Un variateur à effleurement pour ampoule à incandescence

Ce variateur de lumière électronique permet de régler l’intensité lumineuse d’une ampoule à incandescence simplement en effleurant deux plaques métalliques qui se substituent au traditionnel potentiomètre. L’intensité lumineuse choisie est mémorisée puis rappelée à chaque allumage. Grâce à une fonction particulière (fonction “soft”), le circuit est également en mesure d’allumer ou d’éteindre graduellement l’ampoule.



Caractéristiques techniques
- Tension d’utilisation : 230 VAC 50 Hz
- Charge maximale applicable : 500 W
- Commande à effleurement
- Activation : ON / OFF avec rampe “soft” (allumage / extinction progressifs)
- Réglage : de 23 % à 88 % (angle de conduction triac 41° à 159°)
- Fonction mémoire luminosité
- LED de signalisation présence tension
- Dimensions : 100 x 55 x 29 mm.

Certes, un simple interrupteur cela “marche” parfaitement, mais si l’on souhaite allumer / éteindre les ampoules de l’éclairage domestique graduellement, il nous faut un variateur de lumière.
Le nôtre est de dimensions telles qu’il peut se substituer à une classique boîte encastrable (même existante, a fortiori en construction neuve), mais en plus il est à commande par effleurement…au lieu de comporter les traditionnels potentiomètre ou touche mécaniques. Comme le montre la photo de début d’article, il suffit de toucher avec le doigt l’une des deux électrodes de commande pour allumer / éteindre progressivement l’ampoule ou en faire varier la luminosité (avec possibilité de mémoriser le niveau pour un prochain allumage).

Le schéma électrique
Analysons tout d’abord le schéma électrique de la figure 1 : le composant central est le circuit intégré LS7534 de chez LSI/CSI, une puce présentée en boîtier plastique 2 x 4 broches, contenant tout ce qu’il faut pour réaliser un variateur de lumière à commande par effleurement.
Il contient en effet un détecteur de phase, une logique de contrôle assistée d’un PLL (“Phase Locked Loop” ou boucle à verrouillage de phase), un comparateur, un pilote de sortie PWM et deux “buffers” (tampons) sur les entrées UP et DOWN recevant les commandes par l’intermédiaire de deux électrodes métalliques.
Le variateur effectue le contrôle de la luminosité en intervenant sur la valeur moyenne de la tension appliquée à l’ampoule, soit en ne gardant qu’une partie de l’onde : cette méthode garantit une parfaite efficacité, une compacité maximale du montage et un nombre de composants minimal. Les systèmes utilisant ce principe utilisent un circuit produisant une impulsion de contrôle pour la gâchette du triac de puissance retardé par rapport au passage par zéro de la demi onde : il s’ensuit que pendant chaque demi cycle de la tension du secteur le triac ne conduit (et donc la charge ne consomme du courant) qu’à partir de l’instant où il reçoit l’impulsion et jusqu’à la fin de ce demi cycle. Il est évident que la tension moyenne fournie à la charge peut être contrôlée en retardant l’impulsion de commande par rapport au début de chaque demi cycle.
L’état de conduction demeure jusqu’au passage par zéro suivant (ce passage annule le potentiel entre anode et cathode du semiconducteur qui s’en trouve par conséquent interdit).
La sortie (broche 8) du LS7534 peut produire l’impulsion à envoyer à la gâchette du triac de puissance T1 : l’unité logique interne synchronise le système et détermine le retard de l’impulsion. Ce circuit intégré permet de produire des impulsions dont le retard détermine un rapport cyclique compris entre un minimum de 23 % et un maximum de 88 %. La luminosité de l’ampoule pourra donc varier d’une valeur proche du maximum à une valeur légèrement supérieure au minimum : en réalité, grâce à une commande particulière, nous pourrons aussi éteindre complètement l’ampoule. Le rapport cyclique est augmenté et diminué en agissant sur les entrées correspondant aux broches 5 (UP) et 6 (DOWN), lesquelles sont reliées à travers des résistances aux électrodes. R3 et R7 se chargent du maintient au niveau logique haut (“pull-up”) des entrées. Quand on touche les électrodes avec un doigt, la résistance interne du corps humain détermine le passage d’un courant vers la terre, très faible mais suffisant pour être détecté par l’entrée du circuit intégré.
Si le fait de toucher d’un doigt une électrode reliée à la phase du secteur 230 V vous semble dangereux, eh bien considérez que le courant s’écoulant dans le corps est limité par des résistances montées en série : la valeur est tellement faible qu’elle est imperceptible et d’une totale innocuité…même en cas de pathologie cardiaque.
Analysons enfin l’alimentation du circuit, en partant de C2 dont la réactance capacitive à la fréquence du secteur 50 Hz (Xc = 1 / 6,28 x 0,1 μF x 50 Hz = 31 847 ohms) ajoutée à la valeur de R1, constitue l’impédance ballast nécessaire à la zener DZ1 pour obtenir une tension unidirectionnelle de 15 V, rendue ensuite parfaitement continue par l’action de l’électrolytique de filtrage C5.
Aux extrémités de ce dernier, on obtient exactement 15 Vcc par rapport au fil de phase et cette tension est nécessaire au bon fonctionnement du LS7534.

