Variateur simple pour Lampe 220 :a Base de LX.5020
Un variateur est généralement utilisé pour réduire
la luminosité des Lampes placées dans une chambre à coucher ou qui sont
destinées à maintenir un certain éclairage pendant que l'on regarde la
télévision. Le variateur permet également de faire baisser la température d'un
fer à souder, ou encore de réduire la vitesse d'une perceuse
électrique.
Signalons que ce circuit ne peut pas être utilisé avec des
tubes au néon parce qu'ils n'ont pas de filament.
Pour réduire la
luminosité d'une ampoule ou la température d'un fer à souder, il faut seulement
abaisser la valeur de la tension d'alimentation, c’est-à-dire la faire descendre
des 220 volts fournis par le secteur à des valeurs inférieures, telles que 160,
110, 80 ou 40 volts. Pour obtenir ce résultat, on utilise un triac.
Pour
comprendre comment un triac parvient à faire baisser la tension des 220 volts,
il faut tout d'abord expliquer la différence qu'il y a entre les volts crête
à crête (pic to pic) et les volts efficaces, ainsi que ce que signifie le
déphasage.
Comme on le sait déjà, une tension alternative est composée
de deux demi-ondes ou demi-alternances, une positive et une négative (voir
figure 550).
La demi-alternance positive, par tant d'une valeur de 0
volt, montera rapidement jusqu'à atteindre son pic positif maximal, puis
descendra jusqu'à retrouver sa valeur initiale de 0 volt.
Ensuite,
commencera la demi-alternance négative qui descendra jusqu'à atteindre son pic
négatif maximal puis montera à nouveau pour retrouver sa valeur de 0 volt
initiale. Une fois celle-ci atteinte, la demi-alternance positive suivante
commencera et ainsi de suite, ce cycle se répétant à l'infini.
La tension
alternative que nous utilisons tous les jours pour alimenter tous nos appareils
électriques a une fréquence de 50 hertz et une valeur efficace de 220 volts.
Figure 549: Si l'on mesurait la tension
de 220 volts à l'aide d'un oscilloscope,
on verrait que les deux pics de la
sinusoïde alternative atteignent une
valeur de 620 volts.
La valeur de la fréquence,
c’est-à-dire 50 hertz, indique que la polarité de la sinusoïde change en passant
du positif au négatif et vice-versa, 50 fois par seconde.
La valeur de la
tension, c’est-à-dire 220 volts efficaces, est toujours inférieure de 2,82 fois
par rappor t à la
valeur de tension appelée crête à crête, qui correspond à
la valeur maximale que peuvent atteindre la demi-alternance positive et la
demi-alternance négative, égale à 620,4.
Donc, les 220 volts que l'on
obtient en appliquant les pointes de touche d'un multimètre sur une prise de
courant sont des volts efficaces et non pas des volts crête à crête qui ne
peuvent être visualisés que sur l'écran d'un instrument appelé
oscilloscope.
En reliant un oscilloscope à une prise de courant, les deux
demi-alternances, dont la valeur entre pic positif et pic négatif atteindra 220
x 2,82 = 620 volts, apparaîtront sur l'écran de l'instrument (voir figure
549).
Ne vous laissez pas impressionner par cette valeur de tension très
élevée car les volts qui comptent sont les volts efficaces, c’est-à-dire 220
volts.
Pour vous expliquer la différence qui existe entre volts crête à crête
et volts efficaces, prenons l'exemple de deux glaçons.
Si on prend deux
glaçons de forme conique pour simuler la forme des deux demi-ondes positive et
négative, et qu'on les place l'un au-dessus de l'autre, on atteindra une hauteur
que l'on pourra considérer équivalente aux volts crête à crête d'une tension
alternative (voir figure 550).
Si l'on fait fondre ces deux glaçons dans
un même récipient, le niveau de l'eau descendra considérablement et on peut
considérer que cette hauteur est équivalente aux volts efficaces d'une tension
alternative (voir figure 550).
