LOCOrevue

-C7 et C8 condensateurs de découplage de 100 nF ont été rajouté par rapport à la photo de la carte.

-D1 est bien 1N4148 , le courant max dans la diode est le courant dans le relais donc la 1N4148 bien suffisante.

-Représentation de l'implantation de C1 un peu tournée.

-U6 (555) manque sur le schéma.

-Il est possible d'avoir le même couple RC 100k+470k+47uF ou 47k+220k+100uF sur les 4 temporisations. Il est également possible d'augmenter la résistance mais on ne dépassera pas 1 MOhms.

Introduction :

Notre étude porte sur la réalisation d'une carte dont le but précis est le suivant : Faire effectuer à un autorail par exemple, des navettes entre deux gares terminus ou autre, le tout avec des mouvements d'accélération et de décélération progressifs et ajustables avec de surcroît un temps d'arrêt en gare réglable à souhait. Pour bien comprendre le fonctionnement de la carte, un certain nombre de connaissances notamment sur les bascules (voir LR 621,627), et les générateurs de tension hachée ( le thème a déjà été abordé avec le GT4H dans LR N°596/597/599) seront nécessaires.

I) Alimentation Traction : Principe et fonctionnement :

Dans un premier temps intéressons-nous aux types de l'alimentation Traction du réseau : Le choix se limite entre courant continu ou courant haché ; Le gros avantage du courant haché est qu'il permet d'exploiter le couple maximum du moteur puisque la tension d'application ne peut être que de 0V ou 12v. Ceci se prête bien aux circuits logiques courants puisque la commande de la vitesse est binaire, de plus ceci permet par ailleurs d'obtenir d'excellents ralentis contrairement au courant continu, inefficace à fortiori devant un moteur peu performant. Dans notre cas j'ai bien évidemment choisi une alimentation par courant haché pour obtenir notamment des mouvements progressifs de très bonne qualité et ce indépendamment du matériel utilisé.
(Le lecteur se reportera au schéma général figure 1 et au diagramme des signaux figure 2 pour comprendre le fonctionnement)

Le circuit de base de notre générateur de tension est un Timer 555 U6 déjà rencontré dans ces colonnes, très apprécié des électroniciens pour ses nombreuses applications et sa simplicité d'utilisation. Ici le 555 sera utilisé en tant que multivibrateur astable dont la fréquence du signal de sortie sera de 70 Hz environ mais le signal qui nous intéresse ici est celui présent aux bornes du condensateur C5 qui est un signal pseudo triangulaire ( il s'agit en réalité de portions de charges et décharges de capacité ). Ce signal est d'ailleurs bien symétrique grâce à la diode D6 montée en parallèle d'une des deux résistances et qui assure une charge et une décharge à travers une même valeur de résistance.

Revenons au fonctionnement du hacheur de tension : La vitesse moyenne du moteur est donnée par le rapport cyclique K du signal qui est en fait le rapport considéré sur une période, entre le signal à l'état haut et le signal sur la période complète. Ce rapport sera par conséquent compris entre 0 et 1 : pour une vitesse nulle K sera égal à 0 et sa valeur sera 1 pour une vitesse max. ( voir figure 2 ). Dès lors en utilisant un simple comparateur de tension (à l'aide d'un ampli-op de type LM358) et en prenant d'une part comme tension de référence la tension aux bornes du condensateur et d'autre part une tension issue par exemple d'un potentiomètre utilisé en diviseur de tension, on s'aperçoit que la tension de sortie du comparateur est bien un signal carré de fréquence égale à celle du signal triangulaire et dont le rapport cyclique K varie bien en fonction de la tension de référence issue du potentiomètre. Dès lors on s'aperçoit que la vitesse du moteur est commandée directement par la tension du potentiomètre. Mais me direz-vous c'est également le cas des transformateurs régulateurs que l'on trouve dans le commerce qui délivrent une tension continue variable à la seule différence près que le courant fourni en sortie doit être suffisamment important pour faire tourner le moteur alors que dans notre cas la puissance ne sera pas issue du potentiomètre. Cependant nous n'avons fait que déplacer le problème. En effet la puissance sera issue d'une source de tension extérieure qui sera commandée par un simple transistor utilisé en commutation. Cela évite ainsi l'utilisation d'un rhéostat puissant et par conséquent cher pour faire varier la tension Traction. A priori on peut se demander où réside l'avantage de ce système mais en y réfléchissant bien il apparaît très clairement que le problème des démarrages et arrêts progressifs est quasiment résolu. ; En prenant comme référence la tension aux bornes d'une capacité, il est clair que la vitesse va dépendre directement de l'état de charge des condensateurs C1 ou C2, en se chargeant la vitesse va augmenter et diminuer si la capacité se décharge. On obtient donc un démarrage très progressif et qui durera aussi longtemps que dure la charge du condensateur ( en réalité, un peu moins du fait que la tension triangulaire oscille entre 1/3 et 2/3 de la tension d'alimentation). On peut donc imaginer un convoi qui accélère pendant deux minutes, c'est très spectaculaire, et pourtant le principe demeure toujours aussi simple.

