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Electronique > Réalisations > Jeux de lumière > Gradateur de lumière 003

Dernière mise à jour : 14/03/2010

Présentation

Les montages gradateurs de lumière présentés ici sont basés sur l'emploi d'un transistor unijonction (UJT) et d'un triac, et permettent de faire varier de façon automatique, l'intensité lumineuse d'une ampoule à incandescence modèle 230 V alternatif, dont la puissance ne devra pas excéder 400 W. La durée de l'allumage ou de l'extinction de l'ampoule s'étale sur une durée comprise entre quelques secondes à une dizaine de minutes. Trois montages sont présentés :
- Gradateur 003a - Ce schéma n'est pas de moi, il est récupéré d'une ancienne revue qui pourrait bien être le Haut-Parleur (feuille volante sans indication). Je n'arrive pas à me souvenir très précisement si je l'ai réellement mis en pratique et si oui s'il fonctionnait (ça me fait ça pour quelques montages que je regardais avec insistance quand j'étais gamin), mais il me semble bien que oui.
- Gradateur 003b - Ce schéma n'est pas de moi et je ne l'ai pas fait.
- Gradateur 003c - Ce schéma est de moi, je l'ai réalisé mais il ne me donne absolument pas satisfaction.
- Gradateur 003d - Ce schéma est de moi et il fonctionne bien en théorie, je le testerai bien sûr pour de vrai pour confirmer ou infirmer mes sentiments à son égard.

Pour les curieux, voici un peu de lecture :
http://www.st.com/stonline/products/literature/an/3575.pdf

Remarques

Dans les schémas qui suivent, vous allez trouver des points à raccorder au secteur et qui sont notés Ph (pour Phase) et N (pour Neutre). Dans un même schéma, tous les points marqués Ph doivent être raccordés ensemble, et tous les points marqués N doivent être raccordés ensemble. Dans la pratique, il n'y aura pas besoin de chercher la phase et le neutre sur votre prise de courant. Cette façon de faire est juste une convention de câblage, tous les points marqués Ph sur le schéma peuvent être raccordé au neutre réel (physique) et inversement.

Le schéma du gradateur 003a

Le schéma fait apparaitre un ensemble de complexité moyenne pour le débutant (ou de grande simplicité pour le professionnel).

Alimentation

Premier constat : l'alimentation se fait sans transformateur. On utilise ici un pont de diodes (4 diodes - D1 à D4 - de type 1N4007), une grosse résistance chutrice (R3, 12K / 7W) et des diodes zener pour abaisser et stabiliser la tension d'alimentation à une valeur de quelques 18V (deux zeners - D5 et D6 - de 9V en série). La résistance R3 ne dissipera pas 7W, mais une marge de sécurité est ici de mise pour limiter l'échauffement et diminuer le risque de panne lié à un échauffement trop important de ce composant. L'oeil attentif aura remarqué l'absence de condensateur de filtrage en sortie du pont de diodes. Normal, allez-vous dire, on ne va pas mettre un condensateur de filtrage de forte valeur à cet endroit, où la tension dépasse alègrement les 300V cent fois par seconde (imaginez la taille d'un condensateur électrochimique de 470 uF / 400V). Mais le même oeil attentif aura sans doute aussi constaté l'absence de condensateur de filtrage après la résistance chutrice R3, c'est à dire en paralèlle sur les diodes zener, où la tension continue est pourtant plus raisonnable et où l'on pourrait se contenter d'un condensateur électrochimique de tension de service 25V. Bah non, il n'y en a pas, et ça n'empêche pas le montage de fonctionner.

