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Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant

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par Fenel J et Pierre-Claude FEVRIN et DUMEUS
Quisqurya - Ingénieur électrique 2012
  

Disponible en mode multipage

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"C'est le devoir de chaque homme de rendre au monde au moins autant qu'il en a reçu."

Albert Einstein

A nos familles,

FEVRIN et DUMEUS

Pour leurs amours inconditionnels et leurs supports incomparables.

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page i

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»

REMERCIEMENTS

Ce projet sur la réalisation d'un circuit de commande d'un moteur de réfrigérateur s'inscrit dans le cadre des travaux du LabElec de l'Université Quisqueya. Cette réalisation est autant le fruit d'un travail d'ardeur et de nuits blanches qu'elle est le résultat de minutieuses recherches caractérisé sous forme d'accompagnement, de conseil et d'encouragement.

Nos remerciements sont adressés à notre directeur de projet, le docteur Alain Torrens, pour sa patience, sa rigueur scientifique et sa disponibilité, dont il a fait montre à notre égard.

Nous tenons également à adresser nos remerciements aux professeurs qui ont accepté d'examiner notre projet et de faire partie du jury.

Merci aux différents professeurs qui ont contribué à notre formation et que nous avons su apprécier chaque jour à leurs justes valeurs et mérites.

Nous remercions la Haitian Education & Leadership Program (HELP) pour avoir investi dans notre capacité en finançant notre cycle d'études.

A nos camarades et amis pour leur conseil et leur correction, nous leur disons merci.

Toute notre gratitude à la famille FEVRIN et DUMEUS, particulièrement à nos mères Caméla FEVRIN et Widade ALTEMAR pour les infatigables conseils et disciplines qu'elles nous inculquent chaque jour. Nous n'oublions pas nos pères : Gesner JEAN BAPTISTE qui utilise chaque jour sa bonté et son humilité pour nous encourager à aller vers l'avant, et le défunt DUMEUS Jean-Claude qui, même dans son sépulcre, continue à insuffler à son fils les valeurs morales. Un merci spécial à Jerry C. FEVRIN qui nous a aidés à imprimer le document maintes fois.

Nous ne voulons pas terminer nos remerciements sans adresser toute notre gratitude au Grand Architecte de l'univers qui, de par l'intelligence et bonté qu'il nous a donnés, nous a montrés le chemin de la vérité et de la réussite.

Enfin, à vous tous merci pour le temps que vous allez consacrer à lire ce rapport.

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page ii

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»

TABLE DES MATIERES

LISTE DES FIGURES vi

LISTE DES TABLEAUX vii

RESUME viii

ABSTRACT ix

1.- INTRODUCTION 1

2.- PRESENTATION DU SUJET 2

2.1.- Moteurs compresseurs: Charges . 2

2.1.1.- Généralités 2

2.1.2.- Principe de fonctionnement des moteurs monophasés. 3

2.1.3.- Construction des moteurs monophasés 3

2.1.4.- Vitesse synchrone d'un moteur monophasé asynchrone 4

2.1.5.- Démarrage d'un moteur monophasé 5

2.1.5.1.- Introduction 5

2.1.5.2.- Démarrage par condensateur de démarrage 6

2.1.5.3.- Démarrage par condensateur permanent 7

2.1.5.4.- Mode de démarrage universel ou par Thermisteur "PTC" 8

2.1.6.- Conclusion 9

2.2.- Problématique 10

2.3.- Objectif principal 11

3.- CONCEPTION DU CIRCUIT 12

4.- TRIAC 13

4.1.- Généralités. 13

4.2.- Domaines d'application du triac 13

4.3.- Caractéristiques du triac 14

4.3.1.- Paramètres (état bloqué): 14

4.3.2.- Paramètres (état passant): 14

4.3.3.- Sensibilité à la température 16

4.4.- Amorçage ou déclenchement 16

4.5.- Fonctionnement en continu ou en alternatif 18

4.6.- Commande du triac 18

4.6.1.- Porte logique TTL ou CMOS 18

4.6.2.- Transistor 19

4.6.3.- Commande impulsionnelle 19

4.6.4.- Commande de charges inductives 20

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page iii

5.- MINUTERIE 555 21

5.1.- Généralités. 21

5.2.- Caractéristiques de la minuterie 555 21

5.3.- Description 22

5.3.1.- Comparateurs 23

5.3.2.- Bascule S-R 23

5.3.3.- Diviseur résistif 24

5.4.- Broches du boîtier 25

5.5.- Fonctionnement de base 25

5.5.1.- Fonctionnement en mode astable 26

5.5.1.1.- Calcul de la période 28

5.5.1.2.- Calcul du rapport cyclique 29

5.5.2.- Fonctionnement en mode monostable 30

5.5.2.1.- Détermination de la durée de l'impulsion 31

5.6.- Conclusion 32

6.- AFFICHAGE 33

6.1.- Introduction 33

6.2.- Principes de fonctionnement 33

6.3.- Caractéristiques de l'ACL 34

6.4.- Brochage 35

6.5. Mémoire de l'ACL 35

6.6. Initialisation et commande d'un ACL 36

6.6.1.- Mode 8 bits 36

6.6.2.- Mode 4 bits 36

6.7.- Description des différentes commandes. 37

6.8.- Les caractères standards 37

7.- ACCUMULATEUR 38

7.1.- Généralités. 38

7.2.- Caractéristiques d'un accumulateur électrochimique 38

7.3.-Technologies des accumulateurs . 39

7.3.1.- Plomb-acide 39

7.3.2.- Ni-Cd (Nickel-cadmium) 40

7.3.3.- Ni-MH (Nickel-Métal Hydride hydrure métallique) 40

7.3.4.- Ni-Zn (Nickel-zinc) 41

7.3.5.- Lithium 41

7.4.- Conclusion 42

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page iv

8.- CIRCUIT DE RECHARGE DE L'ACCUMULATEUR 43

8.1.- Généralités. 43

8.2.- Fonctions de base des chargeurs 43

8.2.1.- Fonction d'alimentation 44

8.2.2.- Fonction d'abaissement 44

8.2.3.- Pont de diodes 44

8.2.4.- Circuit filtre 45

8.3.- Applications des chargeurs . 45

8.3.1.- Chargeur simple 45

8.3.2.- Chargeur à tension constante 46

8.3.3.- Chargeur à gradateur 47

8.3.4.- Chargeur intégré . 47

8.4.- Conclusion 49

9.- TEMPORISATEUR 50

9.1.- Généralités. 50

9.2.- Présentation 50

9.3.- Broches du SAB 0529 ou SAB 0529G 51

9.4. Schéma synoptique et caractéristiques du CI SAB 0529 52

9.5. Description fonctionnelle du SAB 0529 52

9.6.- Fonctions 54

9.6.1.- Fonction de commutation momentanée 54

9.6.2.- Fonction de mise hors tension en retard 54

9.7.- Etage triac 55

9.8.- Commande du triac par le SAB 0529 55

9.9.- Modes de fonctionnement 55

9.10.- Calcul des composants externes . 57

9.11.- Conclusion 58

10.- SCHEMA DU CIRCUIT 59

11.- CONCLUSION 59

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 60

ANNEXE 62

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page v

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
LISTE DES FIGURES

2.1. 1 : moteur-compresseur 2

2.1. 2 : comparaison des enroulements des moteurs triphasés et monophasés 3

2.1. 3 : différents modes de démarrage utilisés dans la réfrigération 6

2.1. 4 : mode par condensateur de démarrage et mode de démarrage par PTC 8

2.3. 1 : programme de démarrage du moteur 11

3. 1 : schéma synoptique du circuit 12

4. 1 : structure du triac 13

4. 2 : caractéristique courant-tension du triac 14

4. 3 : polarités de A2 et G dans les différents quadrants 16

4. 4 : triac commandé par une porte logique 18

4. 5 : triac commandé par un transistor (logique positive) 19

4. 6 : triac commandé par un transistor (logique négative) 19

4. 7 : commande directe d'un triac 20

5. 1 : boitier à 8 pins d'une minuterie (vue latérale) 21

5. 2 : schéma détaillé d'une minuterie 555 22

5. 3 : schéma fonctionnel de la minuterie 555 23

5. 4: schéma d'un comparateur et de sa tension de sortie. 23

5. 5 : bascule S-R et sa table de vérité. 24

5. 6 : boitier à 8 pins d'une minuterie (vue d'en haut) 25

5. 7 : circuit de minuterie 555 en mode astable. 26

5. 8 : chronogramme des entrées et sortie de la bascule 27

5. 9 : abaque de choix de résistance dans un circuit 555 en mode astable 29

5. 10 : minuterie 555 en mode monostable. 30

5. 11 : impulsions dont la durée est fixée par la charge du condensateur entre 0 et % Vcc à travers R1 31

5. 12 : abaque de choix de résistance dans un circuit 555 en monostable 32

6. 1 : modèle d'un ACL 33

6. 2 : schéma fonctionnel d'un ACL de modèle KS0070B 34

8. 1 : schéma fonctionnel : exemple d'un bloc d'alimentation 43

8. 2 : caractéristiques tension-courant 44

8. 3 : structure de chargeur simple 46

8. 4 : chargeur à tension constante à régulation de tension 46

8. 5 : chargeur à gradateur 47

8. 6 : microcontrôleur MAX 2003 avec ses broches 48

9. 1 : temporisateurs SAB 0529 (DIP-18) et SAB 0529G (DIP-20) 51

9. 2 : schéma synoptique du SAB 0529 52

9. 3 : impulsion d'amorçage d'un triac dans le mode commutation momentanée 54

9. 4 : impulsion d'amorçage d'un triac dans le mode mis hors tension en retard 54

9. 5 : premier mode de fonctionnement 55

9. 6 : deuxième mode de fonctionnement 56

9. 7 : troisième mode de fonctionnement (a.- en c.a. ; b et c.- en c.c.) 56

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page vi

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
LISTE DES TABLEAUX

4. 1 : caractéristiques des triacs typiques 15

4. 2 : polarité par rapport à A1 17

6. 1 : tableau des broches 35

6. 2 : description des différentes commandes 37

7. 1 : tableau comparatif des différentes technologies 42

9. 1 : tableau comparatif des broches du SAB 0529 et du SAB 0529G 51

9. 2 : caractéristiques du SAB 0529 52

9. 3 : programmation du délai 53

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page vii

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
RESUME

Un compresseur de réfrigérateur est sujet à de fréquents arrêts et démarrage durant son fonctionnement. Cependant, au cas où il y a une coupure de courant, il faut attendre au moins cinq minutes pour redémarrer le compresseur, pour ne pas endommager les éléments essentiels du moteur. Le circuit ingénié a pour but d'empêcher le redémarrage pendant les cinq minutes, afin de protéger le réfrigérateur.

Ce circuit est constitué de plusieurs éléments dont un triac servant comme un interrupteur électronique permettant de commander le compresseur ; un temporisateur pour compter les minutes nécessaires et amorcer le triac après le minutage; un ACL (Afficheur à Cristaux Liquides) qu'on sert à afficher ces minutes et l'état du système; un accumulateur alimentant le circuit de basse tension (minuterie et ACL) pendant la panne de courant; un circuit de redressement ou chargeur pour recharger l'accumulateur après la panne.

Tous ces éléments ont été minutieusement étudiés selon leur fonctionnement et leurs caractéristiques dans l'élaboration de ce circuit de protection du compresseur. Il reste à les agencer dans le circuit.

Mots dles : Compresseur - triac - ACL - minuterie - accumulateur - chargeur.

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page viii

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
ABSTRACT

The compressor of a refrigerator is subject to frequent stops and starting during operation. However, in case of power outage, it is necessary to wait at least five minutes to restart the compressor to avoid damaging the AC motor. The circuit presented has been designed to this end.

This circuit is composed of several elements: a triac used as an electronic switch to control the motor; a timer to count the minutes required and to initiate timing after the triac; an LCD that is used to display these minutes and the system status; a rechargeable battery supplying the low-voltage circuit (timer and LCD) during the power outage; a rectifying circuit to recharge the battery when the AC supply returns.