Figure 550 : Pour comprendre pourquoi on obtient une valeur efficace de 220
volts
avec une valeur de 620 volts crête à crête, on peut prendre deux cubes de
glace
de forme identique à celle des demi-alternances et les faire fondre dans un
récipient.
Le niveau atteint représente alors les volts efficaces.
Figure 551 : Si on parvient, à l'aide d'un artifice, à utiliser seulement la
moitié de
ces deux demi-alternances, il est bien évident que le niveau efficace que
l'on
obtiendra sera la moitié de ce que vous voyez sur la figure 550 et alors, nos
220
volts efficaces se réduiront à seulement 110 volts efficaces.
Figure 552 : Si on utilise seulement 1/4 de l'aire de ces demi-alternances,
on
obtiendra une valeur efficace égale à 1/4 de 220 volts et donc une tension
efficace
de seulement 55 volts. C'est au triac qu'est dévolu le rôle de prélever cette
portion
Sachant qu'avec deux
demi-alternances complètes, on obtient une tension de 220 volts efficaces, si on
retire 1/4 de leur aire à ces deux demi-alternances, on obtient une tension
efficace de seulement 165 volts.
Si on utilise la moitié de leur
aire, comme sur la figure 551, on n'obtient qu'une seule moitié de la tension
efficace, c’est-à-dire 110 volts.
Si on utilise 1/4 de leur aire (voir
figure 552), on obtiendra une tension efficace de seulement 55
volts.
Pour retirer une portion de leur aire à ces deux demi-alternances,
de façon à réduire les volts efficaces, on utilise le schéma de la figure
557.
Comme vous le savez certainement déjà, pour exciter un triac, il faut
appliquer des impulsions négatives ou positives sur sa gâchette.
Si les
impulsions que l'on applique sur la gâchette sont en phase avec
les demi-alternances présentes sur l'anode 2, on obtient ceci :
- Si on
applique une impulsion positive sur sa gâchette à l'instant précis où la
demi-alternance positive de 0 volt commence à monter, le triac sera excité
instantanément et restera excité jusqu'à ce que la demi-alternance positive
redescende à 0 volt pour inverser sa polarité (voir figure 553).
- Si on
applique une impulsion positive sur sa gâchette à l'instant précis ou la
demi-alternance négative de 0 volt commence à descendre, le triac sera excité
instantanément et restera excité jusqu'à ce que la demi-alternance négative
redescende à 0 volt pour inverser sa polarité.
Donc, si on applique des
impulsions d'excitation sur la gâchette, à l'instant précis où les deux demi
alternances changent de polarité, sur l'anode 2, on prélève deux
demi-alternances complètes, la valeur de la tension efficace reste
invariablement de 220 volts (voir figure 553) .
Si les impulsions que
l'on applique sur la gâchette arrivent en retard par rapport aux deux
demi-alternances présentes sur l'anode 2, on par viendra automatiquement à
retirer une partie de leur aire.
En fait, si au moment où la
demi-alternance positive de 0 volt commence à monter, l'impulsion positive
voulue n'atteint pas sa gâchette, le triac n'étant pas excitée, il ne laissera
passer aucune tension.
Si l'impulsion d'excitation positive atteint sa
gâchette, lorsque la demi-alternance positive a déjà parcouru
la moitié de
son trajet (voir figure 555), le triac laissera passer la moitié seulement de la
demi-alternance
positive.
Si l'impulsion d'excitation négative atteint
sa gâchette, lorsque la demi-alternance négative a déjà parcouru
la moitié de
son trajet (voir figure 555), le triac laissera passer la moitié seulement de la
demi-alternance négative.
Si on prélève deux moitiés de
demi-alternances sur l'anode 2, la valeur des volts efficaces n'est plus de 220
volts, mais de 110 volts.
Si on veut encore réduire la valeur de la tension,
on devra davantage retarder les impulsions d'excitation sur la gâchette (voir
figure 556) par rapport au passage de 0 volt des deux demi-220 volts efficaces
descendront à 80, 50 ou 30 volts efficaces.
