Interface de puissance 5V - 230V


Cet article décrit comment interfacer une sortie logique TTL (0V / 5V) avec le secteur 230V, en toute sécurité. 

 

Elle peut servir de base pour transformer un simple vumètre à LEDs, en vumètre géant avec ampoules 230V à la place des LEDs. Voir aussi Relais statique 1. Deux schémas sont proposés :

Schéma 001 : pour charge résistive (ampoule à filament ou convecteur électrique par exemple);

Schéma 001b : pour charge inductive (transfo ou moteur par exemple).

Schéma 001 - Pour charge résistive

La tête de mort est un composant électronique que l'on peut trouver facilement si on ne fait pas attention à ce qu'on fait. Pensez-y.

interface_230V_001

Ce circuit s'appuie sur l'utilisation d'un optotriac de type MOC3041, un optotriac n'étant ni plus ni moins qu'une forme particulière d'un optocoupleur. Ce composant assure à lui seul l'isolation électrique (galvanique) entre la partie commande (l'entrée au niveau TTL 0V / 5V) et la partie puissance (230V / 8A). 

L'entrée de l'optotriac MOC3041 est une simple LED, dont la chute de tension est de l'ordre de 1,6V et le courant de fonctionnement nominal de 15 mA. Si on applique une tension compatible TTL, c'est à dire de +5V, directement sur cette LED, l'optotriac aura une durée de vie de quelques microsecondes. Très intéressant, mais pas assez long pour qu'on puisse vraiment en profiter. Il convient donc, comme pour toute LED, d'ajouter une résistance en série pour limiter le courant qui la parcourt. La valeur de la résistance doit être calculée comme indiquée à la page Alimentation d'une LED, résultat tout cuit sur la ligne qui suit :

Rled = (5V - 1,6V) / 0,015A = 220 ohms

Un petit truc qui me gêne : la LED de l'optotriac est incluse dans un boitier non transparent. On ne voit donc pas si elle s'éclaire, et pour faire des tests sans appliquer le 230V, ce n'est pas brillant. Je préfère donc ajouter une autre petite LED rouge (LED rouge parce que chute de tension moindre) en série avec celle de l'optotriac. On peut donc maintenant voir quand l'optotriac est commandé. Bien sûr, comme on a ajouté une LED, la résistance de limitation de courant doit être revue à la baisse. Je vous laisse deviner comment j'ai obtenu cette nouvelle valeur de 100 ohms, adoptée sur le schéma.

La sortie de l'optotriac est un triac qui, s'il avait été un peu plus costaud, aurait pu servir à piloter directement une lampe. Mais ce n'est pas le cas, et c'est pourquoi ce triac interne (inclus dans le MOC3041) est épaulé par un triac externe (ici un BTA08-400, sous entendu 8A 400V), physiquement plus apte à constituer un interrupteur de puissance.

Schéma 001b - Pour charge inductive

Le schéma précédent convient pour la commande de charges résistives telles que des lampes à filament, mais ne convient pas pour la commande d'une charge inductive, telle qu'un transformateur (de PAR36 par exemple) ou un moteur. Pour ce type de commande, il convient d'utiliser le montage suivant :

interface_230V_001b

Remarque : RL représente la charge inductive et non une self.

Les valeurs des composants constituant le réseau R2 / C1 sont normalement calculées en fonction du courant de gâchette du triac. R2 peut avoir comme valeur 2K4 et C1 peut avoir comme valeur 100 nF si le triac est de type sensible (courant de gâchette inférieur à 15 mA). Ces valeurs peuvent être laissées à 1K2 et 220 nF pour des courants de gâchette supérieurs à 15 mA.

Autres optotriacs ?

Vous pouvez aussi utiliser le MOC3021, qui est moins cher que le MOC3041, mais qui ne possède pas de système de détection de passage par zéro de l'onde secteur. Ce qui implique d'éventuels parasites supplémentaires, liés aux commutations On/Off. Les MOC3042 et MOC3043 sont identiques aux MOC3041, mais le courant minimal nécessaire à une commutation sûre du triac est inférieur : 10 mA en entrée suffisent au MOC3042 et 5 mA suffisent pour le MOC3043. Mais rien qu'à cause du prix de vente des deux derniers, je pense que beaucoup d'entre vous se diront que finalement, le modèle 15 mA conviendra très bien...

Autres triacs plus "puissants" ?

