mardi 9 août 2011

Graduateur de vitesse pour train : Réalisation

Le modélisme ferroviaire                                     
continue de faire rêver
petits et grands.
Aussi, consacrons-nous
périodiquement nos
colonnes à des montages
apportant un « plus »
dans ce domaine.
Le module proposé ici
n'échappe pas à cette
règle : il ajoutera à votre
réseau une indéniable
touche de réalisme



Ce graduateur pour train de voyageurs permet le pilotage d'un train à différentes vitesses, sans pour autant altérer le niveau de l'éclairage des voitures remorquées.

Principe :

Les graduateurs usuels génèrent aux bornes de la voie une tension variable en valeur et en polarité pour assurer la marche de la locomotive à des vitesses différentes, dans un sens ou dans l'autre. Il en résulte une variation disgracieuse de l'éclairage des voitures remorquées. A l'arrêt du train, on assiste même à l'extinction totale de celui-ci. Le montage proposé résout ce problème en soumettant l'alimentation de la voie à une tension constante vis-à-vis de l'éclairage, tout en permettant de graduer la vitesse du convoi à l'allure désirée, y compris l'arrêt. La polarité de l'alimentation est alternative, d'où la constance de l'éclairage. En revanche, le moteur de traction de la locomotive tourne à une allure plus ou moins grande, dans un sens ou dans l'autre suivant le rapport des durées des valeurs positives par rapport aux valeurs négatives. C'est donc la variation de ce rapport qui assure la graduation.

Alimentation :

Un transformateur d'une puissance de 15 à 20 VA délivre au secondaire une tension alternative d'environ 18 V. Un pont de diodes redresse les deux alternances (figure 1). Les condensateurs C1 et C2, de valeur relativement importante, réalisent un premier filtrage de ce potentiel en lui conférant, par la même occasion, une allure légèrement ondulée. Au niveau de la cathode de la diode zéner DZ, nous relevons une tension de 18 V. Le courant dans la zéner est limité par R1. Les transistors NPN/T1 et T10 forment un Darlington, c'est-à-dire un « suiveur de potentiel » à forte amplification en courant. Sur l'émetteur de T10, nous ne relevons plus qu'un potentiel d'environ 16,8 V, suite à « l'effet » des deux jonctions baseémetteur des transistors constituant le Darlington. La capacité C3 assure un filtrage complémentaire destiné, comme nous le verrons dans les paragraphes qui suivent, à l'alimentation des deux « files de rail » du réseau.
Enfin, sur la cathode de la diode D1, nous disposons d'une tension continue et stabilisée à environ 16 V, avec C5 qui apporte un dernier filtrage, tandis que C6 fait office de capacité de découplage. Ces 16 V alimentent la « logique » du circuit de commande du graduateur.

Base de temps :

Les portes NOR (II) et (III) de IC1 sont montées en oscillateur. Ce dernier génère des signaux carrés dont la période dépend de la position du curseur de l'ajustable A. En position médiane, la période est d'environ
15 ms, ce qui correspond à une fréquence de 66 Hz. Comme nous le verrons par la suite, c'est cette fréquence qui sera à la base de l'alimentation alternative du réseau. Les portes NOR (I) et (IV) de IC1 forment un trigger de Schmitt dont le rôle consiste à donner aux fronts montants et descendants des signaux carrés une allure plus verticale (figure 2). Les fronts montants sont pris en compte par le « dispositif dérivateur » formé par C7, R6 et D2. Au niveau de la cathode de D2, nous relevons de très brèves impulsions positives dues à la charge rapide de C7 à travers R6 et espacées de 15 ms.


Commande de la graduation : 

Pour chaque impulsion positive issue du dispositif dérivateur évoqué cidessus, la bascule monostable, formée
par les portes NOR (III) et (IV) de IC2, délivre sur sa sortie un état « haut » dont la durée est fixée par la
position du curseur du potentiomètre P. Étant donné les valeurs de R13, P et C11, en position médiane, la largeur des états « haut » est égale à la moitié de la période caractérisant la base de temps (figure 2). Cette largeur est donc de l'ordre de 7,5 ms. Nous verrons d'ailleurs que cette position du curseur de P correspond
à l'arrêt du convoi. En tournant P dans le sens d'une diminution de sa résistance ohmique, la largeur des impulsions se réduit progressivement pour aboutir à une limite minimale inférieure à la milliseconde.
Dans le sens inverse, la largeur des impulsions augmente pour atteindre, en position maximale, une
valeur de près de 15 ms, c'est-à-dire la base de temps définie au paragraphe précédent.
                                             montage électronique du graduateur face composantes 




Commande des alternances :
Les états « haut » délivrés par la bascule monostable de graduation sont pris en compte par les deux portes
NOR (I) et (II) de IC2. Sur la sortie de la porte (II), ils sont inversés en états « bas », tandis que sur la sortie de la porte (I), ce sont les mêmes états « haut » qui apparaissent.

