Un analyseur pour le secteur 220 V 1ère partie
Voici la suite et la fin de cet analyseur pour le secteur 220 volts. Cet appareil, hautement technique mais simple à réaliser, vous permettra non seulement de mesurer le cos-φ mais il vous indiquera aussi, sur un afficheur LCD, la consommation de la charge connectée au réseau EDF.
La réalisation pratique
Pour réaliser ce montage, il faut disposer des deux circuits imprimés double face.
Ces circuits sont relativement complexes. Si vous décidez de les réaliser vous-même, n’oubliez pas toutes les liaisons entre les deux faces (figures 14b, 14c, 19b et 19c).
Les circuits professionnels sont à trous métallisés et sont sérigraphiés. Sur le premier sont montés tous les composants de la figure 14a. Sur le second, le commutateur S2, l’afficheur LCD à 4 chiffres et son circuit intégré de commande IC5 (figures 18a et 19a).
Vous pouvez commencer le montage du premier circuit imprimé par l’insertion des 3 supports d’IC1, IC2 et IC3 (respectez bien l’orientation en vous référant à la figure 14a).
Après ces composants, placez toutes les résistances puis les 2 diodes en verre DS1 et DS2 (bague noire orientée vers la droite) et enfin la diode en plastique DS3 (bague blanche orientée vers la gauche).
Poursuivez le montage par l’insertion des trimmers R3, R16 et R13. Leur valeur n’étant pas indiquée en clair, voir ci-dessous les correspondances :
R3 = P103 = 10 000 ohms
R16 = P204 = 200 000 ohms
R13 = P503 = 50 000 ohms
Complétez le montage en insérant le quartz (XTAL) : bloquez-le en position horizontale sur le circuit imprimé par une soudure à l’extrémité du boîtier métallique.
Après avoir inséré les 2 condensateurs céramiques C18 et C19, insérez tous les polyesters puis les électrolytiques en respectant bien la polarité +/– des pattes. Arrivés à ce point du montage vous pouvez souder le relais DIL en vérifiant bien que son repère-détrompeur soit orienté vers la self toroïdale L1.
Sur le circuit imprimé, insérez le pont redresseur RS1, en maintenant son boîtier légèrement éloigné et en respectant bien la polarité +/– de ses pattes.
Ensuite, insérez le circuit intégré stabilisateur IC3, partie en plastique du boîtier tournée vers les condensateurs.
Puis insérez le transistor TR1, côté plat du boîtier tourné vers le relais 1.
A gauche du circuit imprimé, placez les 3 borniers à 2 pôles pour l’entrée et la sortie de la ligne secteur 220 V et pour l’interrupteur S1. Enfin, fixez le transformateur T1 à l’aide de 2 écrous après avoir inséré ses picots et avant de les souder.
Si vous regardez le circuit imprimé, vous verrez qu’il y manque la self L1, gardée pour la fin : en effet, le schéma d’implantation des composants de la figure 14 ne permet pas de bien voir les 2 fils de L1 mais seulement le morceau de fil isolé plastique qui le traverse.
Avant d’insérer L1 vous devrez vérifier que les extrémités du fil de cuivre sont bien étamées (figure 15). Si ce n’était pas le cas, il faudrait les racler avec une lame de cutter ou du papier de verre, de manière à ôter l’isolant émaillé, avant étamage puis soudure ultérieure.
Les sorties de L1, une fois étamées, seront enfilées dans les deux trous les plus rapprochés du circuit imprimé (figure 15) et soudées sur les pistes de cuivre, de manière à maintenir la self toroïdale en position verticale.
Ensuite, prenez un morceau de 50 mm environ de fil de cuivre de 2 mm isolé plastique et faites-le passer à travers le tore L1 (figure 16). Les 2 extrémités de ce fil seront soudées dans les deux trous se trouvant de chaque côté du tore.
Vous pouvez mettre ce montage de côté, puisqu’il est terminé, et prendre le second circuit imprimé, celui de l’affichage.
Vous devrez y monter le commutateur rotatif S2, l’afficheur LCD et son circuit intégré de commande IC5.
Le premier composant à souder est le support d’IC5. Puis ce sera le tour des 5 résistances et des 2 condensateurs (figure 19). Vous pourrez ensuite insérer, sur la face opposée, le commutateur S2. Mais, avant de le souder, vous devrez raccourcir son axe avec une petite scie afin de pouvoir ensuite rapprocher suffisamment le bouton de la face avant du boîtier (figure 21).
Pour terminer, insérez l’afficheur LCD (figure 18) en suivant méticuleusement la procédure décrite ci-dessous :
1- Enfilez, sur les broches de l’afficheur LCD, les 2 supports tulipes femelles à 20 éléments chacun (ce qui permet de recevoir les 40 broches du LCD).
