Un variateur pour charges inductives

Si vous cherchez un “varilight” (variateur de lumière) pour charges résistives, soit pour allumer les ampoules à filament, vous en trouverez une infinité. Si en revanche vous cherchez un variateur pour charges inductives, nécessaires pour alimenter des moteurs ou des transformateurs, vous en trouverez très peu et, si vous essayez de les monter, vous vous apercevrez qu’ils se refusent presque tous à fonctionner ! C’est seulement en utilisant le schéma fourni par SGS-THOMSON que nous avons réussi à obtenir un variateur pour charges inductives donnant des résultats très satisfaisants : vous allez pouvoir en comprendre le fonctionnement et le construire.


Les variateurs pour charges non inductives ou “varilights” (variateurs de lumière), vous les connaissez sans doute bien : ils abaissent la tension d’alimentation de façon à allumer le filament incandescent de l’ampoule électrique au minimum. La lumière émise est alors faible, ce qui est recherché quand on ne veut, la nuit, qu’une petite source de lumière, comme veilleuse dans un couloir ou une chambre d’enfant, ou comme éclairage d’ambiance pour regarder la télévision.
Etant donné qu’un tel circuit abaisse la tension du secteur 230 V, vous avez pu penser qu’en le couplant à un ventilateur ou une perceuse, vous pourriez en diminuer la vitesse de rotation, ou même qu’en l’associant au primaire d’un transformateur vous réussiriez à diminuer la tension du secondaire. Si vous avez effectivement essayé de le faire, vous avez remarqué que la vitesse du moteur ou du ventilateur ne change pas, ou parfois qu’ils ne fonctionnent pas : car tous les schémas de “varilights” ou autres “dimmers” publiés dans les revues ne peuvent piloter que des charges résistives. Les charges résistives sont celles qui sont constituées de résistances, comme les lampes à filament, les appareils de chauffage ou les fers à souder.
Les charges inductives utilisent, elles, des enroulements, ou bobinages (le terme scientifique est “solénoïdes”, le mot le plus usité est “selfs”) de fil de cuivre, le plus souvent isolé par une couche d’émail : ces bobinages se trouvent dans la plupart des appareils électriques dont nous nous servons quotidiennement, comme les moteurs, ventilateurs, perceuses, transformateurs, etc. Les lampes fluorescentes ou halogènes étant alimentées par un transformateur, le plus souvent incorporé à leur base, entrent dans la catégorie des charges inductives.
Pourquoi tous les “varilights” fonctionnent à merveille avec des charges résistives et ne se comportent pas du tout de la même manière avec les charges inductives, vous le comprendrez en lisant l’article : "Un analyseur pour le secteur 220 V", dans lequel nous parlions de déphasage.

Notre réalisation
Comme nous savons qu’un variateur pour charges inductives est très demandé, nous avons cherché à en concevoir un sur la base d’un schéma préconisé par SGS THOMSON (note d’application). Mais avant de vous en décrire le schéma électrique, nous vous donnons ci-dessous quelques précisions afin de vous éviter des désillusions : Si vous voulez utiliser ce montage pour réduire la vitesse d’une perceuse électrique, sachez que si elle est dotée de balais il n’y aura aucun problème.
Par contre, les moteurs sans balais pourront descendre au minimum ou bien rester bloqués à mi-vitesse. Nous avons essayé notre circuit avec une perceuse électrique de 500 W sans rencontrer aucun problème : par contre pour être tout à fait honnêtes, à la vitesse minimale la puissance avait un peu diminué.
Quand nous avons utilisé le montage pour réduire la vitesse des ventilateurs, nous nous sommes aperçus que, pour certains modèles, la décélération n’était pas toujours linéaire et nous ne savons pas si elle était influencée par la capacité du condensateur de rephasage (= correction du déphasage) incorporé.
Si vous reliez la sortie du circuit au primaire 230 V de n’importe quel transformateur avec l’intention de diminuer la tension du secondaire, sachez que vous ne pourrez connecter à ce secondaire que des charges résistives, sinon la tension ne changera pas.
Donc, si vous reliez au secondaire de ce transformateur une ampoule à filament, qu’elle soit de 12, 24, 36 ou 48 V, peu importe, vous verrez sa luminosité baisser jusqu’au minimum.
Si vous lui connectez une ampoule au néon ou à économique d’énergie (halogène), vous verrez qu’en dessous d’une certaine tension elle clignote puis s’éteint à l’improviste.