Ceci dit, nous vous expliquerons
comment on parvient à retarder ces impulsions sur la gâchette du triac.
Figure 553 : Si on excite la gâchette d'un triac à l'aide d'une impulsion
positive,
lorsque la demi-alternance positive commence son cycle, et à l'aide d'une
impulsion
négative lorsque la demi-alternance négative commence son cycle, on prélèvera
alors une tension égale à 220 volts sur l'anode 2.
Figure 554 : Si on excite la gâchette d'un triac à l'aide d'une impulsion
positive
peu après que la demi-alternance positive ait commencé son cycle et toujours
en
retard, lorsque le cycle de la demi-alternance négative commencera, on
prélèvera
alors une tension égale à 165 volts sur l'anode 2.
Figure 555 : Si on excite la gâchette à l'aide d'une impulsion positive peu
après
que la demi-alternance positive ait accompli la moitié de son cycle et à
nouveau
lorsque le cycle de la demi-alternance négative ait accompli la moitié de son
cycle,
on prélèvera alors une tension égale à 110 volts sur l'anode 2.
Figure 556 : Si on excite la gâchette à l'aide d'une impulsion positive
lorsque la
demi-alternance positive a déjà accompli les 3/4 de son cycle et ensuite
lorsque
le cycle de la demi-alternance négative a déjà accompli les 3/4 de son cycle,
on
prélèvera alors une tension égale à 55 volts sur l'anode 2.
Schéma électrique
:
Comme vous pouvez le remarquer en observant le schéma électrique
de la figure 557, le potentiomètre R1 et le condensateur C1 sont reliés en
parallèle à l'anode 2 et à l'anode 1 du triac .
On prélève, au point de
jonction de R1 et C1 et par l'intermédiaire de la résistance R2, la tension
d'excitation qui atteindra la gâchette du triac en passant à travers la diode
diac.
La tension alternative appliquée aux broches du potentiomètre R1 est
utilisée pour charger le condensateur C1 avec un retard qui pourra varier
en modifiant la valeur ohmique du potentiomètre.
Si on règle le
potentiomètre sur sa valeur de résistance minimale, le condensateur se chargera
très rapidement, les impulsions d'excitation atteindront alors la gâchette du
Triac sans aucun retard.
Si on règle le potentiomètre sur sa valeur de
résistance maximale, le condensateur se chargera beaucoup
plus lentement, les
impulsions d'excitation atteindront alors la gâchette du triac en retard par
rapport au passage par 0 des deux demi-alternances.
Figure 557 : Schéma électrique du variateur 220 volts.
Si on
règle ce potentiomètre d'un extrême à l'autre, on par viendra à faire varier
d'un minimum à un maximum
le temps de charge du condensateur C1 et, par
conséquent, à retarder les impulsions d'excitation sur la
gâchette (voir les
figures 554, 555 et 556).
A présent, nous devons expliquer la fonction de
la diode diac reliée en série à la gâchette.
On peut comparer cette diode à
une valve de sécurité comme celles présentes sur toutes les cocottes à
pression utilisées en cuisine.
Comme vous le savez probablement déjà,
lorsque la pression à l'intérieur de ces cocottes atteint une
certaine
valeur, cette valve de sécurité s'ouvre en laissant s'échapper
un jet de vapeur.
Sur le circuit de la figure 557, la diode diac opère la
même fonction.
Normalement, cette diode ne laisse passer aucune tension
tant que la tension présente sur les deux condensateurs C1 et C2 n'atteint pas
une valeur plus que suffisante pour amorcer le triac.
Lorsque les deux
condensateurs se seront chargés complètement, la diode diac reversera sur la
gâchette tout le courant emmagasiné par les condensateurs.
Etant donné que
cette diode diac est bidirectionnelle, elle laissera passer vers la gâchette les
impulsions de polarité positive ainsi que celles de
polarité négative.
