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Réalisation du sujet : M J-C GRIMALDI
Mise en page : GuY - ToutenN

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02 mai 2005 

Avant propos

Voici un dossier, proposé par M. JC GRIMALDI, qui nous présente quelques unes de ses études et réalisations afin de mieux éclairer nos voitures et allumer les feux de convois, de commander les leds en alternatif et/ou continu, de commander les FAM (fil à mémoire de forme), de détecter une présence par consommation de courant sur la voie en CC ou DCC et de détecter par montage à base opto-électronique.

Alimentation embarquée pour
 éclairage et feux de fin de convoi

Objectif :

Alimenter un éclairage de voiture ou des feux de fin de convoi, à LED, en prenant la tension sur les rails par les essieux.

La luminosité des LED devra être aussi constante que possible.

En option, pour une rame réversible, le basculement automatique des feux de fin de convoi entre LED blanches et LED rouges se fera en fonction du sens de marche, sans connexion à la motrice.

Le système doit fonctionner quel que soit le type d’alimentation, courant continu, haché, alternatif ou DCC.

 

Montage :

Le montage se compose de plusieurs éléments permettant de décrire la solution en plusieurs étapes :

1. le circuit de charge du condensateur

2. l’alimentation des LED par régulateur de courant

3. la détection du sens de marche

Chacun de ces éléments peut être utilisé isolément pour d’autres applications.

 

1. Circuit de charge du condensateur

Afin d’éviter les clignotements dus aux mauvais contacts rails/roues, l’alimentation comporte un condensateur se chargeant lorsque le contact roues/rails est bon, et restituant son énergie lors des coupures d’alimentation.

Un condensateur de valeur moyenne (470 μF 25v) suffit car, de toute manière, si les mauvais contacts sont trop importants, la motrice s’arrêtera. Cette valeur peut être augmentée en fonction de la charge à alimenter (nombre de LED).

Pour fonctionner dans les deux sens de marche ou sur une alimentation en alternatif ou DCC, le condensateur est alimenté au travers d’un pont de diodes (1N4007).

Pour fonctionner en courant haché ou en DCC, il faut limiter le courant, car le condensateur se comporte comme un court circuit en présence des composantes à haute fréquence (sans limitation, le courant peut aller jusqu’à faire vibrer les roues de manière audible). Le but est à la fois de soulager l’alimentation et, dans le cas du DCC, d’éviter de perturber le fonctionnement des commandes. Une simple résistance joue ce rôle (33 ou 68 ohms paraît un bon compromis, assez faible pour ne pas réduire la tension maximale de charge du condensateur, compte tenu du courant consommé par les LED, et assez forte pour limiter l’appel de courant lorsque le condensateur est complètement déchargé).

2. Alimentation des LED par régulateur de courant

Le courant dans une LED alimentée au travers d’une résistance dépend linéairement de la tension d’alimentation.

Même si en DCC, voire en courant haché, le condensateur se recharge normalement au même niveau lorsque les roues font contact avec les rails, il n’en sera pas de même en cas de mauvais contact ou à plus forte raison lorsque la tension des rails est fonction de la vitesse. La luminosité dans les LED va donc varier et nuire au réalisme.

Le maintien d’un courant constant dans une LED évite ce phénomène : dès que la tension est supérieure à un certain seuil, la LED éclaire de la même manière quelle que soit la tension, ce qui permet d’utiliser de manière optimale à la fois la LED et l’énergie stockée dans le condensateur.

Il existe des circuits intégrés régulateurs de courant (LM317), mais, pour quelques milliampères, 2 transistors et 2 résistances donnent le même résultat, pour un coût moindre et un encombrement plus facile à dissimuler.

Le transistor T1 conduit tant qu’il est polarisé par R1 et alimente la LED (ou le groupe de LED). Dès que la chute de tension dans R2 atteint 0,7v environ, T2 conduit et diminue la tension de polarisation de T1, régulant donc le courant dans la LED à cette valeur. Il est possible d’alimenter plusieurs LED en série par un seul régulateur (éviter de mettre les LED en parallèle), et de brancher sur le condensateur plusieurs groupes de LED disposant chacun de son régulateur.

