Un interrupteur à effleurement

Cet interrupteur à effleurement permet de commander des charges fonctionnant directement sur le 220 volts alternatif, consommant jusqu’à 4 ampères. Il utilise le très innovant circuit intégré QT110 de la société QUANTUM et le non moins récent VB409 de SGS-THOMSON.


Pour commander des charges électriques fonctionnant en tension secteur, il existe différents systèmes, qui vont du simple interrupteur mécanique, au circuit électronique équipé d’un relais ou d’un triac.
Tous requièrent toutefois un bouton poussoir ou à bascule, un élément qui physiquement ferme un circuit, même si, et c’est le cas des interrupteurs électroniques, le bouton sert uniquement à recevoir la commande de l’utilisateur, la commutation en elle-même étant confiée à un élément électromécanique (relais, télérupteur…).
Une alternative élégante est sans conteste l’interrupteur à effleurement, car il permet le contrôle d’un appareil électrique sans aucun bouton poussoir : il suffit d’effleurer ou de toucher du bout d’un doigt une plaquette conductrice, pour envoyer la commande.
Dans cet article, nous vous proposons une seconde application du Q-Touch QUANTUM spécialement étudiée pour la commande de charges électriques fonctionnant à partir du secteur domestique 220 volts (TV, radio, HI-FI…).
La première application, décrite dans l'article “Un interrupteur commandé par détecteur de proximité”. Elle a eu un réel succès, ce qui motive ce nouveau développement.
Le circuit dispose en sortie, d’un triac de forte capacité et la dimension des pistes permet de commuter environ 4 ampères.

