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Page mise à jour le 6 janvier 2021
Électricité
Régulateurs et conjoncteurs
Sommaire :
D'abord utilisé avec les dynamos, le régulateur s'est ensuite adapté pour être utilisé avec les alternateurs.
Son usage s'est imposé lorsque la dynamo à trois balais a montré ses limites et qu'on est revenu à la dynamo à deux balais. Les premiers essais du régulateur datent de 1925 ; il a ensuite été généralisé vers 1945.
À la base, l'idée du régulateur revient à Léon Cibié qui la développa dans les années 10.
La batterie assure le rôle de stockage de l'énergie électrique. Tous les appareils électriques de l'automobile consomment du courant et sur un long parcours de nuit, l'énergie stockée dans la batterie est insuffisante à couvrir les besoins. La production d'électricité est ainsi assurée par une dynamo ou un alternateur. Toutefois, cette production d'électricité doit s'adapter aux besoins de la batterie. Ainsi le courant de charge doit être faible voire nul lorsque la batterie est chargée et fort lorsqu'elle est déchargée
Comme on l'a vu dans la page « Dynamos & alternateurs » et où se trouvent également des éléments techniques concernant les magnétos, les dynamos et alternateurs sont entraînés par le moteur et délivrent une force électromotrice proportionnelle à leur vitesse de rotation et qui, en l'absence de régulation peut augmenter suffisamment pour détruire la batterie si l'on ne contrôle pas la tension et le courant de charge.
Le régulateur va assurer cette double fonction de régulation de tension et de courant de la charge il assure également un rôle de sécurité pour empêcher la dynamo ou l'alternateur d'être alimentés par la batterie lorsqu'ils ne tournent pas.
Il a d'abord été électro-mécanique et a équipé les dynamos et alternateurs. Il a commencé par être distinct de la machine produisant le courant, puis intégrée à elle.
Il a ensuite évolué vers une forme électronique et est totalement intégré à l'alternateur ; la dynamo ayant disparu entre-temps, après quelques décennies de bons et loyaux services...
Les dynamos shunt ont succédé aux dynamos à trois balais. La tension qu'elles génèrent est proportionnelle à la fois à leur vitesse de rotation et au flux embrassé par l'enroulement de l'induit. La vitesse de rotation est liée à celle du moteur et donc variable. Pour réguler la tension, on voit donc qu'il faut agir sur le flux et le réguler de manière que la tension ne soit jamais supérieure à 8 V pour alimenter une batterie de 6 V et de 15,5 V pour une batterie de 12 V.
Il existe des dynamos à excitation positive ou négative. Les régulateurs ne sont absolument pas interchangeables d'un type de dynamo à l'autre sous peine de grave avarie ; toutefois, leur fonctionnement reste identique.
Les schémas qui suivent conviennent tant pour une dynamo à excitation négative que pour une dynamo à excitation positive puisqu'ils sont invariables quel que soit le sens de branchement de la batterie.
L'idéal aurait été de pouvoir faire varier le flux en fonction de la vitesse de rotation et du besoin à l'aide d'un rhéostat intercalé sur le circuit d'excitation. Malheureusement cela aurait été trop coûteux avec les technologies de l'époque pour être installé dans une automobile.
À la place du rhéostat, on va disposer une résistance fixe parcourue par le courant lorsque la tension tend à augmenter et qu'on shunte lorsque la tension tend à baisser. On agit donc en tout ou rien en choisissant des tensions maxi et mini assez proches.
Le système de tout ou rien est constitué d'un interrupteur actionné par une bobine placée en parallèle de la dynamo et d'un ressort antagoniste qui le ferme.
Ainsi, au démarrage, le contact est fermé car le ressort est plus fort que l'attraction de la bobine et la résistance R est shuntée. Lorsque la vitesse augmente, la tension produite augmente jusqu'au moment où l'attraction de la bobine devient suffisante pour contrer la force du ressort et ouvrir le contact.
À ce moment, la résistance R n'est plus shunté et le courant traversant le circuit d'excitation diminue faisant baisser la tension produite jusqu'à ce que la force du ressort soit supérieure à l'attraction de la bobine et que le contact se referme, shuntant à nouveau la résisatnce.