De manière à pouvoir utiliser le schéma ci-contre dans n’importe quel cas de figure, la diode D1 a été ajoutée pour autoriser le fonctionnement en alternatif.

3. Détection du sens de marche

Si l’on dispose d’une rame réversible, il est intéressant de pouvoir allumer soit deux LED rouges de fin de convoi, soit deux LED blanches lorsque la rame va en marche arrière.

Il est nécessaire de disposer d’un système automatique autonome car, contrairement à une motrice, l’inversion ne peut être commandée ni par une sortie du décodeur, ni, en DCC, par la polarité des rails.

La détection du sens de marche est faite par un ressort fixé sur un essieu qui établit un contact avec une butée selon le sens de rotation.

Pour ne pas freiner l’essieu, le ressort sera très léger et le contact risque d’être aléatoire. La commutation doit donc mémoriser le sens de marche, ce qui évitera en outre d’éteindre les LED en cas de mauvais contact ou, en DCC, lorsque le convoi s’arrête.

Avec 2 transistors et 2 résistances on réalise une bascule bistable (‘flip-flop’) qui garde en mémoire le sens du dernier contact reçu. Le contact étant relié aux roues, deux diodes éliminent les alternances positives qui grilleraient les transistors.

Pour faciliter la compréhension, le schéma ci-contre représente une alimentation classique des LED au travers de résistances, qui seront bien entendu remplacées par un régulateur de courant dans le montage final.

Comme c’est pratiquement toujours le même transistor qui conduit en premier, un test préalable permet de choisir pour les LED rouges le côté les alimentant par défaut lors de la mise sous tension.

Dans le cas d’une alimentation continue ou hachée, le bistable reste nécessaire pour maintenir l’éclairage pendant les mauvais contacts, mais le détecteur de sens serait inutile, les diodes étant simplement reliées à l’alimentation par les rails, dont la polarité est fonction du sens de marche.

Mais, si l’on veut un système indépendant du mode de commande (continu, haché, alternatif ou DCC), comme il faut être sûr d’avoir une polarité pouvant être négative sur le contact de sens de marche, au lieu d’un détecteur commun aux deux sens, suffisant en alternatif, il faut équiper deux essieux en détecteurs, chaque sens étant détecté par l’essieu relié au rail gauche dans le sens détecté.

4. Le montage complet

Le montage complet combine l’alimentation du condensateur, la détection de sens de marche et l’alimentation des LED au travers d’un régulateur de courant. Un seul régulateur aurait pu être utilisé pour les deux sens de marche, mais avec quelques risques de stabilité de l’état du bistable à faible tension.

 

 

 

 

 

 

Commande de LED en alternatif ou continu

Les LED sont des diodes qui ont la particularité d’émettre de la lumière lorsqu’elles sont traversées par un courant.

Une diode (ou une LED) ne conduit le courant que dans un seul sens.

Conventionnellement, du pôle plus vers le pôle moins, la diode conduira si la bague circulaire imprimée sur la diode (ou le côté de la LED qui a une partie plate au lieu d'être rond) est du côté du moins.

Pour s'en souvenir, ce côté s'appelle Cathode, symbolisé par un K, ce qui rappelle le schéma d'une diode , et le côté où se trouve la bague correspond à la barre du K et au côté moins "-".

Contrainte en courant

Dans le sens où la diode conduit, elle fait "chuter" la tension (0,7 volts pour une diode 1N4007 ou 1N4148, de 1,6 à 3 volts pour une LED). Si le courant dépasse une certaine valeur (1A pour 1N4007, 75mA pour 1N4148, 20mA pour une LED), la diode "grille" et se met en général en court-circuit.