Le schéma électrique
Regardons le schéma électrique de la figure 1, qui présente deux détails très intéressants.
Le premier est l’utilisation du QT110 de la société QUANTUM (voir figure 5) qui est l’élément d’entrée, l’autre, est l’utilisation de l’alimentation secteur intégrée VB409, un composant de nouvelle génération de la série VIPower, fabriqué par la société SGS-THOMSON (voir figure 7). Les notices techniques de ces composants sont à l’adresse : www.electronique-magazine.com/telechargement.asp.
Tout cela a permis de condenser la totalité du système de contrôle sur un circuit imprimé de dimensions réduites, garantissant néanmoins fonctionnalité et sécurité d’utilisation.
Faisons un petit retour sur le fonctionnement du QT110.
Il s’agit d’un capteur de proximité complet, basé sur le transfert d’une certaine quantité de charge d’un condensateur à une électrode, appelée capteur et de celui-ci à la terre.
L’étage d’entrée, après la mise en service ou après chaque détection, applique un potentiel au condensateur d’entrée (C5) et, de l’armature de celui-ci, le transfère à l’électrode connectée à la patte 7 de U2 puis attend que la charge déposée sur l’électrode soit prélevée.
Évidemment, cela ne peut se produire que si le circuit ferme, directement ou au travers d’un diélectrique, la patte 7 à la terre.
L’électrode est en somme la première armature d’un condensateur, la seconde étant la terre, le sol en fait : tout ce qui est interposé entre les deux constitue un diélectrique, dont la consistance et la dimension déterminent un transfert plus ou moins accentué de la quantité de charge fournie à l’entrée.
Si on touche l’électrode d’entrée directement avec un doigt, la charge est prélevée.
Si, par contre, on protège l’électrode avec un isolant peu épais et si le doigt touche cet isolant, la charge est également transférée, à travers le nouveau diélectrique qui, cette fois, est le strate isolant.
La même chose se produit au travers de l’air, car l’air est également un diélectrique et permet le passage de la charge entre une armature et l’autre.
De ce fait, il suffit seulement d’approcher le doigt de l’électrode ou du fil connecté à la patte 7 du circuit intégré, sans avoir besoin de le toucher physiquement.
La sensibilité de détection peut être choisie parmi trois : basse, moyenne ou élevée, en fonction des conditions de travail et des dimensions de l’électrode capteur.
Le choix de la sensibilité s’effectue manuellement, en fermant à l’aide de petits cavaliers les pattes 5, 6, 7, entre-elles comme le montre la figure 6. Ainsi en fermant 5 et 7 on choisit la sensibilité minimale, en fermant 5 et 6, c’est la sensibilité moyenne qui est sélectionnée, en laissant les trois plots en l’air on obtient la sensibilité maximale.
La sortie du QT110 travaille en mode “toggle”, c’est-à-dire qu’il commute en inversant son état, chaque fois que l’électrode est touchée.
De ce mode “toggle” (bistable), il faut observer que lorsque l’électrode est touchée durant au moins un temps supérieur au “time-out” (10 secondes), bien que le QT110 se recalibre, la sortie ne retourne pas au repos, mais demeure dans le dernier état précédent, cela permet de laisser le triac dans le même état et ainsi de laisser la totalité du circuit dans la condition où il a été placé par le dernier contact détecté.
En analysant la sortie du QT110, nous voyons qu’il pilote un triac, élément auquel il est demandé la fonction de commuter la charge sur la ligne 220 volts, à travers un opto-triac piloté à son tour par le transistor T1.
Ce dernier est un PNP et lorsque la sortie du QT110 est au repos, il est bloqué ; ainsi que la LED interne de l’opto-coupleur, dont la sortie est donc également bloquée, le triac est naturellement coupé. L’activation de la sortie de U2 correspond avec le niveau logique sur la patte 7, état qui fait passer T1 en saturation, le collecteur de celui-ci polarise la diode interne de l’opto-triac (l’élément de sortie est aussi un triac), qui ferme à son tour le circuit de commande du triac de puissance externe TR1.
L’opto-triac choisi est un MOC3041. Il contient un détecteur de passage par le zéro de l’onde de secteur très efficace, ce qui permet de détecter ce passage par zéro volt de la tension du secteur et de laisser passer l’impulsion d’amorçage vers l’opto-triac seulement après chaque croisement.
Le résultat est que les pattes 4 et 6 sont mises en contact, non seulement lorsque la diode d’entrée (patte 1 et 2) est polarisée par T1, mais aussi après le prochain passage par le zéro de l’alternance du secteur. Cela garantit que le triac principal est allumé loin des pics dus à la croissance de la sinusoïde, évitant ainsi les fortes sollicitations auxquelles il serait soumis dans le cas contraire.
Il est notoire que si un interrupteur ferme un circuit lorsque l’alternance est à sa valeur maximale, la consommation est en conséquence maximale, plus encore si la charge à une composante réactive significative. Dans ce dernier cas, cela donne naissance à des perturbations impulsionnelles, qui, si elles ne sont pas convenablement filtrées, se propagent le long de la ligne du secteur, ces perturbations coïncident avec des surtensions dans le cas de charges principalement inductives ou avec des baisses ou des écarts de tension si la charge est fortement capacitive.
L’interrupteur à effleurement ainsi décrit, nécessite, pour son fonctionnement, une tension de 5 volts, de préférence stabilisée.
La solution a été trouvée dans la série VIPower de la société SGS (anciennement Thomson). Il s’agit de circuits intégrés contenants des régulateurs de tension complets, en boîtier PENTAWATT ou en DIP pour montage en surface.
Chaque circuit VIPower contient deux régulateurs de tension, le premier des deux étant relié à l’entrée et assurant un premier abaissement du potentiel, générant ensuite des impulsions avec lesquelles il charge un condensateur électrolytique externe.
La tension présente aux bornes de ce dernier est envoyée à l’entrée du second régulateur, lequel la stabilise parfaitement, pour la restituer à la sortie.
De la série ST, nous avons employé le VB409, un composant qui peut accepter, en entrée, des tensions continues jusqu’à 500 volts et peut délivrer, en sortie, environ 80 milliampères, une valeur de courant plus que suffisante pour alimenter le QT110, qui ne requiert que quelques milliampères et même la consommation de l’opto-triac MOC3041 ne dépasse pas la dizaine de milliampères.
Le VB409 fonctionnant à partir d’une tension continue, nous avons été obligés de redresser la sinusoïde du secteur à l’aide de la diode D1, qui fournit des impulsions à 50 Hz, avec lesquelles est chargé le condensateur C2, aux bornes duquel nous aurons une différence de potentiel d’environ 300 volts.
Le diviseur de tension R6/R7, fixe le seuil de commutation du générateur d’impulsions, les mêmes impulsions de tension que le VB409 envoie au condensateur de filtrage C3 par l’intermédiaire de la patte 1.
La tension filtrée et nivelée par ce dernier n’est pas stabilisée et est régulée par le second étage de U1 qui la reçoit et qui à partir de celle-ci, fabrique une différence de potentiel constante, égale à 5 volts, stable, avec un pourcentage de régulation de 5 %.
Les 5 volts sont ensuite filtrés par le condensateur électrolytique C4 et rejoignent les composants qu’ils alimentent, comme le QT110, le transistor T1 et, évidemment, le MOC3041.

Figure 1 : Schéma électrique de l’interrupteur à effleurement.

Figure 2 : Schéma d’implantation des composants de l’interrupteur à effleurement.

Figure 3 : Photo du montage terminé.

Figure 4 : Dessin, à l’échelle 1 du circuit imprimé, côté cuivre.

