Schéma variateur de lumière 0-10V simple

Ce nouveau schéma plus simple de variateur de lumière 0-10V offre le réglage "Grand Master" en option et gradue des ampoules jusqu'à 1000 ou 2000 Watts. Il a été conçu avec la plus grande simplicité et ne fait appel à aucun composant électronique spécifique (microprocesseur DMX etc).

Voici les caractéristiques souhaitées du variateur de lumière (cahier des charges).

Caractéristiques du variateur de lumière 0-10V

Ou souhaite concevoir un variateur de lumière "0-10V". L'entrée "0-10V" pilote directement la luminosité de l'ampoule et provient d'une console lumière ou d'un démultiplexeur (si on souhaite piloter de nombreuses ampoules).

Les caractéristiques désirées sont donc :

• 0 Volt : pas de lumière (0%)
• 10 Volts : lumière à fond (100%)
• de 0 à 10 Volts : graduation progressive continue
• Grand Master : permet de limiter la luminosité maximale lorsqu'on applique 10 Volts
• Entrée "0-10V" flottante (reliée à rien) : pas de lumière (0%)
• Isolation électrique renforcée pour la sécurité des personnes

Schéma du variateur de lumière 0-10V

Ci dessous figure le schéma du gradateur de lumière 0 - 10 Volts :

Schéma du variateur (gradateur) de lumière 0-10V

Le fonctionnement du variateur est donné ci dessous

Variateur de lumière 0-10V : principe de fonctionnement

Retard de l'amorçage du triac

Le variateur de lumière repose sur une commande de l'optotriac (qui pilote lui-même le triac) qui débute après le début de chaque demi alternance. Entre le début de chaque demi alternance et le début de l'impulsion, une durée est fixée par la commande 0-10V. Plus la tension sur l'entrée 0-10V est élevée, plus cette durée est courte et plus le triac est piloté "tôt" dans sa demi-période (alternance) du secteur :

Fonctionnement du variateur de lumière 0-10V

Mais il faut aussi que chaque impulsion s'arrête avant la fin de chaque demi alternance pour qu'un cycle puisse recommencer (triac bloqué qui va être amorcé par le début de l'impulsion).

Autre méthode possible pour piloter le triac

L'impulsion pourrait avoir une durée fixe et plus courte au lieu de durer jusqu'à la fin de chaque demi alternance et avoir une durée variable. Ce fonctionnement est inhérent à la conception du variateur de lumière et entraîne une consommation un peu plus importante de l'électronique de commande mais a l'avantage de la simplicité et de la robustesse. Il aurait sans doute fallu ajouter un montage monostable.

Mais revenons au variateur présenté ici.

Résumé

En bref, ce variateur de lumière repose sur une commande de l'optotriac MOC3023 dont :

• début ajustable par la tension 0-10V
• fin de la conduction de la LED 1 ms avant la fin de la demi période

Synchronisation du variateur avec le secteur

La commande de l'optotriac U1 est synchronisée avec le secteur. A chaque demi alternance (demi période), l'optotriac doit être piloté à un instant précis qui est fonction de l'entrée 0-10V. Le triac reste passant jusqu'au passage par zéro du courant.

Astuce du montage

Pour piloter correctement le triac, la LED de l'optotriac doit déjà être éteinte un peu avant le passage pour zéro. Cela évite une conduction intempestive sur toute la durée de la demi alternance suivante. On pourrait dire que le triac "rate" son extinction et qu'il débute la demi période suivante en étant déjà passant. Si cette durée n'est pas respectée, on pourra voir des clignotements aléatoires des ampoules à des luminosités plus élevées que prévu. Cela peut s'observer en particulier lorsqu'on commande l'extinction avec la commande 0-10V.

Durée minimum à garantir avant le passage par zéro du courant (ou de la tension)

Les 4 intervalles de temps représentés en vert correspondent à cette durée fixe à garantir. Il faut choisir au moins 0,5 ms. Pour offrir une bonne marge de fonctionnement, on fixe cette durée à 1 ms.