Important : Nous vous proposons ce variateur pour des charges inductives, mais sachez que le montage fonctionne parfaitement, même avec des charges résistives et donc, si vous lui reliez une lampe à filament, vous pourrez faire varier sa luminosité du maximum au minimum et vice-versa sans aucun problème.

Figure 1 : Ce circuit, conçu pour piloter aussi bien des charges inductives que des charges résistives, est protégé par un élégant boîtier plastique. Le bouton situé en face avant sert à faire varier la tension de sortie d’alimentation de la charge.

Le schéma électrique de ce variateur pour charges inductives
Si vous regardez le schéma électrique de la figure 2, vous voyez que le circuit commence par les 4 diodes DS1, DS2, DS3 et DS4. Les deux fils portant la tension du secteur 230 V, tension alternative donc, sont appliqués l’un à DS1-DS2 et l’autre aux résistances R1-R2 et R3-R4. A R1-R2 et R3-R4 sont reliées DS3-DS4 et, comme le montre la figure 2, leur jonction est reliée à l’anode 1 du triac TRC1.
DS3-DS4 conduisent sur l’anode 1 de TRC1 un signal à ondes sinusoïdales carrées à l’extrémité duquel se trouve une série d’impulsions. Quand nous prélevons la tension maximale sur les douilles de sortie reliées au second triac TRC2, les extrémités de ces ondes sont remplies de ces impulsions (figure 3). Lorsqu’en revanche nous y prélevons la tension minimale, les extrémités de ces ondes contiennent très peu d’impulsions (figure 6).
- Si nous contrôlons le signal sortant de l’anode 2 de TRC1 et, plus précisément, le signal présent sur la jonction entre R9 et les deux zeners DZ1-DZ2 en opposition de polarité (voir point B du schéma électrique de la figure 2), nous trouvons des ondes carrées parfaites à l’intérieur desquelles se trouve une petite impulsion servant à exciter la gâchette de TRC2, situé sur la sortie du circuit (figures 4 et 7).
- Quand le curseur de R6 est tourné pour sa résistance minimale, nous prélevons à la sortie du variateur pour charges inductives la tension maximale, car les impulsions excitant la gâchette de TRC2 sont toutes placées à gauche des ondes carrées (figure 4). Lorsque ce curseur est tourné pour sa résistance maximale, nous prélevons à la sortie du variateur la tension minimale, car les impulsions excitant la gâchette de TRC2 sont toutes placées à droite des ondes carrées (figure 7).
- Ceci étant dit, nous pouvons maintenant expliquer comment varie la tension de sortie quand on tourne le curseur de R6 d’une extrémité à l’autre. Regardons la figure 5 : sur l’anode 1 de TRC2 arrive la sinusoïde complète de la tension alternative.
Si nous tournons le curseur de R6 vers la résistance minimale, arrive sur la gâchette de TRC2 une impulsion d’excitation dès que commence le cycle de demie-onde, le triac entre tout de suite en conduction et nous retrouvons sur sa sortie deux demies ondes presque complètes (figure 5 en bas). Si nous tournons ce curseur pour la résistance maximale, arrive sur la gâchette de TRC2 une impulsion d’excitation presqu’à la fin du cycle de chaque demie-onde, le triac entre en conduction en retard et nous retrouvons sur sa sortie deux demies ondes incomplètes (figure 8 en bas). Dans ces conditions, les volts en sortie sont proches de zéro.

