Un variateur contrôlé en tension

Ce variateur de lumière puissant est en mesure de contrôler linéairement la luminosité d’une ou plusieurs lampes secteur 230 V de 750 W maximum, à partir d’un potentiel continu de 0 à 10 V appliqué à une entrée de commande opto-isolée. Appareil idéal comme unité de puissance d’un système d’éclairage contrôlé par ordinateur, il peut aussi bien être employé seul en reliant simplement son entrée à un potentiomètre que couplé à notre radiocommande à sortie analogique, dans ce dernier cas, il devient un variateur de lumière à télécommande UHF.


Le variateur de lumière est un des dispositifs les plus classiques et les plus demandés par nos lecteurs : sans doute grâce à l’utilité et à l’universalité d’utilisation d’un tel circuit lequel, substitué à un interrupteur, permet de régler à volonté la luminosité de l’éclairage des diverses pièces d’une maison.
Dans sa forme traditionnelle, le dispositif est constitué d’un interrupteur contrôlé (un triac) recevant les impulsions de “trigger” (déclencheur) d’un réseau de retard formé d’un condensateur et d’un potentiomètre, ce dernier faisant varier la luminosité de la lampe. Il existe aussi des versions électroniques gérées par des circuits intégrés (par exemple le SIEMENS SLB0586) agissant sur le triac et donc sur la lampe, par le simple contrôle d’une touche ou de poussoirs.

La conception de l’appareil
Ce qui est proposé ici est, en revanche, un variateur très particulier, du type géré électroniquement : il a été conçu, à l’origine, pour être contrôlé par un niveau de tension. C’est pourquoi il n’a pas de potentiomètre ou de poussoirs à l’entrée : la variation de la luminosité est obtenue par le pilotage d’une entrée spéciale au moyen d’une tension continue variant de 0 à 10 V.
A quoi bon un variateur commandé par une tension alors que, normalement, le circuit est encastré dans un mur de l’appartement et qu’on doit le commander avec un bouton et un ou plusieurs poussoirs montés sur la plaque de parement du mur ou de la cloison ? La réponse est qu’un ou plusieurs modules de ce genre peuvent être employés comme étages de puissance au sein d’une installation d’éclairage contrôlé par ordinateur ou même simplement géré par une platine multi-canaux à microcontrôleur. Ou encore, parce qu’en attaquant l’entrée de ce variateur avec notre Radiocommande à sortie analogique ET492, laquelle fait varier, avec une simple télécommande porte-clés à quatre touches UHF à 433 MHz, la sortie d’un récepteur de 0 à 15 V (extrémités de la plage réglables) par pas eux-mêmes réglables. Donc ce variateur est un module final, distant et générique, trouvant son application avant tout dans des installations d’envergure comme celle d’une villa, d’une salle de spectacle ou d’une galerie d’exposition, etc., bref chaque fois qu’il est hors de question d’employer un variateur traditionnel à commande locale et qu’il est nécessaire en revanche de disposer de plusieurs unités périphériques modulaires commandées à partir d’un point unique, de façon analogique ou par microprocesseur, directement ou à distance. Toutefois rien n’empêche d’utiliser ce variateur de manière classique : il suffit alors d’exécuter la commande de luminosité en reliant à son entrée un simple potentiomètre, comme on le verra un peu plus loin.

