Horloge électrique secondaire Strela ЭВЧC-24

L’ЭВЧС-24 est une horloge électrique secondaire à signaux équipée d’un dispositif d’exécution programmable. Dans la terminologie soviétique, elle est également désignée comme une « horloge programmable » (программные часы).
Marque: Cтрела (Strela, Flèche)
Produite par la Fabrique d’instruments d’Ordjonikidze
Boîtier en bois
Production: Années ’70
Hauteur : 46 cm
Largeur : 34,5 cm
Profondeur: 18 cm
Poids: 9,5 kg

L’ЭВЧС-24 appartient aux systèmes de distribution horaire dans lesquels une horloge primaire, ou « horloge mère », commande à distance un ensemble d’horloges secondaires. Une ligne à deux conducteurs transmet périodiquement les impulsions nécessaires à l’avancement des horloges secondaires. L’ЭВЧС-24 ajoute à cette fonction d’horloge un véritable système de programmation mécanique capable de commander des équipements électriques extérieurs à des heures déterminées.

L’appareil n’est donc pas simplement une horloge destinée à faire sonner une cloche. Il s’agit d’un programmateur horaire électromécanique synchronisé sur une horloge centrale, capable de transformer l’information temporelle en actions électriques répétitives.
Cette technologie pouvait être utilisée dans les établissements scolaires pour commander les sonneries, mais également dans les usines, ateliers et autres établissements nécessitant des signaux ou des commutations automatiques selon l’heure. Elle était par exemple programmé pour une utilisation dans l’industrie, avec des déclenchements correspondant notamment au début et à la fin de la journée de travail et au début de la pause déjeuner. Le principe est remarquable par sa simplicité : l’heure est reçue électriquement, transformée en mouvement mécanique, puis le programme est physiquement inscrit sur une roue au moyen de petits picots métalliques.

Caractéristiques techniques

Alimentation de la ligne horaire : courant continu, 24 V.
Transmission horaire : impulsions électriques à polarité alternée.
Cadence : une impulsion par minute.
Avancement : une minute par impulsion.
Cycle du programmateur principal : 24 heures.
Pas minimal de programmation : 5 minutes.
Nombre de positions programmables : 288.
Disposition des positions : deux rangées de trous correspondant alternativement aux intervalles pairs et impairs.
Programmation hebdomadaire : disque secondaire à sept positions.
Temporisation du signal de sortie : 5 à 20 secondes.
Temporisation : relais thermique à lame bimétallique.
Commutation de la charge : relais électromécanique.
Technologie : entièrement électromécanique, sans électronique de commande.
La résolution du programmateur est obtenue par une division particulièrement simple : 24 heures × 12 intervalles de cinq minutes = 288 positions.

À l’intérieur du coffret, les différents organes sont fonctionnellement répartis en deux ensembles.

Sur la partie droite se trouvent le mécanisme de l’horloge et le système de programmation.
On y trouve notamment :
– le mécanisme électromagnétique d’avancement ;
– le mécanisme à cliquet ;
– le train d’engrenages ;
– le disque de programmation de 24 heures ;
– le disque hebdomadaire ;
– les leviers commandant les contacts.

Sur la partie gauche se trouvent les éléments destinés à commander les équipements extérieurs.
Cette partie comprend notamment :
– les fusibles ;
– les résistances ;
– le relais de commutation de la charge ;
– le relais thermique temporisé.
Le relais de commutation établit ou interrompt le circuit de l’équipement extérieur, tandis que le relais thermique détermine la durée pendant laquelle celui-ci reste alimenté.

L’ЭВЧС-24 reçoit son information horaire d’une horloge primaire.
La transmission s’effectue par une ligne à deux conducteurs. Une impulsion est envoyée chaque minute, avec alternance de la polarité :
– une minute : +24 V ;
– la minute suivante : −24 V ;
– puis à nouveau +24 V, et ainsi de suite.

Cette inversion de polarité commande alternativement les deux électroaimants du mécanisme d’horlogerie. L’armature oscillante est attirée successivement par l’un puis par l’autre.
Le mouvement alternatif de l’armature est transformé par un mécanisme à cliquet en un mouvement rotatif. Chaque impulsion provoque ainsi l’avance d’une minute de l’horloge.
Il n’y a donc pas de moteur électrique tournant en permanence : le mouvement est produit par une succession d’impulsions et de petits déplacements mécaniques.

Le disque de programmation de 24 heures:

À chaque avance de la minute, le mécanisme entraîne également le grand disque de programmation.
Celui-ci effectue un tour complet en 24 heures et porte les indications des heures de 1 à 24.
Sa périphérie comporte 288 trous destinés à recevoir des picots métalliques vissés.
Avec douze positions par heure, chaque position correspond à un intervalle de : 60 ÷ 12 = 5 minutes.
Le disque permet donc de programmer un déclenchement toutes les cinq minutes.
Les 288 trous sont répartis en deux rangées concentriques. L’une correspond aux intervalles pairs, l’autre aux intervalles impairs. Cette disposition permet au mécanisme de distinguer les positions successives et de commander correctement le système de contacts.
Le programme n’est donc pas enregistré dans une mémoire : il est physiquement matérialisé par la présence ou l’absence de picots sur la roue.

Lorsqu’un picot a été installé à une position programmée, il arrive progressivement au contact d’un levier coudé.
En poursuivant sa rotation, le picot déplace ce levier vers le haut ou vers le bas.

Le déplacement mécanique du levier provoque alors la fermeture du contact électrique correspondant.
Une simple pièce métallique fixée sur une roue devient ainsi l’équivalent mécanique d’une instruction de programme : « À cette heure précise, fermer le circuit. »
C’est l’une des caractéristiques les plus élégantes de cette technologie.