Mais comment anticiper ce passage par zéro pour couper l'impulsion ? Explications données plus bas.

Passage par zéro du courant et charge résistive

On suppose simultanés (en phase) le passage par zéro du courant (qui entraîne l'extinction naturelle du triac) et le passage par zéro de la tension (détectée par le variateur). On admet en effet qu'on ne branche que des ampoules et non une charge inductive, ce qui déphaserait le courant et la tension secteur, d'où un dysfonctionnement possible du variateur.

Variateur de lumière 0-10V : schéma expliqué

Synchronisation au secteur

Le transformateur d'alimentation sert pour l'alimentation de l'électronique mais aussi pour la commande.

La tension au secondaire du transformateur est une image "miniature" de la tension secteur : en phase, isolée, et donc exploitable par l'électronique. Elle est redressée double alternance par D1 et D2 puis atténuée par le pont diviseur R1 et R2. Le transformateur doit posséder un point milieu et donner deux tensions au secondaire pour cela.

Par ailleurs, la tension crête lissée se trouve aux bornes de C1 et est atténuée par le pont diviseur R3 et R4.

Le comparateur IC1 compare ces deux tensions et passe au niveau bas lorsque la tension aux bornes de R2 est proche de zéro. Ceci correspond aux alentours du passage par zéro de la tension secondaire, donc de la tension secteur.

Astuce pour la synchronisation au secteur

Pour que la tension donnée par le transformateur n'influence pas ce montage, le seuil de comparaison (V(n003) ci dessous) n'est pas fixe mais est proportionnel à la tension secondaire du transformateur. Les deux tensions arrivant au comparateur sont ainsi proportionnelles entre elles.

Simulation LTSpice IV

Le dimensionnement des ponts diviseurs permet de garantir 1 ms de durée minimale et de respecter la dynamique d'entrée de mode commun (limitée à 10 Volts pour une alimentation de 12 Volts) jusqu'à une tension de 2 x 25 Volts AC au secondaire.

Génération du signal rampe synchronisé

Un signal en rampe décroissante doit être généré pour être comparé à l'entrée 0-10V. Plus le niveau de l'entrée 0-10V est élevé, plus le seuil de basculement du comparateur final doit intervenir tôt. C'est pourquoi la rampe doit être décroissante.

Une tension intermédiaire de 5 Volts est créée (et ajustée) par P1, R6 et R7 et stabilisée par C4.

C5 se charge via R9 et le potentiomètre P2. Autour de chaque passage par zéro de la tension, IC1 est au niveau bas et T1 est passant et décharge très rapidement C5.

Rôles de R5 dans le variateur de lumière

La résistance R5 limite le courant de base de T1 à 50 uA environ, ce qui limite le courant collecteur crête à 25 mA (si on suppose un gain de 500). Aucune résistance série avec le collecteur de T1 n'est ainsi nécessaire.

En limitant le courant de base, R5 limite aussi la "consommation" sur le pont diviseur P1, R6 et R7. R9 et P2 en série contribuent à cette "consommation" ainsi que R5 quand IC1 est au niveau bas. Elle vaut environ 50 uA et fait chuter ainsi la tension issue du pont diviseur d'environ 0,25 V dont l'impédance de sortie est proche de 5 kOhms.

Génération du signal en dents de scie

La tension en dents de scie aux bornes de C5 arrive à l'entrée non inverseuse de IC2a. IC2a est une sorte d'amplificateur différentiel et permet d'augmenter l'amplitude de la dent de scie pour qu'elle "descende" jusqu'à 0 V environ. P2 permet d'ajuster ceci.

Grand Master du variateur (option)

Le Grand Master du variateur a la même fonction que le volume général sur une table de mixage. Le "Grand Master" permet de limiter la luminosité maximale lorsque l'entrée 0-10V reçoit 10 Volts.

