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Fabriquez votre variateur pour moteur synchrone

Entraînement d'un télescope avec un moteur synchrone

Pour être performant en photographie, un instrument astronomique équatorial doit être équipé d'un dispositif qui assure une vitesse constante de son mécanisme d'entraînement, avec toutefois la possibilité de "rattraper" (corriger son orientation). De nombreux instruments équatoriaux d'amateur sont entraînés par des moteurs synchrones. Ceux-ci ont l'avantage de fournir un mouvement régulier et de pouvoir fonctionner directement sur le secteur EDF, il est donc possible de les utiliser sans dispositif électronique.

La vitesse de rotation d'un moteur synchrone est directement proportionnelle à la fréquence du courant alternatif qui l'alimente. Donc si nous lui fournissons un courant à fréquence constante, comme celui du secteur, sa vitesse sera invariable. Cette propriété semble très intéressante pour l'utiliser sur un télescope. Mais dès qu'il faut modifier légèrement l'orientation de l'instrument, les choses se compliquent. En effet, il faut prévoir un système mécanique de "rattrapage" ou bien modifier la fréquence du courant d'alimentation.

C'est cette dernière solution qui est aujourd'hui la plus usitée grâce aux "variateurs". Cette terminologie est impropre, mais elle est très employée par les astronomes amateurs et nous nous conformerons à cet usage. Le mot variateur désignera dans le texte qui suit, un système électronique capable de piloter un moteur synchrone dont il permettra d'ajuster la vitesse avec précision.

Vous trouverez une analyse comparative des différents types de moteur utilisables pour entraîner le mécanisme d'un télescope dans notre page sur la conception du système d'entraînement équatorial d'un télescope. Les moteurs synchrones ne sont pas indiqués pour l'entraînement des montures azimutales comme celles des télescopes de Dobson.

Pour les moteurs synchrones, les variateurs les plus simples fournissent une tension carrée, ceci permet une conception très facile. Hélas chaque médaille a son revers, la plupart des composants électroniques ne supportent que des tensions de quelques volts, il faut donc un transformateur en sortie pour élever la tension. C'est ici que réside le problème, car les transformateurs habituels se comportent très mal avec les tensions carrées. Il faut se procurer un transformateur spécial, ce qui est rare et cher, ou se contenter d'un rendement médiocre avec un modèle ordinaire (consommation supérieure à un ampère sous 12 volts, pour un moteur synchrone de 4 watts).

Toutefois, moyennant un petit effort de conception, il est possible de disposer en sortie d'une tension sinusoïdale. Le rendement est alors excellent, même avec un transformateur ordinaire. C'est cette solution que nous allons vous proposer sous la forme d'un montage simple et efficace qui nécessite des composants classiques. Cependant pour le fabriquer, il est souhaitable d'avoir une petite expérience dans la construction d'appareils électroniques.

Fonctionnement

Schéma de principe du variateur pour moteur synchrone.
Figure 1 : Schéma de principe du variateur pour moteur synchrone.

Le schéma de principe est exposé en figure 1. IC1 génère une fréquence de 100 Hertz, que l'on peut ajuster avec P1. Cette fréquence est divisée par deux par IC4 de façon à obtenir un signal de 50 Hertz bien symétrique. Les rattrapages sont commandés par les inverseurs à contact fugitif S1 et S2 qui sont représentés ici en position de repos.

Une action sur S2 agit sur N3 et N4 et bloque le signal issu de IC4, le moteur s'arrête et les étoiles dans le champ observé se déplacent vers l'Ouest.

Une action sur S1 fait basculer le trigger constitué par N1 et N2. La tension de sortie de IC2 diminue alors progressivement, entraînant avec elle la tension de référence de IC1. Ce dispositif permet une accélération douce du moteur qui atteint sa vitesse maximale au bout de trois ou quatre secondes. Les astres du champ observé se déplacent vers l'Est.