Pour éclairer, une LED usuelle a besoin d'être traversée par un courant d'au moins 5mA. Elle grille si le courant dépasse 20mA. Pour avoir environ 10mA sur une alimentation 12v, on peut simplement mettre en série avec la LED une résistance de 1kohm (compte-tenu de la chute de tension de 2v dans la LED). Avec un transfo d'accessoires en 14v alternatif, on doit se souvenir que la tension crête est 14x1,4=20v et il faut mettre une résistance de 1,8 ou 2,2kohms en série avec la LED, au lieu de 1kohms.

Il faut éviter de mettre les LED en parallèle, car comme il est pratiquement impossible qu’elles aient rigoureusement la même chute de tension, l’une d’elles conduira avant les autres et supportera seule le courant prévu pour tout le groupe.

Contrainte en tension

Dans le sens où elle ne conduit pas, la diode se comporte presque comme un isolant (quelques micro-ampères), jusqu'à une certaine tension, dite "tension inverse de claquage". Au-delà, elle se met en court circuit. Une diode type 1N4007 supporte 1000 volts en inverse, seulement 75v pour une 1N4148, et, seulement quelques volts dans le cas d'une LED (environ 5v).

Pour une alimentation en alternatif (ou DCC), il faut donc protéger une LED pour qu'elle ne claque pas pendant l'alternance où elle est alimentée à l'envers.

Si l'on met une diode classique en série avec la LED, dans le même sens, le tout en série avec la résistance, on ne protège pas la LED contre la tension inverse, mais la diode en série va limiter le courant inverse à quelques micro-ampères et donc empêcher a priori la LED de recevoir assez d'énergie pour être détruite (elle risque toutefois d’être endommagée).

Si l'on met une diode classique en parallèle avec la LED, mais en sens inverse, et le tout en série avec la résistance, cette diode conduira dès que la tension inverse sera supérieure à 0,7v et la LED sera protégée.

 Montages pratiques

Le plus simple pour alimenter une LED en limitant son courant et en la protégeant de la tension inverse est le schéma classique avec une résistance en série représenté ci-contre.

Si la tension peut s’inverser, une diode inverse protègera la LED.

L’inconvénient de ce montage est que le courant dans la LED dépend linéairement de la tension d’alimentation et cela oblige à définir la résistance au cas par cas selon l’utilisation. Un montage prévu pour 12v continu ne conviendra pas si l’on veut le mettre sur une alimentation alternative pour accessoires ou une voie en DCC.

En outre, la mise en série de plusieurs LED oblige à changer la valeur de la résistance si l’on veut conserver la même luminosité.

Il est donc préférable d’alimenter les LED au travers d’un régulateur de courant qui maintiendra le courant à l’identique (par exemple 10mA) dès que la tension d’alimentation dépasse un seuil fonction du nombre de LED en série.

Si la chute de tension dans le régulateur est de 1,5v et de 2v dans chacune des " n " LED, la tension minimale d’alimentation devra être de 1,5 +  n x 2 volts. En 12v, on peut mettre jusqu’à 5 LED en série.

Il existe des circuits intégrés régulateurs de courant (LM317), mais, pour quelques milliampères, 2 transistors et 2 résistances donnent le même résultat, pour un coût moindre et un encombrement plus facile à dissimuler.

Le transistor T1 conduit tant qu’il est polarisé par R1 et alimente la LED (ou le groupe de LED). Dès que la chute de tension dans R2 atteint 0,7v environ, T2 conduit et diminue la tension de polarisation de T1, régulant donc le courant dans la LED à cette valeur.

Pour une alimentation en alternatif, la diode D1 sera mise en série avec le montage car, avec la résistance R1 et l’alimentation des LED au travers d’un transistor, le courant de fuite inverse de D1 n’est plus dangereux pour les LED.

