Électronique domestique: Mesure et contrôle dans l'électroménager

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FEI-USTHB. L2 ELT Etat de l’art du génie électrique
Electronique domestique :
Mesure et contrôle dans quelques appareils électroménagers
L’intégration croissante de l'électronique dans
l'électroménager a donnée naissance à l’électronique
domestique, branche qui se rapporte aux appareils
utilisant l'électronique et une certaine programmation
que l’on trouve dans les appartements.
Ce secteur a progressivement repris tout ce qui
relevait de l’électroménager classique en ce qui
concerne les appareils de lavage (lave-linge, lave-
vaisselle, sèche-linge), de repassage (fer à repasser,
presse à repasser, centrale vapeur), de cuisson
(cuisinière, four micro-ondes, plaques de cuisson), de
froid (réfrigérateur, congélateur, climatiseur) ou
d’entretien des sols (aspirateur, polisseuse, tondeuse
à gazon).
Même le petit électroménager se trouve de plus en
plus "robotisés" avec les nouvelles générations de
cafetières électriques, de mixeurs, presse-agrumes,
machines à pain, robots de cuisine multifonctions, etc.
Le lave linge
Les machines à laver le linge ont été conçues pour
nettoyer vêtements, serviettes, draps et autres tissus
ménagers en utilisant de l'eau et une lessive. La
fabrication en série de machines à laver électriques
commence aux Etats Unis en 1939. En 1950 on voit
apparaître les premières machines combinées, où
l'essorage est obtenu par la force centrifuge au sein
du tambour. Les circuits de commande
électromécaniques des années 1970 ont été
remplacés par des cartes à micro-processeurs dans
les années 1990. Depuis l’origine jusqu'aux machines
à laver du 21eme siècle, l'évolution des techniques de
lavage a eu pour objectif d’éliminer totalement toutes
les salissures.
Dans les textiles, on distique 4 catégories de
salissures : les poussières (particules non solubles
dans l'eau et qui se fixent sur les fibres textiles ou
entre les fils); les graisses (matières qui souillent les
tissus et pénètrent dans la fibre); les taches (matières
colorantes qui pénètrent dans la fibre) et le tartre
(dépôt provenant des calcaires dissous dans l'eau de
lavage et qui entre en combinaison chimique avec la
fibre textile). L’élimination des salissures nécessite 2
actions. La première consiste à détacher la salissure
des fibres sur lesquelles elle est fixée. La seconde est
d'empêcher la salissure de se redéposer sur le linge
en la mettant en suspension dans l'eau jusqu'à son
évacuation.
Vu la nature différente des salissures, le processus de
nettoyage dans un lave linge doit combiner 4 types
d'actions (fig-1): une action hydraulique (pour faire
passer l'eau à travers les fibres); une action thermique
(pour accélérer les réactions chimiques) une action
mécanique (c'est à dire le frottage et la torsion des
tissus) et une action chimique (pour dissoudre
certaines molécules ou modifier l'état électrostatique
du milieu).
Fig-1 : Les 4 actions du processus de lavage
Le fonctionnement des machines actuelles (fig-2) se
base sur un cycle de lavage, (éventuellement précédé
par un cycle de prélavage) avec de la lessive, à chaud
(entre 30 et 95°C). Après le lavage, il y a un cycle de
rinçage à l'eau froide pour éliminer la lessive et les
salissures se trouvant dans l'eau. L’assouplissant
(quand on en a mis dans le bac à produits) est envoyé
dans la dernière eau de rinçage. Le linge est ensuite
essoré par centrifugation.
Fig-2 : Lave linge à ouverture frontale
 Action hydraulique dans un lave linge
Les principaux éléments de l'action hydraulique sont
schématisés en fig-3. L'arrivée d'eau froide se fait via
le robinet d'arrêt. L'électrovanne est un robinet
électromagnétique qui ouvre ou ferme les arrivées
d'eau. Le programmateur commande l'ouverture de
l'électrovanne pour l'arrivée de l'eau dans la machine.