All these elements have been thoroughly studied according to their function and their characteristics in the development of the protection circuit of the motor. The details of their interconnection remain to be finalized.

Keywords: Compressor - Triac - LCD - Timer - battery - loader.

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page ix

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 1.- INTRODUCTION

Principalement utilisé dans les ménages et les laboratoires, le réfrigérateur est l'un des appareils électroménagers les plus répandus au monde : 90% des ménages en France en sont dotés. Il est muni d'un compartiment qui maintient une température entre 2oC et 6oC pour la

conservation ou refroidissement et souvent d'un compartiment à -16oC pour la congélation : d'oüson nom congélateur. Le réfrigérateur est une machine thermique qui produit du froid. En effet,

la réfrigération (du latin frigus, froid) est le refroidissement d'un corps par le transfert d'une partie de la chaleur de ce corps. Autrement dit, la production de froid consiste en fait à un déplacement de chaleur d'un milieu isolé et fini vers un milieu extérieur et infini. La fonction principale d'une machine de réfrigération est de prendre de la chaleur par évaporation du côté basse température et de la rejeter à l'extérieur sur la paroi du fond de l'appareil par condensation grâce à la grille située derrière l'appareil, en utilisant une énergie externe pour entretenir le processus. Un réfrigérateur est une pompe à chaleur généralement animée par un moteur électrique.

La réfrigération se fait en quatre temps : évaporation, compression, condensation, détente. La réfrigération par compression de vapeur est le procédé le plus répandu pour la production du froid. Elle est basée sur la condensation de vapeur d'un fluide réfrigérant suite à une compression, et son évaporation suite à une détente.

Le compresseur, élément très important dans un circuit frigorifique, sert à aspirer la vapeur du fluide frigorigene hors de l'évaporateur et le conduit dans un deuxième échangeur de vapeur qui est situé sur la partie externe du réfrigérateur. On distingue plusieurs familles de compresseurs. Les compresseurs ouverts, semi-hermétiques et hermétiques dont la partie moteur et la partie compression sont respectivement séparées, directement assemblées l'une contre l'autre et confinées dans une cloche hermétique non démontable. Dans la réfrigération domestique, on rencontre le plus souvent le compresseur hermétique à piston.

 

Projet de fin d'études de Pierre Claude DUMEUS et Fénel J. FEVRIN Page 1

2.- PRESENTATION DU SUJET

2.1.- Moteurs compresseurs: Charges

2.1.1.- Généralités

Le moteur-compresseur du réfrigérateur est constitué d'un moteur asynchrone monophasé et d'un compresseur à piston en entraînement direct, le tout dans une cloche hermétiquement soudée. Il a la forme d'une boule noire avec un boîtier de connexion électrique et trois tubes dont deux sont utilisés. Pour intervention et réparation, il reste une prise de charge. (Figure 2.1.1).

Figure 2.1. 1 : moteur-compresseur (source Danfoss compresseur)

Plusieurs grandes familles de moteurs électriques sont couramment utilisées dans les appareils ménagers. Leur puissance peut varier de 50W à 1,5 kW. Les moteurs universels (à balais) et moteurs à induction (sans balais), sont les plus populaires et moins chers. Le moteur à induction ou moteur asynchrone monophasé n'a aucune connexion entre le stator et le rotor ce qui est important en frigération car le moteur est scellé avec le compresseur. En outre, le moteur à induction est silencieux, robuste, facile à construire et peu coûteux.

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 2

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 2.1.2.- Principe de fonctionnement des moteurs monophasés

Le fonctionnement d'un moteur triphasé réside dans l'utilisation d'un champ tournant produit par des tensions alternatives déphasées. Les bobines disposées dans le stator à 120o les unes des autres sont le siège de trois champs magnétiques produits par les courants qui y circulent. Ces champs sont déphasés de 120o entre eux et varient avec les courants qui les créent. Ils induisent ainsi des courants rotoriques qui exercent des forces sur des couples sur le rotor.

Le fonctionnement du moteur monophasé est similaire (voir figure 2.1.2). Cependant, le champ tournant variable produit par le courant du stator est décomposé mathématiquement en deux champs égaux, tournant en directions opposées, produisant des torques opposés. Toutefois, une fois que le rotor commence à tourner dans une direction, le couple développé dans cette dernière augmente : le moteur prend de la vitesse jusqu'atteindre la vitesse nominale. Le moteur monophasé n'ayant pas de couple de démarrage suffisant nécessite d'un mécanisme externe pour amorcer la rotation. Pour cela, on utilise deux enroulements statoriques parcourus par des courants en quadrature.

Figure 2.1. 2 : comparaison des enroulements des moteurs triphasés et monophasés 2.1.3.- Construction des moteurs monophasés

Le moteur asynchrone triphasé est constitué d'une partie fixe, le stator comportant le bobinage et d'une partie rotatoire, le rotor bobiné en cage d'écureuil qui est induit par le champ tournant produit par les courants statoriques. Le moteur à induction monophasé et le moteur triphasé sont construits de façon semblable, avec toutefois cette différence importante que, dans

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 3

le moteur monophasé, on ne se sert généralement que des deux tiers des encoches du stator du dernier. Le moteur triphasé a trois enroulements pour créer le champ tournant tandis que le moteur monophasé a quatre enroulements connectés deux-à-deux en série ; les deux paires de pôles étant orthogonales : l'enroulement principal (P) ou de marche (R : Run) et l'enroulement auxiliaire (A) ou de démarrage (S : Start) fonctionnant durant la période de démarrage. Ces quatre enroulements réalisent, en fait, un moteur tétraphasé (90o = 360o / 4). (Voir figure 2.1.2)

2.1.4.- Vitesse synchrone d'un moteur monophasé asynchrone

La fréquence synchrone ns d'un moteur est exprimée par la formule ns = où f est la

fréquence du réseau et p le nombre de paires de pôles du moteur. Pour induire le courant dans la cage du rotor, il doit y avoir une différence de vitesse pour que ce type de moteur fonctionne ; le rotor suit le champ statorique mais ne l'atteint jamais. En fait c'est ce champ qui entraîne le rotor. Le glissement est la différence relative de vitesse entre le rotor et le champ statorique.

g = avec :

· ns la fréquence de rotation du champ statorique du moteur, et

· n la fréquence de rotation de la machine.

Le glissement peut aussi être calculé à partir des vitesses angulaires

g = avec :

· ùs la vitesse angulaire de synchronisme du champ statorique du moteur.

· ù la vitesse angulaire de rotation du moteur.

Le glissement est toujours faible, de l'ordre de quelques pourcents : cependant il peut atteindre 10 % pour les petits moteurs monophasés. Les pertes par effet Joule dans le rotor étant proportionnelles au glissement, une machine de qualité doit fonctionner avec un faible glissement.

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 4

2.1.5.- DpP 0[[0ITHOINQP oteN[IP IKES1074p

2.1.5.1.- Introduction

Lorsqu'un bobinage est soumis à un courant alternatif, il crée un champ magnétique de direction fixe que l'on peut décomposer en deux champs à modules constants et égaux tournant en sens inverses à la fréquence f. Le rotor, ayant une grande inertie, ne peut suivre aucun des champs, car il est stationnaire : le moteur n'a aucun couple de démarrage, car toutes les forces agissent en sens contraire l'une de l'autre. Le moteur ne peut donc démarrer seul. Quand il est lancé dans un sens, le moteur accroche le champ qui tourne dans ce sens, mais l'autre tourne à une vitesse double vis-à-vis du rotor occasionnant des couples résistants. De plus, le rotor produit un couple qui fait accélérer le moteur dans le sens du lancement. Le moteur atteint rapidement une vitesse légèrement inférieure à la vitesse synchrone (g < 1). Bien que le couple de démarrage soit nul, le moteur produit ce couple de plus en plus puissant à mesure que le glissement s'approche de un (1). Il atteint sa valeur maximale à environ 75% de la vitesse synchrone pour redevenir nul au synchronisme.

Le fait que le moteur monophasé asynchrone ne peut démarrer seul constitue un inconvénient majeur. C'est pourquoi on place sur le stator des pôles auxiliaires orthogonaux aux pôles principaux (figure 2.1.2). L'enroulement auxiliaire est généralement débranché au moyen d'un interrupteur centrifuge s'ouvrant des que la vitesse est proche de 75% de la vitesse nominale du moteur, à peu près 2 à 3 secondes après le démarrage. L'enroulement principal est constitué d'un gros fil prévu pour rester sous tension en permanence et pour supporter le courant nominal. L'enroulement de démarrage a une résistance plus élevée que celle de l'enroulement principal mais a une faible réactance. Une fois que la vitesse du moteur est relativement proche de la vitesse normale, l'enroulement de démarrage est mis hors tension par des astuces ou artifices.

Quand les enroulements principal et auxiliaire sont raccordés en parallèle à une source alternative, chacun produit un flux ~s et un flux qa qui sont déphasés l'un par rapport à l'autre, ce qui donne naissance à un champ tournant. Ce champ est parfait quand les flux cs et va sont égaux et déphasés de 90o. Dans ces conditions le couple de démarrage atteint sa valeur maximale. Une

fois que le démarrage est effectué et que l'enroulement auxiliaire est débranché, le champ se maintient et le moteur fonctionne. Le couple de démarrage se calcule par la formule [Wildi, p.689]:

T = k × Ia × Is ×siná F1

Ia et Is sont les courants des enroulements auxiliaire et principal ; á est angle de déphasage entre les courants et k est une constante.

Les compresseurs sont catégorisés suivant le couple de démarrage qui détermine aussi le mode de démarrage approprié. Les compresseurs à couple de démarrage élevé (HST) ont généralement recours à un relais et à un condensateur de démarrage, lesquels font office de dispositif de démarrage (sections 2.1.5.2 et 3). Ceux à couple de démarrage faible (LST) recourent à un PTC (section 2.1.5.4).

2.1.5.2.- Démarrage par condensateur de démarrage

Figure 2.1. 3 : différents modes de démarrage utilisés dans la réfrigération (source : G.U.N.T.)

C 1 C 2

C PTC

R: Run ou Enroulement de marche ou principal

S: Start ou Enroulement de démarrage ou auxiliaire

S1

C1 : Condensateur de démarrage

C2 : Condensateur de service ou permanent

R

S1 : Relais de Démarrage

M

SPTC: "Positive Temperature Coefficient " Thermistance de puissance à "coefficient de

marrage

température positif" ou CTP

b.-Condensatr de servce

M: Machine tournante

rrage S1 et condensateur d

Le condensateur (figure 2.1.3.a) est tel que le courant de l'enroulement auxiliaire soit déphasé en avance sur la tension. Le courant dans l'enroulement de marche inductif est en retard sur la tension. Ainsi, le déphasage á entre les courants Ia et Is est tel que le couple de démarrage est plus grand, ce qui diminue la durée de démarrage et le temps pendant lequel la phase Run demeure en circuit. Le courant de démarrage est 4 ou 5 fois le courant de pleine charge pendant une courte durée. Le facteur I2t qui détermine l'échauffement d'un conducteur parcouru par un courant I est d'autant plus petit que le temps t l'est. L'enroulement auxiliaire chauffe peu avec un condensateur de démarrage. L'emploi très répandu des moteurs à démarrage par condensateur est dû au perfectionnement des condensateurs électrolytiques ou électrochimiques non polarisés à c.a. [AFPA-moteurs] peu coûteux et offrant de fortes capacités: des centaines de uF pour de faibles encombrements. Bien que ces condensateurs ne puissent pas rester continuellement sous tension, ils conviennent très bien à un usage intermittent.