En plus du grand disque quotidien, l’ЭВЧС-24 possède un disque hebdomadaire.
Un détail particulièrement ingénieux se trouve sur le disque de 24 heures : entre les repères 4 et 5 se trouve un trou supplémentaire placé au centre du disque.
Lorsqu’un picot est installé à cet emplacement, il entraîne le petit disque hebdomadaire d’un cran. Celui-ci effectue ainsi son cycle en fonction des jours de la semaine.
Le disque hebdomadaire permet de ne pas déclencher les signaux certains jours.
Des picots peuvent être installés aux positions correspondant aux jours concernés. Le mécanisme agit alors sur un second groupe de contacts, qui vient neutraliser le déclenchement programmé sur le disque de 24 heures.
Le système réalise donc mécaniquement une logique à deux conditions :
heure programmée + jour autorisé = déclenchement
alors que :
heure programmée + jour neutralisé = aucun signal.
Cette fonction permet notamment de supprimer automatiquement les sonneries ou signaux pendant les jours de repos.

Lorsque le programme horaire provoque la fermeture du contact, le circuit de commande de la charge est activé.
La partie de commutation comporte principalement un relais électromécanique chargé de commuter le circuit extérieur.
La charge elle-même peut être constituée d’une sonnerie, d’une cloche, d’une sirène ou d’un autre équipement électrique approprié au système dans lequel l’horloge est installée.
L’ЭВЧС-24 ne fournit donc pas nécessairement directement la puissance nécessaire à l’équipement commandé : son rôle est de fournir la commande temporelle, tandis que le relais assure la commutation de la charge.

Le système de temporisation est probablement l’élément le plus étonnant de l’appareil.
Lorsque le circuit de commande se ferme, le relais thermique est alimenté et son circuit de chauffage entre en fonctionnement.
Une bobine chauffante enroulée autour d’une lame bimétallique élève progressivement la température de cette lame.
Sous l’effet de la chaleur, les deux métaux qui la constituent ne se dilatent pas de la même manière. La lame se déforme et finit par provoquer la commutation du contact.
Cette commutation fait basculer le relais et interrompt le chauffage.
Mais la lame ne refroidit pas instantanément.
Elle conserve donc sa déformation pendant quelques secondes, maintenant le contact dans sa nouvelle position. Pendant cette période, l’équipement extérieur reste alimenté.
Le refroidissement progressif de la lame ramène ensuite le mécanisme à sa position initiale et met fin au signal.
La durée obtenue est de l’ordre de 5 à 20 secondes. Une vis présente sur le relais permet d’en ajuster le fonctionnement et donc la durée du signal.
Tout cela est réalisé sans condensateur temporisateur, sans circuit intégré et sans électronique de commande : la temporisation est obtenue par la physique thermique d’une lame bimétallique.

L’ЭВЧС-24 est un exemple remarquable de ce que l’on pouvait réaliser avec l’électromécanique avant la généralisation de l’électronique programmable.
La chaîne fonctionnelle est la suivante :
horloge primaire → impulsion 24 V à polarité alternée → électroaimant → armature oscillante → mécanisme à cliquet → avance d’une minute → disque de programmation 24 h → picot programmé → levier mécanique → contact électrique → relais de commutation → relais thermique → équipement extérieur.
Le disque hebdomadaire ajoute une condition supplémentaire au programme et permet de neutraliser certains jours.
Le résultat est étonnamment proche, dans son principe fonctionnel, de celui d’un petit automate programmable moderne. La différence fondamentale est que le programme est entièrement matérialisé dans la mécanique.
L’heure est représentée par la position d’une roue, les instructions par des picots vissés, les conditions par des leviers et des contacts, et la temporisation par la déformation et le refroidissement d’une lame bimétallique.

L’ЭВЧС-24 témoigne d’une époque où des fonctions aujourd’hui confiées à quelques composants électroniques pouvaient être réalisées par une remarquable combinaison de mécanique de précision, d’électromagnétisme et de thermique.
Son intérêt ne réside donc pas uniquement dans son apparence ou dans son rôle d’horloge.
Elle constitue un petit automate électromécanique autonome dans sa logique de programmation, tout en restant synchronisé sur une horloge primaire extérieure.
Le grand disque de 24 heures contient le programme quotidien ; le petit disque contient la logique hebdomadaire ; les picots constituent les instructions ; les contacts constituent les sorties ; et le relais thermique assure la temporisation.
C’est cette succession d’opérations purement mécaniques qui fait de l’ЭВЧС-24 une pièce particulièrement fascinante de l’histoire de l’automatisation.

Pour visualiser le mouvement mécanique pas-à-pas et son couplage historique avec une horloge mère à quartz de type PChK-3, une présentation vidéo explicative est accessible sur YouTube :
https://youtu.be/01c9-k0bvp8?is=xVWJfJy4C4aHcx89

Sources et documentation :

La description du fonctionnement mécanique spécifique à l’ЭВЧС-24 s’appuie notamment sur l’étude détaillée publiée par S. Frolov en 2015, consacrée à une ЭВЧС-24 fabriquée en 1974, que l’auteur a démontée et dont il décrit le fonctionnement interne. Cette source documente directement le système à ±24 V, le mécanisme à cliquet, les 288 positions du disque de 24 heures, le disque hebdomadaire, les contacts et le relais thermique de 5 à 20 secondes.
https://sfrolov.livejournal.com/168687.html

Merci à Christophe/FMR