Et ainsi de suite... Il suffit de régler l'ensemble pour que les deux tensions de consigne soient suffisamment proches et on obtient une tension produite quasimment constante !
Ingénieux, mais pas exempt d'inconvénients. La palette bat à une fréquence élevée, et donc les fermetures ouvertures des contacts sont rapides et provoquent des arcs électriques qui ont tendance à les détériorer, d'où l'utilisation de contacts en tungstène.
Ensuite, en chauffant, la bobine change de résistance et ne déclenche plus le contact à la même tension ; elle est plus faible à froid et plus forte à chaud. Pour pallier ce problème, on utilise une bobine constituée de fil dont le matériau a une résistivité variant peu avec la température.
Enfin, la vibration de la palette, bien que rapide ne permet pas de stabiliser suffisamment la tension. On y remédie en ajoutant un contact qui shunte la bobine d'excitation lorsque la résistance ne l'est pas. Cet artifice réduit le temps de baisse de tension.
L'engin commence à prendre forme mais il n'est pas parfait : la tension de réglage constante (8 et 16 V comme on l'a vu plus haut) convient parfaitement lorsque la batterie est chargée mais est trop forte lorsqu'elle est déchargée. En effet, le courant de charge, qui est proportionnel à la différence de tension entre la dynamo et la batterie, est dans ce cas bien trop élevé et endommage la dynamo. Il faut donc le baisser.
On ajoute ainsi une bobine dite « série » à la bobine de dérivation (sur le même fer). Elle est calculée de manière que la tension délivrée soit de 6 ou 12 V et que le courant soit limité aux caractéristiques de la dynamo. De cette manière, plus la batterie sera chargée, plus ce courant diminuera jusqu'à devenir nul quand la batterie est chargée, c'est à dire lorsque la tension atteint 7,8 ou 15,6 V.
Ce schéma montre cet ajout. Le régulateur de tension est maintenent complet pour assurer la première partie du cahier des charges fixé plus haut.
Il reste maintenant à empêcher que la batterie n'alimente la dynamo et la fasse tourner comme un moteur électrique lorsqu'elle ne tourne pas en tant que générateur de courant.
C'est le rôle du conjoncteur-disjoncteur. Attention : Là, j'ai changé la polarité d'excitation de la bobine, ce qui ne change rien au principe, pour représenter exactement l'un des régulateurs-disjoncteurs le plus couramment utilisé sur les autos françaises, celui de Ducellier.
Le courant débité par la dynamo passe dans les bobinages de dérivation et série du conjoncteur et actionnent le même type de palette que dans la partie régulation.
Le bobinage de dérivation, réalisé en fil fin, est relié entre la sortie de la dynamo et la masse. Dès que la dynamo débite, ce bobinage attire la palette qui ferme le contact et permet le débit de la dynamo dans la batterie.
Le bobinage série, réalisé en gros fil, est traversé par l'intégralité du courant qui circule de la dynamo vers la batterie. Le contact étant déjà collé par le premier bobinage, le courant de charge circule désormais vers la batterie et le champ magnétique engendré par ce gros bobinage renforce l'action du premier. La charge de la batterie peut se faire.
La batterie se charge puis, si par exemple, le régime moteur vient à ralentir vers 800 tr/mm, la tension délivrée par la dynamo est inférieure à la tension de la batterie. Le courant s'inverse provisoirement de la batterie vers la dynamo et passe dans l'autre sens dans le gros enroulement, provoquant un champ inverse qui relâche la palette et ouvre le contact. Cette action est renforcée par un ressort. Pour un régime de rotation moteur peu élevé, le point d'équilibre se crée et la palette oscille entre les deux positions. Si le moteur est arrêté et que la dynamo ne débite plus, le ressort assure une ouverture définitive du contact, isolant ainsi la batterie de la dynamo. Le cycle de fonctionnement peut alors recommencer à la remise en marche du moteur.
Un autre modèle de régulateur, peu usité en Europe mais couramment utilisé aux États-Unis est le régulateur de tension et d'intensité. Dans ce régulateur, la bobine d'attraction ne possède pas d'enroulement série, mais l'appareil comporte un second rupteur en série avec le premier et commandé par le courant de la dynamo.