La mise sous tension et la déconnexion automatique de la bobine auxiliaire peuvent se faire de différentes manières (figure 2.1.3.a). La méthode la plus courante consiste en un relais de démarrage dont la bobine est montée en série avec la bobine principale. Lors du démarrage du moteur, la bobine principale est d'abord traversée par un courant électrique élevé. Le relais de démarrage qui (la plupart du temps un relais d'intensité de type klixon utilisé dans les anciens réfrigérateurs), est alors sollicité et active la bobine auxiliaire via le condensateur. Pendant que le moteur accélère, le courant électrique dans la bobine principale diminue. Lorsque le courant électrique passe en-dessous d'une certaine valeur, le relais retourne à la position de repos et la bobine auxiliaire est désactivée. La connexion de la bobine auxiliaire peut également s'effectuer via un interrupteur centrifuge, et ce, directement en fonction de la vitesse de rotation.

2.1.5.3.- Démarrage par condensateur permanent

Dans certains moteurs, la bobine auxiliaire (figure 2.1.3.b) est active en permanence via un condensateur de service (Condensateur permanent ou de marche). Dans ce cas, on connecte un second condensateur de démarrage en parallèle pendant le démarrage afin d'augmenter le couple. Les condensateurs de service capable de rester sous tension en permanence sans échauffement excessif ont une faible capacité (près d'une trentaine de uF) et des dimensionnements importants. Ils sont soit des technologies à isolation papier imprégné d'huile

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 7

(sous forme de tubes en aluminium sertis avec une soupape de sécurité), soit à film de polypropylène métallisé (en boîtier plastique blanc scellé à la résine).

2.1.5.4.- Mode de démarrage universel ou par Thermisteur "PTC"

Une autre méthode (voir figure 2.1.3.c), qui entraîne trés peu d'usure, consiste à utiliser un élément CTP "Coefficient de Température Positif". Celui-ci est une grosse varistance ou thermisteur "PTC" de puissance à coefficient de température positif, inséré en série avec la phase de démarrage, se réchauffe grâce au courant qui circule dans la bobine auxiliaire, augmentant ainsi sa résistance, le rendant non passant et interrompant le circuit de démarrage une fois que le moteur tourne. Le courant électrique qui circule dans la bobine auxiliaire est alors réduit après un court laps de temps. Cela a pour effet de déphaser une partie du flux et donc de créer un champ tournant. Le moteur démarre, l'intensité absorbée dans ce cas est alors importante (7 à 10 In). Un dispositif de démarrage PTC exige une période d'arrêt de 5 minutes minimum, laquelle correspond au temps nécessaire au refroidissement du PTC.

Les deux types de compresseurs les plus courants sont représentés en figure 2.1.4.

Figure 2.1. 4 : mode par condensateur de démarrage et mode de démarrage par PTC (Source :

Mode de démarrage par PTCDanfoss guide)
la mise en mar

Légende : a1: thermisteur à CTP

à trav

est alimentée à d

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 2.1.6.- Conclusion

Tout compte fait, il existe trois types de moteurs-compresseurs hermétiques utilisés dans la réfrigération domestique. Ils sont aussi classifiés selon le couple de démarrage ou selon leur rendement. Les réfrigérateurs domestiques utilisent le plus souvent le démarrage par condensateur permanent, qui a un couple élevé au démarrage et un rendement élevé, contrairement aux modes de démarrage par condensateurs de marche ou par PTC qui ont respectivement un couple élevé et moyen et un rendement moyen en comparaison avec le premier mode.

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 9

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 2.2.- Problématique

En Haïti, le rationnement dans la distribution d'électricité constitue un problème pour les réfrigérateurs. En effet, les moteurs-compresseurs des réfrigérateurs sont susceptibles d'être endommagés si les coupures d'électricité sont répétitives ou si le démarrage se fait prématurément, parce que le moteur ne peut démarrer si le compresseur est sous pression, c'està-dire s'il vient tout juste d'arrêter.

Si on persiste à faire redémarrer le réfrigérateur de façon incessante, l'enroulement auxiliaire risque de s'échauffer à cause de la forte intensité de démarrage (section 2.1.5.2). Le surchauffement du moteur à cause des coupures risque d'endommager le relais de démarrage qui est constitué d'une petite bobine de résistance faible. A la suite d'une surintensité excessive, le relais peut rester fermé.

Une autre panne peut se produire au niveau du relais d'intensité si la HP (haute pression, côté condenseur) augmente exagérément. En effet, toute augmentation de la HP entraîne inévitablement une augmentation de l'intensité absorbée par le compresseur. Cette augmentation d'intensité peut parfois être suffisante pour alimenter en permanence l'enroulement de démarrage alors que le compresseur est en marche. Tout moteur frigorifique a une protection thermique, le Klixon, qui sert à protéger le compresseur contre une surchauffe accidentelle (redémarrage du réfrigérateur après une coupure d'électricité). De plus, Le compresseur frigorifique démarre à un seuil réglé sur une échelle (température croissante) et s'arrête à un seuil réglé sur une échelle (température décroissante) du thermostat.

Un arrêt momentané est un processus normal pour tout réfrigérateur. Cependant, en cas de coupure d'électricité pendant le fonctionnement du compresseur, il peut être difficile au compresseur de se redémarrer s'il est réalimenté immédiatement. Ce problème peut être dû soit au niveau du thermostat soit au niveau du pressostat (basse ou haute pression) qui peut couper ou rendre défectueux le protecteur thermique du compresseur. Et si ce dernier est désactivé alors que le compresseur est froid, il peut mettre environ 5 minutes à se réinitialiser ; s'il est chaud (80oC), il peut attendre 45 minutes avant de se redémarrer.

Le rationnement dans la distribution électrique dans les pays pauvres comme Haïti risque d'endommager l'enroulement auxiliaire, la protection thermique, le relais d'intensité; tous

 

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ces éléments sont des composants essentiels du moteur-compresseur monophasé. Après `grillage' de ces composants causés par de multiples coupures d'électricité, il faut les remplacer, ce qui coûte cher à l'usager.

2.3.- Objectif principal

Pour remédier au problème que posent des coupures répétitives et brusques d'électricité (voir section 2.2), on peut débrancher manuellement le réfrigérateur, après chaque coupure, mais ceci exige une surveillance constante de l'appareil. Notre objectif est de concevoir un circuit qui oblige le réfrigérateur à attendre au moins cinq minutes pour permettre à la pression dans le circuit réfrigérant de chuter avant toute réalimentation.

Figure 2.3. 1 : programme de démarrage du moteur

 

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3.- CONCEPTION DU CIRCUIT

Figure 3. 1 : schéma synoptique du circuit

L'objectif principal fixé en section 2.3 est réalisable par le circuit schématisé en figure 3.1 et décrit dans les prochaines sections. Les éleme nts constituant ce circuit sont :

· le triac qui sert à amorcer le moteur,

· la minuterie et l'affichage du temps nécessaire pour le redémarrage et Crcut Circuit de

· l'alimentation nécessaire pour maintenir en fonction les éléments de basse Trc

puissance.

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 4.- TRIAC

4.1.- Généralités

Aussi appelé thyristor bidirectionnel, le triac appartient à la famille des thyristors. Il est l'équivalent de deux diodes commandées montées tête-bêche. Cependant, contrairement à la diode commandée, qui est un dispositif unidirectionnel, c'est-à-dire qui conduit le courant dans un seul sens, le triac laisse circuler le courant dans les deux sens. Cette bidirectionnalité permet son utilisation dans les circuits CA. Le triac comporte deux électrodes principales appelées A1, anode 1 et A2, anode 2 et une électrode de commande G appelée gâchette. Celle-ci permet l'amorçage ou le déclenchement de la conduction du courant entre les deux électrodes principales A1 et A2. L'application d'une impulsion de déclenchement à la gâchette à un angle de phase contrôlé dans un cycle alternatif permet de contrôler le pourcentage du courant qui circule à travers le triac à la charge.

Figure 4. 1 : structure du triac (Source : Sonelec) 4.2.- Domaines d'application du triac

Le triac trouve son application dans bon nombre de circuits électroniques : gradateurs de lumière, régulateurs de vitesse pour moteurs et ventilateurs électriques, appareils électroménagers tels réfrigérateurs, fours, machines pour laver, systèmes de contrôle informatisés.

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 4.3.- Caractéristiques du triac

Figure 4. 2 : caractéristique courant-tension du triac (d'apres Lequeu T. triac) IT : courant principal traversant le triac de A2 vers A1

4.3.1.- Paramètres (état bloqué):

VDRM : Tension max en direct á l'état bloqué

IDRM : Courant de fuite á VD = VDRM (á Tj=25°C) VRRM : Tension max en inverse

IRRM : Courant de fuite á VR = VRRM (á Tj=25°C)

VBO + et - : Tension de retournement (Breakover voltage) IBO + et - : Courant de retournement.

4.3.2.- Paramètres (état passant):

IT(eff) : Courant efficace maximal

t 2 Quadrant 1ITSM : Courant de surcharge maximal

(courant de maintien)i2×t : Pertes Joule maximales (dimensionnement fusible de protection)

VTM : Chute de tension max pour les 2 sens de conduction

Entre VRRM et VDRM, il existe une tension de définition (tension sous laquelle le triac est maintenu bloqué) caractéristique de chaque catégorie de triac et un courant de fuite non négligeable. Au-delá de VDRM, le courant augmente plus rapidement jusqu'à VB0 appelée tension

d'avalanche. Au-delà de celle-ci, le triac commute et laisse passer le courant. Il en est de même dans la partie négative. Donc, le triac peut être amorcé en imposant une tension VB0 importante à ses bornes.

La sensibilité varie d'un type de triac à un autre. Elle se caractérise tant par les courants que par les tensions. Certains triacs peuvent fonctionner jusqu'à 40 amperes, alors que d'autres fonctionnent à 4 A. Voyons dans le tableau 4.1, les courants de déclenchement dans les divers quadrants et de maintien (courant minimum limite qui peut maintenir le triac en conduction) de certains triacs.

 

Courant
Max/A

Tension
Max/V

Courant d'amorçage/mA

Courant de
maintien/mA

 

Quadrant 4

 

4

600

0,9

2,4

1,5

TI25

8

600

0,8

11,7

3

TI26

8

600

2

20

5

BTA06-400

6

400

50

100

50

BTA08-600

8

600

50

100

50

BTA12-600

12

600

50

100

50

BTA12-700

12

700

50

100

50

BTA16-600

16

600

50

100

50

BTA26-600

25

600

100

150

100

BTA41-700

40

700

100

150

100

 

Tableau 4. 1 : caractéristiques des triacs typiques (Source : Sonelec)

Tension Max : Tension maximale que peut supporter le composant en restant maintenu à l'état bloqué. Si cette tension est dépassée le triac s'amorce. C'est la tension de retournement VBO (figure 4.2)

Courant Max : c'est le courant de retournement IBO (figure 4.2)

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 4.3.3.- Sensibilité à la température

Comme tous les autres composants électroniques, le triac est sensible à la température. Toute variation considérable de la température cause une variation dans le courant de déclenchement de ce composant. La gachette est d'autant plus sensible que la température est plus élevée. Par conséquent, certains triacs fonctionnent à une certaine température et ne fonctionnent pas à basse température si le courant de gâchette n'est plus suffisant. A l'inverse, le déclenchement peut se faire de façon inattendue à une température élevée.

4.4.- Amorçage ou déclenchement

Le déclenchement du triac se fait par l'intermédiaire de l'électrode de commande connue sous le nom de gâchette G. Les différentes polarités des courants et des tensions auxquels le triac peut être soumis à travers ses trois électrodes nous amènent à parler de quatre quadrants du triac. Encore appelés modes 1 à 4, ces quatre quadrants (Q1, Q2, Q3, Q4) sont considérés comme les zones d'utilisation du triac.