L'eau, en remplissant la cuve, comprime l'air. Lorsque
le niveau requis est atteint, le pressostat se déclenche
et commande la fermeture de l'électrovanne. Cet
interrupteur actionné par de l'air sous pression jouer le
rôle de détecteur de niveau d'eau lors du remplissage
de la cuve. La pompe de vidange évacue les eaux
usées de la machine. Elle est constituée d'un moteur
associé à une pompe centrifuge, elle-même protégée
par un filtre. Les pompes auto-nettoyantes tournent
dans les deux sens pour évacuer dans le filtre les
boutons, peluches de tissus, et autres débris.

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Fig-3 : Principaux éléments de l'action hydraulique
La figure 4 représente la structure d'une électrovanne
normalement fermée. En l'absence de signal
électrique, le ressort de rappel (R) pousse la tige du
piston (P) qui vient fermer la vanne dont l'étanchéité
est assurée par le joint J. En présence d'une
excitation électrique sur la bobine (B), le champ
magnétique résultant du passage du courant crée
une force qui pousse le piston vers le haut,
comprimant le ressort de rappel et provoquant
l'ouverture de la vanne.
Fig-4 : Structure d'une électrovanne
Les figures 5 schématisent deux pressostats à
membrane qui agissent comme des interrupteurs
commandés par la pression de l'air qui arrive sur
l'entrée (1). Le modèle à gauche est de type
normalement ouvert (NO) et le modèle à droite
normalement fermé (NF). La pression entre par le
raccord (1) et agit sur la membrane (2). Si la force
résultante de cette pression est plus grande que celle
exercée par le ressort de compression précontraint
(3), alors le poussoir (4) entraîne avec lui de disque
de contact (5), ce qui a pour effet de fermer le circuit
entre les contacts (6) pour le NO, ou d'ouvrir les
contacts (6) pour le NF. Quand la pression redescend
suffisamment pour dépasser la valeur d‘hystérésis, le
pressostat est à nouveau ouvert pour le NO (et fermé
pour le NF). (8) sont les sorties électriques. Le réglage
du pressostat dans sa plage de pression se fait en
tournant la vis de tarage (7).
Fig-5: Pressostats à membrane
La figure 6 schématise le principe de quelques
détecteurs de niveau de liquides dans une cuve ou
une citerne. Le (1) est un détecteur de niveau à base
de pressostat similaire à celui utilisé dans les lave-
linge. Le (2) est un détecteur de niveau à flotteur et à
tige reliée à un détecteur de fin de course (DFC) via
une came disposée à la hauteur désirée. Le (3) est un
détecteur de fin de niveau basé sur une barrière
lumineuse (LED + Photo-Résistance). Le (4) est un
détecteur de niveau pour liquides conducteurs à base
d'une mesure de résistance entre 2 électrodes. Pour
les liquides isolants, entre les 2 électrodes, on mesure
la capacité de l'air ou du liquide quand le niveau est
atteint.
Fig-6: Détecteurs de niveau de liquide
 Action thermique dans un lave linge
Les 4 principaux éléments de l’action thermique dans
un lave linge sont représentés sur la figure 7.
Fig-7: Composants de l’action thermique du lave linge
Le thermoplongeur assure le chauffage de l'eau
contenue dans la cuve. Son principe est similaire à
celui du petit thermoplongeur utilisé pour réchauffer
l'eau dans une tasse. Il est constitué d'une
résistance électrique qu’on chauffe directement en
220V, recouverte d’un ciment isolant et placée à
l’intérieur d’une gaine qui lui permet d'être immergée
dans le réservoir d’eau. Le thermoplongeur est placé
entre la cuve et le tambour, l’étanchéité étant garantie
par un joint en caoutchouc (Fig-8).