Le premier problème qui consistait à rendre progressifs les mouvements des convois est donc résolu mais il s'agit d'une petite partie du fonctionnement de la carte et il faut maintenant analyser le reste du problème ;

II) Principe de l'aller retour :

Notre convoi devant effectuer des aller retours entre deux points il importe de définir la longueur des zones de manœuvre. En réalité on doit prendre en compte trois zones : Une " grande zone " dans laquelle le convoi roulera à allure soutenue et deux autres situées aux extrémités, où le convoi accélérera ou décélérera suivant le sens de marche. Reste à savoir comment on va délimiter ces zones ; Là encore on peut envisager plusieurs solutions avec par exemple une détection dite par diode où l'on exploite la tension de seuil d'une simple diode ou encore une détection par I.L.S (Interrupteur à Lame Souple commandé par un petit aimant), ces derniers étant très bon marché et de surcroît très fiables dans le temps ; Pour toutes ces raisons je me suis tourné tout naturellement vers la solution la plus simple en faisant appel aux I.L.S.Deux seulement nous serviront à baliser la ligne puisque le convoi ne pourra aller au-delà de sa zone de décélération. Il faudra naturellement fixer un aimant sous la motrice de façon à pouvoir en détecter les passages. De plus la détection par I.L.S présente un avantage supplémentaire puisqu'il ne sera pas nécessaire de faire des coupures sur la voie.

Avant de rentrer trop dans le détail, il est clair que pour assurer une détection il va falloir mémoriser les impulsions données par les I.L.S, afin d'enregistrer les commandes ; Pour cela une nouvelle bascule sera nécessaire qui par sa nature va nous permettre de nous affranchir de tous les problèmes dus aux rebonds mécaniques des interrupteurs à lames souples. Pour ce faire j'ai fait appel à une bascule du type réalisée à partir de portes Nands CMOS série 4000 soit le 4011). J'utilise souvent ce principe pour sa simplicité et son immunité à toutes sortes de parasites cependant il faut rappeler que pour activer la sortie Q de la bascule il faut appliquer une tension de 0V sur la patte S et il est par conséquent indispensable d'imposer une tension de +Vcc par défaut d'où l'utilité de la résistance de 10K qui sert de résistance de rappel.

Il est maintenant nécessaire d'avoir une vue d'ensemble du problème afin de définir le cahier des charges de l'automate en fonction des paramètres précisés sur le schéma.

cahier des charges :

Déroulement des opérations envisagées :

Je définis 3 zones appelées A, B et C et deux ILS " x "et " y " ; La première zone (zone A) est comprise entre la première gare terminus et l'I.L.S " x ", la zone B correspond à l'espace compris entre x et y et la zone C est comprise entre l'I.L.S " y " et la seconde gare terminus ; Je définis également le sens 1 allant de la zone A vers la zone B le sens 2 étant naturellement le sens opposé.

Un train présent en zone B se dirige vers la zone C passe sur l'I.L.S " y " qui déclenche la décélération puis l'arrêt en gare 2. L'inversion du sens de marche s'effectue après un délai prédéterminé.