La figure 4.3 et le tableau 4.2 résument les polarités de l'anode A2 et de la gachette G par rapport à A1 dans les différents quadrants :

Figure 4. 3 : polarités de A2 et G dans les différents quadrants [Source : Lequeu T. triac]

 

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- -

 

 

A2

G

Q1

 

+

 

+

 

Q2

 
 
 
 

-

Q3

 
 
 

-

 

Q4

 

+

 

Tableau 4. 2 : polarité par rapport à A1 [Source : Lequeu T. triac]

Quadrant 1

Quadrant 2

Quadrant 3

IG > 0 : courant de commande entre par G
IT > 0 : le courant principal entre dans A2

IG < 0 : le courant de commande sort par G IT > 0 : le courant principal entre par A2

IG < 0 : le courant de commande sort par G

Quadrant 4

IT < 0 : le courant principal entre par A1

IG > 0 : le courant de commande entre par G IT < 0 : le courant principal entre par A1

Le triac devient passant par injection d'un courant de gachette IG plus élevé que le courant de seuil IGT (caractéristique du composant) entre G et A1. On peut assister à une

T

augmentation du courant principal IT du circuit traversant le triac. Une fois que le courant

IT

principal devient supérieur au courant d'accrochage (Latching Current) (IT > IL), le triac est

IT

 

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amorcé. Pour le désamorcer, il faut réduire le courant IT à un niveau plus bas que le courant de maintien IH ou courant hypostatique.

- Si le courant IG ne demeure pas jusqu'à ce que le courant IT soit supérieur au courant IL, l'amorçage échoue.

- Si le courant IT devient supérieur au courant IL ; IG peut s'annuler : le triac reste amorcé même si IG s'annule, à condition que IT > IH.

4.5.- Fonctionnement en continu ou en alternatif

Le triac peut être utilisé à différents niveaux de tension aussi bien en continu qu'en alternatif pour rompre ou établir un courant. Dans la majorité des cas, la tension de commande est unipolaire, et la tension commutée ou la tension qui alimente la charge, quand le triac est passant, est alternative.

4.6.- Commande du triac

De façon fondamentale, la commande d'un triac se fait par l'application d'une tension unipolaire, positive ou négative sur la gâchette. Elle peut être faite par :

4.6.1.- Porte logique TTL ou CMOS

Avec la masse généralement pour référence, ce genre de montage est adapté aux triacs sensibles, c'est-à-dire les triacs dont le courant de commande est de quelques milliampères si l'alimentation de la porte logique est de 15 V. Cependant, il ne convient pas pour les triacs de forte puissance ou avec un montage alimenté à 5 volts.

Figure 4. 4 : triac commandé par une porte logique (source : Sonelec)

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 4.6.2.- Transistor

Si la porte logique ne suffit pas, on peut lui adjoindre un transistor monté en amplificateur de courant entre une sortie de porte logique et la gâchette du triac. Pour la commande du triac en mode "logique positive" , la tension appliquée à la gâchette du triac est positive par rapport à l'anode A1, qui est elle-même reliée à la masse (figure 4.5). Il est également possible de commander le triac en appliquant sur sa gâchette, une tension négative par rapport à la tension présente sur l'anode A1 (figure 4.6).

Figure 4. 5 : triac commandé par un transistor (logique positive)

Figure 4. 6 : triac commandé par un transistor (logique négative) [source :Sonelec] 4.6.3.- Commande impulsionnelle

Dans les commandes par porte logique, ainsi que par transistor, la tension de commande était une tension permanente continue. Si le courant traversant les électrodes A1 et A2 reste suffisant, le triac reste amorcé même si la tension de commande disparaît. Donc la présence permanente de cette dernière n'est pas nécessaire.

Cette tension permanente peut être remplacée par une impulsion de commande appliquée au triac à chaque réamorçage afin de réduire la consommation globale d'un montage alimenté par une pile électrique ou accumulateur ou avec une alimentation sans transformateur. La

 

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consommation globale est ainsi fortement réduite, car, même si on utilise un courant de commande de 50 mA, cela ne dure qu'un bref instant et l'intensité moyenne est bien plus faible.

4.6.4.- Commande de charges inductives

Contrairement aux charges résistives, les charges inductives posent un problème au triac. En effet, le courant et la tension des premières sont en phase lors de la commutation. Pour commander des charges inductives telles que transformateur ou moteur, on procède autrement à cause du déphasage entre le courant et la tension à ses bornes. Les simples circuits risquent de provoquer le redéclenchement inopportun au moment de la coupure du courant dans la charge et même la destruction du triac si ce dernier n'est pas bien protégé. Pour pallier ce problème, on recourt à la commande directe. L'ajout d'un circuit de protection RC série aux bornes des électrodes A1 et A2 du triac est couramment appliqué dans le cas de problème de commande de charges inductives afin de limiter les surtensions que peut provoquer le blocage du triac (figure 4.8).

Figure 4. 7 : commande directe d'un triac (source : Sonelec)

La résistance R du réseau RC placé entre les électrodes A1 et A2 du triac joue deux rôles: limiter le courant de décharge de C par le triac quand il devient passant et limiter le coefficient de surtension lié à "l'accord résonant" de C avec L. Les valeurs de C et de R dépendent non seulement de la valeur de l'inductance de la charge L, mais aussi de la fréquence de fonctionnement, selon les formules de résonance [Wildi, p. 350]

f = C = R =

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 5.- MINUTERIE 555

5.1.- Généralités

Introduit aux environs des années 1970 sur le marché de l'électronique par Signetics en remplacement des minuteries des appareils électro-ménagers, la minuterie ("timer") 555 est l'un des dispositifs les plus commercialisés à cause de sa facilité à intégrer dans les circuits à mode astable ou monostable. Beaucoup d'améliorations et variations existent, mais le principe de base demeure le même. La minuterie 555 est un circuit intégré dans un boîtier, généralement de type DIL (Dual-in-line) à 8 broches.

Figure 5. 1 : boitier à 8 pins d'une minuterie (vue latérale)

Selon le fabricant, la notation du circuit minuterie 555 est notée XXX555 où les X sont des lettres désignées par le fabricant, en exemple de NE555/SE 555 des Signetics. D'autres variations de la norme 555 sont disponibles comme le 556 (un boitier à double rangée de broches DIP-14 broches combinant deux 555 sur une seule puce), et les deux 558 et 559 (à la fois un boitier à double rangée de broches DIP-16 broches combinant quatre 555). De nos jours, les fabricants les améliorent pour des applications multiples par exemple les 7555 CMOS.

Le CI est principalement utilisé dans des circuits bistable (deux états stables : passage à état un (1) ou à état zéro (0)) ; astable, « deux états transitoires » (signal d'horloge de période constante) et monostable, un seul état stable (signal impulsionnel, retour à 1 ou à 0 après un certain retard). Pour ce dernier mode, il peut être redéclenchable ou non redéclenchable. Les deux derniers modes sont les plus fréquents dans les circuits électroniques.

5.2.- Caractéristiques de la minuterie 555

La minuterie 555 fonctionne sur une gamme de tension d'alimentation allant de 4.5 V à 16 V. Elle est donc compatible avec la famille TTL alimentée à 5 V. Elle peut fonctionner

 

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jusqu'à une fréquence de 2 MHz. Elle peut très bien être utilisée sur une plage de température de 0 ° C à +70 ° C. Ce boîtier utilisé dans les circuits de temporisation à une grande capacité de courant de sortie : 200 mA. La dissipation de puissance maximale est de 600 mW. Aussi, elle manifeste une temporisation très stable vis-à-vis des variations de tension d'alimentation et d'augmentation de température. (Source NS 555).

5.3.- Description

Le circuit de la minuterie 555 comporte 25 transistors, 2 diodes et 15 résistances montés sur une puce installée dans un boitier à double rangée de broches (DIP-8) (voir figure 5.2). Les détails varient d'un fabricant à d'autre. Le circuit 555 de la figure 5.2 se base sur quatre fonctionnalités importantes montrées dans la figure 5.3 : les deux comparateurs A et B, la bascule S-R, un diviseur résistif (Ra, Rb et Rc) et un transistor de décharge.

R 10k

A Div

9

Ra

Q

Figure 5. 2 : schéma détaillé d'une minuterie 555 (d'après NS 555)

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 22

 

Figure 5. 3 : schéma fonctionnel de la minuterie 555

5.3.1.- Comparateurs

Un comparateur est un amplificateur opérationnel (A Op) utilisé en fonctionnement non linéaire avec sortie saturée qui n'a que deux états possibles :

- si V+ - V- = å > 0 alors Vs = Vsat+ - si V+ - V- = å < 0 alors Vs = Vsat-

Figure 5. 4: schéma d'un comparateur et de sa tension de sortie.

S Q 3 Sortie

c

Généralement il a pour rôle de comparer deux tensions. Cette application basique de

1

l'AO détermine le moment où une tension excède un certain niveau. 5.3.2.- Bascule S-R

La bascule S-R (Set et Reset) de la figure 5.5 est un élément mémoire bistable (deux états). Elle peut avoir des entrées synchrones si les données qu'elles reçoivent sont transférées à sa sortie à un certain moment précis par un front montant (FM) ou descendant (FD) du signal d'horloge H. Ses entrées peuvent aussi être asynchrones si elle fonctionne sans signal d'horloge.

 

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La bascule S-R est formée de deux portes Non-Et qui possèdent deux états stables. Les résultats de la sortie sont donnés sous forme d'une table de vérité et résumés à la figure 5.5.

H

S

R

Qn

Qn

0

x

x

Qn-1

Qn-1

1

0

0

Qn-1

Qn-1

1

0

1

0

1

1

1

0

1

0

1

1

1

Interdit

 

Figure 5. 5 : bascule S-R et sa table de vérité.

· Si S = R = 0 ; cette condition représente l'état de repos de la bascule et ne modifie pas la sortie, c'est-à-dire la sortie demeure à l'état qu'elle occupait avant l'arrivée du signal H.

· Si S = 1, R = 0 ; cette condition met toujours la sortie à un (état 1) qui ne change pas Q

&

même quand S revient à 0.

· Si S = 0, R = 1 ; cette condition met toujours la sortie à zéro (état 0) qui ne change pas même quand R revient à 0.

· Si S = R = 1 ; cette condition est ambiguë du fait qu'elle a tendance à vouloir mettre la

&

R

sortie à 1 ou 0 en même temps.

5.3.3.- Diviseur résistif

Un diviseur résistif est un pont de résistances montées en série qui permet de fournir une tension de sortie réduite à partir d'une tension d'entrée. On parle de diviseur de tension parce que la tension de sortie est une fraction de la tension d'entrée, il existe un rapport simple entre les deux valeurs. Ce diviseur fixe des tensions en a et b aux entrées des comparateurs A et B de la figure 5.3, et donc les tensions en Seuil et Déclenchement où ces comparateurs commutent.

5.3.4.- Transistor de décharge

Le transistor de décharge est un transistor bipolaire à collecteur ouvert relié à la broche Décharge et attaqué par la sortie de la bascule. Il sert à la décharge du condensateur de temporisation.

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 24

 

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 5.4.- Broches du boîtier

La minuterie 555 est un circuit intégré avec huit broches dont la première est du côté

NE 55

Srtie 3 Décharge

gauche de l'encoche trouvée sous le boîtier du circuit.

Figure 5. 6 : boitier à 8 pins d'une minuterie (vue d'en haut)

Broche 1 (Ground): est la Masse ou commun ou mise-à-la terre, reliée à la borne négative de l'alimentation.

Broche 2 (Trigger) : le déclenchement, en mode monostable sert à déclencher le départ du signal de sortie ; en mode astable, cette broche est connectée avec la broche 6.

Broche 3 (Output) : la Sortie

Broche 4 (Reset) : Remise à zéro (RAZ), en mode monostable sert à forcer le signal au niveau bas.

Broche 5 (Control voltage) : tension de contrôle ou Référence du pont diviseur interne ou modulation. Cette broche est souvent découplée par un condensateur vers la masse.

Broche 6 (Seuil) : Le seuil de déclenchement du comparateur ; en mode monostable on la connecte avec la décharge.

Broche 7 (Discharge) : La décharge sert à court circuiter le condensateur externe de la minuterie. Broche 8 (Vcc) : Alimentation positive du circuit comprise entre 4,5 V et 16 V, la tension d'alimentation n'a que très peu d'influence sur la période du 555 (0,1 % par volt) mais cela influence la tension du signal de sortie ainsi que le courant.