2- Enfilez les pattes de ces 2 supports tulipes dans les trous correspondants du circuit imprimé mais ne les soudez pas encore.
3- Vérifiez bien que le repère-détrompeur (la petite protubérance de verre) de l’afficheur LCD est orienté vers la gauche (figure 18). Parfois, au lieu de la petite protubérance de verre, on a une petite flèche ou un point placé en bordure du boîtier de l’afficheur LCD. Si vous orientez le repère vers la droite, le LCD ne fonctionnera pas.
4- A l’aide d’entretoises métalliques de 15 mm, fixez provisoirement le circuit imprimé sur la face avant du boîtier (figure 22).
5- Poussez ou tirez les pattes des 2 supports tulipes du LCD dans les trous correspondants du circuit imprimé de manière à bien faire coïncider l’afficheur LCD avec sa fenêtre sur la face avant.
6- Après avoir vérifié que l’afficheur LCD appuie bien uniformément sur sa fenêtre de la face avant, soudez les 40 pattes des 2 supports tulipes.
7- Démontez le circuit imprimé de la face avant et, avec une pince coupante, supprimez les longueurs de pattes excédentaires.
Vous pourrez ensuite insérer le circuit intégré IC5 dans son support, sans oublier d’orienter le repère-détrompeur vers la droite (figure 19). Vérifiez que chaque broche est bien entrée dans son emplacement.
A la fin, insérez les 5 picots dans les 5 trous situés à gauche de IC5 et en bas du circuit imprimé. Ils serviront à relier, à l’aide de 5 fils, les deux platines (figures 19a et 14a).
Figure 14a : Schéma d’implantation des composants sur le circuit imprimé principal. Les 5 fils sortants, à droite, sont à connecter au circuit imprimé de l’afficheur LCD (figures 18a et 19a).
Figure 14b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés, côté soudures, de la carte principale.
Figure 14c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés, côté composants, de la carte principale.Liste des composants
R 1 = 1 kO
R2 = 1 kO
R3 = 10 kO trimmer
R4 = 330 kO
R5 = 100 kO
R6 = 1,5 kO
R7 = 12 kO
R8 = 1,5 kO
R9 = 22 kO
R10 = 10 kO
R11 = 1,2 kO
R12 = 1 kO
R13 = 50 kO trimmer
R14 = 18 kO
R15 = 33 kO
R16 = 200 kO trimmer
R17 = 100 kO
R18 = 100 kO
R19 = 1 kO
R20 = 10 kO
R21 = 1,2 kO
R22 = 15 kO
R23 = 560 O
R24 = 8,2 kO
R25 = 22 kO
* R26 = 4,7 kO
* R27 = 4,7 kO
* R28 = 4,7 kO
* R29 = 4,7 kO
* R30 = 47 kO
C1 = 1 µF polyester
C2 = 4,7 nF polyester
C3 = 1 µF polyester
C4 = 100 nF polyester
C5 = 1 µF polyester
C6 = 100 nF polyester
C7 = 22 µF électrolytique
C8 = 100 nF polyester
C9 = 470 nF polyester
C10 = 120 nF polyester
C11 = 22 µF électrolytique
C12 = 470 nF polyester
C13 = 470 µF électrolytique
C14 = 470 µF électrolytique
C15 = 100 nF polyester
C16 = 100 nF polyester
C17 = 10 µF électrolytique
C18 = 22 pF céramique
C19 = 22 pF céramique
C20 = 1 µ polyester
* C21 = 100 nF polyester
C22 = 100 nF polyester
* C23 = 10 nF polyester
L1 = Tore 600 µH mod. VK20.01
XTAL = Quartz 8 MHz
RS1 = Pont redres. 100 V 1 A
DS1 = Diode 1N4148
DS2 = Diode 1N4148
DS3 = Diode 1N4007
DL1 = LED rouge 3 mm
* LCD = Afficheur S5126
TR1 = Transistor NPN BC547
IC1 = Ampli-op TL084
IC2 = Ampli-op TL084
IC3 = Régulateur L7805
IC4 = µcontrôleur EP1485
* IC5 = Intégré MM5452
T1 = Transfo. 6 W (T006.04) sec. 9V 0,4 A – 9 V 0,4 A
S1 = Interrupteur
* S2 = Commutateur 2 voies 4 pos.
RELAIS1= Relais reed DIL D1C12
Figure 15 : Les 2 fils de la self toroïdale L1 (enroulement de fil de cuivre autour d’un tore de ferrite) sont enfilés et soudés sur les 2 pistes comme le montre le dessin.
Figure 16 : Au centre de L1, il faut faire passer un fil de cuivre de 50 mm de longueur environ, constituant un strap à souder sur les 2 pistes disposées de part et d’autre de la self (voir figure 15), comme le montre le dessin.