Lorsque la tension de la batterie est basse, le courant de charge est élevé mais s'il dépasse une certaine valeur réglable, le second rupteur s'ouvre, insérant la résistance dans le circuit d'excitation, ce qui fait baisser la tension de la dynamo et donc l'intensité de charge, ce qui provoque à nouveau la fermeture du rupteur. De cette façon, la palette vibre et l'intensité de charge reste constante et égale à l'intensité maximum que la dynamo peut produire.
Quand la batterie est chargée, sa tension est haute et atteint la valeur qui fait vibrer la palette du régulateur (premier rupteur). À ce moment, le courant baisse jusqu'à sa valeur minimum qui maintient la charge d'entretien de la batterie (d'environ 1 à 3 A).
Quelle que soit leur marque, ils se ressemblent tous et sont tous conçus sur le même principe à quelques petites variantes près de fabrication et de disposition interne. En voici quelques uns :
On a vu que les caractéristiques de conception et de réglage d'un régulateur sont liées à la dynamo qu'il va équiper. Ainsi, il faut absolument remplacer un régulateur défectueux par le type de régulateur prévu pour la dynamo concernée. Il est hors de question de prendre n'importe quel régulateur issu d'un autre véhicule.
En cas d'anomalie de fonctionnement (voyant allumé, ampèremètre indiquant un courant anormal, etc.), il y a lieu d'abord de s'assurer que 1. la courroie n'est pas en cause, 2. tous les câbles sont bien branchés et qu'il n'y a pas de court-circuit ou de mauvaise masse tant à la dynamo qu'au régulateur (La plupart des pannes électriques sur les anciennes sont dues à l’oxydation des masses et des cosses, à la rupture d’isolant des fils électriques qui deviennent cassants avec l’âge et aux fils cassés par l'oxidation et les vibrations.).
Si tout ceci est correct, alors respecter la procédure de recherche de panne décrite par Ducellier en 1953 :
Nota : dans le tableau ci-dessus, « Dynamo HS » ne veut pas dire qu'elle est définitivement morte mais simplement que son fonctionnement est en cause. Avant de la remplacer, il faut s'assurer qu'elle n'est pas réparable. (Cf. page « Dynamos & alternateurs »)
Une autre méthode de recherche de panne est indiquée par J. Thonon et B. Steens en 1985. Elle est équivalente à la précédente mais plus détaillée :
ATTENTION : Un régulateur HS ne peut pas être réparé, il est à remplacer. Toujours débrancher la batterie quand on change le régulateur.
L'utilisation du régulateur électromécanique avec un alternateur n'a existé que très peu de temps pour des raisons de pannes trop fréquentes.
On a vu au-dessus que leur fonctionnement est basé sur la vibration des rupteurs insérant ou court-circuitant la résistance de réglage dans le circuit inducteur, ce qui maintient la tension produite dans une certaine plage autour d'une valeur réglée en usine.
En pratique, après quelques mois de fonctionnement, la plage de réglage de la tension diverge et la régulation n'est plus très bonne. On atteint souvent une valeur trop élevée (parfois jusqu'à 16 et même 16,5 V) ce qui entraîne une consommation excessive d'eau de l'électrolyte et une usure prématurée de la batterie ainsi que de nombreux claquages d'ampoules.
Par rapport au régulateur pour dynamo, le régulateur électromécanique pour alternateur est plus simple car dépourvu de la partie conjoncteur-disjonteur, ce rôle étant assuré par le pont de diode qui empêche la décharge de la batterie dans les enroulements.
Voici deux schémas de branchement fréquemment rencontrés.
L'alternateur avec régulateur à auto-excitation peut se passer de la batterie pour fonctionner. L'enroulement inducteur de l'alternateur reçoit du courant alternatif redressé par trois diodes supplémentaires. L'aimentation rémanente des masses polaires du rotor produit une faible fem alternative qui, redressée par les diodes, donne d'abord un courant de faible intensité dans l'inducteur, ce qui créé un champ magnétique dans la bobine, qui vient s'ajouter au champ rémanent ce qui augmente la fem produite et ainsi de suite jusqu'à atteindre la tension nominale en quelques secondes.
Exit donc la dynamo après plusieurs décennies d'utilisation et retour à la forme de base du générateur de courant, l'alternateur.