5.5.- Fonctionnement de base

Le montage du circuit minuterie 555 peut fonctionner suivant deux modes : le mode astable ou multivibrateur et le mode monostable ou univibrateur. Dans tous les modes, le 555 a un fonctionnement de base. Quand la broche Déclenchement passe temporairement au dessous

de , la sortie du comparateur B passe de Bas en Haut et déclenche le bistable S-R, causant un

 

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niveau Haut à la sortie (broche 3) du 555 et forçant le transistor T à l'état de repos (voir figures
5.3 et 5.7)
. La sortie demeure haute jusqu'à ce que la broche Seuil, normalement au niveau Bas,

passe au dessus de et change la sortie du comparateur A de Bas à Haut. Dans ce cas le

bistable est réinitialisé, le transistor est mis en marche et la sortie du 555 passe alors au niveau Bas. La broche Reset peut être utilisée comme une RAZ (Remise à Zéro) de la bascule (voir figure 5.3). Les entrées Seuil et Déclenchement sont connectées de façon à obtenir le mode de fonctionnement voulu: astable ou monostable.

5.5.1.- Fonctionnement en mode astable

Un multivibrateur ne possède aucun état stable. Il commute et oscille indéfiniment entre deux états instables. C'est un oscillateur. Les composants externes R1 et R2 et C1 constituent le réseau de minutage qui établit la fréquence d'oscillation. On peut découpler l'entrée Référence avec un condensateur C2 = 10nF pour éviter des bruits parasites. Il n'affecte par les niveaux de déclenchement et seuil.

R1

Figure 5. 7: circuit de minuterie 555 en mode astable.

Décharge

Quand le circuit est initialement mis sous tension, le condensateur C1 n'est pas chargé et S

cenchement Q

la tension de la broche 2 est au potentiel 0. La sortie du comparateur B est au niveau Haut (état

3 Sortie

2 Q

1) et celle de A est au niveau Bas (état 0). Il en résulte d'après la figure 5.5 que la sortie est

C1 Rc 5kÙ NE555

basse, de même que la base du transistor T (figure 5.7), qui demeure à l'état de repos : C1 se Commun 1

 

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charge à travers R1 et R2 (figure 5.8-a). Quand la tension du condensateur C1 atteint le tiers de
Vcc, la sortie du comparateur B passe au niveau Bas, mais cela ne change pas l'état de la bascule.

Quand la tension atteint les deux tiers de la tension d'alimentation ( ), la sortie du

comparateur A passe au niveau Haut (voir figure 5.8). Cette condition réinitialise la bascule et produit un état Haut à la base du transistor T qui entre en conduction (figure 5.8-b), ce qui crée un chemin pour décharger le condensateur C1 à travers la résistance R2. Le comparateur A retourne au niveau Bas dès que le condensateur se décharge. L'impulsion de R est brève (voir

figure 5.8). Une fois que la tension de C1 redescend jusqu'à , le comparateur B passe au

niveau Haut et déclenche la bascule, provoquant un état Bas à la base du transistor qui est alors coupé (figure 5.8-c). Le cycle du chargement de C1 recommence et le processus se répète pour donner à la sortie une onde rectangulaire périodique (figure 5.8).

Figure 5. 8 : chronogramme des entrées et sortie de la bascule

Légende :

a : Charge de C1 à travers R1 et R2

T

b : Reset => T conduit => R2 est portée à 0V => Décharge de C1 à travers R2

c : Set => T est bloqué => R2 est connectée à R1 => Charge de C1 à travers R1 et R2

 

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5.5.1.1.- Calcul de la période

L'onde rectangulaire produite à la sortie est périodique et constituée d'une partie montante de durée Ta et d'une partie descendante de durée Tb. D'où la période T est calculée par la formule :

T = Ta + Tb F 1

Ta est le temps mis par le condensateur C1 pour se charger à travers les résistances R1 et R2 ; d'où la tension à ses bornes est calculée par la formule :

F2

: La tension de sortie au temps t

: La tension initiale du condensateur

: La tension asymptotique, tension ultime du condensateur

ôa = (R1+R2) x C1 : la constante de temps du chargement du condensateur.

Ta = ôa x ln(2) = (R1+R2) x C1 x ln(2) F3

Tb est le temps mis par le condensateur C1 pour se décharger à travers la résistance R2; d'où la tension à ses bornes est calculée par la formule :

 

F4

 

ôb = R2xC1 est la constante de temps du déchargement du condensateur C1

Tb = ôb x ln(2) = R2 x C1 x ln(2) F5

Donc la période est calculée par la formule suivante :

T = (R1+2R2) x C1 x ln(2), F6

où ln(2)=0.693 0.7. D'où la fréquence :

 

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F7

 

5.5.1.2.- Calcul du rapport cycique

Une autre formule importante dans le fonctionnement d'un circuit de minuterie en mode astable est le rapport de forme. C'est le rapport de la durée pendant laquelle la sortie est au niveau Haut à la période du signal obtenue à la sortie.

D = F8

Ce rapport cyclique ou rapport de forme ou facteur d'utilisation exprimé toujours en pourcentage peut être amélioré jusqu'à 50% ou moins en choisissant une résistance R1 plus petite que R2. (Si R1 R2, D 1 ; si R1 R2, D 1/2.)

Pour déterminer la résistance et la capacité à utiliser pour obtenir une durée donnée, on peut utiliser un abaque (figure 5.9) où on trouve, en ordonnée, les valeurs de fréquences voulues, en abscisse, les valeurs du condensateur C1 et, en paramètre, les valeurs de la résistance.

Figure 5. 9 : abaque de choix de résistance dans un circuit 555 en mode astable (source NS 555)

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 5.5.2.- Fonctionnement en mode monostable

En mode monostable, la minuterie 555 ne posséde qu'un état stable. Elle ne quitte cet état que lorsqu'elle est activée par une impulsion appliquée à son entrée Déclenchement, qui cause à la sortie une impulsion unique de durée et d'amplitude fixées par un circuit externe. On utilise une résistance et un condensateur extérieurs de façon que le 555 soit connecté comme un monostable non rédeclenchable (voir figure 5.10). Dans ce cas il ne répond à aucune impulsion additionnelle une fois dans son état transitoire (c.-à-d. mis en marche) et ce jusqu'à ce qu'il retourne à son état stable. Autrement dit, durant le chargement du condensateur, il ignore tout déclenchement et cet intervalle de temps détermine la largeur d'impulsion de sortie.

Figure 5. 10 : minuterie 555 en mode monostable.

4

Au repos, le Déclenchement est au niveau Haut, le transistor T conduit, empêchant le chargement du condensateur C1. Quand une impulsion est appliquée à la broche Déclenchement, S monte à 1, la sortie passe au niveau Haut, le transistor se bloque, amorçant le chargement de C1 à travers R1. Quand la tension de C1 est à , la sortie passe au niveau Bas et 3 le transistor est mis en marche, provoquant ainsi la dikharge de C1. De ce fait la constante de NE555 temps du chargement de C1 détermine la durée du niveau Haut à la sortie. (Voir figure 5.11).

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Figure 5. 11 : impulsions dont la durée (è) est fixée par la charge du condensateur entre 0 et 2/3
Vcc à travers R1. (Source NS 555)

5.5.2.1.- Détermination de la durée de l'impulsion

On calcule la durée de l'impulsion de déclenchement durant laquelle le condensateur C1 se charge à travers la résistance R1 de 0 V à d'après l'équation suivante.

 

F9

 

ô = R×C1, constante de temps du chargement de C1. Au bout de la durée t = è, la tension vaut

= (0 - Vcc) ×

0 + Vcc

D'où,è = R×C× ln (3) où ln (3) = 1.09 1.1 F10

La résistance et la capacité à utiliser pour obtenir une durée d'impulsion sont liées par un

n ff o

abaque (figure 5.12), où on trouve, en ordonnée, les valeurs du condensateur, en abscisse, la

0

durée de l'impulsion et, en paramètre, les valeurs de la résistance.

 

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Figure 5. 12 : abaque de choix de résistance dans un circuit 555 en monostable (source NS 555)

5.6.- Conclusion

D'après la figure 5.12, un retard de cinq minutes est difficile à obtenir en mode monostable. Nous utilisons donc un temporisateur que nous étudions à la section 9.

 

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6.- AFFICHAGE

6.1.- Introduction

Les ACL (afficheurs à cristaux liquides) ont fait leur apparition en 1971. En 1984 le laboratoire central de Thomson a développé le premier ACL à couleurs. Par la suite, vers les années 1990 (pour les ACL en noir et blanc) et les années 2000 (pour les ACL en couleur), l'utilisation de ces afficheurs s'est étendue aux téléphones portables, aux ordinateurs personnels, aux téléviseurs, aux ordinateurs de bord pour les avions et les voitures. En raison de leur faible consommation électrique (de 1 à 5 mA), ils sont également utilisés dans les calculatrices et les montres et offrent des possibilités d'affichage en couleur dans des dimensions dépassant un mètre en diagonale. Dans certaines applications, les afficheurs ACL arrivent à prendre la place du tube cathodique.

Figure 6. 1 : modèle dun ACL

Un ACL peut contenir 1 à 4 lignes ou 6 à 80 caractères, il est économique et facilement utilisable. Certains sont dotés d'un rétroéclairage de l'affichage. Cette fonction fait appel à des DEL montées derrière l'écran du module. Cependant, cet éclairage consomme beaucoup (de 80 à 250 mA).

6.2.- Principes de fonctionnement

En plus de l'ACL, le schéma fonctionnel comporte :

· Un contrôleur (driver) dont la fonction est de communiquer avec l'extérieur et de gérer l'affichage.

· Une DEL (diode électroluminescente) de rétroéclairage

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 33

 

Figure 6. 2 : schéma fonctionnel d'un ACL de modèle KS0070B

L'afficheur est formé de deux lames de verre séparées de 20 um environ entre lesquelles se trouve un cristal liquide normalement réfléchissant, d'où l'appellation « afficheur à cristaux liquides ». Sur ces verres sont placés des gabarits pour la formation des caractères. Quand on y applique une tension alternative basse fréquence de quelques volts (3 à 5 V), l'afficheur devient absorbant. Un afficheur à cristaux liquides réflectif ne peut être utilisé qu'avec un bon éclairage ambiant, car il n'émet pas de lumiére. Donc, plus il est éclairé, plus il est lisible. Par contre, il est un peu différent pour les modèles transmissifs. Normalement opaque au repos, le cristal liquide devient transparent lorsqu'il est excité; pour rendre un tel afficheur lisible, il est nécessaire de l'éclairer par l'arrière, comme c'est le cas pour les modèles rétroéclairés.

6.3.- &LILFIKPAUXHATI l'A&/

Les principaux paramètres d'un ACL sont :

· Sa définition : c'est le nombre de points (pixels) qui constituent l'image visible.

· Sa dimension : c'est la diagonale exprimée en pouces ou en centimètres.

· Le contraste : c'est le rapport de luminosité entre un pixel blanc et un pixel noir.

·

L'angle de vision (horizontal et vertical) : c'est l'angle sous lequel l'image peut être vue avec un contraste supérieur à 10. Un contraste supérieur à 1000 représente déjà une valeur exceptionnelle pour un ACL.

·

La luminosité : c'est la luminance mesurée dans l'axe et exprimée en cd/m2

· Le temps de réponse : l'ISO défmit le temps total de l'aller retour blanc ? noir ? blanc.

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 6.4.- Brochage (figure 6.2)

N° Broche

Nom

Description

1

GND

Commun

2

Vdd

Alimentation positive (V+)

3

VO

Contraste réglable par potentiomètre

4

RS

Sélection de registre: 0= instruction; 1 = données

5

R/W ou RD

Lecture ou écriture : 1= lecture; 0=écriture

6

E

Enable (validation, actif au niveau haut)

7 à 14

D0 à D7

Donnée D

Tableau 6. 1 : tableau des broches

* Seuls les ACL munis de DEL de rétroéclairage ont les broches 15 et 16 (figure 6.2)

6.5.- O pPI(1} d}Il'A&'

On trouve deux types de mémoire dans l'afficheur :

a) La mémoire d'affichage ou DD RAM (Display Data RAM) La mémoire d'affichage contient les caractères actuellement affichés à l'écran.

b) La mémoire du générateur de caractères (CG RAM)

La mémoire du générateur de caractères permet de dessiner des caractères et d'afficher les caractères du DD RAM. La CG RAM peut être utilisée pour créer des caractères en vidéo inversée, des caractères avec des accents, etc. Un maximum de 8 caractères peut être affiché à la fois. Cette limitation peut être contournée en utilisant une bibliothèque de 8 symboles résidant dans le système hôte.