Figure 17 : Photo d’un de nos prototypes de la carte principale (figure 14). Tous les composants ont été montés. Les 5 picots à droite, en bas, sous IC4, vous permettront de relier la carte principale à l’afficheur (figure 18).
Figure 18a : Schéma d’implantation des composants de la carte afficheur, côté afficheur.Lorsque vous insérerez le LCD dans son support, vérifiez bien que la petite protubérance de verre (présente sur un seul côté) se trouve à gauche, c’est-à-dire vers l’extérieur de la carte. Sinon, aucun nombre ne s’affichera sur le LCD !
Figure 18b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la carte afficheur, vu du côté afficheur.
Figure 18c : Photo d’un des prototypes de la carte afficheur, vu du côté afficheur.
Figure 19a : L’autre face du circuit imprimé afficheur LCD comporte peu de composants. Entre les 40 soudures des supports tulipes du LCD, on a placé le support de IC5. Lorsque vous insérerez celui-ci dans son support, vérifiez bien que ses nombreuses broches soient placées et que le repère-détrompeur soit orienté vers la droite, c’est-à-dire vers l’extérieur de la carte, comme on le voit sur le dessin.
Figure 19b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la carte afficheur, vu du côté circuit intégré.
Figure 19c : Photo d’un des prototypes de la carte afficheur, vu du côté circuit intégré.
Figure 20 : Si le LCD utilisé est un LC513040 (équivalent du S5126), vous ne trouverez aucune inscription sur son envers ni nulle part ailleurs. Le repère a donc ici toute son importance.
Figure 21 : Avant d’insérer les broches du commutateur rotatif S2 dans les trous du circuit imprimé (figure 18) vous devrez raccourcir son axe à 10 mm. Si les broches n’entrent pas dans les trous, vous devrez les effilez avec une petitelime.
Le montage dans le boîtier
Nous avons prévu, pour abriter notre “analyseur pour le secteur 220 V”, un boîtier plastique avec face avant sérigraphiée (figure 1). Sur le fond, fixez le circuit imprimé principal à l’aide de 4 entretoises plastiques à bases adhésives.
Après avoir enfilé les axes de ces entretoises dans les 4 trous du circuit imprimé, ôtez de leurs bases le papier de protection de la surface adhésive. Dès que vous exercerez une pression sur les axes des entretoises, le circuit sera collé sur le fond du boîtier.
Le circuit imprimé de l’afficheur LCD sera fixé derrière la face avant à l’aide de 4 entretoises métalliques (figure 23). Sur cette face, avant placez aussi la monture pour la LED DL1, l’interrupteur de mise en marche S1 et la prise femelle sur laquelle on disposera de la tension 220 V et qu’on pourra utiliser pour alimenter les appareils dont on voudra mesurer ampères, watts et cos-φ.
Les 5 picots de la platine principale seront connectés aux 5 picots de la platine afficheur LCD au moyen d’une nappe à 5 fils (figures 14a et 19a). Prenez garde de ne pas les intervertir.
Sur le panneau arrière, faites entrer le cordon secteur 220 V. Ses 2 fils seront reliés au bornier à 2 pôles placé en haut à gauche de la platine principale. Du troisième bornier à 2 pôles placé en bas à gauche, partent 2 fils à relier à la prise femelle de sortie placée en face avant : ils transportent la tension alternative 220 V. N’oubliez pas de connecter le fil de terre (jaune/vert), sortant du cordon secteur, à la borne centrale du connecteur femelle de face avant. Pour tout cela voyez bien les figures 14a et 24.
Figure 22 : D’abord, vissez les entretoises métalliques dans les axes filetés de la face avant. Ensuite, soudez le commutateur S2 sur le circuit imprimé. Puis enfilez les 2 supports tulipes dans les 2 files des broches du LCD. Après avoir vérifié que la protubérance de verre (repère) est bien orientée vers la gauche (figure 18), enfilez les 2 supports tulipes du LCD dans les trous du circuit imprimé sans les souder tout de suite.
Figure 23 : Après avoir fixé le circuit imprimé sur la face avant, jouez sur l’enfoncement des 2 supports tulipes du LCD de telle manière que ce dernier vienne bien s’appuyer derrière sa fenêtre de face avant. C’est alors seulement que vous pourrez souder les broches des supports tulipes du LCD puis couper ce qui dépasse des soudures.
Figure 24 : Photo d’un de nos prototypes entièrement monté. On voit comment est fixée la carte de l’afficheur LCD à l’aide des entretoises métalliques que vous avez déjà placées en face avant (figures 22 et 23). Comme nous l’avons dit déjà, la carte principale est fixée, elle, à l’aide d’entretoises plastiques adhésives, sur le fond du boîtier.Comment régler l’appareil
Quand tout a été monté, comme on le voit à la figure 24, il faut procéder aux réglages en agissant sur les trimmers R3, R13 et R16 afin d’afficher sur le LCD les valeurs justes : ampères, cos-φ et watts. Les réglages à effectuer sont très simples et ne nécessitent que quelques instants.