NOTE IMPORTANTE : Bien que dans l’article nous ayons reporté les dessins des formes d’onde visibles à l’écran de l’oscilloscope, nous devons préciser une petite, mais importante, particularité, afin de vous éviter de mettre hors d’usage votre oscilloscope.
Vous savez que la masse de tout oscilloscope est reliée à la terre de la tension secteur 230 V : il est par conséquent possible que, dès le toucher des pointes de mesure sur les douilles de sortie du variateur, on obtienne un dangereux court-circuit. Rappelez-vous aussi que la tension du secteur 230 V, cela fait 648 Vpp !

Figure 2 : Schéma électrique du variateur pour charges inductives et résistives.

Liste des composants
R1 = 100 kΩ 2 W
R2 = 100 kΩ 2 W
R3 = 100 kΩ 2 W
R4 = 100 kΩ 2 W
R5 = 27 kΩ 1/4 W
R6 = 220 kΩ pot. lin.
R7 = 150 kΩ 1/4 W
R8 = 1 MΩ trimmer
R9 = 10 kΩ 10 W
R10 = 10 kΩ 1/4 W
R11 = 1 kΩ 1/4 W
R12 = 220 Ω 1/2 W
C1 = 100 nF pol. 250 V
C2 = 100 nF pol. 400 V
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
DS3 = Diode 1N4007
DS4 = Diode 1N4007
DZ1 = Zener 100 V 1 W
DZ2 = Zener 100 V 1 W
DIAC = Diac
TRC1 = Triac 500 V 5 A BT137/500
TRC2 = Triac 700 V 10 A BTA10/700
F1 = Fusible 16 A


Figure 3 : Quand on tourne le curseur de R6 pour obtenir en sortie la tension maximale, sur le point A de TRC1, on détecte des demies ondes presque carrées avec une série d’impulsions produites par le diac. Le triac TRC2 s’excite sur la première impulsion à droite de chaque demie-onde.

Figure 4 : Quand nous prélevons en sortie la tension maximale, sur le point B, correspondant à la jonction R9-R10, nous retrouvons des ondes carrées à l’intérieur desquelles se trouve l’impulsion d’excitation. Cette impulsion est tout à gauche, au début de la demie-onde.

Figure 5 : Quand R6 est tourné pour fournir en sortie la tension maximale, l’impulsion d’excitation arrive sur la gâchette de TRC2 au début du cycle des demies ondes (voir impulsion sur les ondes carrées). Dans ces conditions, le triac entre tout de suite en conduction et fournit en sortie des sinusoïdes presque complètes.

Figure 6 : Quand R6 est tourné pour la tension minimale en sortie, sur le point a de TRC1 on détecte des demies ondes carrées avec un nombre très réduit d’impulsions, toutes présentes sur la droite. TRC2 s’excite à la première impulsion de droite.

Figure 7 : Quand nous prélevons en sortie la tension minimale, sur le point B, correspondant à la jonction R9-R10, nous retrouvons des ondes carrées dont l’impulsion d’excitation est maintenant positionnée à droite et non plus à gauche, comme c’était le cas figure 4.

Figure 8 : Quand R6 est tourné pour la tension minimale en sortie, l’impulsion d’excitation arrive sur la gâchette de TRC2 presqu’à la fin du cycle de chaque demie-onde (voir impulsion sur les ondes carrées). Dans ces conditions le triac entre en conduction en retard et donne en sortie une sinusoïde incomplète.