 

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6.6.- ,IQiNNXIMAiRIQ etAERP P EIQCeICIKIQ $ &/

L'initialisation de l'ACL par des commandes après son alimentation est une étape importante. En effet, avant d'envoyer des codes ASCII pour affichage sur le ACL, il faut contrôler le mode de fonctionnement : mode 4 ou 8 bits, le nombre de pixels par caractères, le défilement, l'aspect du curseur... A cet effet, on envoie la commande DL (section 6.7) pour définir le mode de dialogue avec l'afficheur, la commande N (section 6.7) définissant le nombre de lignes sélectionnées.

6.6.1.- Mode 8 bits

On transmet les données à l'afficheur sur les broches D0 á D7. La ligne RS est placée á 0 pour la transmission d'une commande et à 1 pour la transmission d'une donnée, la ligne Rd à 0 pour effectuer une écriture et à 1 pour faire une lecture. L'impulsion à envoyer sur l'entrée E doit titre d'au moins 450 ns pour indiquer que des données valides sont présentes sur les broches D0 á D7. Les différentes commandes (RS=0) á envoyer á l'afficheur ACL sont:

· 33h: forcer l'ACL en mode 8 bits

· 38h : mode 8 bits, 2 lignes, caractères 5x7 pixels

· 0Ch : afficher, sans curseur

· 06h : déplacer le curseur vers la gauche

· 01h : effacer l'afficheur

6.6.2.- Mode 4 bits

L'initialisation en mode 4 bits se fait par basculement en ce mode aprés avoir forcé l'ACL à rester ou à passer au mode 8 bits suite à des envois répétitifs de la commande pour s'assurer que cette derniére est bien comprise. L'écriture ou la lecture des données se fait par l'envoi de façon séquentielle des quatre bits de poids fort suivi des quatre bits de poids faible. Bref, voyons les commandes (RS=0) á envoyer á l'afficheur ACL en ce mode.

· 0h, 1h: on commence par effacer l'afficheur

· 3h, 3h: on force d'abord l'ACL en mode 8 bits

· 2h : on passe en mode 4 bits

· 2h, 8h: mode 4 bits, 2 lignes, caractères 5x7

· 0h, Ch: afficher, sans curseur

· 0h, 6h: déplacer le curseur vers la gauche

· 0h, 1h: effacer l'afficheur

6.7.- Description des différentes commandes

 

Paramètres

0

1

ID

Déplacement

Vers la gauche

Vers la droite

S

Affichage

Ne bouge pas

Bouge

C

Curseur

Invisible

Visible

B

Clignotement du caractère

Non

Oui

S/C

Déplacement

Curseur

Affichage

R/L

Décalage

Vers la gauche

Vers la droite

DL

Mode

4 bits

8 bits

N

Validation

Ligne du haut

2 lignes

 

Tableau 6. 2 : description des différentes commandes 6.8.- Les caractères standards (Annexe 1)

Les caractères standards sont les dessins des différents caractères utilisables à l'écran, ils sont au nombre de 192 au total, qui sont contenus dans une mémoire graphique (CGROM) de tout ACL. Ils regroupent les caractères ASCII, quelques symboles, un jeu de caractères japonais qui se trouvent en annexe 1.

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 7.- ACCUMULATEUR

7.1.- Généralités

Le stockage électrique peut se faire de différentes manières :

· Sous forme électrostatique, en accumulant de la charge électrique dans des condensateurs. Leur poids et leur prix au Wh stocké nettement plus élevé constituent un des désavantages pour des petits circuits.

· Sous forme électromagnétique, en établissant un courant dans une bobine autour d'un circuit magnétique, de telle sorte que l'énergie nécessaire pour mettre en mouvement les charges électriques puisse être restituée par induction.

· Sous forme électrochimique, qui se caractérise en fournissant une différence de potentiel peu dépendante de sa charge (quantité d'énergie stockée) ou du courant débité. On utilise la propriété qu'ont certains couples chimiques d'accumuler une certaine quantité d'électricité en modifiant leur structure moléculaire et ceci de manière réversible.

Un accumulateur électrique est un dispositif servant à stocker de l'énergie électrique sous forme électrochimique. C'est une source d'alimentation c.c. qui convertit de l'énergie chimique en énergie électrique. Ce dispositif est rechargeable contrairement aux piles électriques, qui ne fournissent que la quantité d'électricité prévue à leur fabrication (aucune charge, ni préparation n'est nécessaire avant utilisation). Un accumulateur est formé d'un ensemble de modules appelés éléments qui sont montes en série dans le but d'augmenter la tension de l'accumulateur.

7.2.- Caractéristiques d'un accumulateur électrochimique

Un accumulateur est caractérisé par plusieurs paramètres :

· La tension ou différence de potentiel, fixée par le potentiel d'oxydo-réduction du couple redox utilisé est de l'ordre de quelques volts par élément. L'association-série de plusieurs éléments permet d'obtenir une tension de 12 V par accumulateur, jusqu'à 48 V pour une batterie.

· La capacité électrique est la charge électrique emmagasinée. Elle se mesure dans la pratique par référence au temps de charge/décharge, en Ah (ampère-heure) ou mAh

 

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(milliampère-heure). Autrement dit, elle détermine la durée pendant laquelle une batterie fournit un certain courant à une charge sous sa tension nominale. 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C.

? L'énergie stockée se mesure usuellement en Wh (watt-heure). 1 Wh = 3 600 J = 3, 6 kJ.

· Le débit maximum d'un accumulateur est le courant tiré par une charge sous sa tension nominale. Il se mesure en ampère.

· L'impédance interne, exprimée en ohm, impédance parasite qui limite le courant de décharge, ainsi que la fréquence de ce courant, en transformant en chaleur par effet Joule une partie de l'énergie restituée. En pratique, on assimile souvent l'impédance à la seule résistance pure.

· La densité massique est une des caractéristiques importantes d'un accumulateur, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/kg) ou d'énergie (Wh/kg) qu'il peut restituer par rapport à sa masse.

· La densité volumique est une autre caractéristique qui peut avoir son importance, elle correspond à la quantité d'électricité (Ah/m3) ou d'énergie (Wh/m3) qu'il peut restituer par rapport à son volume.

· Le rendement est un des paramètres importants dans l'alimentation d'un accumulateur. C'est le quotient, en pourcentage, de la puissance restituée à la puissance fournie.

7.3.-Technologies des accumulateurs

Le convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique existe sous différentes formes de technologies qui s'améliorent au fur et à mesure que la technologique progresse. Citons entre autres :

7.3.1.- Plomb-acide

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 2 V. Il s'agit du système le plus ancien, et aussi potentiellement l'un des plus polluants. C'est le dispositif de stockage d'énergie électrique utilisé dans la plupart des véhicules automobiles.

 

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Basé sur l'électrolyse de l'eau acidulée, l'accumulateur de plomb-acide fonctionne en restituant l'électricité qui a contribué à la modification chimique de la surface du plomb par oxydation, à la production de l'oxygène et l'hydrogene dégagés lors de cette électrolyse. Son fonctionnement ne disperse pas de plomb. Bien que le plomb soit un agent polluant, le recyclage des accumulateurs est facile. Le transport et le recyclage des batteries est de plus en plus sévèrement règlementé, ce qui augmente les frais, diminue la rentabilité du recyclage. La durée de vie ainsi que les performances d'une batterie au plomb dépendent fortement de l'utilisation que l'on en fait. Ainsi, on a vu des batteries rendre l'âme après seulement 50 cycles alors que d'autres du même type ont tenu plus de 500 cycles. Cette forte disparité est en partie due au fait que ces batteries sont influencées par le type de cycle charge/décharge qu'on leur impose, supportent très mal les décharges profondes et nécessitent un système embarqué de contrôle très poussé afin de fournir les meilleures performances possibles.

7.3.2.- Ni-Cd (Nickel-cadmium)

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce couple électrochimique est couramment utilisé depuis plusieurs décennies pour fabriquer des batteries d'accumulateurs alimentant les appareils portatifs. Ce type d'accumulateur possède un effet mémoire, ce qui impose leur stockage dans un état déchargé (0,6 V). La fin de charge est

caractérisée par une variation de la tension de charge ( ) négative. C'est ce seuil qui est détecté

par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge. Par rapport au Ni-MH (section 7.3.3), le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge plus importantes (de l'ordre de 10 fois) mais sa décharge naturelle est beaucoup plus rapide que celle du Ni-MH. Le cadmium est très polluant. Ce type d'accumulateur permet un nombre de cycles charge/décharge plus important que les accumulateurs Li-ion et beaucoup plus important que les Ni-MH

7.3.3.- Ni-MH (Nickel-Métal Hydride hydrure métallique)

La tension nominale d'un élément accumulateur de ce type est de 1,2 V. Ce type d'accumulateur n'incorpore ni cadmium ni plomb et est donc peu polluant. De plus, son énergie massique est supérieure de 40 % à celle des Ni-Cd et son effet mémoire est très faible. La fin de

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
charge est caractérisée par une variation de la tension de charge ( ) très faiblement négative.

C'est ce seuil qui est détecté par les chargeurs automatiques de qualité pour arrêter la charge. 7.3.4.- Ni-Zn (Nickel-zinc)

Le Ni-Zn est un couple connu depuis longtemps, mais qui n'avait pu être industrialisé de manière significative, à cause d'une très faible durée de vie en cyclage. Ce problème est aujourd'hui totalement résolu par une nouvelle technologie développée en France entre 1998 et 2005. Le Ni-Zn constitue désormais un système à la fois d'énergie et de puissance, aux performances supérieures à celles du Ni-Cd et du Ni-MH. Il accepte des régimes élevés de charge et de décharge. Sa tension nominale est de 1,65 V. Le Ni-Zn est un accumulateur robuste, fiable et parfaitement sûr, fonctionnant en mode sans maintenance. Sa durée de vie en cyclage est équivalente à celle du Ni-Cd, son autodécharge et son effet mémoire sont inférieurs. Le NiZn est de fabrication plus économique que les autres accumulateurs alcalins (Ni-Cd et Ni-MH). Il ne contient aucun métal lourd, et il est aisément et intégralement recyclable en fin de vie.

7.3.5.- Lithium

Les accumulateurs à base de lithium sont d'une technologie récemment mise au point et en cours de développement intense, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose d'importants problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive. La prise de feu en cas de surcharge, de sur décharge ou de court-circuit demeure un des problèmes de sécurité majeurs. (Les accumulateurs lithium-ion sont partiellement remplacés par les accumulateurs lithium polymère délivrant un peu moins d'énergie, mais beaucoup plus sûrs. La durée de vie de ces accumulateurs n'est que de 2 à 3 ans après fabrication, indépendamment du nombre de cycles de charges. Le potentiel le plus répandu d'une cellule au lithium-ion est de 3,7 V.

 

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Type

Énergie
massique/

Wh/kg

Tension d'un
élément / V

Durée de vie
(nombre de
recharges)

Temps de
charge /
heure

autodécharge
par mois

Plomb

30-35

2

200-300

8-16

5 %

Ni-Cd

40-55

1,20

1 500

1

> 20 %

Ni-MH

60-70

1,20

300-600

2-4

> 30 %

Ni-Zn

70-80

1,65

> 1 000

1-3

> 20 %

Li-ion

90-160

3,7

500-700

2-4

10 %

Li-Po

80-130

3,7

300-500

2-4

10 %

Li-Air

1500-2500

3,4

?

?

?