Liste des composants
R1 = 390 Ω
R2 = 330 Ω
R3 = 22 kΩ
R4 = 220 Ω
R5 = 47 kΩ
R6-R8 = 1 MΩ
R7 = 560 kΩ
C1 = 220 nF 630 V électrolytique
C2 = 2,2 nF
C3 = 220 μF 25 V électrolytique
C4 = 100 μF 25 V électrolytique
C5 = 4,7 nF polyester
D1 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur VB409
U2 = Intégré QT110
FC1 = Optotriac MOC3041
T1 = PNP BC547B
TR1 = Triac BTA10700

Divers :
1 Support 2 x 3 broches
1 Support 2 x 4 broches
3 Picots sécables
1 Cavalier


Figure 5 : Le capteur QT110.

Sélection de la sensibilité

Figure 6 : Sélection de la sensibilité.

Sensibilité    Pontage
Basse A
Moyenne B
Haute Aucun


Figure 7 : Le brochage du VIPower VB409.

Pour adapter le capteur intégré QT110 à des électrodes de formes et de dimensions diverses ainsi qu’à différentes conditions d’utilisation, il a été prévu un cavalier que chacun pourra positionner en fonction de ses exigences.
Le petit tableau montre comment placer ce cavalier de «gain» selon la sensibilité voulue.
Pour choisir le type de sensibilité à utiliser, il faut savoir que celle-ci représente la capacité de détecter la proximité d’une personne ou d’un objet relié à la terre et cela, à une distance plus ou moins grande.
Evidemment, plus la sensibilité est importante, plus grande est la distance de détection de l’approche de la personne qui doit commander l’automatisme.
Un autre paramètre déterminant est celui de la dimension de l’électrode (capteur) : si celle-ci est de dimensions réduites, il suffit d’une sensibilité basse, car la dispersion de charge au repos est très faible, ainsi, une plus grande capacité de discrimination est superflue.
Si, par contre, l’électrode est particulièrement importante, il est nécessaire d’augmenter la sensibilité du discriminateur du QT110, étant donné que la dispersion est normalement élevée et la différence entre l’état de repos et celui suivant un contact est minimale.

La réalisation pratique
Venons en à présent à la phase de construction de notre système.
Après avoir gravé le circuit imprimé donné, à l’échelle 1, en figure 4, par votre méthode habituelle ou par la méthode décrite dans l'article "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?", et après l’avoir percé, vous pouvez insérer et souder les composants, en commençant par les résistances, les diodes et en poursuivant par les supports des circuits intégrés (pour le QT110 et le MOC3041) en faisant attention de les orienter dans le sens indiqué sur le schéma d’implantation des composants de la figure 2 et en vous aidant de la photo de la figure 3.
Poursuivez le montage par la mise en place des condensateurs en prêtant une attention particulière aux condensateurs électrolytiques dont il faut impérativement respecter la polarité (patte longue au positif).
Montez le transistor T1 et le triac, pour ce dernier, précisons que la partie métallique de son corps est placée vers l’extérieur du circuit imprimé.
Aucun problème particulier pour la mise en place du VIPower, qui ne peut entrer dans les trous qui lui sont destinés que dans un seul sens.
Le pontage GAIN est réalisé par la mise en place d’un petit connecteur à trois picots en ligne au pas de 2,54 mm, le choix de la sensibilité sera effectué par la mise en place d’un petit cavalier reliant les deux picots choisis (voir figure 6).
L’entrée P.P. (Prox-Plate) est reliée, à l’aide d’une longueur de fil de câblage isolé du circuit imprimé, à une plaque métallique, en fait, l’élément à toucher.
Il est déterminant que l’électrode captrice soit isolée de la terre, à l’aide d’une plaque de bois, de verre, de plastique ou de caoutchouc. Dans le cas contraire, le fonctionnement sera perturbé ou bien la sensibilité sera considérablement réduite.
Rappelez-vous que pour l’utilisation, aucun réglage n’est nécessaire, bien qu’il soit indispensable de choisir le mode de fonctionnement de la sortie et la sensibilité. La sortie à triac peut directement être utilisée pour commander des charges électriques fonctionnant en 220 volts, pourvu que leur consommation ne dépasse pas 4 ampères, cela peut être des lampes à incandescence ou halogènes, des chauffages, des portes à commande électrique, etc.
Si on doit commuter des courants supérieurs à 0,5 ampère (plus de 100 watts), il est conseillé de doter le triac d’un dissipateur de chaleur.
Un modèle en “U” pour boîtier TO220 ayant une résistance thermique de 16/18 °C/W fera parfaitement l’affaire.
Pour d’évidentes raisons de sécurité, soyez attentif, durant la réalisation et pendant les tests aux parties reliées au secteur domestique 220 volts.

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