La réalisation pratique du variateur pour charges inductives
Quand vous avez réalisé le circuit imprimé dont la figure 11b donne le dessin à l’échelle 1 ou que vous vous l’êtes procuré, montez tout de suite les 4 diodes en boîtier plastique DS1, DS2, DS3 et DS4, bagues blanches repère-détrompeurs orientées comme le montre la figure 11a.
Montez ensuite sur la droite du circuit imprimé les 2 zeners en verre de 100 V DZ1 et DZ2, bagues noires repère-détrompeurs orientées l’une vers l’autre. Montez alors toutes les résistances, le trimmer R8 et le diac (à insérer sans respecter aucune polarité car il est bidirectionnel).
Montez ensuite les deux condensateurs polyesters C1 et C2 puis le triac TRC1 BT137/500 : ce triac de 5 A a une sensibilité de gâchette d’environ 20 mA, il est à placer en position verticale semelle métallique tournée vers R8. Le second triac de 10 A BTA10/700 est à placer couché dans son dissipateur et fixé par un boulon 3MA (figure 11a). Le second dissipateur, plus grand, sert à fixer la résistance de puissance à ailettes (dorée) de 10 kilohms : vous verrez qu’elle chauffe en effet notablement et que ce dissipateur sert à éviter qu’elle ne surchauffe. Pour fixer le dissipateur sur le circuit imprimé, il suffit d’insérer dans ses deux cannelures les têtes des vis (figure 10) et leurs tiges filetées dans les trous correspondants du circuit imprimé, avant de les bloquer à l’aide des deux écrous.
Sur la partie supérieure du circuit imprimé, montez le bornier à 3 pôles servant à connecter le porte-fusible et les fils du cordon secteur 230 V (figure 11b). Remarquons que le pôle de droite (sur la figure 11b) reçoit le fil de la prise de terre, celui provenant du trou latéral de la fiche secteur à 3 fils.
Quand tout ceci est terminé et que les soudures ont été vérifiées, montez la platine dans son boîtier plastique : le potentiomètre est à fixer en face avant et à assortir de son bouton de commande, sur le panneau arrière sont situés le fusible, la prise de sortie où brancher la charge et le passage du cordon secteur 230 V protégé par un passe-fils en caoutchouc.

IMPORTANT : N’essayez pas l’appareil avant de l’avoir installé dans son boîtier plastique, car les pistes de cuivre du circuit imprimé sont sous la tension du secteur 230 V : cette tension peut tuer si le courant produit passe à travers le corps humain.

Figure 9 : Photo d’un des prototypes de la platine du variateur pour charges inductives et résistives. Comme R9 chauffe beaucoup, il faut la monter sur un dissipateur conséquent.

Figure 10 : Montage de la résistance de puissance R9. Après avoir fixé le corps de la résistance sur son dissipateur thermique, fixez ce dernier au circuit imprimé en insérant dans les cannelures les têtes des vis dont les écrous seront serrés sous le circuit imprimé.

Figure 11a : Schéma d’implantation des composants du variateur pour charges inductives et résistives. Quand vous connectez au bornier à 3 pôles les fils du cordon secteur 230 V, reliez bien le fil jaune/vert de la prise de terre à la borne de droite.

Note : pour régler le curseur de R8, lisez bien le paragraphe “Essais et réglages”.

Figure 11b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine du variateur pour charges inductives et résistives.

Figure 12 : L’installation dans le boîtier plastique. La platine est fixée au fond du boîtier avec 4 vis autotaraudeuses.

Figure 13 : Le porte-fusible et la prise de sortie sont fixés sur le panneau arrière.

Les essais et les réglages
Après avoir installé la platine dans son boîtier plastique, il faut essayer le circuit afin d’être certain de n’avoir commis aucune erreur : couvercle ôté, vous allez devoir agir sur le trimmer R8 avec un petit tournevis isolé, jusqu’à obtenir la valeur de seuil minimale souhaitée.
A la sortie du variateur reliez une ampoule à filament, tournez le curseur du potentiomètre R6 jusqu’à obtenir une luminosité presque minimale, ensuite tournez le curseur du trimmer R8 de manière à l’éteindre complètement.
Si vous reliez à la sortie une perceuse électrique ou un ventilateur, tournez le bouton du potentiomètre R6 jusqu’à l’arrêt du moteur, ensuite tournez le curseur du trimmer R8 de manière à le faire tourner à nouveau, mais à faible vitesse. Ce trimmer est à régler en fonction de la puissance du moteur électrique car, vous le verrez, il y a des moteurs qui continuent à tourner même avec une tension de 140 ou 150 V et d’autres qui en revanche s’arrêtent pour une tension minimale de 170 ou 180 V.
Rappelons enfin que si vous utilisez ce variateur pour alimenter un transformateur d’alimentation, à sa sortie vous devez toujours brancher une charge.

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