 

Tableau 7. 1 : tableau comparatif des différentes technologies

7.4.- Conclusion

Le circuit de protection du compresseur a besoin d'un accumulateur puisqu'après coupure d'électricité la minuterie doit être alimentée pour compter les cinq minutes nécessaires pour commander le triac de laisser démarrer le compresseur. Nous choisissons l'accumulateur Cd-Ni parce qu'il est économique. Toutefois l'accumulateur doit avoir un circuit capable de le recharger une fois qu'il est déchargé. D'où la nécessité d'un circuit de redressement pour sa recharge : Section 8.

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 8.- CIRCUIT DE RECHARGE DE L'ACCUMULATEUR

8.1.- Généralités

Le circuit de recharge est adjoint au circuit de basse puissance (voir figure 3.1) du circuit de protection du compresseur. Il sert à charger l'accumulateur tout en contrôlant trois grandeurs essentielles : la tension aux bornes de la batterie, le courant la traversant, le temps de charge et décharge de la batterie, pour assurer une charge de bonne qualité qui garantit une bonne durée de vie.

Un chargeur est essentiellement constitué des parties suivantes : une alimentation alternative ou une alimentation continue qui permet d'alimenter le chargeur et fournit l'énergie nécessaire à la recharge des accumulateurs ; un étage de puissance permettant de charger l'accumulateur avec des courants et des tensions assez élevés ; un étage de commande élaborant des consignes pour arrêter la charge de l'accumulateur. En effet, tous les chargeurs existants comportent les mêmes fonctions de séparation, d'abaissement de tension, de conversion alternatif-continu ou continu-continu. Ce qui les différencie tous est le module de conversion de puissance et de contrôle d'énergie qu'ils soient rustiques ou sophistiqués.

8.2.- Fonctions de base des chargeurs

Un chargeur, ayant pour rôle de recharger un accumulateur, doit être alimenté. L'alimentation du réseau électrique est abaissée par un transformateur, puis elle est convertie et redressée par des ponts de diodes pour exploiter les deux alternances d'un cycle. La dernière fonction à présenter - le contrôle du flux d'énergie - est souvent rencontrée dans les chargeurs non-classiques.

Figure 8. 1 : schéma fonctionnel : exemple d'un bloc d'alimentation (source : Wildi)

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 8.2.1.- Fonction d'alimentation

Tous les chargeurs ont besoin d'une source d'énergie électrique qui les alimente. Dans notre cas, l'alimentation du chargeur est assurée par le réseau d'EDH (120 V) à la fréquence de 60 Hz de la prise murale.

8.2.2.- Fonction d'abaissement

Les batteries, groupements d'accumulateurs d'une tension par module allant de 1,2 V jusqu'à 3,7 V sont des sources de tension de 6 V jusqu'à 12 V. Pour abaisser la tension d'alimentation 120 V en une tension capable de recharger un accumulateur, l'utilisation d'un transformateur 120 V / 9 V est simple. (Figure 8.1)

Le transformateur est utilisé en courant alternatif pour abaisser la tension appliquée au primaire. Il se compose essentiellement d'un circuit magnétique ou noyau à fer doux et deux enroulements : le primaire, branché au réseau d'alimentation et le secondaire, branché au réseau d'utilisation ou charge, qui restitue l'énergie transmise par le primaire par induction à la charge.

8.2.3.- Pont de diodes

La diode est un dipôle passif polarisé possédant deux bornes anode (A) et cathode (K) (voir figure 8.2). En électrotechnique, la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé. Une diode conduit en direct, avec une tension "AK" faible et une intensité élevée ; elle se bloque en inverse avec une tension négative et une intensité négligeable.

Figure 8. 2 : caractéristiques tension-courant (source : Robert)

 

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Pour pouvoir exploiter les alternances positives et négatives, l'utilisation d'un pont de diodes (pont de Graëtz) est nécessaire. En outre, il permet l'emploi d'un transformateur conventionnel à la place d'un transformateur à prise médiane si on utilise deux diodes au lieu de quatre.

8.2.4.- Circuit filtre

La tension obtenue après redressement est unidirectionnelle mais elle n'est pas constante. Cette tension périodique a une composante continue (sa valeur moyenne) et des harmoniques. On place un circuit filtre pour annuler ces dernières. Dans la plupart des cas où le redressement se fait par des ponts de diodes, le filtre capacitif est plus approprié car le condensateur permet la diminution de l'ondulation de la tension de charge. De plus, la présence du condensateur peut permettre de stocker de l'énergie venant de la charge (Moteur à courant continu par exemple). Cependant, dans notre cas il est inutile d'avoir un condensateur puisque l'accumulateur agit comme un "gros" condensateur.

8.3.- Applications des chargeurs

Selon le type d'accumulateurs ou de leur profil de charges, les chargeurs peuvent allant de choix économique soit en connexion directe, soit à tension constante soit à gradateur, soit chargeur intégré jusqu'à des systèmes plus sophistiqués. La structure de charge directe est plus intéressante que les autres en raison de son coût économique.

8.3.1.- Chargeur simple

C'est la structure la plus simple à concevoir (figure 8.3). Dans cette structure, on retrouve, d'une part, la fonction abaissement et isolation de la tension du réseau et, d'autre part, la conversion alternatif - continu (redressement) alimentant la batterie directement. Le courant de charge est limité par l'impédance du transformateur.

 

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Figure 8. 3 : structure de chargeur simple (source Mérillon)

Souvent utilisée dans la recharge des batteries au plomb, la force contre-électromotrice développée par ces dernières augmente avec l'état de charge, ainsi ce type de chargeur est capable de bloquer spontanément la charge après quelques heures. Cependant, le courant obtenu est pulsé et la tension fournie par le chargeur est légèrement surdimensionnée par rapport au niveau de tension nécessaire par élément ou accumulateur. Pour des raisons économiques ce type est pratique pour certaines batteries Ni-Cd. Cependant on ajoute d'autres composants pour une bonne régulation de la charge et pour limiter le courant absorbé. On peut aussi utiliser un autre limiteur de charge consistant à arrêter la charge quand il y a échauffement de l'élément. En effet, lorsque la réaction électrochimique est terminée, l'électrolyse qui en résulte provoque une forte élévation de la température interne qui permet de déconnecter la batterie via une thermistance.

8.3.2.- Chargeur à tension constante

Dans la structure de la figure 8.4, on ajoute en plus du circuit de redressement du type direct un régulateur de tension électronique. Les régulateurs de tension classiques conviennent parfaitement, car ils contiennent une limitation du courant.

Figure 8. 4 : chargeur à tension constante à régulation de tension (source Mérillon)

Dans le cas des accumulateurs au plomb, la force électromotrice du couple plomb-acide augmente avec l'état de charge. Elle est excellente pour les applications de type batterie tampon (alarme...). Elle garantit, en effet, une charge optimale, en compensant le courant

 

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d'autodécharge. Si la tension par élément est limitée à 2.2 V, l'électrolyse en fin de cycle sera réduite. Cette structure aussi utilisée avec les accumulateurs Ni-Cd, mais moins performant, car l'électrolyse ne sera contrôlée. Certains appareils portables économiques utilisent ce principe avec, pour conséquence, une usure rapide des batteries.

8.3.3.- Chargeur à gradateur

Dans cette architecture, on ajoute dans le circuit à charge directe (figure 8.3), entre le transformateur et le redresseur, un gradateur (figure 8.5). Ce dernier, en régulant la tension efficace appliquée au redresseur, permet de contrôler le courant de charge. Toutefois dans la batterie, un courant obtenu est pulsé au double de la fréquence du réseau. Un gradateur est un circuit compose de deux thyristors montes antiparallèle dont leurs impulsions de déclenchement font circuler un courant plus ou moins intense. Un de ses avantages est qu'il permet d'amorcer et d'arrêter la conduction (charge) à un moment très précis d'un cycle.

Figure 8. 5 : chargeur à gradateur (Source Mérillon) 8.3.4.- Chargeur intégré

De jour en jour, les chargeurs deviennent de plus en plus sophistiqués et les circuits pour la gestion des charges et recharges sont nombreux et il est difficile de s'y retrouver. Pour cela, on les divise en deux grands types : les circuits qui assurent la gestion de la charge et de la décharge et ceux qui contrôlent la quantité d'électricité fournie ou consommée. De tous les circuits intégrés, les circuits MAX xxxx ou les x sont des chiffres donnés par le fabricant Maxim sont plus intéressants à réaliser. Un tel circuit est conçu avec un microcontrôleur intégré gérant tous les paramètres utiles à la charge. Il nécessite un transistor de puissance extérieur.

Le MAX 2003 est utilisé pour faire des chargeurs rapides de batterie Ni-Cd (Nickel-Cadmium) ou Ni-MH (Nickel-Hydrure de Métal). Il permet une recharge rapide des

 

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accumulateurs. De plus, son schéma est relativement simple à réaliser. Il possède aussi une caractéristique d'interrompre la charge de façon autonome lorsqu'il rencontre un défaut.

Ce composant peut être configuré comme un régulateur en courant ou comme un contrôleur pour une source de courant externe. L'arrêt de la charge de l'accumulateur peut être entraîné par différents paramètres :

· une différence de tension négative,

· un certain de taux changement de température,

· une tension maximale,

· une durée de charge maximale,

· une température maximale.

Figure 8. 6 : microcontrôleur MAX 2003 avec ses broches (source MAX 712) Les broches du circuit intégré MAX 2003 sont définies ainsi :

CCMD : Charge-Enable Mode (Mode de charge permise)

DCMD : Discharge-Enable Mode (Mode de décharge permise)

DVEN : Delta Voltage Enable (Tension d'écart permise)

TM1, TM2 : Timer (compteur)

TS : Temperature Sense-Voltage (tension du sens de la température)

BAT : Battery (tension d'entrée d'une simple cellule d'accumulateur) ; la sortie du CI Vss : Ground (Terre)

SNS : Sense of current (détecter le courant)

TCO : Temperature Cutoff-Voltage (température de coupure)

MCV : Maximum Cell Voltage (tension maximale de la cellule)

TEMP : Temperature (température)

CHG : Charge (état de la charge)

 

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MOD : Modulation (sortie de la modulation)

DIS : Discharge-Switch (Déclencheur de décharge)

Vcc : Power-Supply Voltage (Tension d'alimentation) est l'entrée du MAX2003

La broche 5 est souvent mise à la terre contrairement à la broche 6 qui est connectée de façon que la durée de charge soit deux heures.

8.4.- Conclusion

De toutes les structures présentées ci-dessus, le circuit de recharge direct (section 8.3.1) est le plus économique et simple à construire. Toutefois l'ajout d'une régulation de tension à cette structure permet d'arrêter le processus de recharge avec plus d'efficacité.

 

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9.- TEMPORISATEUR

9.1.- Généralités

La minuterie 555 montée en monostable ne peut compter les cinq minutes nécessaires pour commander le démarrage du compresseur, à moins d'utilisation d'un gros condensateur, ce qui constituerait un inconvénient pour un circuit électronique. Un compteur numérique peut réaliser cette fonction du circuit à concevoir. Un exemple d'application des compteurs numériques est dans le chronométrage ou horloge numérique. Un système de chronométrage pour retarder le démarrage du moteur du réfrigérateur d'une durée de cinq minutes doit utiliser compteurs, décodeurs et afficheurs. Contrairement à la minuterie 555, un temporisateur est un circuit numérique qui est capable d'être programmé pour de longues durées. Il peut être aussi alimenté par le réseau d'ED'H et il a une broche normalement prévue pour la commande d'un triac.

9.2.- Présentation

Un temporisateur est un circuit électronique qui permet de mettre en marche un système pendant un certain temps, ou qui permet de le mettre en marche au bout d'un certain temps. Les applications d'un temporisateur sont multiples et variées, et on peut aussi bien avoir besoin d'activer un circuit pendant quelques secondes que pendant quelques heures voire plusieurs jours. Un temporisateur peut être construit à partir d'un simple monostable, toutefois il existe d'autres solutions, un peu moins simples mais qui permettent d'obtenir des durées de temporisation très longues.