Nomenclature : liste des composantes Electroniques 
Résistances
R1 : 270 Q (rouge, violet, marron)
R2 : 1 MQ (marron, noir, vert)
R3, R4 :100 kQ (marron, noir, jaune)
R5 à R12 :10 kQ (marron, noir, orange)
R13 : 33 kQ (orange, orange, orange)
A : Ajustable 220 kQ
P : Potentiomètre 470 kQ (linéaire)
Condensateurs
C1,C2:4700uF/35V
C3 : 2200 uF/25 V
C4, C5: 100uF/25V
C6, C7, C8, C9 : 0,1 uF
C10, C11 :47nF
Semiconducteurs                                                                               figure 3,   Circuit imprimer   
D1 : 1N4004
D2, D3, D4MN4148
DZ:zéner18V/1,3W
T1,T2,T3:BC546                                                      
T4, T5 : BC 556
T6, T7 : BD 440
T8, T9, T10: BD 679
Pont de diodes RS 406
IC1, IC2, IC3:CD4001
Divers
13 straps (10 horizontaux, 3 verticaux)
2 borniers soudables 2 plots
Transformateur 230 V/2 x 9 V/16 VA
3 supports 14 broches
Bouton-fléché pour potentiomètre
5 dissipateurs pour transistors
du type BD

Les quatre portes NOR de IC3 réalisent également une suite d'inversions de manière à obtenir le schéma général de fonctionnement suivant :
• Pour un état « haut » présent sur la sortie de la porte NOR (II) de IC2 (et donc pour un état « bas » sur la
sortie de la porte NOR (I) de IC2) :
- activation de T2 (NPN) par R12
- activation de T5 (PNP) par R10
- blocage de T3 et de T4
• Pour un état « haut » présent sur la sortie de la porte NOR (I) de IC2 (et donc pour un état « bas » sur la
sortie de la porte NOR (II) de IC2) :
- activation de T3 (NPN) par R11
- activation de T4 (PNP) par R9
- blocage de T2 et T5
Nous verrons ultérieurement la raison d'être des condensateurs C8/C9, des résistances R7/R8 et des diodes
, D3/D4.


Circuit de puissance :

En examinant le schéma, nous distinguons quatre groupements en Darlington :
- deux groupements de transistors
PNP : T4/T6 et T5/T7
- deux groupements de transistors
NPN : T2AT8 et T3/T9
En reprenant les conclusions dégagées au paragraphe précédent, nous obtenons au niveau de la sortie d'alimentation vers le réseau :
- une polarisation positive pour (A) et négative pour (B) quand la sortie de la porte NOR (I) de IC2 est à l'état « haut »
- une polarisation inverse lorsque la sortie de cette même porte est à l'état « bas» La figure 2 met en évidence les différents cas de figures qui peuvent se présenter.
Premier cas : T1 = T2
Le moteur de traction de la locomotive est alimenté par un potentiel changeant alternativement de sens environ 66 fois par seconde. Les durées des alternances positives et négatives étant égales, le moteur ne tourne pas, compte tenu de l'inertie mécanique de son rotor. La locomotive est à l'arrêt.
Deuxième cas : T1 < T2
La durée des alternances positives est inférieure à celle des alternances négatives. Il se dégage un courant
moyen qui a pour conséquence la rotation du moteur dans un sens donné.
Troisième cas : T1 > T2
La valeur moyenne utile du courant dans le rotor change de signe. La locomotive avance dans l'autre sens.
Il est important de souligner que, dans chacune des trois situations, la valeur efficace du courant circulant
dans les filaments des ampoules d'éclairage des « voitures voyageurs » reste entière et constante. Il en résulte
un éclairage « maintenu » à bord du train, quelle que soit son allure (ou son sens de marche).

Protection des transistors de puissance :

Sans précautions particulières, lors des changements de « signe » des alternances et avec les inévitables
différences au niveau des temps de réaction d'un transistor par rapport à l'autre, nous risquerions d'aboutir à
des situations critiques où deux groupements de Darlington de la même branche seraient opérationnels, ne
serait-ce que pendant des durées très courtes. Cela nuirait à leur maintien en « bon état » puisqu'il s'agirait, en réalité, de véritables courts-circuits. Pour éviter ces inconvénients, le passage à l'état « haut » des entrées des portes NOR (I) et (III) de IC3 est légèrement retardé par la charge des condensateurs C8/C9 au travers des résistances R7/R8. En revanche, pour le passage à l'état « bas », la décharge est pratiquement
instantanée grâce aux diodes D3 et D4.

Réalisation :
Le circuit imprimé :

Avant d'entreprendre la gravure du circuit imprimé de la figure 3, il est toujours préférable de se procurer les différents composants nécessaires à la réalisation. Cette précaution permet de modifier éventuellement le tracé proposé en cas de différences au niveau du dimensionnement ou du brochage 



L'implantation :

Bien veiller au respect de l'orientation des composants polarisés (figure 4). Les cinq transistors de puissance
sont vissés contre des dissipateurs. Le potentiomètre est monté « côté cuivre » de manière à présenter son axe de commande « côté composants ». Les liaisons avec les pastilles sont réalisées par des straps.




Mise au point :

Si vous disposez d'un oscilloscope, une fois le potentiomètre P tourné en butée dans le sens anti-horaire (résistance maximale), il suffit d'agir sur l'ajustable A de manière à obtenir une période de la base de temps (broche n° 3 de IC1) légèrement supérieure à la durée des impulsions délivrées par
la sortie du monostable (broche n° 10 de IC2). Vous pouvez également obtenir ce résultat par approches
successives, en tournant d'abord le curseur de l'ajustable en butée « sens horaire » (résistance maximale), puis en revenant progressivement dans le sens « anti-horaire » pour aboutir à une vitesse maximale du moteur de traction de la locomotive. Pour obtenir plus de stabilité, retourner très légèrement dans l'autre sens. Ensuite, il convient de déterminer expérimentalement la position « neutre » du potentiomètre P. Laquelle correspond à l'arrêt du moteur de traction. Le bouton-fléché peut alors être monté définitivement et en bonne position sur son axe ( photo A ).











EmoticonEmoticon