Le besoin de commuter des "charges lourdes" peut se faire sentir, et l'on peut alors penser se tourner vers des triacs plus costaud, style 16 A / 800 V tel le triac sensible BTA16-800B (version standard) ou BTA16-800BW (version snubberless). Que faut-il modifier pour pouvoir exploiter de tels triacs ? Première chose à savoir : les triacs standards (ceux dits non sensibles) de 16 A nécessitent un courant de gâchette assez important, de l'ordre de 100 mA à 500 mA, à comparer aux 10 mA à 50 mA requis pour un modèle 8A de la même famille. Les triacs dits sensibles, qui se contentent de quelques centaines de uA ou de quelques mA pour les versions 6 A ou 8 A, réclament tout de même plusieurs dizaines de mA pour les modèles 16 A, typiquement entre 10 mA (pour les plus sensibles, "dédiés" niveau logique) et 50 mA (pour les plus courants). Dans le cas qui nous concerne, je conseille les BTA16-800BW ou BTA16-800CW (ces deux modèles sont de type snubberless). Vous pouvez également employer les BTA16-800B ou BTA16-800C, mais dans ce cas il faut rajouter un circuit RC (snubber) entre bornes A1 et A2 du triac, ce qui n'est pas nécessaire avec les premiers cités. Les modèles BTAxx-xxx peuvent être remplacés par des modèles BTBxx-xxx, ces derniers ont les mêmes caractéristiques de fonctionnement mais la semelle de leur boitier n'est pas isolée.

Avertissements / remarques

- Je n'ai jamais essayé ce type de montage avec des triacs 16 A, j'en suis toujours resté aux modèles 4 A, 6 A et 8 A. Les indications données ci-avant résultent d'une "analyse" faites après lecture de plusieurs datasheets, comprenez bien que je ne peux pas garantir que cela fonctionne parfaitement bien dans tous les cas, surtout avec des charges inductives !

- Les modèles de triacs proposés sont des 800 V, mais vous pouvez aussi vous contenter de modèles 600 V (BTA16-600BX par exemple). Je fais peut-être un peu plus confiance aux modèles 800 V, capables d'encaisser plus longtemps des surtensions très importantes, plus susceptibles de se produire avec des charges inductives, mais qui en temps normal, dans un montage bien étudié, devraient être parfaitement maîtrisées, n'est-ce pas...

- Les valeurs de 1,2 KO pour R2 et de 220 nF pour C1 doivent normalement convenir pour un triac 16 A de type sensible BTA16-800BW, puisque le courant de gâchette est, malgré l'appellation "sensible", supérieur à 15 mA.

Tension de commande autre que +5V

La valeur de la résistance R1 montée en série avec la LED de l'optotriac, ici une résistance de 100 ohms, a été calculée pour une tension de commande de +5V, et en tenant compte de la présence d'une LED supplémentaire. Voici ci-après un petit tableau où sont reportées les valeurs à adopter pour R1 en fonction de la tension de commande, avec ou sans LED externe additionnelle. Les valeurs indiquées dans ce tableau font partie de la série E24 et correspondent à la valeur égale ou directement inférieure à la valeur théorique.

Tension de commande

Avec LED externe
(2V / 15 mA)

Sans LED externe

+3,3V

Nota (1)

R1 = 100 ohms

+5V

R1 = 100 ohms

R1 = 220 ohms

+9V

R1 = 330 ohms

R1 = 470 ohms

+12V

R1 = 560 ohms

R1 = 680 ohms

+15V

R1 = 750 ohms

R1 = 820 ohms


Nota (1) : résistance R1 = 10 ohms, mais fonctionnement de l'optotriac non garanti.

"Grossissement" d'un vumètre à LED

Vous pouvez utiliser un simple vumètre à LED pour piloter des ampoules 230V, en utilisant ce type d'interface. Il suffit de remplacer chaque LED du vumètre par une interface de ce type. L'entrée de l'interface se résume alors au câblage direct de la LED incluse dans l'optotriac, sans résistance de limitation de courant, car la limitation de courant est normalement assurée par le circuit de commande du vumètre lui-même. Notez que le circuit de commande des LEDs du vumètre doit être en mesure de débiter quelques mA pour assurer un fonctionnement correct de l'optotriac (c'est en général le cas). 
Il est bien sûr possible de se passer d'optotriac pour un tel projet (raccord direct d'un triac sur les sorties vumètre), mais alors deux problèmes se posent :

- plus d'isolation entre secteur 230V et vumètre, ce qui est très fâcheux si le vumètre est raccordé à un circuit électronique audio (table mixage ou chaine hifi). Mais cela reste envisageable si la captation du son se fait de façon autonome, avec un microphone intégré.

- le courant de commande du circuit d'affichage peut être insuffisant avec certains triacs, à moins d'utiliser une commande impulsionnelle (qui complique le montage, et n'ajoute rien à la sécurité du matériel et des personnes)

- problématique (ou impossibilité) de câblage avec les circuits de commande multiplexés tels les UAA170 / UAA180.

 

 

 

 

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