Le schéma électrique
Mais tout d’abord voyons de quoi il s’agit en jetant un coup d’oeil au schéma électrique de la figure 1 : IC2 constitue le coeur du système et le triac fait fonction d’atténuateur de puissance.
Une interface d’entrée réalisée avec un opto-coupleur, monté dans une configuration plutôt inhabituelle (que l’on pourrait définir comme quasi linéaire et permettant d’isoler galvaniquement l’étage de contrôle de celui de puissance), complète le tout.
L’élément de base du variateur de lumière est IC2, un TEA1007 de TEMIC (voir figure 2), soit un circuit intégré de technologie bipolaire pouvant fournir des impulsions de contrôle à triac et thyristor, dûment retardées par rapport au passage par 0 V de la tension sinusoïdale du secteur 230 V alimentant le circuit dont il fait partie : c’est un composant conçu spécialement pour réaliser des régulateurs de puissance pour appareils fonctionnant sur secteur, mettant à profit le principe du découpage d’onde et permettant de faire varier à volonté la valeur moyenne de la tension de sortie en retardant plus ou moins l’entrée en conduction du dispositif de commutation. En d’autres termes, le TEA1007 prend les impulsions de contrôle de l’interrupteur statique et compare un signal de rampe, synchronisé avec la sinusoïde du secteur, avec une tension de référence devant être appliquée à la broche 6. Quand le niveau de la rampe dépasse cette tension, l’étage de sortie produit une impulsion de niveau logique 1, référée à la broche 1 (–Vs) pouvant être utilisée pour piloter la gâchette d’un triac ou thyristor ne consommant pas plus de 150 mA.
Donc il ressort de cette première approche que la tension de référence appliquée broche 6 est fort importante : c’est pourquoi le TEA1007 peut être contrôlé par la méthode que vous voulez, pourvu que le système adopté soit basé sur la variation du potentiel fourni à ladite broche 6. Un simple potentiomètre suffit, un générateur de tension aussi, mais également un convertisseur N/A. Pour notre part, afin que ce variateur bénéficie de la plus grande universalité d’utilisation possible, nous avons adopté une méthode vraiment originale : une interface opto-isolée apporte la tension de contrôle à la broche 6, ce qui permet de commander le tout au moyen de n’importe quel circuit capable de fournir une tension de 0 à 10 V, à l’abri des problèmes pouvant toujours se produire avec des contacts sous la tension du secteur 230 V.
L’opto-coupleur réalisant le transfert, garantit en effet l’isolement galvanique entre le circuit de contrôle et le variateur proprement dit. La configuration adoptée exige l’application de ladite tension de commande entre les points CONTROL VOLTAGE INPUT, en respectant la polarité indiquée : ainsi, la luminosité de la lampe reliée aux bornes de sortie LOAD varie proportionnellement à l’amplitude de la tension de commande, dans le sens où la luminosité croît quand cette dernière augmente et décroît quand elle diminue.
Voyons tout de suite pourquoi : l’opto-coupleur est un TIL111 ayant comme composant d’entrée une LED et comme interface un photo-transistor dont les trois pattes sont accessibles.
Laissons de côté pour un instant la base : le transistor, un NPN, est monté en collecteur commun et fournit donc un potentiel proportionnel à celui polarisant la LED d’entrée, par conséquent à la tension de contrôle appliquée au CONTROL VOLTAGE INPUT. Tout ceci permet d’instaurer une relation de proportionnalité entre la tension fournie au circuit et celle de commande de IC2, donc la luminosité de la lampe reliée à la sortie.
Toutefois, afin d’obtenir une parfaite linéarité entre la tension d’entrée et la luminosité de la lampe, il est nécessaire de modifier le point de travail du photo-transistor en agissant sur la polarisation de la base.
Cela est possible au moyen du réseau des trimmers RV1 et RV2. En réglant comme il faut ces deux composants, nous aurons, pour 0 V d’entrée, une luminosité nulle et, pour 10 V, une luminosité maximale. Les trimmers permettent aussi de déplacer légèrement l’excursion en fonction de vos éventuelles attentes personnelles. Par exemple si, comme c’est le cas au théâtre ou au cinéma, pour 0 V nous voulons que les lampes soient légèrement allumées, il suffit d’agir sur RV1 pour obtenir l’effet lumineux désiré. Voir ci-dessous le chapitre consacré au réglage.

Figure 1 : Schéma électrique du variateur.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 100 kΩ
R3 = 100 kΩ
R4 = 470 kΩ
R5 = 1 MΩ
R6 = 220 kΩ
R7 = 470 kΩ
R8 = 15 kΩ 5 W
RV1 = 250 kΩ trimmer
RV2 = 2,5 MΩ trimmer
C1 = 4,7 nF 100 V polyester
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF 275 V polyester
C4 = 100 nF multi-couche
D1 = 1N4148
D2 = 1N4148
D3 = 1N4007
IC1 = 4N27
IC2 = TEA1007
TR1 = BT137F/600
L1 = self 50 μH 6 A

Divers :
1 bornier 2 pôles pas de 5 mm pour ci
2 borniers 2 pôles pas de 10 mm pour ci
1 support 2 x 3
1 support 2 x 4
1 dissipateur 10 °C/W
1 boulon 10 mm 3 MA
2 vis auto-taraudeuses de 5 mm

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 2 : Le TEA 1007.

Ce circuit intégré, réalisé en technologie bipolaire, est destiné au contrôle de phase des dispositifs de puissance (triac, thyristor) fonctionnant sur secteur 230 V. Le schéma synoptique montre comment travaille ce circuit intégré : il dispose d’un étage d’alimentation secteur, d’un circuit de détection de passage par zéro, d’une entrée de contrôle en tension et d’un générateur de rampe synchronisé avec la tension secteur. La sortie peut fournir des impulsions de contrôle avec un courant maximal de 150 mA.

