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Gradateur de lumière 005
Dernière mise à jour : 07/09/2009Présentation
Le gradateur de lumière objet de cette page, permet la variation de luminosité d'une ampoule à filament sous une tension de 12V, et sous un courant de quelques ampères. La variation peut être obtenue à l'aide d'un potentiomètre ajustable (facilement remplaçable par un potentiomètre de tableau ou par un potentiomètre numérique), ou par une tension continue externe de valeur comprise entre 0V et +5V. Ce montage peut être utilisé pour un réglage de luminosité de lampe de plafonnier dans une voiture, par exemple. Pour ce montage, je me suis basé sur une note d'application de Maxim faisant de la pub pour un potentiomètre numérique de type MAX5475.Le schéma
Il n'est pas très compliqué et fait appel à des composants que vous ne devriez pas avoir de mal à vous procurer.
Principe de base
Le fonctionnement général du système consiste à générer une fréquence fixe de rapport cyclique variable (voir page Modulation de largeur d'impulsion). L'ampoule alimentée par un tel signal va "moyenner" la tension alternative et s'allumer plus ou moins, en fonction du rapport entre temps d'allumage et temps d'extinction. La fréquence de fonctionnement de l'oscillateur est fixée un peu au dessus de 20 KHz, afin de limiter les risques de perturbations d'appareils audio situés à proximité. La fréquence choisie de 21 KHz permet de limiter la puissance perdue en chaleur au minimum, en respectant le point évoqué juste avant (plus la fréquence de fonctionnement est élevée et plus les pertes sont importantes). La commande de variation de luminosité est assurée par une tension continue de valeur comprise entre 0V et +5V, ce qui ouvre des possibilités de commandes diverses, telle que commande "informatisée" (par microcontrôleur ou par PC par exemple), commande par tension externe déportée ou commande par potentiomètre numérique avec mémorisation de la position même montage mis hors tension.Description
L'oscillateur est construit autour d'un AOP de type LM358, monté en oscillateur sinusoïdal : c'est le circuit nommé U1:A sur le schéma électronique. Le signal sinusoïdal peut être observée en TP1, c'est à dire directement aux bornes du condensateur C1. Il est transmis à l'entrée inverseuse du comparateur de tension formé d'un autre AOP de type LM358, qui prend ici la forme de U1:B (U1:A et U1:B sont en fait inclus dans un seul boitier à huit pattes DIL8 : le boitier est dénommé U1 et les deux parties qu'il contient sont appelées A et B). L'entrée non inverseuse du comparateur est quant à elle reliée à la tension de commande qui détermine le seuil de basculement du comparateur. Plus la tension de commande est faible, et plus le temps d'allumage est court par rapport au temps d'extinction, et moins la lampe s'illumine. L'illumination de l'ampoule augmente quand la tension de commande augmente. En pratique, il s'avère que la luminosité maximale est atteinte un peu avant que la tension de commande n'ait atteint 5V, ce qui dans la majorité des cas ne devrait pas présenter un problème critique.Commande 0V - 5V
Le potentiomètre RV1 permet ici de faire fonctionner le montage sans source de commande externe. Si vous choisissez de piloter le gradateur par une tension continue externe, acheminée sur le connecteur J1, il vous faudra alors placer l'inverseur SW1 dans la position adéquate, c'est à dire en position basse sur le schéma. Bien entendu, potentiomètre RV1 et inverseur SW1 peuvent tous deux être supprimés si la commande par tension externe est la seule désirée. Le potentiomètre RV1 peut aussi être remplacé par un potentiomètre numérique, de type MAX5475 par exemple, qui permet une commande par deux boutons poussoirs, un bouton pour la commande "Plus" (incrément de la valeur du potentiomètre) et un autre boutton pour la commande "Moins" (décrément). A votre imagination de jouer pour d'autres modes de fonctionnements ;-).Remplacement du transistor MOSFET par un transistor bipolaire
Il est fait usage ici d'un MOSFET, car ce type de composant permet de limiter les pertes en chaleur lors de la mise ON, grâce à une résistance Ron entre Drain et Source très faible. Même avec un courant commuté important (de plusieurs ampères), la dissipation thermique du transistor reste faible, ce qui nécessite un radiateur bien moins gros (voir pas du tout de radiateur pour des courants "faibles" de 1A ou 2A) et surtout augmente considérablement la fiabilité. Si pour une raison ou une autre, vous êtes allergique aux transistors MOSFET, vous pouvez remplacer le BUZ20 par un transistor darlington de type BDX33 (BDX33, BDX33A, BDX33B ou BDX33C). Je l'ai fait et cela fonctionne très bien. Attention cependant à la dissipation thermique de ce composant, qui n'est pas négligeable si le courant induit par la charge (ampoule dans notre cas) est important. Le transistor BDX33 peut remplacer le BUZ20 sans bidouille sur le circuit imprimé, car les deux boitiers sont "compatibles" broche à broche. La patte Gate du BUZ20 correspond (en position) à la patte Base du BDX33, et les pattes Drain et Source du BUZ20 correspondent (toujours en position) aux pattes Collecteur et Emetteur du BDX33. Cependant, il est nécessaire d'ajouter une résistance de base pour limiter le courant de base du BDX33, comme le montre le schéma suivant.
Vous comprenez pourquoi j'ai inséré une résistance R5 de zéro ohms entre sortie 7 de U1:B et Gate du BUZ20 : cette résistance ne sera qu'un simple strap (court-circuit) si usage d'un BUZ20, et sera une vraie résistance de 1K si usage du BDX33.
Remarque : mes tests se sont limités à une charge de 1A, à cause de l'utilisation d'un circuit d'expérimentation sans soudure, qui n'aurait pas apprécié un test sous 5A ou 6A. Mais si vous utilisez des liaisons adéquates (c'est à dire de section suffisante) pour les lignes de sortie (circuit Drain et Source pour BUZ20 ou Collecteur et Emetteur pour BDX33), vous pourrez tirer sans problème quelques bons ampères (le BUZ20 est donné pour 12A et le BDX33 est donné pour 10A (15A en crête).
L'alimentation
Ce montage est prévu pour fonctionner sous une tension continue de +12V, mais fonctionne parfaitement entre +9V et +18V. Bien entendu, le choix de l'ampoule doit être fonction de la tension d'alimentation utilisée. Inutile de doter le régulateur de tension 7805 d'un radiateur, car le courant qu'il débite est très faible et l'échauffement résultant, même sous 18V, est assez faible pour se permettre cela.Corrections et remarques
07/09/2009- Le signal issu de l'oscillateur construit autour de U1:A est de forme sinusoïdale et non triangulaire. Le réglage de la luminosité n'est donc pas linéaire en fonction de la tension continue appliquée à l'entrée non-inverseuse de U1:B. De plus, le signal évolue entre environ +0,4 V et +4,5 V, la plage de réglage n'est donc pas entièrement étalée entre 0 V et +5 V, ce qui a pour conséquence un petit "tassement" dans les valeurs hautes. Pour obtenir un fonctionnement un peu plus étalé, vous pouvez remplacer le LM358 par un TLC2202 ou TLC2252 (AOP rail to rail). Mais pas de miracle, un réglage "proportionnellement linéaire" ne peut être obtenu qu'avec un signal source de forme triangulaire, ou avec un microcontrôleur... (voir par exemple mon imparfait gradateur de lumière 012).