Revenons sur le fonctionnement global de l'alternateur pour comprendre celui de son régulateur. Il se divise en 3 fonctions distinctes, production, redressement et régulation.
La production est produite par le stator constitué de trois groupes de bobinages ; elle est alternative.
Le redressement est effectué par le pont de diodes, son rôle est de transformer le courant alternatif en courant continu à l'aide de diodes positives et négatives.
La régulation de la tension est assurée par le régulateur et le rotor. La tension délivrée par le stator dépendra du courant circulant dans le rotor qui est alimenté par le régulateur et ses balais. Le régulateur ayant l'information tension de batterie, va permettre ou pas l'alimentation du rotor et donc contrôler la production de tension pour la réguler dans les valeurs choisies.
Le régulateur peut être distinct de l'alternateur et disposé dans un boîtier extérieur ou incorporé à l'alternateur dans les configurations plus récentes. C'est aujourd'hui systématiquement le cas.
Tous les régulateurs électroniques fonctionnent selon le même principe :
Ainsi, le courant envoyé à l'excitation est à tout instant calculé à partir de l'écart entre la tension produite et la tension de référence calibrée en usine. Ceci remplace avantageusement et avec bien plus de fidélité le fonctionnement des rupteurs vibrants.
Une petite distinction tout de même entre les régulateurs électroniques extérieurs qui fournissent sur la broche Ex un courant positif (l'autre bague du rotor étant à la masse), et les régulateurs incorporés qui ont une bague du rotor au PLUS permanent et qui commandent l'excitation par coupure sur le MOINS.
Je présente ici une réalisation pratique de régulateur électronique externe à l'alternateur qui peut être fabriqué facilement avec des éléments électroniques du commerce. Je précise que ce schéma est issu de l'excellent site de Philippe BOURSIN dont on trouvera l'adresse sur la page Liens et adresses.
P est réglé pour obtenir la tension de sortie Vs désirée (broche 6). Quand c'est le cas, le potentiel Ve sur l'entrée non inverseuse du circuit intégré comparateur (broche 3) est égal au potentiel Vref de l'entrée inverseuse (broche 2) stabilisée et filtrée par R1, Ds et C1. La tension de sortie Vs du comparateur est telle que le courant d'émetteur Ie2 de T2 correspond au courant d'excitation Iex convenable.
Si Vs augmente, Ve devient supérieure Vref. L'amplificateur opérationnel monté en comparateur donnera à sa sortie Vsmax légèrement inférieure à Vs.
En l'absence de C2, on aurait blocage immédiat de D1 entraînant ceux de T1 et T2 et Iex deviendrait nul :; mais la présence de C2 fait que la tension aux bornes de C2 ne peut pas suivre instantanément le potentiel de sortie du comparateur Vs (à cause de la constante de temps C2-R4). D1 se bloque alors progressivement.
Le courant de base de T1, Ib1, ne sera donc plus fourni que par C2 qui se décharge via R5 alors, Ib1 diminue, Ic2 diminue, Ib2 diminue, Ie2 (= Iex) diminue et Vs diminue.
L'augmentation de Vs est ainsi corrigée et grâce à la présence de C2, le courant d'excitation Iex varie d'une manière progressive, et non brutale ce qui élimine tout risque de claquage de T2 par tension auto-induite de l'inducteur. La présence de C3 et D2 est une précaution supplémentaire. Si Vs diminue, Ve devient inférieure à Vref et La tension de sortie du comparateur Vs devient proche de 0. Alors D1 conduit.
Si C2 n'existait pas, Ib1 augmenterait très vite jusqu'à la valeur de saturation. T1 se saturerait et saturerait T2, Ie2 (= Iex) serait maximum et Vs augmenterait trop. La présence de C2 permet donc de contrôler la croissance de Ib1, donc de Ic1, de Ib2, de Ie2 et de Iex. La correction de Vs se fait encore d'une façon moins brutale permettant de ne pas endommager T2.
Toutefois, la valeur de la constante de temps C2-R4 et C2-R5 permet une correction suffisamment rapide pour qu'il n'y ait pas d'anomalie. Si la vitesse de correction était trop lente, on observerait des variations de la lumière émise par les phares.