Figure 1 : Schéma électrique du variateur.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants du variateur.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du variateur.

Le circuit imprimé a ses angles découpés de telle manière que l’on puisse ensuite installer la platine dans un boîtier plastique Teko Coffer 1 de dimensions 100 x 55 x 29 millimètres.

Figure 3 : Photo d’un des prototypes de la platine du variateur.

Liste des composants
R1 ..... 1 kΩ
R2 ..... 1,5 MΩ
R3 ..... 2,2 MΩ
R4 ..... 4,7 MΩ
R5 ..... 56 Ω
R6 ..... 4,7 MΩ
R7 ..... 2,2 MΩ
R8 ..... 4,7 MΩ
R9 ..... 4,7 MΩ
R10 .... 100 kΩ
C1 ..... 150 nF 400 V polyester
C2 ..... 100 nF 400 V polyester
C3 ..... 47 nF 100 V polyester
C4 ..... 470 pF céramique
C5 ..... 47 μF 25 V électrolytique
D1 ..... 1N4148
D2 ..... 1N4148
D3 ..... 1N4007
DZ1 .... zener 15 V 1 W
T1 ...... BTA10-700
L1 ...... self 220 μH
U1 ...... LS7534
LD1 ..... LED 5 mm rouge

Divers :
2 borniers à 2 pôles au pas de 10 mm
1 support 2 x 4
1 dissipateur pour TO220
1 boulon 8 mm 3MA
Toutes les résistances sont des 1/4 W 5%.
Rappel des abréviations : k = kilohm ; M = mégohm ; (rien) = ohm.


Le fonctionnement des commandes
Comme le montre la figure 4, deux modes de fonctionnement sont prévus : si vous touchez rapidement une électrode vous utilisez le mode allume / éteint (ON / OFF), inversement si vous maintenez le doigt sur l’électrode vous passez en mode de réglage de la luminosité.
Pour être plus précis, si la durée du contact du doigt est comprise entre 34 et 325 ms, l’ampoule s’éteint ou s’allume. Si en revanche on maintient le contact du doigt au-delà de 334 millisecondes, on obtient une variation continue de la luminosité (ces durées étant celles indiquées par le constructeur, elles ne sont pas modifiables). Dans tous les cas le circuit intégré mémorise le niveau maxi paramétré, qu’en cas d’extinction et de rallumage la luminosité de l’ampoule doit recouvrer. Cette dernière fonction permet de revenir à la luminosité précédente simplement en effleurant l’électrode UP.
Autre particularité de l’appareil : en mode interrupteur la charge (ampoule) s’allume ou s’éteint graduellement.
Elle s’éteint complètement en un temps maxi de 5,6 secondes, alors qu’un simple toucher de l’électrode UP lui fait recouvrer la luminosité initiale en un temps maxi de 2,8 secondes).
Les durées d’allumage et d’extinction dépendent du niveau maximum de luminosité mémorisé par l’appareil.
En effet, la vitesse de variation est constante : il va donc de soi que, si l’on doit allumer l’ampoule, le temps nécessaire pour passer, par exemple, de 0 à 30 % sera bien sûr inférieur à celui nécessaire pour passer, toujours par exemple, de 0 à 70 %. Même chose pour les durées d’extinction. Le circuit intégré comporte une broche de contrôle particulière (DOZE, broche 2) à laquelle on peut appliquer un signal d’horloge externe pour réaliser un mode particulier d’extinction de l’ampoule : ici nous ne l’avons pas utilisé et il est relié à la masse.
Au point CAP (broche 3) est connecté C3, servant au fonctionnement du filtre du PLL interne. Quant à SYNC, il reçoit, à travers le filtre R2 / C4 et la self L1, une partie de l’onde sinusoïdale du secteur nécessaire à la synchronisation.
Le pilote de sortie fournit les impulsions d’allumage servant à piloter la gâchette du triac de puissance T1. Le courant est limité par R5, alors que D2 bloque la tension inverse. Le réseau L1 / C1 élimine les perturbations HF dues à la commutation du triac qui sans cela se propageraient le long du réseau domestique et occasionneraient des parasites à la radio, la télévision, la chaîne Hi-Fi, etc. R10 limite le courant dans LD1 (laquelle signale la présence de la tension secteur), tandis que D3 bloque la tension inverse.