Un moteur synchrone supporte mal les accélérations brutales et peut caler. C'est pour cela que les rattrapages sur la plupart des variateurs ne permettent d'accroître la vitesse que de 20 ou 30%. Avec ce montage, vous pouvez doubler la vitesse de nombreux moteurs synchrones. Dans certains cas nous l'avons triplée. Cette vitesse extrême doit être ajustée par P3 en fonction des performances de votre équipement.

Le signal est ensuite récupéré par A1 et A2 qui sont configurés en filtres passe-bas de façon à ne transmettre que la fréquence fondamentale. La tension sinusoïdale ainsi obtenue est ensuite amplifiée par A4 et inversée par A3. Ces deux circuits pilotent deux amplificateurs de classe B montés en pont qui alimentent le secondaire d'un classique transformateur 22OV/6V (ici, il devient donc primaire).

La LED D9 est un témoin de charge de la batterie, elle s'éteint quand la tension devient inférieure à 10,5 Volts, dans ce cas le moteur ne va pas tarder à s'arrêter. La diode D10 protège le variateur contre les inversions de tension.

Montage

Schéma d'implantation et circuit imprimé du variateur pour moteur synchrone.
Figure 2 : Schéma d'implantation et circuit imprimé vu par le côté composants. Dimensions du circuit = 61x180mm.
    Téléchargement du dessin de ce circuit imprimé au format CorelDraw. Il s'agit du fichier synchro.cdr.
    Téléchargement du dessin de ce circuit imprimé au format gif. Il s'agit du fichier synchro.gif.

Liste des composants :

Résistances ¼ Watt et potentiomètres
R1 = 33K
R6,R7,R14,R15 = 10K
R16 = 100K
P1 = 10K, 10 tours
R2 = 8,2K
R8 = 3,3K
R17,R18 = 47K
P2 = 10K ajustable
R3 = 1K
R9 = 4,7K
R19,R20, R21,R22 = 2,2K
P3 = 1M ajustable
R4 = 100 Ohms
R10 = 5,6K
R23 = 330Ohms
P4 = 100K ajustable
R5 = 470K
R11,R12,R13 = 7,5K
R24,R25 = 47Ohms
.
Condensateurs
C1 = 220nF
C2 = 10nF
C3 = 2,2uF 16V tantale
C4,C5,C11 = 10uF 25V tantale
C6, C8 = 470nF
C7,C9,C10 = 100nF
C12 = 220nF 400Volts
.
Semi-conducteurs
D1...D8 = 1N4148
D9 = LED verte
D10 = 1N4004
D11...D14 = LED verte
T1,T5 = BC237B
T2,T4,T6,T8 = 2N3055
T3,T7 = BC307B
Z = Zéner 8,2V
Pt = Pont de diodes 1 Ampère
IC1 = ICM7555 ou NE555
IC2 = LM741
IC3 = CD4011
IC4 = CD4024
IC5 = LM324
IC6 = 78L05
.

Transformateur : Tr = Transformateur 6 Volts / 6 à 10 VA
Moteur synchrone : Nous utilisons des moteurs synchrones de la marque CROUZET. Je vous propose de consulter leur fiche descriptive.

La figure 2 donne toutes les indications quant à l'emplacement et au câblage des composants. S1 et S2 sont dessinés en position de repos. Afin d'être compatibles avec le dessin du circuit imprimé, les condensateurs seront choisis en fonction de leurs dimensions. Notez que pour certains condensateurs nous avons prévu deux dimensions possibles sur le circuit imprimé, c'est la raison d'être du troisième trou.

Pour IC1 nous préférons employer un circuit ICM7555 car en version standard, son fonctionnement est habituellement garanti jusqu'à -20°C. Dans la même version le classique NE555 n'est garanti que jusqu'à 0°C. D'ailleurs, il faudra se méfier de tous les circuits intégrés lors d'une utilisation en dessous de 0°C. C'est à l'usage que vous verrez leur comportement.

La dérive thermique de ce dispositif est très supportable (environ 0,03%/°C, ce qui correspond aussi aux dérives thermiques dues aux dilatations de la monture d'un télescope). Pour la minimiser, nous vous conseillons de bien choisir C1 avec un coefficient thermique inférieur à 300ppm/°C. Les condensateurs à film polyester fournissent de bons résultats.