De cette façon, Vs est toujours maintenue à une valeur extrêmement proche de la valeur fixée lors de la mise au point par le réglage de P. La tension de référence Vref a été choisie égale à 5,6 V, car cette tension est celle des diodes stabilisatrices ayant le plus faible coefficient de température (ne pas oublier que le régulateur est installé dans le compartiment moteur).
Ce régulateur, permet de :
Moteur à l'arrêt et contact coupé, brancher un voltmètre (calibre 15 V environ, CC) entre la masse et la sortie Ex du régulateur.
Mettre le contact.
Par la manoeuvre de P, à l'aide d'un tournevis, on pourra lire soit une tension VEx presque nulle, soit une valeur proche de Vs, de l'ordre de 1,1 V. Placer P sur une position donnant une tension proche de Vs.
Déconnecter le voltmètre et le brancher aux bornes de la batterie en veillant qu'il ne puisse tomber avec les vibrations du moteur.
Mettre le moteur en marche et accélérer jusqu'à ce que la tension lue augmente. À ce moment, l'alternateur charge la batterie.
Accélérer jusque vers 2 500 tr/mn et ajuster le potentiomètre réglable P pour obtenir environ 14 V aux bornes de la batterie.
Tout en maintenant ce régime du moteur, allumer les feux de route. La tension lue doit rapidement se stabiliser à nouveau à une valeur très proche de la tension de réglage.
Couper les phares très rapidement, la tension doit revenir à la valeur désirée.
Si tout fonctionne ainsi, fermer le capot moteur et faire un trajet de plusieurs kilomètres afin que tous les éléments et le compartiment moteur prennent leur température d'équilibre.
Brancher à nouveau le voltmètre aux bornes de la batterie, accélérer à 2 500/3 000 tr/mn et régler P en maintenant le régime moteur. Le bon réglage est obtenu lorsqu'on lit 14,4 V aux bornes de la batterie, aucun accessoire électrique n'étant en service.
Vérifier que la tension se maintient à peu près à cette valeur lors d'accélérations, de mises en service et de coupures des phares en position route ou croisement.
Un retour au ralenti normal, par contre, doit entraîner une baisse de la tension Vs, à faible régime, l'alternateur cessant de charger.
Moteur à l'arrêt, déconnecter la sortie excitation du régulateur de la borne de l'alternateur et brancher une résistance de 15 Ω et 20 W entre la sortie excitation et la masse.
Mettre le contact.
Tous ces éléments sont en bon état si :
Le bon état de ces éléments ne peut être affirmé que si les deux contrôles ci-dessus sont faits et donnent le résultat attendu.
On doit mesurer une tension peu différente de 5,6 V aux bornes de Ds lorsque Ds et R1 sont en bon état et C1 n'est pas en court-circuit.
Nota : un court-circuit dans le circuit intégré peut rendre la mesure très erronée malgré le bon état de R1, Ds1 et C1.
Lorsque R2, R3 et P sont en bon état, on doit mesurer une tension de l'ordre de 5 à 6 V entre le curseur de P et la masse. Cette tension doit varier lorsque l'on manoeuvre P.
Nota : une défectuosité du circuit intégré peut créer les mêmes symptômes que la défaillance de R2, R3 et P. Pour lever le doute, on peut pomper les soudures sur les entrées du circuit intégré afin de le mettre hors circuit. Ne pas omettre de les refaire dès la mesure terminée.
Les contrôles précédents étant faits et les éléments ayant été reconnus en bon et par l'action de P, faire varier la tension l'entrée non inverseuse du circuit intégré : Ve.
Lorsque Ve est inférieure à Vref, la tension de sortie du C1 doit être proche de 0.
Si les deux tests ci-dessus ne donnent pas le résultat attendu, changer le circuit intégré.
Par action sur P, faire Ve inférieure à Vref. La tension aux bornes de D1 doit être d'environ 0,5 à 0,6 V si D1 est en bon état et branchée dans le bon sens.
Nota : si Ds est branchée à l'envers, on lira une tension d'environ 0,5 à 0,6 V à ses bornes.
Après tout dépannage, il sera nécessaire de refaire les réglages comme indiqué précédemment.
L'électronique permettant de faire peu plus que de la simple régulation de tension, d'autres fonctions ont été ajoutées au régulateur, notamment la déection des seuils haut et bas de fourniture de tension et la détection de rupture de courroie.
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