 

 

 

Commande de FAM

Objectif

Alimenter un actionneur à fil à mémoire (FAM) pour automatismes miniatures (cf. doc de JLP sur le site Pro-Rail) :

- aiguillages

- barrières de passage à niveau

- sémaphores

- simulation du mouvement d’engins de travaux

Le système doit pouvoir être commandé par impulsions ou contact permanent, la mise en mémoire du dernier état commandé permettant en outre de retrouver, à la mise sous tension, le réseau dans l’état où il était lorsque l’on a coupé l’alimentation (indispensable en cas de coupure fugitive de courant).

L’alimentation du FAM doit assurer la régulation du courant (150 à 220 mA par exemple pour le fil Pro-rail), sans précaution particulière sur l’alimentation générale ou la longueur du FAM, ce qui autorisera par exemple la mise en série de deux FAM pour une commande de passage à niveau.

L’état du système doit pouvoir être disponible pour alimenter une signalisation ou commuter un cœur d’aiguille par exemple.

 

Montage

Relais bistable

La commande passe par un relais bistable 12v à deux bobines de faible consommation (moins de 5 euros).

Ce choix offre de nombreuses possibilités pour la commande :

- courant continu 12v (état logique éventuellement découplé par un transistor ou contact)

- courant alternatif 14v ‘accessoires‘au travers d’une diode (une simple alternance sur deux)

- commande permanente ou par impulsion

Le relais bistable conserve en mémoire le dernier état commandé.

Le choix d’un bistable à 2RT 1A permet de disposer d’un contact inverseur isolé et de deux tensions de signalisation.

Régulateur de courant

L’alimentation proposée en standard avec les FAM présente plusieurs inconvénients :

- elle nécessite une alimentation stabilisée

- elle doit être réglée en fonction de la longueur du FAM

Il semble préférable (et plus simple) d’alimenter le FAM au travers d’un régulateur de courant.

Un régulateur fournira un courant constant quelle que soit la résistance interne du FAM (donc quelle que soit sa longueur) et la tension d’alimentation (la déformation du FAM étant liée à son échauffement, il est même possible de l’alimenter en alternatif en mettant simplement une diode en série avec le montage décrit).

Un régulateur de type LM317 convient pour ce type d’alimentation, mais l’encombrement et le coût peuvent faire préférer un montage à deux transistors d’usage plus général (voir fiche sur l’alimentation des LED).

Le FAM est alimenté au travers du transistor T1, qui conduit grâce à la tension de polarisation fournie par R1.

Le courant dans le FAM traversant également les résistances R2 et R3, y produit chute de tension d’environ 1v pour le courant nominal du FAM.

Une partie de cette chute de tension est prélevée par R3 pour alimenter la base du transistor T2 et le rendre conducteur (0,7v environ) lorsque le courant dans le FAM atteint sa valeur nominale. En conduisant, T2 baisse le potentiel de la base de T1 jusqu’à ce que le courant dans le FAM reste stable.

Si l’on veut un montage utilisable dans toutes les circonstances (de 5 à 12v = ou 10 à 16v ~), le choix d’un transistor de type BD911 utilisé sans radiateur permet de dissiper sans problème l’énergie nécessaire :

P à dissiper par T1 = 200mA x (Tension d’alimentation - [1,5v dans les transistors + 2 à 4v dans le FAM]) = maxi 1,5W

Les autres composants sont peu critiques, n’ayant pratiquement rien à dissiper.

 
 
 
 

Détecteur de présence sur un canton 

Objectif :

Détecter la présence d’un convoi sur un tronçon grâce à sa consommation.

Si le fourgon de queue est équipé d’une alimentation de feux de fin de convoi par les rails, l’ensemble du convoi sera localisé. Dans le cas contraire, ou pour détecter un wagon isolé, il faut mettre au moins un essieu résistant sur chaque wagon (de nombreux articles traitent de ce sujet et de la manière de préparer une peinture résistante à appliquer sur l’isolant des axes).

Montage :

Deux méthodes principales sont utilisées pour détecter la présence d’un convoi  :

- court-circuiter un potentiel à haute impédance par la présence de la rame (comme sur les réseaux réels),

- détecter une chute de tension de l’alimentation provoquée par la consommation de la rame.