Principe de fonctionnement

Partons donc du principe que l'inverseur SW1 est en position basse, c'est à dire en position Extinction, depuis un bon moment déjà. Dans ces conditions, le condensateur C2 de 100 uF s'est déchargé au travers de la résistance R4 et du potentiomètre RV2. La tension aux bornes de ce condensateur C2 est transmise à l'émetteur (oui, à l'émetteur) du transistor unijonction Q1, qui est monté en multivibrateur (en oscillateur, si vous préférez), en passant par un amplificateur de courant composé de deux transistors montés en darlington (Q2 et Q3). Le but de cet amplificateur de courant est de pouvoir exploiter la tension aux bornes de C2 tout en le déchargeant le moins possible de ce côté, et ainsi de pouvoir se contenter d'un condensateur de faible valeur, en regard du temps de temporisation que l'on peut obtenir ici. La tension que l'on retrouve sur l'émetteur de Q1, et donc aussi sur C1, est égale à la tension présente aux bornes de C2, moins les tensions de déchet Base-Emetteur des deux transistors Q2 et Q3 (environ 2 x 0,6 V, soit environ 1,2 V). En même temps, une tension "venue d'ailleurs" est appliquée sur C1. C'est la tension non stabilisée de plus de 300V dont nous parlions tout à l'heure, sortie tout droit du pont de diodes constitué de D1 à D4. Cette tension charge le condensateur C1 de 100 nF au travers de la résistance de forte valeur R2 de 3,6 Megohms. C1 et R2 constituent une base de temps, qui en association avec Q1, va permettre de délivrer des impulsions brêves au triac au travers d'un petit transformateur. Du fait que la tension ramenée sur C1 par R2 n'est pas filtrée, les tops (impulsions) générés par Q1 et qui déclencheront le triac, sont synchronisés avec les alternances de l'onde secteur. Voyons maintenant ce qui se passe quand on bascule l'inverseur SW1 vers la position haute allumage, considérant que le potentiomètre RV1 est en position centrale. A cet instant, le condensateur C2 de 100 uF commence à se charger au travers de la résistance R4 et du potentiomètre RV1. La tension à ses bornes augmente tout doucement mais surement, et cette tension est transmise à l'émetteur de Q1, et donc sur C1, puisque le cablage n'a pas été modifié depuis tout à l'heure (on n'est pas vicieux à ce point). Cela aura pour conséquence de charger plus rapidement C1, et ainsi d'avancer dans le temps le démarrage de l'impulsion générée par Q1, par rapport au passage par zéro de l'onde secteur. En d'autres termes, par rapport à l'onde secteur, le triac va se déclancher plus tôt, et la lampe va recevoir une portion d'onde secteur plus importante, et donc s'éclairer plus. C'est le principe des gradateurs de lumière. Voilà, j'éspère que vous avez globalement compris le principe du montage, même si je sais que ce n'est pas évident si on n'a jamais joué avec des transistors unijonctions et/ou des triacs. Je pense tout de même que vous avez compris que plus le potentiomètre RV1 à une valeur élevée, et plus l'ampoule mettra du temps à s'allumer. Et que en position extinction, la lampe mettra d'autant plus de temps à s'éteindre que la valeur de RV2 est élevée.

Modification possible

Si vous n'avez pas besoin de la fonction "extinction lente", vous pouvez sans complexe remplacer le potentiomètre RV2 par une résistance de 47K.

Transformateur

Le transformateur VST001 est obsolète, on ne le trouve plus. On le remplacera par un transformateur d'impulsion de rapport 1:1 spécialement conçu pour le déclenchement de thyristor ou de triac. Si recherche sur internet, utiliser les mots clés suivants : "triac thyristor scr trigger pulse drive transformer".

Brochage triac et UJT

Brochage triac sur dessin de gauche et brochage UJT sur dessin de droite.

Solution sans transformateur ? (gradateur manuel 003b)

Ah mais quelle idée de remettre sur le tapis, un montage avec un transformateur dans le circuit de commande du triac... Et pourquoi pas des tétrodes, pendant qu'on y est ! Vraiment pas moyen de se passer du transformateur ? Mais si, bien sûr. Mais j'ai fait avec transfo, pas sans, et je ne saurais pas trop vous conseiller de le retirer sans autre forme de procès. Voici un schéma qui n'utilise pas de transformateur, mais qui fait appel à un thyristor au lieu d'un triac. Ce qui explique la petite différence de branchement du thyristor et de l'ampoule, qui se retrouvent dans un circuit d'alimentation totalement redressé.

Le schéma du gradateur 003c

Et voici un autre montage permettant d'obtenir la fonction du premier schéma, cette fois sans transfo pour le déclenchement du triac, mais avec un transfo d'alimentation pour éviter l'emploi d'une grosse résistance de puissance.

Le proto

En l'état, ce montage ne fonctionne pas bien (la lampe s'allume bien trop rapidement), et je n'ai pas encore pris le temps nécessaire pour l'améliorer.