Après avoir expliqué comment on peut exciter le triac
en retard par rapport aux deux demi-alternances de la tension alternative, nous
pouvons à présent expliquer à quoi sert ce composant référencé VK1 que l'on
trouve appliqué sur l'anode 2.
Ce composant est un bobinage enroulé sur un
noyau en ferrite qui, associée à R3 et C3, sert à éliminer
tous les parasites
générés chaque fois que le triac est excité ou désexcité.
Sans ce filtre
antiparasite, chaque radio, chaque téléviseur et chaque amplificateur se
trouvant dans le voisinage, pourrait capter des parasites identiques à ceux
générés par l'allumage ou l'extinction d'une ampoule ou de n'importe quel
appareil électrique.
Figure 558a : Schéma d'implantation des composants du variateur. Le corps du
triac doit être placé sur le petit radiateur de refroidissement en forme de
U.
Il est possible de relier en parallèle des ampoules de 25, 60, 100, 150 et
200
watts ou plus, à la sortie de ce circuit (ne pas dépasser 300 watts).
Figure 558b : Dessin, à l'échelle 1,
du circuit imprimé.
Réalisation pratique
:
Pour réaliser ce montage, vous devez réaliser ou vous procurer le
circuit imprimé donné en figure 558b et réunir tous les composants de la
liste.
Vous pouvez commencer le montage en insérant la diode diac à
l'emplacement mis en évidence sur la figure
558, sans respecter de polarité,
étant donné que ce composant est bidirectionnel .
Poursuivez le montage
en insérant les résistances R2 et R3, puis les trois condensateurs polyesters
C1, C2 et C3, ainsi que les deux borniers à 2 pôles qui vous serviront, l'un à
relier le cordon d'alimentation de 220 volts et l'autre, pour relier le cordon
secteur à raccorder à l'ampoule de laquelle on veut varier la
luminosité.
Après avoir inséré tous les composants, vous pouvez prendre
le triac, replier ses broches en L à l'aide d'une paire de pinces puis, après
l'avoir placé contre le radiateur de refroidissement en forme de U, vous pouvez
le fixer sur le circuit imprimé à l'aide d'une vis et d'un écrou.
Soudez
ensuite ses broches sur les pistes en cuivre du côté opposé du
circuit imprimé.
Insérez les broches de la self d'anti-parasitage VK1
dans les deux trous qui se trouvent à côté du radiateur.
Pour compléter
le montage, fixez le potentiomètre R1 sur le couvercle du boîtier, après en
avoir raccourci son axe pour conserver son bouton le plus près possible du
boîtier.
Une fois le potentiomètre fixé, soudez deux petits morceaux de
fil sur ses broches, en reliant les extrémités aux trous placés à côté des
condensateurs C1 et C3, comme cela apparaît clairement sur la figure
558.
Dans les trous des deux borniers, vous devez insérer les extrémités
du cordon d'alimentation 220 volts et du cordon pour l'ampoule, après avoir
retiré environ 1 cm de gaine plastique isolante.
Après avoir fixé le
circuit imprimé à l'intérieur du boîtier à l'aide de vis autotaraudeuses, vous
pouvez le fermer et vérifier le fonctionnement du circuit.
Insérez la
prise d'une lampe de chevet ou de bureau dans la prise femelle, puis relier la
prise mâle au secteur.
Comme vous pouvez le constater, il suffira de tourner
le bouton du potentiomètre pour faire varier la luminosité de l'ampoule du
minimum au maximum.
Figure 559 : A gauche, la photo du projet tel qu'il se présente une fois le
montage
terminé. La diode diac, dont le corps est en verre, est bidirectionnelle, il
n'est
donc pas nécessaire de respecter une polarité.
Liste des
composants du LX.5020 :
R1 = 470 kΩ pot. lin.
R2 = 5,6 kΩ 1/4 W
R3 = 100 Ω 1 W
C1 = 47 nF pol. 400 V
C2 = 47 nF pol. 400 V
C3 = 100 nF pol. 400 V
VK1 = Self antiparasite
DIAC = Diac
TRC1 = Triac 500 V 5 A