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Fig-8 : Thermoplongeur à résistance chauffante
Le contacteur thermique est un composant de sécurité
qui permet de couper l'alimentation électrique de la
résistance chauffante en cas d'anomalie de
fonctionnement. Il est présent dans tous les appareils
électroménagers pour les protéger contre une
éventuelle surchauffe. Son principe de fonctionnement
repose sur la déformation d’un disque bilame (fig-9)
sous l'effet de la chaleur transmise par l'intermédiaire
du cabochon. En se déformant ce disque agit sur une
tige mobile qui actionne l'ouverture ou la fermeture du
contact électrique. En refroidissant, le disque reprend
sa forme, et le contact retrouve sa position initiale.
Fig-9 : Principe du contacteur thermique à bilame
 Action thermique dans d’autres appareils ménagers
La figure 10 représente un thermostat à bilame
similaire à ceux utilisés dans un fer à repasser. La
molette est reliée à une vis qui sert à comprimer plus
ou moins le ressort de rappel. Dans le modèle ci-
dessous, le contact fermé à température ambiante, va
s’ouvrir lorsque la chaleur atteint la valeur fixée.
Comme pour les pressostats, ce type de contacteur
existe en version NF ou NO et peut ouvrir ou fermer le
contact électrique.
Fig-10 : Thermostat à bilame dans un fer à repasser
Dans le domaine de la régulation de température, on
utilise souvent des thermocouples. Ces dispositifs
transforment une température en une tension
électrique mesurable. Le couple est constitué par
deux fils métalliques A et B de natures différentes,
soudés leurs extrémités. Si une extrémité est
chauffée, une différence de potentiel apparaît et est
proportionnelle à la température (Fig-11). Ce
phénomène thermoélectrique a été observé pour la 1°
fois en 1821 par Thomas Seebeck.
Fig-11 : Principe du thermocouple
Les thermocouples sont utilisés comme détecteurs de
flamme pour la sécurité des appareils gaz tels que le
chauffe eau, la chaudière et le four de cuisinière.
Dans ces appareils, le robinet de gaz est doté d'un
disque en fer et d'une bobine magnétique reliée au
thermocouple.
Lorsque le robinet de gaz est fermé, le système est
étanche et empêche le passage du gaz. Quand on
appui sur le robinet et qu'on l'ouvre, le disque entre en
contact avec la bobine. Le gaz traverse le robinet,
passe par l'injecteur et arrive au brûleur. L'utilisateur
allume le gaz et maintient le bouton enfoncé pendant
quelques secondes, le temps que le thermocouple
échauffé par la flamme arrive à produire un courant
électrique suffisant pour provoquer à travers la bobine
un champ magnétique de force suffisante pour contrer
la force de rappel du ressort et maintenir le disque
collé à la bobine. L'utilisateur peut alors relâcher le
bouton et le feu ne s’éteint pas.
Fig-12 : Détecteur de flamme à thermocouple

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Si un courant d'air, ou autre éteignent la flamme, la
chaleur disparaît de même que le courant électrique.
La bobine perd ses propriétés magnétiques et la force
de rappel du ressort pousse le robinet à reprendre sa
position fermée d'origine évitant ainsi toute fuite de
gaz.
Le thermocouple est constitué d'une tubulure relié à
un métal et d'un fil central relié à l'autre métal. Ces
deux métaux différents sont soudés au niveau de sa
pointe. Quand on porte cette pointe à la température
de flamme d’un gaz butane, il apparait au niveau de
sa sortie une tension électrique voisine de 30 mV.
 Action thermique dans un four à micro-ondes
Dans un four traditionnel, la chaleur touche la surface
de l'aliment puis, pénètre progressivement jusqu'à son
centre. Dans un four à micro-ondes, la chaleur est
produite par agitation moléculaire dans le volume de
l’aliment.