Le schéma du gradateur 003d

Comme je n'arrivais pas à m'en sortir avec le schéma précédent, j'ai décidé de partir sur une autre direction, et je pense que le résultat sera bien plus convainquant ! Je ne l'ai pas encore testé pratiquement mais ça ne m'empêche pas d'en décrire son fonctionnement.


Schéma simulé avec succès mais pas encore testé en vrai

Ce schéma peut paraître un poil plus complexe, mais il ne comporte finalement aucun composant introuvable. L'idée de départ est un peu différente mais le résultat conduit toujours à envoyer des impulsions de déclenchement au triac, avec un retard (par rapport au passage par zéro de l'onde secteur) qui varie automatiquement dans le temps. Le principe de fonctionnement est simple : un comparateur compare (et il le fait bien) deux tensions :
- une première tension qui provient de la charge d'un condensateur de très forte valeur (C2), et qui diminue dans le temps à partir du moment où le montage est mis sous tension. Il est vrai que l'on a plus souvent tendance à parler d'une tension de charge qui va croissante, mais ici le condensateur en question a son pôle positif relié au +12 V et son pôle négatif est relié à la masse au travers de la résistance qui définit la constante de temps de charge (cette résistance est en fait un potentiomètre - RV2 - pour permettre le réglage de la durée de la variation). Comme la tension observée est celle aux bornes de la résistance et non aux bornes du condensateur, elle chute dans le temps (puisque celle aux bornes du condensateur augmente). Cette tension est appliquée à l'entrée inverseuse du comparateur de tension LM311 (U1).
- une seconde tension qui provient de la charge d'un condensateur de faible valeur (C4), et qui est déchargé à chaque passage par zéro de l'onde secteur. Cette tension est appliquée à l'entrée non-inverseuse du comparateur de tension LM311.
Tel que mis en oeuvre ici, le comparateur de tension empêche l'oscillateur à relaxation basé sur l'UJT 2N2646 (Q1) de fonctionner pendant un temps plus ou moins long à compter de chaque passage par zéro de l'onde secteur. A la mise sous tension du montage, le condensateur C2 est entièrement déchargé, et on a donc droit à une tension de quasiment +12 V sur l'entrée inverseuse de U1. La tension aux bornes de C4 croit tranquilement, et comme la tension sur l'entrée non-inverseuse est inférieure à la tension présente sur l'entrée inverseuse, le transistor de sortie intégré dans le comparateur de tension (émetteur et colecteur sont accessibles au travers des broches 1 et 7) devient conducteur, empêchant le condensateur C1 placé à l'émetteur de l'UJT de se charger : l'oscillateur est bloqué, le triac n'est pas amorcé, et la lampe est éteinte (en réalité elle s'allume très faiblement). Plus C2 va se charger, plus la tension sur l'entrée inverseuse va diminuer, et plus la mise en conduction du transistor de sortie du LM311 sera brêve, ce qui signifie que de plus en plus tôt dans le temps (toujours par rapport aux passages par zéro du secteur), l'oscillateur à UJT va pouvoir se mettre à osciller et envoyer ses impulsions de déclenchement au triac qu'il pilote. En fin de cycle de charge de C2, la tension en broche 3 du LM311 est très faible, et son transistor de sortie ne conduit quasiment plus du tout, ce qui fait que l'oscillateur oscille tout le temps et la lampe est donc pleinement allumée.

Le graphe qui suit représente les variations de retard à l'amorçage du triac, le retard devenant de plus en plus faible (augmentation de l'intensité lumineuse). Pour des raisons de temps de simulation la valeur de C1 a été descendue à 1 uF pour que le cycle entier ne dure que 1 seconde environ.



La courbe verte représente les impulsions de synchronisation sur l'onde secteur, il y en a une toutes les 10 ms (fréquence 100 Hz). La courbe rouge montre les cycles de charge et décharge du condensateur C1 permettant l'oscillation de l'UJT, et la courbe bleue représente les impulsions d'amorçage correspondantes à la décharge brutale de C1 dans R2, et envoyées au triac. Le grossissement d'une partie du graphe (ci-après) permet d'y voir plus clair.



A ce stade, le retard à l'amorçage du triac est de l'ordre de 5 ms, la lampe est allumée à moitiée.

Remarque : une seule impulsion suffit normalement pour amorcer le triac. Ce train d'impulsion est donc du "luxe", mais permet d'amorcer plus surement des triacs difficiles.