Figure 4 : Interrupteur ou variateur de lumière ?

L’appareil comporte deux électrodes métalliques
de commande à la place des traditionnels potentiomètres rotatifs ou des touches. Ce sont deux simples “straps” de fil dénudé disposés à la surface du couvercle du boîtier plastique. La LED rouge signale la présence de la tension du secteur 230 V.

Notre montage prévoit deux modes de fonctionnement selon la persistance de l’effleurement du doigt sur les électrodes métalliques : en effet, si l’on touche rapidement les commandes UP ou DOWN, le circuit se comporte comme un interrupteur, alors que si on maintient le doigt sur les électrodes, la luminosité de l’ampoule constituant la charge augmente ou diminue progressivement (ce qui est le propre des variateurs de lumière). En mode interrupteur le circuit allume ou éteint la charge de manière graduelle, créant ainsi un agréable effet visuel : une ampoule est complètement éteinte en une durée maximale de 5,6 secondes alors qu’un toucher sur l’électrode UP détermine le retour (en un temps maximal de 2,8 secondes) de la luminosité précédemment paramétrée. En mode variateur le niveau de luminosité est réglé en maintenant le doigt sur une électrode UP ou DOWN jusqu’à l’atteinte du niveau désiré. Le tableau ci-dessous résume les prestations de l’appareil.

PLAQUE METALLIQUE TOUCHEEVARIATEUR de LUMIÈRE Commande prolongée (t>334 ms)INTERRUPTEUR Commande instant. (t=34 à 325 ms)
UPAugmente l’intensité lumineuse de
l’ampoule tant que la commande persiste
L’ampoule atteint le niveau maxi précédemment paramétré de manière “soft”
DOWNDiminue l’intensité lumineuse de l’ampoule tant que la commande persiste.Eteint complètement l’ampoule de manière “soft” (en un temps maxi de 5,6 s).


La réalisation pratique
Les dimensions du circuit imprimé (et par conséquent du boîtier utilisé) sont assez modestes pour remplacer le boîtier d’encastrement de l’éventuel interrupteur existant. Une fois qu’on l’a réalisé (la figure 2b en donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte tous les composants (en commençant par le support du circuit intégré) en regardant fréquemment les figures 2a et 3 et la liste des composants.
Fixez la self horizontalement au ci avec de la colle au silicone (c’est une self de 220 μH à facteur Q élevé réalisée avec du fil d’au moins 0,5 mm2 car elle doit accepter un courant nominal de 2 A). Le dissipateur du triac est un modèle en U pour boîtier TO220 (16 à 18 °C/W) à monter avec de la pâte thermique silicone.
Le circuit intégré ne sera inséré qu’à la fin des soudures.
Montez ensuite la platine (dont les angles ont été découpés à cette fin) dans le boîtier plastique Teko Coffer 1.
Les électrodes UP et DOWN sont constituées par des “straps” en fil dénudé (pour les installer, faites quatre petits trous dans la coque du boîtier, comme le montre la figure 4).
N’oubliez pas de les souder à la platine dans les trous notés UP et DOWN. Faites également un trou de 5,5 mm de diamètre en haut de cette même face pour laisser affleurer la LED.
C’est dans la face latérale de la coque que vous devez pratiquer un évidement pour l’entrée du secteur 230 V et la sortie vers la charge (ampoule). Utilisez des fils de diamètre suffisant pour la puissance en jeu.

Figure 5 : Les liaisons.

Si l’on peut atteindre les deux fils du secteur 230 V, il est possible de se conformer au schéma a) dans lequel la tension d’alimentation et la charge sont séparés et disposent chacun de leur bornier. Si on ne peut en atteindre qu’un (cas du remplacement de l’interrupteur existant par notre variateur), on utilisera plutôt le schéma b) : connectez d’abord l’un ou l’autre conducteur sans vous demander s’il s’agit de la phase ou du neutre (si l’appareil fonctionne, c’est parfait, sinon inversez les fils).

L’installation
Tout d’abord coupez l’arrivée générale de l’électricité (ou au moins la tranche comportant l’interrupteur à remplacer par le variateur). Câblez votre appareil comme le montre la figure 5.

0 commentaires:

Enregistrer un commentaire

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...