ce qui le bloque et permet à C3 de se charger. Voyons maintenant pourquoi il y a tant de choses autour de C3 pour permettre sa charge, alors qu'une simple résistance aurait pu à priori suffire.

Du passage par zéro à la rampe linéaire...
Avant de continuer, il convient de dire que la tension continue externe de commande est comparée en permanence avec une tension continue "locale" qui varie linéairement, suivant la forme d'une dent de scie. Cette dent de scie évolue entre deux valeurs minimale et maximale, par exemple 0 V et +5 V (quel curieux hasard que ces valeurs là). En prenant ces valeurs données en exemple, la tension part de 0 V, monte progressivement jusqu'à +5 V, puis une fois atteinte la limite haute de +5 V, redescend d'un seul coup à 0 V. Ce qui permet de lui donner cette appellation de dent de scie. Voici donc à quoi ressemble le signal au point test TP3, qui n'est rien d'autre que l'évolution de la tension sur le condensateur C3.

gradateur_lumiere_008_graphe_010

Notez bien que la descente brutale de la tension aux bornes de C3, du à sa brusque décharge par le transistor Q2, à lieu toutes les 10 ms, à chaque passage par zéro de l'onde secteur. Nous avons donc 100 dents de scie par seconde. Pourquoi la charge de C3 doit-elle être linéaire, et pourquoi cette dent de scie est-elle nécessaire ? Parce que la tension de commande externe, comprise entre 0 V et +5 V, est comparée à ce signal évolutif, qui part toujours de 0 V lors du passage par zéro de l'onde secteur. Si la tension de commande externe vaut +2,5 V, il y aura égalité entre tension de commande et valeur de la dent de scie au moment où cette dernière aura accompli la moitié de sa montée. Si la tension de commande externe vaut +1 V, il y aura égalité entre tension de commande et valeur de la dent de scie au moment où cette dernière aura accompli 20 % de sa montée. Et si la tension de commande externe vaut +4 V, il y aura égalité entre tension de commande et valeur de la dent de scie au moment où cette dernière aura accompli 80 % de sa montée. Si sachant cela on décide d'envoyer l'impulsion de commande au triac (commande d'allumage de l'ampoule) au moment où il y a égalité des tensions, alors la lampe s'allumera plus ou moins tôt selon que la tension de commande est plus ou moins élevée. Nous venons en fait de réaliser un susytème de retard commandé par une tension. La comparaison de la tension en dent de scie avec la tension de commande externe aurait pu être simplement réalisée avec un simple comparateur de tension, mais j'ai préféré ajouter un petit étage d'amplification (ou d'atténuation) qui permet d'adapter la plage de la tension de commande à une plage autre que celle des 0 V à +5 V prévue à l'origine. Notez que les deux AOP U2:A et U2:B sont montés de telle sorte que la tension de commande, quand elle augmente, raccourcit le temps de retard pour assurer un allumage plus fort de la lampe. La version précédente (non publiée) occasionnait un allumage plus fort pour une tension de commande moindre, et cela me gênait.

Commande impulsionnelle du triac
Le triac n'est pas commandé par une tension continue comme c'est le cas dans beaucoup de montages simplifiés. Deux raisons à celà. La première est une consommation moyenne moindre (on peut débattre sur ce point). La seconde est imposée par l'isolation galvanique souhaitée entre le circuit de commande et le triac, et qui est assurée par le transformateur TF2, qui ne peut pas passer le courant continu. Pour rappel, un triac n'a pas besoin d'une tension de commande permanente une fois qu'il est amorcé. Une impulsion suffit à l'amorcer, et il le reste jusqu'à ce que le courant circulant entre des deux broches A1 et A2 descende en-dessous d'une certaine valeur. Ce qui se produit toutes les 10 ms, lors du passage pa zéro de l'onde secteur. Et tout ça nous convient fort bien, n'est-ce pas ? En sortie de l'AOP U2:B, le signal continu obtenu après basculement est donc transformé en impulsion unique, grâce au réseau différentiateur C4 / R10. L'impulsion produite provoque la mise en conduction (saturation) du transistor Q4, qui entraine aussitôt le passage d'un courant dans la bobine primaire de TR2. Le secondaire de ce transformateur TR2 répercute cette impulsion sur la gachette du triac U3, qui s'amorce. La lampe s'allume.

Filtrage secteur
Un filtre sommaire mais néanmoins assez efficace est mis en oeuvre pour limiter la remontée des parasites produits par le triac, vers le réseau 230V. Ce filtre est constitué de la bobine L1 et du condensateur C5, mais il peut être différent, voir page Filtres pour triacs. Les deux composants R13 / C6 constituent le fameux réseau RC (snubber) objet de tant de discussion à droite et à gauche, aussi bien pour la valeur à attribuer aux composants, que pour sa réelle utilité quand la charge commandée n'est pas inductive.

Remplacement du transformateur TR2 par un optotriac style MOC3021

J'y ai aussi pensé, voici ce que ça pourrait donner.

gradateur_lumiere_008b

Attention, montage non testé (j'attends de nouveaux opto-triacs)
Edit 30/10/2012 : j'ai depuis longtemps reçu tous les opto-triacs que je voulais, mais n'ai pas avancé du tout sur ce montage ;-)