Le SAB 0529 fabriqué par Siemens est un temporisateur souple. Ce circuit intégré peut fonctionner avec tension alternative ou continue. Il possède des broches qui peuvent être programmées pour des durées allant de une seconde jusqu'à trente et une heures et demie. Il est capable de commander des charges résistives, inductives ou capacitives. De plus, il peut commander un triac jusqu'à un courant de 100 mA. Le circuit intégré SAB 0529 a deux modes de fonctionnement : "commutation momentanée" et "mise hors tension en retard" ; les deux sont redéclenchables. Dans le premier mode, un front montant à l'entrée de Démarrage active le triac et commence la période de synchronisation ou la minuterie. Dans le mode de mise hors tension de retard, le front montant à l'entrée de Démarrage active le triac, mais le front descendant commence

 

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la période de minuterie. Il y a deux variantes : le SAB 0529 qui est dans un boitier de 18 broches et le SAB 0529G avec 20 broches dont deux ne sont pas connectées.

Figure 9. 1 : temporisateurs SAB 0529 (DIP-18) et SAB 0529G (DIP-20) 9.3.- Broches du SAB 0529 ou SAB 0529G

Broches SAB 0529

Broches
SAB 0529G

Nom

Fonction

1

1

Gnd

Commun

2

2

N

Tension de ligne á travers des résistances en série

3

3

S

Démarrage

4

4

Fc

Changement de mode

5

5

A

Broches de programmation de l'unité de temps de base

6

6

B

 

7

C

 

8

R

Réinitialisation

9

9

D

Unité de temps de base × 1 Unité de temps de base × 2 Unité de temps de base × 4 Unité de temps de base × 8 Unité de temps de base × 16 Unité de temps de base × 32

Ces diverses
combinaisons
correspondent á
un comptage de 1
á 63

10

12

E

 

13

F

 

14

G

 

15

H

 

16

I

 

17

Tc

Mode réglage de fonctionnement du triac

16

18

T

Déclenchement du triac

17

19

Ts

Synchronisation du triac

18

20

Vs

Tension d'alimentation

positive

 

Tableau 9. 1 : tableau comparatif des broches du SAB 0529 et du SAB 0529G Les broches 10 et 11 dans le SAB 0529G ne sont pas connectées.

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 9.4.- Schéma synoptique et caractéristiques du CI SAB 0529

Figure 9. 2 : schéma synoptique du SAB 0529 (Source : SAB)

Tableau 9. 2 : caractéristiques du SAB 0529 (Source : SAB) 9.5.- Description fonctionnelle du SAB 0529

Le fonctionnement du CI est regi par les positions dans le diagramme de bloc à la figure 9.2 qui est capable de programmer les 8 périodes de temps. L'unité de base du temps est créée par

les positions 1:50, 1:60, 1:10 et 1:3 qu'occupent les entrées A, B et C des trois bascules. (Voir le tableau 9.3)

Plage de

temps

A

B

C

Unité de

temps de

base

Temps max. sous une fréquence de 50 Hz

1

L

L

L

1 s.

63 s. (approximativement 1 min.)

2

L

L

H

3 s.

189 s. (approximativement 3 mins.)

3

L

H

L

10 s.

630 s. (10.5 mins.)

4

L

H

H

30 s.

1890 s. (31.5 mins.)

5

H

L

L

1 min.

63 min. (approximativement 1

heure)

6

H

L

H

3 min.

189 min. (approximativement 3

heures)

7

H

H

L

10 min.

630 min. (10.5 heures)

8

H

H

H

30 min.

1890 min. (31.5 heures)

 

Tableau 9. 3 : programmation du délai

L et H sont respectivement le niveau bas et le niveau haut

L'unité de temps de base fixée est multipliée par la valeur correspondante dans les sorties des bascules 1, 2, 4, 8, 16, 32. Le retard à la sortie T vient de la connexion des bornes D et I avec la broche "Reset" ou Réinitialisation.

On peut réinitialiser le CI SAB pendant une période de temps accomplie soit en interrompant la broche réinitialisation R, soit en appliquant un potentiel H (Vs) à R (tableau 9.1; dans ce cas une résistance de protection entre R et D en passant par I est nécessaire car ces broches ne sont pas protégées contre les courts-circuits) ou, du moins, mettre la broche Vs sous tension.

Pour éviter une réinitialisation pendant la durée de synchronisation, un condensateur est nécessaire entre le Commun et la broche Réinitialisation. Le circuit peut être automatiquement remis à zéro si la broche Tc est connectée à la broche Vs via un interrupteur. Le minutage ne commence pas si la broche S n'est pas mise sous tension.

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 9.6.- Fonctions

Le SAB 0529 permet deux modes de fonctionnement selon les valeurs prises par la broche Fc : L (commutation momentanée) et H (mise hors tension en retard) ; Les deux modes de fonctionnement sont redéclenchables.

9.6.1.- Fonction de commutation momentanée

Le triac connecte à la broche T est mis en marche avec un front montant de l'entrée S et hors tension lorsque le temps de réglage prend fin, indépendamment de la durée de l'impulsion a l'entrée S. (voir figure 9.3)

> 40 m

d de S

h

d

Figure 9. 3 : impulsion d'amorçage d'un triac dans le mode commutation momentanée 9.6.2.- Fonction de mise hors tension en retard

Le triac amorce avec le front montant de l'entrée S. Le front descendant à la broche S commence le temps de réglage. Le triac reste dans cet état jusqu'à la fin de ce dernier. (Voir figure 9.4)

Figure 9. 4 : impulsion d'amorçage d'un triac dans le mode mis hors tension en retard (Source :

40 ms

SAB)

Pour protéger l'entrée S contre les interférences extérieures, on choisit un temps de stabilisation entre 20 et 40 ms en fonction de la tension de ligne.

 

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« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.» 9.7.- Etage triac

Il comprend trois broches qui peuvent agir sur le triac :

· La broche Ts (synchronisation de triac) est l'entrée de l'interrupteur et sert à synchroniser la sortie T (collecteur ouvert) avec la tension de charge ou le courant de charge. Quand Vs < 3V, la sortie est déconnectée (courant nul).

· L'entrée Tc a une double fonction :

+ Pour changer UTs, la tension de synchronisation.

+ Pour ajuster la largeur d'impulsion de déclenchement du triac (en connectant un condensateur Ce à Tc).

9.8.- Commande du triac par le SAB 0529

Pour commander le triac via le SAB 0529, nous ferons suite à la section 4.6 qui étudie plusieurs types d'amorçage, nous concluons que la commande via une porte logique est plus appropriée pour le mode de fonctionnement mis hors tension en retard. Nous utilisons un inverseur capable de changer le niveau de la sortie T en un niveau Haut pour amorcer le triac et aussi un transistor pour amplifier le courant d'impulsion (section 4.6.2).

9.9.- Modes de fonctionnement

Suivant la connexion des broches Tc et / ou Ts, trois modes de fonctionnement sont possibles :

1. Connexion Tc à Vs: T fonctionne lorsque Vs - 1.3 V = VTs = Vs + 1.3V. (voir figure 9.5)

G

A

Figure 9. 5 : premier mode de fonctionnement

Rsyn Load

 

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2.

Connexion de Tc à Q par l'intermédiaire d'un condensateur Ce:

Si Vs - 1.3 V = VTs = Vs + 1.3V, la sortie T transmet une impulsion de déclenchement au triac dont la durée est déterminée par Ce. (Voir figure 9.6)

Figure 9. 6 : deuxième mode de fonctionnement

3. Connexion de Tc et Ts à Vs: la sortie T fonctionne une fois l'impulsion de départ

Vs

commence. Elle est utilisée àtout type de charge dans le cas de diklenchement du triac en cont inu ou dans le cas où la sortie T n'est pas reliée à un triac, mais à toute autre charge. (voir figure 9.7)

ACctB

Q5Ca9

A

Tc.

Figure 9. 7 : troisième mode de fonctionnement (a.- en c.a. ; b et c.- en c.c)

Dans le cas où le CI SAB fonctionne en courant alternatif, l'emploi d'une résistance en T Asérie Rs et d'un condensateur Cch peuvent servir dans l'approvisionnement en tension de la ligne. E F G H S >2 V

Pour réduire la consommation en courant efficace dans la résistance, la connexion d'une diode Reset

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avec cette dernière est nécessaire. Et ils constituent un circuit RC. De plus, le SAB 0529 peut fonctionner en courant continu. (Voir figure 9.7 b et c)

9.10.- Calcul des composants externes

Dans tous les modes utilisés (figure 9.5, 9.6 et 9.7), les composants externes sont importants pour le fonctionnement du circuit. Les valeurs de tous ces éléments sont calculées par les formules suivantes si le circuit fonctionne en courant alternatif. A noter que toutes les formules suivantes sont ainsi calculées suivant la mode et le circuit utilisé. (Figure 9.5 et 9.6). La durée d'impulsion, L, de déclenchement est donnée par la formule :

; elle est toujours inferieure à 1 ms F1

F2

F3

F4

F5

F6

= 22 × L/ms F7

15× /V F8

Pour calculer les composants externes dans les circuits de la figure 9.7 b et c, on procède

ainsi :

R0 = F9

 

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avec et F10

R1 = et F11

R2 = F12

Id : courant moyen de déclenchement en ampère Ie : courant efficace de la charge en ampère

IG : courant d'amorçage à la gachette en ampère U : tension d'alimentation en volt

Ue : tension efficace en volt

Ud : tension de déclenchement en volt

Um : tension maximale en volt

9.11.- Conclusion

Nous concluons que le temporisateur SAB présente beaucoup d'avantages : il peut fonctionner en alternatif et continu, il peut amorcer le triac. De plus, il peut être programmé pour la durée voulue, ce qui constitue un avantage majeur pour le circuit à concevoir. Malgré ces limites, ses avantages nous permettront de réaliser la fonction de comptage dans notre circuit.

 

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10.- SCHEMA DU CIRCUIT

Le schéma synoptique de la figure 3.1 présente l'agencement des composants que nous avons étudiés minutieusement.

D'abord, la prise murale alimente directement à 120 V le circuit de haute tension qui se connecte au moteur. Le circuit de haute tension comprend le triac et le circuit de redressement. Le triac joue le rôle d'un interrupteur électronique : il laisse passer le courant sur commande du circuit de minuterie. Le circuit de redressement recharge l'accumulateur. Ce dernier, faisant partie du circuit de basse tension, alimente le circuit de minuterie à laquelle est connecté l'afficheur. L'accumulateur de type Ni-Cd choisi peut être rechargé 1500 fois. Constitué essentiellement du temporisateur, le circuit de minuterie, après avoir compté 5 minutes, envoie un signal de commande à la gachette G du triac via une porte logique pour laisser passer le courant. Puisqu'à la sortie du temporisateur le niveau de tension est bas, nous avons utilisé un transistor capable d'amplifier la tension et une porte logique pour amorcer le triac (voir sections 4.6.2 et 9.8). L'afficheur n'a pour fonction que d'afficher le comptage du temporisateur et la présence d'EDH.

11.-CONCLUSION

Vu l'étendue du projet, nous nous sommes bornés à étudier les composants du circuit et présenter un schéma conceptuel (figure 3.1). Celui-ci englobe tous les composants que nous avons étudiés. Le travail que nous avons fait peut être considéré comme la première partie du projet et la réalisation du circuit conçu en constitue la deuxième partie. Dans ce travail, nous avons proposé les composants nécessaires pour atteindre l'objectif, leurs caractéristiques électriques et leur mode de fonctionnement. La réalisation peut être laissée comme travail à un autre groupe de mémorants qui toutefois, peut revoir et améliorer notre travail. Ce circuit peut être breveté et commercialisé pour éviter aux ménages des dépenses causées par l'endommagement du compresseur ou l'échauffement du moteur.

 

Projet de fin d'études de DUMEUS Pierre-Claude et FEVRIN Fénel J. Page 59

« Circuit de commande de redémarrage d'un réfrigérateur après une coupure de courant.»
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ANNEXE

Annexe 1 : tableau des caractères spéciaux

 

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