Dernière mise à jour : 17/02/2008
Présentation
Un gradateur de lumière est un appareil que l'on utilise pour
faire varier l'intensité lumineuse d'une lampe. La variation
peut être opérée de façon manuelle, avec un
simple rhéostat de puissance (peu recommandé à
cause des pertes caloriques importantes) ou avec un petit circuit
électronique piloté par un potentiomètre simple
(conseillé).
(gradateur
lumière 001)
Cette variation peut être
réalisée de façon automatique, sur des
périodes courtes, de l'ordre de quelques secondes (jeux de
lumière) ou sur des périodes longues, de l'ordre de
plusieurs minutes (simulateurs de crépuscule). Enfin, il est
possible pour certains gradateurs, de recevoir une tension de commande
qui dicte l'intensité lumineuse souhaitée : par exemple
0V pour une luminosité minimale, et +5V 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.
Principe général
Imaginez deux personnes dans une pièce sombre, dans laquelle a
été installée une lampe recevant un ordre
automatique d'extinction toutes les dix secondes, même si elle
n'est pas allumée. Si on allume la lampe (peu importe le
moment), qu'au moment
où elle s'éteint toute seule on attend une seconde et on
la rallume, et que l'on répète cette opération
plusieurs fois de suite, on peut dire qu'elle est presque toujours
allumée.
Si maintenant on attend neuf secondes avant de rallumer la lampe
à partir du moment où elle s'est éteinte, elle ne
reste allumée qu'une seconde. On peut alors dire qu'elle est
presque toujours éteinte. Si on parle en terme de moyenne, on
dira que dans le premier cas elle est restée allumée 90 %
du temps, et que dans le second cas elle est restée
allumée 10 % du temps. Revenons à notre pièce avec
cette drôle de lampe à extinction automatique (ne rigolez
pas, j'ai découvert des toilettes avec une lumière
cablée sur une minuterie qu'il fallait réactiver toutes
les 20 secondes).
Une des deux personnes qui s'y trouvent donne des ordres et l'autre les
exécute. Celle qui donne les ordres demande à
l'exécutant d'allumer la lumière, mais ce dernier
n'appuie pas sur l'interrupteur au moment où on le lui demande.
Au lieu de cela, il attend un certain temps et actionne ensuite
l'interrupteur. Il y a des gens comme ça, on l'a vu juste avant.
Si l'ordre d'allumage
est prononcé toutes les 10 secondes et que l'exécutant
attend cinq secondes avant de faire ce qu'on lui demande, la lampe ne
reste
allumé que cinq secondes sur les dix où elle aurait
pû l'être. Soit 50 % du temps. Et bien un gradateur de
lumière fonctionne selon ce principe. On utilise un composant
spécial appelé triac,
qui sert d'interrupteur électronique. Cet interrupteur
électronique à besoin d'une commande pour s'activer (se
fermer), mais n'a pas besoin de commande pour se désactiver
(s'ouvrir), car il se désactive tout seul à chaque fois
que la tension qu'on lui demande de commuter disparait. Si vous savez
déjà que la tension de notre réseau secteur 230 V
est alternative et que le terme alternatif signifie dans le contexte
présent que la polarité change sans arrêt, et
qu'entre les changements de polarités il se trouve un moment
où la tension secteur est nulle, alors vous devriez comprendre
la suite sans trop de difficulté.
Détection du passage par zéro de l'onde secteur
L'onde secteur est alternative : la tension monte selon une courbe
sinusoïdale, redescend, passe par une valeur nulle, puis remonte
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 plus une alternance négative) se produit donc cinquante
fois par seconde. C'est le
fameux "50 hertz", qui représente la
périodicité de ce signal qui alimente tant d'appareils
électriques dans nos chaumières. Comme on peut le
constater sur la courbe suivante, l'onde passe brièvement par
une
valeur
nulle (endroits marqués par des petits cercles rouges), que l'on
appelle passages par zéro :
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 plait 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. 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.
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. 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 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 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.