Passé ce délai, le départ du train est donné vers la zone B selon une accélération progressive. Le train franchit donc à nouveau la balise " y " sans action puisque les ordres sont déjà déclenchés, il traverse la zone de pleine voie B en terminant son accélération puis arrive sur une seconde balise " x " qui à son tour commande la décélération puis l'arrêt selon une nouvelle temporisation pré réglée en gare 1. Après ce nouveau délai d'attente, l'inversion est déclenchée et le train repart en direction de la zone B.

Ce cycle doit se répéter jusqu'à la fermeture du régulateur Traction.

Les actions à réaliser pour ce programme sont les suivantes :

- Mémorisation de l'impulsion délivrée par les I.L.S au passage du train
-Déclenchement par cette impulsion de l'action décélération puis arrêt et dans un second temps de l'inversion du sens de marche selon un délai ajustable, puis du départ et de l'accélération progressive du train.
-Des circuits particuliers de contrôle : Accélération/décélération progressive, circuit d'inversion, temporisateur d'arrêt aux gares extrêmes sont nécessaires, complétés par un étage de puissance pour délivrer un courant de Traction convenable.

D'autre part, la présence de deux jeux de temporisateurs permet une plus grande souplesse de réglages du système en fonction du profil de la ligne. On pourra ainsi avoir deux accélérations de départ différentes aux deux gares.

Au cours de mes travaux et après divers projets, je me suis aperçu qu'il était plus pratique d'utiliser deux comparateurs de tension, un par sens de marche, qui vont servir tour à tour à commander la vitesse du moteur. Il est bien sur évident que le signal triangulaire de référence demeure le même pour les deux AOP, signal issu du condensateur du NE555. Faire fonctionner deux générateurs implique l'utilisation d'un multiplexeur qui va " aiguiller " les signaux du premier ou du deuxième Ampli-Op suivant le sens de marche. Ceci permet donc de simplifier le problème mais cause quelques difficultés au niveau de la synchronisation des tensions des capacités de référence qui devront être les mêmes si on ne veut pas d'un train qui s'arrêterait progressivement en gare et qui repartirait à vitesse maximum dans l'autre sens !

Commande du sens de marche :
Cette commande est assurée par une troisième bascule suivie d'un relais à deux contacts inverseurs commutant la tension de voie de façon classique. Comme je l'ai précisé précédemment, la carte comprend un hacheur de tension par sens de marche, sélectionnés par la bascule de commande de l'inversion de sens après chaque arrêt en gare. La vitesse du convoi doit être nulle avant le changement de sens.

III) Fonctionnement général :

Le schéma général comporte donc trois bascules (repérées A, B et C ) de types , le 555 pour obtenir une tension triangulaire, et quelques autres portes logiques.

La première bascule est commandée par " x " (bascule A) la seconde par " y " (bascule B) et la troisième, bascule C (sens de marche) par une combinaison des deux premières. Nous ne savons pas encore comment va être pilotée notre bascule mais nous fixons arbitrairement que si Q de la bascule C est à 1 alors le convoi circule dans le sens 2 et si Q=0 alors le convoi circule dans le sens 1.