Appliqué au variateur, il s'agit d'empêcher que le triac ne soit commandé trop "tôt" dans les demi périodes du secteur. Le montage consiste donc en un amplificateur de gain variable :

• suiveur (P3 = 0 Ohm) : Grand Master à 100 %
• gain maximum (P3 = 100 kOhms) : Grand Master à 30 % environ

Pour que le "Grand Master" soit à 100 % (à fond), IC2b doit fonctionner en suiveur. P3 est en butée à sa valeur minimale (O Ohm environ). Plus le gain de l'ampli IC2b est grand, plus la pente décroissante du triangle est raide et plus le seuil de basculement de IC3 intervient tard, ce qui limite la luminosité, et donc plus le "Grand Master" est bas.

Grand Master au minimum : amorçage au plus tôt tout de même assez tardif

En effet, lorsqu'on applique la tension maximale (10 V), l'amorçage se fait autour de 7 ms, ce qui correspondra à une luminosité assez faible.

La fonction "Grand Master" est une option. Si on ne souhaite pas l'utiliser, on relie directement la sortie de IC2a à l'entrée non inverseuse de IC3, ou on utilise IC2b en suiveur.

Le réglage "Grand Master" est utile lorsque le variateur possède plusieurs voies. Dans ce cas, le "Grand Master" règle le comportement de toutes les voies simultanément.

Le comparateur IC3 pilote la LED de l'optotriac MOC3023. La tension à l'entrée 0-10V est simplement réduite de moitié par le pont diviseur R11 et R12. Lorsque rien n'est connectée, la tension sur l'entrée inverseuse de IC3 vaut 0 V et la LED de l'optotriac est ainsi toujours éteinte. Cela serait fâcheux qu'une déconnexion accidentelle de la console 0-10V entraîne un plein feu (ampoule allumée à fond).

Triac et optotriac MOC3023 du variateur de lumière 0-10V

Lorsque le comparateur IC3 est au niveau bas, la LED de U1 (optotriac) active l'optotriac et ainsi la gâchette du triac TR2.

Le courant dans la LED de l'optotriac MOC3023 doit être d'au moins 5 mA. La résistance R13 est dimensionnée en prenant en compte la tension d'alimentation mini (mettons 10 Volts), et les chutes de tension dans le collecteur de IC3 (0,7 V max) et la LED du MOC3023 (1,5 V max) :

R13 (max) = (10 - 1,5 - 0,7) / 0,005 = 1560 Ohms

On choisit donc 1 kOhm pour garantir une marge. Une valeur plus faible entraînerait une consommation inutile.

R14 limite un éventuel courant crête lors de l'amorçage du triac de puissance TR2. En effet, une tension existe aux bornes de R14 entre l'amorçage du MOC3023 et l'amorçage du triac TR2.

Puissance maximum de l'ampoule sur le variateur de lumière

Sans radiateur, le triac peut piloter une ampoule jusqu'à 150 ou 200 Watts. Avec un radiateur, la puissance de l'ampoule n'est limitée que par le courant maximum du triac et son échauffement. Ici, un BTB16-600BW supporte 16 Ampères. Pour garantir une marge, on peut se limiter en tous les cas à la moitié du courant, soit 8 Ampères.

Variateur de lumière 4 x 2000 Watts

L'anode A2 est reliée au boitier du triac. Pour utiliser un radiateur commun (relié au secteur !) aux différents triacs, il faut que les anodes A2 soient communes (reliées entre elles).

Ci dessous, un lien vers un exemple de réalisation de variateur 4 x 2000 Watts basé sur un montage à potentiomètre et diac :

Variateur de lumière 4 x 2000 Watts : réalisation

Réglages du variateur de lumière

Les potentiomètres P1 et P2 permettent l'étalonnage du variateur de lumière pour que 0 Volt corresponde bien à 0 % et 10 Volts à 100 %.

• 1. Placer la console à 0 %. Régler P2 pour que l'ampoule soit juste éteinte et qu'elle commence à s'allumer dès 2 ou 3 % par exemple. La valeur typique de P2 se situe autour de 25 kOhms.

Cela correspond à un signal en dents de scie qui atteint tout pile 0 V (sans plateau indiquant une saturation) à la sortie de IC2a.