Fig-13 : Four à micro-ondes
Un four à micro-ondes est un appareil électroménager
utilisé principalement pour le chauffage et la cuisson
rapide d'aliments, par agitation des molécules d'eau
qu'ils contiennent sous l'effet d'un rayonnement micro-
onde. Il se présente sous la forme d'une carcasse
métallique comparable à celle d’un four électrique
traditionnel. Cette carcasse empêche les ondes de
quitter l’intérieur du four. Sa porte est munie d'un
hublot recouvert d'une grille qui empêche la dispersion
des ondes à l'extérieur du four mais qui laisse passer
la lumière. L’appareil comporte sur sa face avant des
boutons de commande (minuterie, réglage de la
puissance, activation du plateau tournant, etc. Les
joints placés dans le four servent à contenir l'énergie
qui est dégagée à l'intérieur du four et empêcher toute
fuite d'onde à l'extérieur du four.
Les micro-ondes sont générées par un magnétron,
composant qui permet de convertir la fréquence du
courant du secteur en hyper-fréquences de 2.45GHz.
Il est relié à l'enceinte du four par un guide d'onde. A
ces fréquences les molécules d'eau H2O qui sont
électriquement polarisées se mettent à osciller.
L'agitation de ces molécules se traduit par une
augmentation de température au sein de l'aliment, ce
qui provoque selon la puissance des micro-ondes soit
la cuisson, soit réchauffement soit la décongélation
des aliments placés à l’intérieur du four. La répartition
des ondes se fait à l'intérieur du four grâce au plateau
tournant.
Le magnétron est constitué d'une anode comportant
10 cavités résonnantes reliées entre elles pour former
un cylindre entourant une cathode cylindrique. On
chauffe cette dernière à plus de 1500°C par un
filament de tungstène alimenté sous 3,2 V ce qui lui
permet d'émettre des électrons. Quand on applique un
champ de l'ordre de 4000V pour un espace
d'interaction de quelques millimètres, les électrons
libérés par la cathode sont accélérés par le champ
électrique continu. En l'absence d’aimants, les
électrons iraient directement sur l'anode comme dans
une diode à vide. En rajoutant à ce dispositif deux
aimants fixés perpendiculairement à l'axe du tube, le
champ magnétique produit permet de créer un nuage
d'électrons tournant entre l'anode et la cathode. En
passant devant les cavités, les électrons rentrent en
résonance et provoquent alors un rayonnement à
2.450 GHz. Les micro-ondes sont alors prélevées à
l'aide d'une boucle de couplage, rayonnées par une
antenne à l'intérieur d'un guide d'ondes qui les
transportent l'intérieur du four (fig-14).
Fig-14 : Génération des micro-ondes
Dans un four à micro-ondes, le transformateur
alimente deux circuits différents du magnétron :
• Le circuit de préchauffage du filament (3.2V, 10 A) ;
• le circuit HT d'alimentation de l'anode (2500V, 0.3A).
Fig-15 : Schéma électrique du micro-ondes
La haute tension HT sort du transformateur à environ
2500 V. Durant l’alternance négative, D1 est bloquée
et C se décharge en fournissant une tension qui
s’ajoute à celle du transformateur et dépasse les
4000V. Le circuit doubleur de tension permet
d’atteindre la tension requise au fonctionnement du
magnétron dès que la cathode atteint sa température
de travail (1500°C).
La régulation de la puissance dans le four à micro-
ondes est commandés de manière cyclique en tout ou
rien par modulation de largeur d’impulsion
(commande PWM : Pulse Width Modulation).

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 Action mécanique dans un lave linge
L’action mécanique a pour but de décrocher les
poussières non liées au tissu par des graisses en
agissant sur la rotation du tambour qui comporte
plusieurs aubes (renflements sur la paroi intérieure)
pour plus d'efficacité. Par ailleurs, plus il y a de trous
dans le tambour, meilleurs seront le rinçage et
l'essorage pour évacuer mousse et eau. Le moteur
transmet le mouvement au tambour par l'intermédiaire
d'un jeu de poulie et courroie. La cadence de lavage
(fig-16) est la répartition entre le temps de rotation du
tambour et son immobilité avant l'inversion du sens de
rotation. L’essorage est obtenu par la force centrifuge.