Pour P1 nous choisissons un potentiomètre 10 tours avec bouton compte-tours. Nous obtenons ainsi un réglage très fin, qui pourra être reproduit plus tard si nous avons noté sa valeur. C'est très utile pour l'observation des astres de "vitesses différentes" (Lune, Soleil, étoiles, comètes, etc...). Lorsque vous connaîtrez la correspondance entre la position de P1 et la fréquence de sortie, vous pourrez prévoir le bon réglage. Ce potentiomètre est câblé de telle sorte que sa résistance diminue (et donc la fréquence de sortie augmente) quand l'indication du bouton compte tours augmente. Notez qu'il est monté sur le boîtier principal et non pas sur la raquette de commande. Cette disposition favorise la stabilité de la fréquence.

Les 2N3055 sont vissés directement sur le circuit imprimé, sans radiateur. Une de leurs deux vis de fixation est reliée au circuit. Il est important de lui assurer un bon contact électrique avec la piste de cuivre et le boîtier du transistor.

Le condensateur C12 est soudé directement sur les pattes de sortie du transformateur.

Nous avons installé dans la raquette de commande, aux côtés de S1 et S2, un circuit d'éclairage à LED vertes (voir figure 2). Ce gadget est très utile car il fournit un éclairage très doux qui permet de lire les cartes ou de dessiner sans être ébloui.

Les moteurs synchrones que l'on rencontre habituellement sur les instruments d'astronomie consomment une puissance apparente inférieure à 5 VA. Il faut donc que notre transformateur soit conçu pour supporter une puissance légèrement supérieure (6 à 10 VA). Si cela vous est possible, nous vous recommandons de faire des essais avec plusieurs transformateurs de fabrications différentes. Vous conserverez celui qui permet d'obtenir les meilleures performances ou la plus faible consommation.

Nous préférons laisser au lecteur l'initiative des autres détails du montage tels que la connexion du circuit au moteur et à la batterie, type de boîtier, etc... Nous dirons seulement que le boîtier ne devrait pas posséder d'orifice d'aération, si la rosée était susceptible de se déposer dessus.

INFORMATION TECHNIQUE :

La puissance apparente que peut traiter un transformateur est exprimée en Volts-Ampères (VA). Elle correspond au produit de la tension nominale du secondaire par la valeur du courant qu'il est capable de délivrer.

S = U.I
avec S = puissance apparente en Volts-Ampères
U = tension secondaire en Volts
I = courant secondaire en Ampères

Cette expression de la puissance électrique est propre au courant alternatif. Dans le cas du courant continu, le produit d'une tension par un courant fournit une puissance exprimée en Watts.

Dans le cas du courant alternatif, la puissance apparente (en VA) diffère de la puissance active (on dit aussi puissance efficace) qui s'exprime en Watts et dont la détermination doit tenir compte de l'angle de phase entre tension et courant.

Exemple : Un transformateur de 6 Volts (tension nominale secondaire) qui peut délivrer un courant de 2 Ampères peut traiter une puissance apparente :
      S = 6 x 2 = 12 VA

Autre exemple : Nous avons un transformateur de 6 V / 10 VA et nous voulons déterminer le courant maximal I qu'il peut délivrer.
De la formule précédente nous déduisons l'égalité suivante :
      I = S / U = 10 / 6 = 1,6 A

Mise sous tension et réglage

Nous vous conseillons d'effectuer la première mise sous tension avant d'avoir branché le transformateur sur le circuit et avec une alimentation de 12 Volts limitée en courant à 50 milliampères.

Réglez tous les potentiomètres en position médiane. Mettez le circuit sous tension. Puisque le transformateur n'est pas connecté, la consommation doit être faible, environ 20 milliampères. Avec un voltmètre "alternatif" vérifiez qu'il existe une tension alternative aux points de connexion du transformateur. Avec P4 réglez cette tension juste en dessous du seuil de saturation qui doit être d'environ 5,5 volts efficaces. Entre ces points, un voltmètre "continu" doit indiquer une valeur nulle ou très faible (0,5 V= au maximum).