Dans un premier temps je repère mes deux AOP (respectivement 1 et 2 ), montés en comparateurs de tension qui vont avoir à fournir le signal de commande au transistor de puissance. On sait qu'il y a un AOP pour chaque sens de marche donc deux au total, mais il faudra que tantôt l'un, tantôt l'autre soit aiguillé vers la puissance et ce suivant le sens de marche du convoi et c'est là qu'intervient le fameux multiplexeur. Le fonctionnement de ce circuit a déjà été détaillé dans LR N°596/597 pour la CS4H. Ici pour notre application nous avons besoin d'un multiplexeur de " 2 vers 1 ", c'est à dire deux entrées et une sortie. On peut trouver très facilement ce composant déjà intégré dans le commerce mais j'ai préféré le réaliser moi-même étant donné la simplicité d'un tel circuit. En effet pour le réaliser, il suffit de deux portes ET, deux diodes et une simple résistance). Un multiplexeur comporte toujours une ou plusieurs entrées d'adressage c'est dire qu'en fonction de la valeur de l'adresse on va aiguiller tel ou tel signal vers la sortie. Dans notre cas, seuls deux signaux sont à multiplexer donc l'adresse sera codée sur un bit c'est à dire que pour l'adresse 0 le premier signal sera envoyé vers la sortie et pour l'adresse 1 c'est le second signal qui sera aiguillé vers la sortie ; On arrive donc tout naturellement au schéma de la figure 5.la première patte de la première porte correspond au bit d'adresse D tandis que la première patte de la seconde porte correspond au bit d'adresse . Si on considère la première adresse possible c'est à dire D=0 on va valider le signal qui est sur la seconde patte de la deuxième porte, les deux diodes en sortie avec la résistance de rappel à la masse faisant office de porte OU, et sachant que D=0 la sortie de la première porte sera à 0 on retrouve bien en sortie le signal voulu.Pour la seconde adresse D=1 on tient rigoureusement le même raisonnement, et on constate qu'il s'agit bien d'un multiplexeur de 2 vers 1 ce qui était le but à atteindre. Une fois le problème analysé il suffira donc de multiplexer les signaux issus des comparateurs sachant que l'entrée d'adressage est directement commandée par le sens de marche.

Reportons-nous maintenant au schéma général. Il faut s'imaginer qu'au préalable le convoi circule à pleine vitesse dans le sens 1 (arbitrairement ) et qu'il se trouve dans la zone B c'est donc le signal du comparateur 1 qui commande le transistor de puissance après avoir été multiplexé. On fait donc l'hypothèse que la capacité C1 est totalement chargée puisque la vitesse du convoi est maximum. Le convoi va donc franchir l'I.L.S " y " suite à cette action il doit ralentir pour s'arrêter ce qui correspond tout simplement à la décharge de C1. Reste à savoir ce qui va conditionner cette décharge. La sortie Q de la bascule B doit donc passer à l'état 1 au franchissement de " y ", il s'ensuit que passe à 0.L'idée est très simple : le condensateur C1 est relié via une résistance de charge à une porte ET (repérées B2), dont les entrées sont reliées respectivement à de b et à de c Le train roulant dans la zone B et dans le sens 1 on a bien un état haut en sortie de la porte. Si en revanche une condition manque, cas où le convoi franchit " y " et entre dans la zone C la sortie de la porte va passer à l'état bas ce qui va entraîner la décharge de la capacité C1 et donc faire ralentir le convoi jusqu'à son arrêt total. Une fois le convoi arrêté celui-ci doit patienter en gare avant de repartir dans l'autre sens d'où les circuits de temporisation contrôlés par les condensateurs C3 et C4. Des portes à Trigger de Schmitt ont été utilisées ici ( 4093) parce que je me suis aperçu qu'avec une porte classique lorsque la tension de la capacité approchait la tension de basculement de la porte, il y avait des problèmes d'instabilité. Problèmes éliminés avec les portes 4093 puisque ces dernières comportent deux seuils de comparaison. En reliant C1 à l'entrée de la porte, on obtiendra un état haut en sortie de cette dernière dès que la tension de C1 sera inférieure au seuil bas de la porte. Pour réaliser la temporisation, rien de bien sorcier puisqu'il faut brancher une capacité en série avec une résistance de charge, une diode en inverse étant reliée en parallèle avec cette résistance de charge de façon à ce que la charge du condensateur se fasse à travers cette résistance mais que la décharge soit instantanée. Une fois cette capacité C3 chargée, c'est à dire lorsque le temps d'attente en gare est écoulé, il faut procéder au changement de sens c'est à dire agir sur la bascule C. Là encore il nous faut deux conditions puisque Q de la bascule B doit être à 1et il faut que la capacité C3 soit chargée. Si ces deux conditions sont remplies alors on met la sortie Q de la bascule C à 1 c'est à dire qu'il faut imposer un état bas à l'entrée de cette bascule. Cela revient à utiliser une porte Nand sur les deux conditions énoncées précédemment. Porte là encore triggée toujours pour les mêmes problèmes de stabilité. Si Q de la bascule B est à 1 et que la capacité est chargée alors la sortie basculera à 0 ce qui entraînera la mise à 1 de la bascule C et donc le changement de sens. Pour l'autre sens le raisonnement est similaire, toutefois il faudra prendre quelques précautions.