Court-circuitage d’un potentiel élevé appliqué à la voie :

L’idée est d’alimenter l’un des rails à la fois par une diode reliée à l’alimentation de traction et par un potentiel élevé appliqué au travers d’une résistance de forte valeur.

En présence d’un convoi, son impédance étant faible par rapport à la résistance, le potentiel chute et s’établit à la tension de l’alimentation fournie au travers de la diode.

Il suffit de détecter cette chute du potentiel par un relais ou un amplificateur pour savoir que le canton est occupé.

Si l’on veut rester dans un schéma simple, le système ne peut fonctionner qu’en courant continu et dans un seul sens, en mettant une diode en série avec l’alimentation (en sens inverse ou en alternatif et DCC, c’est par l’impédance interne de l’alimentation et sans besoin de convoi que le potentiel appliqué à la section sera court-circuité).

Je renvois à une page de l’AMFN qui traite ce sujet http://amfn.perso.cegetel.net/det2.htm

 

Détection d’une chute de tension en série avec l’alimentation :

Compte tenu des contraintes de fonctionnement du circuit ci-dessus, on peut utiliser un principe totalement différent : détecter l’effet de la consommation du convoi sur la tension d’alimentation. Le schéma reste simple et d’un usage très général.

J’avais imaginé il y a 35 ans le montage décrit ci-dessous pour du continu pur, et il a continué à fonctionner sans la moindre modification avec du JouefMatic puis avec des alimentations plus élaborées. Le système s’alimente directement sur le DCC. Dans les autres cas, on peut prendre l’alimentation de contrôle dans l’alimentation de traction avant le rhéostat ou le hacheur.

La détection ne fonctionne que si la voie est alimentée. Pour arrêter les trains, il faudra donc, en continu pur, ne pas couper l’alimentation mais commuter sur de la HF ou du 5v alternatif qui aura en outre l’avantage de maintenir un éclairage à l’arrêt.

 

La tension d’alimentation est appliqué au canton au travers de deux diodes.

Une diode tête-bêche assure le retour pour la polarité inverse.

La tension aux bornes des diodes alimente la base d’un transistor.

En l’absence de convoi, la tension aux bornes des deux diodes est nulle (la résistance R1 dérive les éventuels courants de fuite) et le transistor ne conduit pas.

Quand un convoi est sur le canton, la tension aux bornes des deux diodes atteint environ 1v et le transistor conduit.

Un actionneur (relais ou opto-coupleur) est commandé par le transistor, son alimentation ayant une polarité commune avec le rail servant à la détection (ce peut être le DCC des rails ou la tension avant hacheur ou rhéostat dans les autres cas).

D3 protège l’opto et permet de réaliser un " OU " entre détecteurs.

Un condensateur filtre le signal (mauvais contacts et détection d’une alternance sur deux).

 

En courant continu, le schéma de base ci-dessus permet la marche arrière, mais pas sa détection, ce qui est parfois suffisant. Pour détecter les deux sens de marche, deux adaptations sont possibles :

- associer au transistor un transistor de polarité inverse, comme dans le schéma ci-contre qui fonctionne également en DCC avec l’avantage d’équilibrer la charge et la chute de tension entre les deux phases,

- remplacer les transistors par un ampli OP monté en différentiel (un même composant ayant plusieurs entrées peut servir à plusieurs détecteurs).

 

 

Pour un montage appliqué en DCC, reportez vous à cette page  :
 Montage par détection de courant pour module de rétro-signalisation par contact(DP1)

et une version simplifiée  à : 
cette adresse

 

 

 

Détecteur de présence opto-électronique 

Objectif :

Détecter le passage d’un convoi par la coupure d’un faisceau invisible.

Le système n’est pas plus coûteux qu’une détection de passage par ILS, mais détecte avec précision le passage de tout type de matériel sans nécessiter l’installation d’aimants. En outre, il est plus facile à fondre dans le décor.