• 2. Placer la console à 100 %. Régler P1 pour que l'ampoule soit allumée à fond et que la luminosité commence bien à diminuer dès qu'on baisse un peu sur la console. La valeur typique de P1 vaut alors 4 kOhms.

Cela correspond à un signal en dents de scie dont le niveau haut vaut 5,0 V à la sortie de IC2a.

Variateur de lumière à plusieurs entrées 0-10V

Schéma du variateur pour plusieurs voies

Pour réaliser un variateur 0-10V à plusieurs entrées, il faut dupliquer uniquement la partie du bas avec IC3 :

Schéma d'un variateur à plusieurs entrées 0-10V

IC3 pourra être un LM339 qui gère 4 entrées, comme sur les prototypes présentés plus bas.

Le régulateur 7812 aura besoin d'un dissipateur si le nombre de voies est grand et la tension du transfo élevée. On peut compter 10 mA par voie supplémentaire comme base de calcul pour la dissipation du 7812.

Séparation de l'alimentation et des triacs

Pour des raisons pratiques, on peut souhaiter dissocier (sur deux circuits imprimés différents) la partie alimentation et la partie triac. On a intérêt alors à regrouper de cette façon :

• Circuit imprimé 1 : alimentation, synchronisation, générateur de rampe et "Grand Master"
• Circuit imprimé 2 : IC3, optotriac MOC3023 et triac

Voici un exemple pour 6 x 12 voies d'un variateur 0-10V

Gradateur de lumière : alimentation et triacs séparés

Dans ce cas, il est prudent de monter une résistance de tirage (pull up) de 100 kOhms entre les entrées (+) des LM339 et le +12 V. En cas de déconnexion accidentelle du signal en rampe, on ne risque pas que toutes les ampoules passent en "plein feu". En effet, la résistance de tirage garantira alors un niveau haut et donc l'absence de commande des optotriacs MOC3023.

Alimentation 12 Volts du variateur

Le montage offre une bonne tolérance aux variations de son alimentation. C'est surtout la dynamique d'entrée de mode commun qui limite la plage d'alimentation. L'alimentation nécessaire au variateur de lumière doit être de :

• tension entre 10 V et 15 V
• courant disponible : 50 mA au moins (et 10 mA par entrée et optotriac supplémentaire).

Si le transformateur alimente le variateur, une puissance de 5 VA est suffisante. La tension du transformateur ne doit pas dépasser 2 x 25 VAC à vide sous peine de dépasser la dynamique d'entrée de mode commun de IC1 et de créer une tension trop élevée sur l'entrée du régulateur 12 V.

Synchronisation secteur du variateur par optocoupleur

Si vous souhaitez réaliser ce variateur sans transformateur classique mais avec une alimentation 12 Volts externe (adaptateur, batterie, etc), on peut utiliser le montage à optocoupleur pour détecter les passages par zéro.

Schéma du variateur 0-10V avec optocoupleur (pour synchronisation secteur)

Voici une conception possible du variateur avec optocoupleur pour la synchronisation au secteur :

Variateur de lumière 0-10V : schéma avec optocoupleur PC817A

Dans ce cas, un câble à seulement 3 conducteurs peut relier chaque carte à triacs :

• Masse 0 Volt
• + 12 Volts
• Signal en rampe (sortie du "Grand Master" IC2b, ou IC2a si "Grand Master" non utilisé)

L'optocoupleur est ici un classique PC817A mais peut aussi être tout optocoupleur offrant un isolement renforcé (SFH6156, TCLT1000, etc).

Variateur de lumière 0-10V : fonctionnement avec optocoupleur

L'optocoupleur est l'élément clé de la détection du secteur. Dès que la tension secteur dépasse un certain seuil, la LED de l'optocoupleur U2 entre en conduction. Ce seuil est fixé par le pont diviseur R16 (100k) et R17 (1k). La tension aux bornes de R17 doit atteindre la tension de seuil de la LED (autour de 1 V) de l'optocoupleur pour que la LED entre en conduction. Cela permet à l'optocoupleur de stopper sa conduction avant le passage par zéro du secteur. L'optocoupleur est bloqué quand la tension instantanée du secteur est inférieure à 100 Volts en valeur absolue. Un montage basé sur une diode zener de 100 V aurait pu convenir mais une résistance de 1 kOhm est plus aisée à trouver... Ce montage est assez pertinent parce que la tension de seuil de la LED infrarouge varie peu avec la température.