On passe maintenant au sens 2 puisque Q de la bascule C est à 1.Dans ce sens c'est la capacité C2 qui conditionne la vitesse du convoi et il est indispensable que cette dernière soit préalablement déchargée pour qu'au moment du changement de sens le convoi ne reparte pas directement à pleine allure. Le convoi étant toujours dans la zone C la sortie Q de la bascule A est toujours à 0 ce qui signifie que est à 1.Dans la situation où l'inversion est déclenchée et que le convoi s'apprête à circuler dans le sens 2, une simple porte ET ( repérées B1 4081) suffit à conditionner la charge de C2 c'est à dire la vitesse du convoi dans ce sens. Ces conditions étant remplies, le multiplexeur va bien aiguiller le signal issu de l'AOP 2.Le train va donc franchir dans un premier temps " y " ce qui n'aura aucune conséquence (la sortie Q de la bascule B étant déjà à 1) puis va prendre son régime de croisière dans la zone B après quoi il va franchir " x " . A ce moment la sortie de la bascule B va passer à l'état bas entraînant par la même occasion la mise à l'état bas de la porte B1 et donc la décharge du condensateur C2.Le convoi va donc ralentir progressivement puis s'immobiliser dans la zone A.Une fois C2 déchargée c'est C4 qui va se charger à travers la résistance de charge reliée à la sortie de la porte triggée. C4 et Q de la bascule A étant reliée à l'entrée d'une Nand, cette dernière va remettre à 0 la bascule C ce qui va à nouveau changer le sens de marche du convoi et ce après le fameux temps d'attente en gare. De plus la sortie de cette porte triggée va également commander la mise à 0 de la bascule afin de se retrouver dans la même configuration de départ. En suivant toujours le même raisonnement le train va démarrer et cette fois-ci c'est le signal issu du comparateur 1 qui est à nouveau validé, le convoi va franchir " x " ce qui sera là encore sans conséquence puisque la bascule A est déjà à 1 et le convoi va retrouver sa vitesse de croisière dans la zone B.On se retrouve bien exactement dans la même configuration qu'au début et ce même cycle se répète indéfiniment. On aura remarqué par ailleurs que la capacité C1 était bien déchargée au moment du changement de sens puisque lors du précédent changement de la bascule C était passé à 0, la sortie de la porte ET étant à l'état bas. Il en est de même pour C2 ceci étant évidemment indispensable si on veut une bonne coordination des tensions des capacités et donc un fonctionnement sans discontinuité.

Quelques précisions encore : le relais est évidemment commandé par une des deux sorties de la bascule C via un transistor servant à amplifier le courant. Naturellement une diode de roue libre est ajoutée pour protéger le transistor des surtensions. Suivant le sens de marche le relais est soit au repos, soit au travail ce qui entraîne le changement de sens de courant effectif sur la voie. Le transistor de puissance qui contrôle le courant traction est un Darlington BD 679. Il se trouve entre la borne + d'une source de tension qui peut être extérieure à condition de prendre bien soin de relier la masse de cette source avec la masse de la carte et d'une manière générale à la masse de toutes les cartes électroniques de votre réseau. Deux LEDs de couleur permettent de visualiser le sens de marche du moment. Enfin l'ajout d'un petit radiateur sur le BD679 ( rondelle épaisse de 25mm de diamètre ou tôle de préférence d'aluminium en U ) serait prudent pour en limiter l'échauffement avec des locomotives gourmandes en courant.

Réalisation pratique de la carte :

Tout d'abord, se reporter au typon qu'il suffit de donner à un magasin d'électronique qui vous assurera le développement sur une plaque d'époxy pré sensibilisée. Ensuite il vous faudra percer les trous avec un forêt de 0.8mm à l'exception des ajustable pour lesquelles vous aurez besoin d'un forêt de 1mm.Pour les composants se reporter à la liste suivante :
(voir revue)

Pour assurer une meilleure adhérence de la soudure sur le cuivre, je vous conseille vivement de dégraisser la carte une fois développée à l'aide d'acétone (travailler dans un local aéré). Avant de souder les composants commencer par souder les straps qui sont au nombre de 13, je m'en excuse mais le circuit n'était pas simple à tracer en simple face, il est certainement possible de l'optimiser, si certains s'en sentent capable, avis aux amateurs...