Sa vitesse et sa durée sont adaptées à chaque
programme.
Fig-16 : Rotation du tambour
Les conditions mécaniques optimales sont
conditionnées par la hauteur de chute du linge, elle
même conditionnée par la hauteur d'eau dans le
tambour, la dimension et la vitesse de rotation du
tambour. Pour un diamètre de tambour de 50cm et
une hauteur d'eau de 7cm, la vitesse de rotation
optimale est de l'ordre de 50 tr/mn (fig-17). A vitesse
plus faible, le linge ne s'élève pas dans le tambour; à
vitesse supérieure, il s'élève mais ne retombe pas. II
est centrifuge à partir de 80 tr/mn. La valeur de la
hauteur d'eau optimale (7cm) résulte d'un compromis
entre la quantité d'eau minimale (chute de linge plus
importante mais mouillage insuffisant) et la quantité
d'eau maximale (chute de linge plus faible mais
mouillage meilleur).
Fig-17 : Vitesse optimale de rotation du tambour
 Action mécanique dans un aspirateur
L'aspirateur conventionnel qui existe depuis plus d'un
siècle comporte 6 éléments essentiels: une entrée
d'aspiration; une sortie d'échappement, un moteur
électrique, un ventilateur, un sac à poussière et une
carcasse qui contient tous les autres éléments
(fig.18).
Fig-18 : Ancien modèle d'aspirateur
Quand on branche l'aspirateur et qu'on le met en
marche, le moteur qui est relié au ventilateur, fait
tourner les lames qui forcent l'air à aller en avant, vers
la sortie d'échappement. Ceci provoque une
augmentation de pression avant le ventilateur, et une
baisse de pression après. Tout ce passe à la manière
d'une paille dans un verre de jus. En aspirant, on crée
une augmentation de pression dans la paille du côté
du verre et une diminution du côté de la bouche. Cette
différence de pression va provoquer la remontée du
jus à travers la paille, et on arrive à boire.
Dans l'aspirateur, cette différence de pression crée un
phénomène de succion qui propulse l'air de l'entrée
vers l'échappement. Les particules d'air en se
déplaçant frottent contre toute la poussière qui les
entoure. Si la poussière est assez légère et la succion
est assez forte, la friction les pousse vers l'intérieur de
l'aspirateur. La brosse tournante sert à décoller la
poussière du tapis de sorte qu'elle puisse être
attrapée par la colonne d'air. Comme l'air rempli de
saletés s'écoule vers l'échappement, il passe par le
sac d'aspirateur. Ces sacs sont faits de matériel
poreux tissé (tissu ou papier), qui agit comme un filtre
à air. Les trous minuscules dans le sac sont assez
grands pour laisser le passage de l'air, mais trop petits
pour que la plupart des particules de saleté arrivent à
le traverser, et elles vont être piégées dans le sac.
Depuis 2001, un nouveau produit existe sur le marché
des aspirateurs: le robot aspirateur (Fig-19). Il s'agit
d'un robot autonome car il est alimenté par des
batteries; il se déplace de façon autonome à l’intérieur
d’une pièce; et quand sa batterie est déchargée il
retrouve tout seul son chargeur afin de recharger ses
batteries. Quand on le met en marche, il commence
par repérer les contours de la pièce à nettoyer, en
suivant les murs. Ce repérage permet au robot
aspirateur de déterminer le temps nécessaire pour
effectuer le nettoyage de la pièce. Il débute alors le
nettoyage de la pièce. Pour cela, il avance en ligne
droite et lorsqu’il détecte un obstacle devant lui, il
recule, tourne sur lui même d’un angle aléatoire et
repart en ligne droite. Quand la durée d’aspiration est
écoulée, il retourne vers son chargeur en suivant les
murs de la pièce (Fig-20).