Si tout s'est bien passé, mettez le circuit hors tension, connectez le transformateur et branchez le moteur (voir en figure 2 le branchement du transformateur). Alimentez maintenant le circuit avec une batterie de 12V ou une alimentation de 12V/1A

Le moteur tourne dès la mise sous tension. Réglez P1 à la valeur 7,00 du bouton compte-tours. Avec ce réglage la fréquence de sortie doit être de 50 Hz, vous pouvez la vérifier avec un fréquencemètre et la régler avec P2. Si vous n'avez pas un tel appareil de mesure, c'est en contrôlant la vitesse de rotation du moteur que vous ajusterez P2.

Ceci étant fait, vérifiez que le moteur s'arrête lorsque vous appuyez sur S2. Evidemment il doit redémarrer si vous relâchez ce bouton.

Actionnez S1, le moteur accélère progressivement, s'il cale c'est que l'accélération est trop élevée, tournez alors P3 à gauche (sens de rotations inverse de celui des aiguilles d'une montre). Réglez sa position pour obtenir la plus grande accélération qui soit fiable. Lors de ce réglage, P1 doit être en position de plus grande vitesse (réglage 10,00).

Sachez que trois grandeurs sont intimement liées dans cet appareil. Il s'agit de la tension de sortie, la consommation et l'accélération maximale. En effet si la tension de sortie est élevée, la consommation est importante (rendement faible), mais l'accélération pourra être forte. Il n'est pas intéressant de disposer d'une tension de 220 Volts en sortie, en effet la plupart des moteurs synchrones supportent très bien des tensions sensiblement moins élevées, ceci permet une plus faible consommation de courant. Ainsi, en alimentant un moteur CROUZET de 4 Watt avec ce montage nous pouvons faire débiter à la batterie une puissance aussi faible que 3 Watt. Cela ne signifie pas que le rendement est supérieur à "un" mais simplement que nous alimentons le moteur avec une faible tension. Cet argument est très important pour les amateurs qui n'ont pas d'observatoire fixe et qui doivent donc transporter leur source de courant. Ils souhaitent utiliser une petite batterie ou la batterie de leur véhicule qui doit être en état de démarrer après la séance d'observation.

Nous vous conseillons donc de faire plusieurs essais avec des tensions de sortie différentes (réglable par P4) en notant ces trois grandeurs. Ensuite vous pourrez choisir le compromis qui vous intéresse le plus. Avec les petits moteurs CROUZET, nous choisissons habituellement un réglage qui fournit, le moteur étant branché, 155 Volts efficaces, une accélération fiable de 1,8 (90 Hz max.) et une consommation de 300milliampères. Certains transformateurs permettent des caractéristiques plus intéressantes.

Alimentation

Attention, n'alimentez jamais ce circuit avec un chargeur de batterie pour automobile. Ce dernier fournit une tension redressée mais pas continue. Ce variateur a été conçu pour être alimenté avec une batterie de 12 Volts, celle d'une automobile convient très bien.

Pour ne pas nous attraper les pieds dans les fils, nous avons choisi de l'utiliser avec une petite batterie au plomb étanche de 12 Volts / 6 Ampères-heures installée à côté (autonomie de 20 heures environ). Vous pouvez vous la procurer chez un spécialiste en accumulateurs ou auprès d'un vendeur de pièces détachées pour modèles réduits. Ce type d'accumulateur est très fragile, il ne faut pas le charger avec un chargeur pour batterie d'automobile (dans ce cas sa vie serait très brève). Dans une autre page, nous vous proposons de fabriquer un chargeur pour ces batteries à santé délicate.

M31 : La Grande Galaxie d'Andromède.
M31 : La Grande Galaxie d'Andromède. Pose de 1h35 sur TP2415 hypersensibilisé avec téléobjectif Nikon 4/200mm diaphragmé à 5,6.