Faire également très attention lors du soudage des composants puisqu'il y a une résistance de 4,7K (résistance de base du 2N2222) ajoutée coté piste au milieu du coté composants (voir photo), là encore certains ne seront pas enchantés par cette originalité mais étant donné la densité des composants il était difficile de procéder autrement. Soyez simplement prudent au moment de la soudure de façon à ce que les pattes de cette résistance ne viennent pas malencontreusement toucher une quelconque piste de cuivre. Une fois tous les composants soudés et après vérification du bon fonctionnement de la carte, je vous conseille vivement de passer plusieurs couches de vernis isolant en bombe, d'une part pour la propreté et l'esthétique et d'autre part pour la protection des pistes, un court circuit est vite arrivé.

Fonctionnement et réglages :

Une fois les composants soudés, il est nécessaire d'effectuer les branchements comme indiqués sur le schéma. En ce qui concerne l'initialisation du processus, une fois la carte branchée sur une source de 12V à 14V continue, patientez 1 minute de façon à être certain que les condensateurs seront complètement chargés puis installer la motrice sur la zone B après quoi vous pourrez alimenter l'entrée " Traction ". La motrice doit partir à vitesse max. dans un sens, une fois l'I.L.S franchi elle doit décélérer pour finir par s'immobiliser. Si ce n'est pas le cas, c'est tout simplement que les deux I.L.S sont intervertis. Dans ce cas pas de quoi paniquer, il vous suffira d'intervertir les deux fils d'alimentation de la voie. Là le convoi devra s'arrêter puis repartir dans l'autre sens. Pour stopper le processus, il suffira de fermer le régulateur de " traction ", ainsi vous n'aurez pas à réinitialiser la carte à chaque démarrage. Enfin quelques précisions, les temps d'accélération et de décélération ainsi que les temps d'arrêt en gare peuvent être augmentés en remplaçant les résistances de charge des capacités par des valeurs plus fortes. Attention toutefois à ce que le temps d'accélération ou de décélération soit toujours inférieur aux temps d'arrêt en gare. Pour les réglages finaux, il faut simplement tourner l'ajustable afin que la distance de décélération corresponde au gabarit de votre réseau.

NDLR : L'alimentation traction doit être égale ou inférieure à l'alimentation de l'électronique. Si la tension est trop forte c'est le transistor T2 qui absorbera ce trop d'énergie. (Radiateur à prévoir + grand) C'est également un moyen de contrôler la tension sur la voie à partir de la tension de l'électronique puisque grossièrement la tension max. en sortie de voie sera celle de l'électronique -2V ( tension diode D2 ou D3 soit 0 .8v, VBE T2 soit 1.2v, en négligeant la chute dans la porte U3) Il est également toujours préférable de couper l'alimentation traction en premier et a fortiori de l'activer après celle de l'électronique. Les couples RC des temporisations peuvent être homogénéisés en valeurs soit par ex P1 220K, R2 47K ET C4 100µF au lieu de 470k,100K et 47µF. Ces valeurs peuvent être modifiées mais on ne dépassera pas 1Mohms de résistance. Pour T2, si l'on choisit un équivalent en boîtier TO220 faire attention que le brochage est croisé par rapport au boîtier SOT 32 du BD 679. Des informations complémentaires sont également disponibles sur le site http://www.locorevue.com

Conclusion :

L'ARAMP donnera une touche supplémentaire de réalisme à votre réseau et ce pour un investissement très modique malgré une bonne fiabilité du système. Il faudra tout de même veiller à être soigneux lors de la réalisation de la carte si on veut éviter des dépannages longs et fastidieux. Bonnes soudures donc et à bientôt. dans ces colonnes...

A VENIR: original du typon pour réaliser le circuit imprimé.