R16 doit supporter la tension secteur 230 V et sa puissance nominale doit être d'au moins 1 Watt. On peut la partager en deux résistances série au besoin (2 x 47 kOhms).

C6 protège contre des perturbations possibles haute fréquence et ne voit qu'une tension de +/-1 Volt environ (pas besoin de choisir un condensateur X2 !).

Lorsque le transistor de l'optocoupleur est passant, il rend passant T1 en court-circuitant sa base. T1 est ainsi passant lors de la proximité du passage par zéro du secteur.

Sécurité électrique du variateur

Ce variateur de lumière est connecté directement au secteur. La partie alimentation (primaire du transformateur) et la partie triac sont directement reliées au secteur.

Si on choisit la synchronisation par optocoupleur (montage violet), l'optocoupleur doit offrir un isolement renforcé. Une distance d'isolation doit être garantie entre la partie côté secteur et l'électronique du variateur. On peut choisir 6 mm minimum pour garantir la sécurité électrique.

Réalisation et utilisation du variateur 0-10V

On peut présenter un exemple de réalisation où de nombreuses ampoules sont pilotées par de nombreuses entrées 0-10V issues d'un démultiplexeur.

Réalisation d'un variateur prototype à 12 triacs

Insoleuse : réalisation en cours

Gravure du circuit imprimé du variateur (partie triacs et optotriacs MOC3023)

Réalisation d'un variateur 12 voies 0-10V

On peut réaliser de multiples circuits imprimés pour piloter des dizaines d'ampoules 100 Watts...

Réalisation d'un variateur avec au moins 144 voies 0-10V

Montage imposant d'ampoules de 60 Watts graduables individuellement :

Circuits avec triacs et LM339 fixés à l'arrière de la planche

Ampoules graduées : un premier test du variateur 0-10V...

Variateur de lumière 0-10V : 72 voies à 100 %

La consommation des ampoules de 40 Watts atteint ici presque 3000 Watts...

Avantages du variateur 0-10V

Ce variateur présente de nombreux avantages par rapport à son ancienne version :

• Alimentation simple (12 Volts)
• Tolérance +/-15% de la tension d'alimentation (10,2V - 13,8V)
• Synchronisation possible par optocoupleur
• Réglages simples du 0 Volt et du 10 Volts par 2 potentiomètres

Modifications possibles du variateur 0-10V

Certains composants peuvent être modifiés au besoin selon ce qu'on a sous la main.

• régulateur de tension 7812 : un LM317 ou tout autre régulateur convient
• IC1 peut être un LM358 (IC2b peut être utilisé à cette fin si la fonction "Grand Master" n'est pas utilisée)
• ampli op IC2 : un autre ampli op peut être choisi à condition que sa dynamique d'entrée de mode commun s'étendre jusqu'à son alimentation négative (ici, la masse) et que sa dynamique de sortie aille proche de son alimentation négative aussi. Un TL072 ou un 4558 ne conviennent pas.
• comparateurs IC1 et IC3 : les mêmes considérations s'appliquent que pour IC2
• LED : une LED peut être ajoutée avec sa résistance série sur le 12 V ou avant le régulateur de tension.
• Potentiomètre : P2 peut être un potentiomètre 47 ou 50 kOhms.

Mot de la fin

Le variateur 0-10V présenté ici est assez simple et peut être réalisé sans composant spécifique. Les deux réglages permettent un ajustement fin du fonctionnement et l'option "Grand Master" sera utile si on souhaite réaliser un variateur à plusieurs entrées 0-10V pour piloter plusieurs ampoules ou projecteurs.

Si vous avez des questions lors de la réalisation ou sur le schéma, n'hésitez pas à les formuler dans un commentaire ci dessous !

Ampoules modernes à filament graduées par le variateur de lumière 0-10V...