La réalisation pratique
Une fois que l’on a réalisé le circuit imprimé (la figure 3b en donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les figures 3a et 4 et la liste des composants.
Montez tout d’abord les supports de l’opto-coupleur IC1 4N27 et du circuit intégré IC2 TEA1007 : ensuite, vérifiez bien les soudures (ni court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudure froide collée). Montez toutes les résistances sans les intervertir (classez-les au préalable par valeurs et par puissance, R8 est une 5 W) et les deux trimmers RV1 et RV2 (ils sont différents). Montez ensuite les diodes, bagues repère-détrompeurs orientées comme le montre la figure 3a.
Montez tous les condensateurs en respectant bien la polarité des électrolytiques (la patte la plus longue est le +).
Montez la self L1, bien appuyée sur la surface du circuit imprimé et fixée par un point de colle à chaud ou silicone.
Si vous ne voulez pas l’acheter toute prête, enroulez 50 spires de fil de cuivre émaillé sur un tore de ferrite de 1 cm de diamètre intérieur et 2 cm de diamètre extérieur. N’oubliez pas de mettre le cuivre des deux extrémités du fil à nu sur 0,5 à 1 cm avec une lame de cutter ou du papier de verre, puis d’étamer ces bouts, sinon la soudure serait “collée”.
Montez le triac TR1 BT137F/600, en boîtier TO220, debout, semelle tournée vers R6, avec un dissipateur à ailettes conséquent (10 °C/W) maintenu par un boulon 3MA.
Montez deux gros borniers au pas de 10 mm à deux pôles pour les sorties de la charge LOAD et le secteur 230 V MAINS et un petit au pas de 5 mm à deux pôles pour l’entrée alimentation basse tension VDC IN.
Vous pouvez alors enfoncer délicatement le circuit intégré IC2 dans son support et l’opto-coupleur IC1 dans le sien en orientant bien leurs repère-détrompeurs en U dans les directions montrées par la figure 3a.
Il ne reste qu’à brancher la tension secteur 230 V (prudence !) aux bornes MAINS (n’y mettez pas les vôtres !), la lampe aux bornes LOAD (même précaution) et aux bornes VDC IN la tension continue de contrôle. Puis effectuez le réglage comme indiqué dans le chapitre ci-dessous. Dernier point : le circuit peut être utilisé en 24 Vac, au lieu du secteur 230 V : dans ce cas, remplacez la résistance R8 par une de 1,5 kilohm 1 W.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants du variateur.

Figure 3b : Dessin, à l’échelle 1:1, du circuit imprimé du variateur.

Figure 4 : Photo d’un des prototypes de la platine du variateur.

Figure 5 : La platine du variateur prête à l’utilisation.

Cette platine est très compacte et l’utilisation de l’appareil est des plus simples, grâce aux borniers d’entrée et de sortie, autant en configuration normale (associé à un simple potentiomètre) qu’en configuration télécommandée (voir l'article : "Une radiocommande à sortie analogique").

Le réglage
Avant d’être utilisé le circuit doit être réglé afin d’obtenir une correspondance parfaite entre la tension de contrôle et la luminosité de sortie.
Tout d’abord, les trimmers RV1 et RV2 sont à régler à mi-course. Ensuite, connectez le secteur 230 V aux bornes MAINS à travers un interrupteur bipolaire que vous laissez ouvert pour le moment. Connectez une lampe de chevet, par exemple, aux bornes LOAD et, aux bornes VDC IN, une alimentation variable réglable de 0 Vcc à 10 Vcc au moins (une dizaine de mA suffisent), en respectant bien la polarité +/– indiquée. Fermez alors l’interrupteur secteur et allumez l’alimentation continue. En parallèle avec la sortie LOAD, branchez un multimètre réglé sur tension alternative Vca, portée 300 Vca fond d’échelle au moins et assurez-vous que la tension continue soit à 0 Vcc. Réglez alors le trimmer RV1 pour lire 0 Vca à la sortie LOAD sur le multimètre.
Montez maintenant la tension continue à 10 Vcc exactement et vérifiez la tension Vca indiquée par le multimètre branché sur la sortie LOAD : s’il le faut, retouchez le trimmer RV2 pour lire 230 V. Répétez les mesures à 0 Vcc et 10 Vcc d’entrée et retouchez, s’il y a lieu, les curseurs des trimmers. L’appareil est maintenant prêt à fonctionner.