Les utilisations sont multiples :

- anti-talonnement automatique d’un aiguillage,

- boucle de retournement,

- bruitages ou animations (sifflet, passage à niveau, chargement) commandés au passage des trains,

- arrêt précis en tête de quai, coupure d’alimentation si l’on s’approche trop d’un heurtoir,

Dans ces cas, une détection de présence par consommation de courant est peu adaptée (complication, imprécision entre essieux et extrémité du véhicule, nécessité de couper les rails et d’avoir des essieux résistifs, impossibilité de déplacer facilement le point de détection pour trouver le bon endroit).

Montage :

Le principe

Le convoi est détecté par la coupure du faisceau lumineux.

La sortie pourra être activée au choix lorsque le faisceau est établi ou coupé (cf option).

Pour ne pas être visible et s’affranchir autant que possible de la lumière ambiante, le système utilise un faisceau infrarouge.

Les puristes feront remarquer que le phototransistor est sensible à la lumière directe du soleil et qu’il faudrait utiliser un faisceau à lumière modulée pour éviter ce problème. D’une part je n’ai observé le phénomène qu’avec la lumière du soleil, pas un éclairage artificiel, d’autre part, l’objectif étant de faire simple, économique et efficace, un petit tube de papier noir autour du phototransistor évitera si nécessaire la lumière parasite.

Réalisation (à peine plus d’un euro) :

L’émetteur est une LED de type IRS5 qui émet en dehors du spectre visible.

Le récepteur est un phototransistor de type IRE5 qui conduit lorsqu’il reçoit des rayons infrarouges. Ce transistor ne supportant pas plus de 4mA, le signal ne peut être utilisé directement et doit être amplifié.

Attention : le phototransistor NPN ressemble à une LED incolore, mais le méplat correspond au collecteur et donc, contrairement à une LED, se trouve du côté " + ".

Le détecteur est un amplificateur opérationnel de type LM311 qui fonctionne dans une plage de 5 à 15v et dont la sortie est un transistor NPN supportant 50mA, ce qui permet de commander directement un actionneur (relais ou commande directe d’un automatisme, voire d’un transistor de puissance si nécessaire).

Mise en œuvre du faisceau :

Utilisés tel quels sans lentille, la distance entre la LED IR et le phototransistor ne doit pas dépasser 15 à 20 centimètres.

L’angle d’ouverture du faisceau de la LED comme du phototransistor est de 20°, leur orientation n’est donc pas critique. L’encombrement est identique à celui des LED 5mm et il sera facile de les dissimuler dans le décor.. Il faut toutefois éviter que le phototransistor ne reçoive les rayons directs du soleil (le mettre éventuellement dans un petit tube de carton noir mat).

Circuit imprimé :

Le circuit de détection sera monté au plus près du capteur (avec les mauvais contacts, les hacheurs, le DCC, … et des mètres de rails, un réseau est un immense générateur de parasites).

Le circuit imprimé ne fait que 4 centimètres carrés et pourra être placé sans problème.

La tension d’alimentation continue peut aller de 5 à 12v (si elle est juste redressée, filtrer avec un condensateur pour ne pas avoir de pointes dépassant 15v sur le LM311).

Une LED (facultative) est prévue pour vérifier le fonctionnement pendant la pose.

Option 1 : Pour une sortie au repos (potentiel libre) lorsque le faisceau n’est pas coupé, monter normalement la résistance de 4,7k et mettre un strap entre le phototransistor et le point marqué " R ".

Option 2 : Pour une sortie active (mise à 0v) lorsque le faisceau n’est pas coupé, monter la résistance de 4,7k dans le trou marqué " R " et mettre un strap entre le phototransistor et le point marqué " T ".

Il est possible de souder directement les fils, de mettre des cosses faston, des connecteurs ou des bornes à vis au pas de 5,08mm.

Le tracé permet de juxtaposer plusieurs circuits avec une seule alimentation (continuité des pistes " + " et " - ").

Remonté