Ce dossier est donc le résultat d’un mini-projet étudiant de construction électronique visant à l’élaboration d’un gradateur pour une ampoule de 12V.gradateur8

Objectif
Notre but est donc la réalisation d’un variateur de lampe (ou gradateur).
Nous avons pour objectif de réaliser un montage permettant la variation de l’intensité lumineuse d’une lampe en contrôlant la valeur moyenne de la tension qui lui est fournie par un potentiomètre.
Un petit plus à apporter à notre montage serait de permettre un contrôle de notre ampoule par la luminosité ambiante : ainsi plus la pièce où se situe le montage est lumineuse moins l’ampoule éclaire, et inversement si la pièce est sombre l’ampoule éclaire plus intensément.
Une autre amélioration du montage est qu’à l’allumage notre lampe s’illumine progressivement suivant une rampe linéaire. Cette phase ne devant pas dépasser 5 secondes avant d’obtenir l’intensité lumineuse choisie.
Pour finir nous nous imposons une alimentation simple de 12 V continu.

Synoptique
Nous allons donc chercher à faire varier la valeur moyenne de la tension aux bornes de l’ampoule. Pour cela l’idéal est de générer un signal carré dont le rapport cyclique est commandé par un potentiomètre.
Comme le montre le schéma synoptique suivant, j’ai choisi de réaliser un générateur de signal triangulaire et un circuit fournissant une tension de référence. Ces deux signaux sont ensuite comparés avec un amplificateur opérationnel monté en comparateur. Cela va nous permettre de générer notre signal carré qui commandera ensuite un transistor s’occupant de commuter le passage du courant dans l’ampoule.

gradateur1Schéma synoptique du projet

Oscillateur Triangulaire
Notre oscillateur est constitué d’un comparateur à hystérésis et d’un intégrateur rebouclés.
La tension d’alimentation qui nous est imposée étant comprise entre 0 et 12V nous devons apporter une composante continue à nos amplificateurs opérationnels via le diviseur de tension réalisé par R4 et R5.
L’intégrateur nous permet de générer des rampes linéaires en intégrant un signal carré généré par le comparateur à hystérésis. Ce comparateur à hystérésis lui génère son signal carré à partir du signal triangulaire de l’intégrateur grâce à deux seuils de basculement distincts. Les deux circuits une fois rebouclés s’entrainent mutuellement et on obtient donc un oscillateur fournissant un signal carré en sortie du comparateur à hystérésis et un signal triangulaire en sortie de l’intégrateur.
Les composants utilisés pour l’intégrateur sont sélectionnés de manière à obtenir un signal propre mais sans réellement se soucier des valeurs.
Pour le comparateur à hystérésis les composants sont choisis de manière à générer un signal de rapport cyclique égal à ½, le reste des propriétés nous important peu.

gradateur2aSchéma de l’oscillateur

Tension de référence
Pour la tension de référence je suis parti d’un simple potentiomètre RV1 qui nous permet de créer une tension ajustable à partir de la tension d’alimentation du montage. Je lui ai joint deux résistances R10 et R6 pour permettre de supprimer les plages de fonctionnement à vide où le fait de tourner le potentiomètre n’avait plus d’effet sur l’intensité lumineuse de l’ampoule.

Par la suite, pour permettre d’obtenir la charge progressive de l’ampoule au démarrage du montage, j’ai ajouté un condensateur C2 et un générateur de courant constant basé sur un transistor à effet de champ Q2, afin d’obtenir une charge linéaire et non exponentielle.
En effet un condensateur induit l’équation suivante : i(t)=C.dVc(t)/dt or ici nous souhaitons obtenir une courbe linéaire donc nous devons obtenir dVc(t)/dt constante d’où i(t)/C constant. C étant fixé par le condensateur utilisé, il ne me restait plus qu’à fixer la valeur du courant le traversant.
Cette charge devant se faire sur une durée maximale de 5 secondes avant d’atteindre la valeur désirée Vcc, il faut répondre à l’équation suivante : ?T = C . Vcc / I ayant fixé ?T à 5 secondes, I à 0.2mA et Vcc à 12V il nous restait à déterminer C : C = ?T . I / Vcc = 83µF, j’ai donc choisi un condensateur de 100µF.

Je me suis alors rendu compte que la présence du condensateur dans le circuit imposait un temps de réaction important lorsque l’on ajustait l’intensité lumineuse en tournant le potentiomètre, j’ai alors choisi d’ajouter un amplificateur opérationnel monté en suiveur pour permettre d’isoler le condensateur et son générateur de courant du reste du circuit.
Malheureusement l’introduction de ce suiveur dans le circuit a fait apparaître un phénomène indésirable : à savoir une élévation anormale de la tension en sortie de ce suiveur avant de commencer la charge linéaire comme le montre le chronogramme suivant:

gradateur3Effet indésirable

J’ai résolu le problème en ajoutant une résistance R7 dont j’ai déterminé la valeur expérimentalement.
Enfin J’ai ajouté une photo-résistance R9 permettant de contrôler l’intensité lumineuse de l’ampoule en fonction de la luminosité ambiante, cette utilisation reste toutefois une option grâce à l’interrupteur SW1 qui permet d’inclure ou non cette photo-résistance dans le circuit.

Voici le schéma final du générateur de la tension de référence :

gradateur4aGénérateur de tension de référence

Schéma du montage
Voici le schéma complet de notre projet :

gradateur5aSchéma complet

Liste des composants
Résistors : (sans autre spécification : ¼ W)
* R1, R3, R4, R5, R10 = 10K?
* R2 = 8.2K?
* R6, R7 = 1K?
* R9 : Photo-résistor

Condensateurs :
* C1 = 47nF
* C2 = 100µF/16V

Semi-Conducteurs :
* Q1 : 2N7000
* Q2 : BF245A
* U1, U2 : TL082

Divers :
* SW1 : interrupteur deux positions ON-ON
* RV1 : Potentiomètre 47K?
* P1 : Bornier pour l’ampoule (ou douille)
* P2 : Bornier à vis 2 broches

Réalisation
Et voilà vous avez toutes les clés en main pour réaliser ce gradateur. Je ne vous fournis pas le typon car je pense que chacun préfèrera adapter le sien à ses besoins (taille, gravure simple ou double face etc.)
En revanche voici deux petites photos de mon montage en cours de développement et une fois terminé :

gradateur6gradateur7

Source: vostock.org | CC