Réglage des volts (R13)
L’analyseur étant en marche, placez le commutateur S2 sur la position “volt” et, à l’aide d’un petit tournevis, tournez le curseur du trimmer R13 jusqu’à obtenir sur le LCD l’affichage de la tension du secteur. Cela ne signifie pas que vous devez faire afficher le nombre 220, car la tension du secteur EDF varie, en temps et en lieux, de 210 à 230 V.
Pour une précision maximale, nous vous conseillons de mesurer la valeur de la tension du secteur avec un testeur (multimètre) placé sur une échelle Vac de portée suffisante.
Si, par exemple, il indique une tension de 225 V, vous devez tourner le trimmer R13 jusqu’à l’affichage du nombre 225 sur le LCD.
Réglage du cos-φ (R16)
Pour ce réglage, vous devez brancher à la prise femelle de la face avant une charge purement résistive : ampoule à filament, chauffage ou fer à repasser, peu importe, pourvu que la puissance soit inférieure à 2 kW.
Placez S2 sur la position “cos-φ” et, à l’aide du petit tournevis, tournez le curseur du trimmer R16 jusqu’à obtenir sur le LCD l’affichage du nombre 1,00.
Réglage des ampères (R3)
Laissez branchée la charge résistive, placez S2 sur la position “ampère” et, à l’aide d’un petit tournevis, tournez le curseur du trimmer R3 jusqu’à obtenir, sur le LCD, l’affichage des ampères consommés.
Bien que, connaissant la puissance en watts de la charge résistive et la tension du secteur en volts, il soit possible de calculer le courant en ampères grâce à la formule :
Nous vous conseillons toutefois de mesurer le courant avec un testeur réglé sur une échelle Aac de portée suffisante et placé en série dans le circuit.
S’il indique un courant de 0,89 A, il suffit de tourner le trimmer R3 jusqu’à lire le nombre 0,89 sur le LCD.
Mesure de la puissance
Ensuite, si vous placez S2 sur la position “watt”, vous pourrez lire la puissance consommée. Si vous branchez, à la prise frontale de l’analyseur, une lampe à filament, son cos-φ est égal à 1,00 car aucun déphasage tension/courant ne se produit.
Si l’ampoule fait 40 W et que la tension du réseau est exactement de 220 V, vous pourrez voir affichées sur le LCD les valeurs suivantes :
volts = 220
ampères = 0,18
cos-φ : 1,00
watts = 39,6
Si, en revanche, vous branchez une charge inductive, par exemple un ventilateur ou une perceuse, le LCD affichera ces valeurs :
volts = 220
ampères = 1,7
cos-φ : -0,87
watts = 325,3
et vous saurez alors que la ligne est déphasée puisque son cos-φ est de 0,87 au lieu de 1,00.
Pour remettre en phase votre ligne, vous devez rechercher dans le tableau de la figure 2 la valeur de sin-φ correspondant à un cos-φ de 0,87 : c’est-àdire 0,49.
Connaissant la valeur de sin-φ, vous pouvez calculer la valeur du courant que doit absorber le condensateur pour remettre la ligne en phase :
Connaissant le courant que doit absorber le condensateur, vous pouvez calculer sa capacité en microfarad grâce à la formule :
Si vous connectez aux bornes du moteur un condensateur de 12 microfarads, sur le LCD vous verrez le cos-φ passer de 0,87 à 1,00 environ.
Figure 25 : Brochages des principaux composants actifs. Les connexions du transistor BC547 sont vues de dessous, alors que celles de l’ampli-op TL084 et du relais DIL D1C12 sont vues de dessus.Pour conclure
Les appareils électroménagers pourvus de moteurs électriques devraient être déjà remis en phase par le constructeur.
C’est seulement dans les petits appareils qu’on risque de ne trouver aucun condensateur de remise en phase, leur cos-φ n’étant pas inférieur à 0,9.
Cependant, en mettant en fonctionnement simultanément plusieurs charges inductives, dont le cos-φ individuel n’est pas inférieur à 0,9, par ex. un téléviseur, un frigo, une machine à laver, un ventilateur, un aspirateur, des tubes fluorescents, etc., le cos-φ total peut descendre au-dessous de 0,6, ce qui peut avoir pour effet de faire sauter le limiteur de courant situé près du compteur EDF.
Pour finir, nous devons préciser que les condensateurs de remise en phase doivent avoir une tension de travail de 380 Vac. Ne cherchez pas à utiliser des condensateurs de 250 Vcc ou même 630 Vcc car ils se mettraient en court-circuit tout de suite.
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