Cette alimentation analogique assimilée à du courant continu qui est utilisée pour le réseau de trains électriques miniatures est une commande à tension hachée (ou pulsée), mettant en œuvre une tension variable unidirectionnelle à onde rectangulaire. Le choix de ce type de courant de traction est le résultat de nombreux essais menés en vue de répondre de manière simple à des exigences basiques.
- Objectifs de la commande à tension hachée
- Les réglages
- Les détails de la commande à tension hachée
- Différence avec la modulation de largeur d’impulsion
Objectifs de la commande à tension hachée
- La possibilité de faibles vitesses nécessitées par le système de décélération et d’accélération progressives et automatiques en fonction de la signalisation.
- Un éclairage permanent et stable des voitures des trains.
- Une commande mettant en œuvre de composants électriques ou électroniques simples et indépendants d’une marque ou d’un système, facilement disponibles et remplaçables.
Accélération et décélération progressives
La décélération progressive est obtenue par le passage de la locomotive sur six sections de tension moyenne décroissante obtenue par la mise en série d’un nombre croissant de diodes. Ce système se base sur la caractéristique de la diode de redressement qu’est son potentiel de seuil. Le train commence sa décélération à un endroit précis (le signal d’avertissement) pour s’arrêter à un endroit précis (devant le signal d’arrêt). L’accélération progressive s’obtient de même par le passage sur six sections de tension moyenne croissante. Si les signaux indiquent une voie libre, ce système de décélération et d’accélération est court-circuité pour autant que la voie ne se libère pas après le franchissement du signal d’avertissement. Notons que l’utilisation de valeurs de résistance croissantes puis décroissantes ne convient pas dans la mesure où la chute de potentiel obtenue dépend de l’intensité du courant et donc de la consommation de la locomotive et éventuellement de l’éclairage de la rame.
Ce système ne saurait fonctionner avec une alimentation en courant continu lissé, obtenu au moyen d’une alimentation stabilisée, qui ne permet pas de faibles vitesses en raison du couple insuffisant. Ce système ne sait pas non plus fonctionner avec du courant continu redressé double alternance fourni par un transformateur classique pour modélisme ferroviaire en raison de la variation de la tension liée à la variation de la consommation (nombre de locomotives alimentées et nombre de rames éclairées) et aussi du fait que les très faibles vitesses ne sont pas possibles. C’est pourquoi le choix d’une alimentation en courant haché s’est imposé : les forts ralentissements et les démarrages à faible vitesse sont ainsi possibles. Le hacheur (prêt à l’emploi ou en kit) doit bien sûr être alimenté par une alimentation (courant continu lissé) qui permet une tension stable alors que la consommation varie. Une alimentation à découpage fournissant une tension de 20 V (tension réglable en 15, 16, 18, 19, 20, 22 et 24 V au moyen d’un tournevis) et un courant d’une intensité de 6 A a été retenue : une alimentation à découpage fournit en effet une tension stable indépendante des variations de tension du secteur et indépendante de la charge (de l’intensité du courant consommée). Une chute de tension sur la voie en fonction de la charge ne peut toutefois être complètement éliminée en raison de la résistance des conducteurs et des connexions dont la continuité électrique doit être contrôlée. De plus, l’intensité maximale de l’alimentation à découpage (6 A) a été choisie nettement plus élevée que l’intensité maximale à fournir temporairement, soit environ 2 ampères. Cette alimentation à découpage facilement disponible est nettement moins coûteuse qu’une alimentation stabilisée de puissance (alimentation de laboratoire) qui présente en outre le danger d’appliquer accidentellement la tension maximale de l’appareil (30 V, parfois plus)…
Éclairage constant
L’éclairage constant et stable des voitures à voyageurs ne fait pas appel au système de courant basse fréquence (10000 Hz) superposé au courant de traction qui nécessitait jadis, entre autres, le montage d’un condensateur de pontage pour chaque section de voie et d’un condensateur en série avec chaque éclairage à ampoules à filament… L’éclairage au moyen de diodes lumineuses (LED) permet de mettre à profit le fait que l’intensité lumineuse de la diode est proportionnelle à la tension de crête d’un courant haché. De plus les réglettes de diodes lumineuses sont dotées de composants électroniques stabilisant leur intensité lumineuse face aux variations de tension.
Les réglages
Le réglage des valeurs électriques doit permettre de répondre aux trois exigences de l’alimentation :
- Le bon fonctionnement du système de décélération et d’accélération basé sur le potentiel de seuil de diodes.
- Le hachage adéquat de la tension pour augmenter le couple instantané du moteur à très faible vitesse.
- La nécessité d’avoir sur les sections à vitesse minimale une tension de crête suffisante pour alimenter les réglettes de diodes lumineuses des voitures.
Le réglage sera un compromis entre ces exigences ménageant l’intégrité des moteurs… Après des essais, une alimentation à découpage délivrant au hacheur une tension de 20 V, permettant une tension de crête de 18 V au moins, a été retenue…
La tension moyenne
La tension moyenne en pleine voie est réglée à 8 V par ajustement du rapport cyclique (t/T) au niveau du hacheur, ce réglage se faisant en absence de circulation (pas de locomotive en mouvement) mais avec la consommation des 25 voitures éclairées en permanence sur le réseau. Cette tension moyenne de 8 V en pleine voie permet une circulation à l’échelle représentant une vitesse comprise entre 60 et 90 km/h selon les locomotives, ce qui est conforme avec la vitesse des locomotives à vapeur ou diesel sur une ligne sinueuse… Sur une section de ralentissement maximum, une tension moyenne de 4,5 V est mesurée avec l’unique consommation de la locomotive la parcourant, la tension de crête de 10 V est largement suffisante pour alimenter les éclairages à diodes lumineuses. Ces courtes sections de ralentissement maximum n’alimentent en effet que la locomotive puis chaque voiture éclairée les parcourant tour à tour…
Notons que des essais réalisés avec une alimentation de 15 V nécessitaient une tension moyenne de 10,5 V (t/T=0,7) pour permettre le bon fonctionnement du système de décélération et d’accélération pour seulement la moitié des locomotives utilisées. Par contre, avec la tension d’alimentation de 20 V hachée pour obtenir une tension moyenne en pleine voie de 8 V (t/T=0,45), seule une locomotive sur la vingtaine utilisées (Fleischmann avec l’ancien « Motor 58 », Fleischmann avec moteur à volant d’inertie, Lima, anciennes Piko fabriquées en RDA, Roco anciennes ou récentes, B-Models) n’a pas pu être réglée pour une vitesse correcte en pleine voie compatible avec une vitesse très réduite sur les sections de ralentissement maximum… Cette locomotive non réglable est une locomotive Märklin équipée du moteur universel de la marque adapté au courant continu (version dite « Hamo ») par le remplacement de l’inducteur bobiné par un aimant permanent et qui semble avoir un rapport d’engrenages la rendant, en autres, trop rapide. Cela pose la question de savoir si les locomotives Trix qui semblent avoir la motorisation Märklin modifiée pour le courant continu poseront ce même problème… Et cela alors même que Trix propose depuis 2021 une superbe locomotive à vapeur du type 1 de la SNCB…
La tension de crête
Théoriquement, une tension de crête plus élevée permettrait des vitesses encore plus basses et augmenterait la qualité des ralentis pour des locomotives à la motorisation plus rudimentaire, mais l’échauffement des moteurs est à craindre… En effet, si la vitesse du moteur est proportionnelle à la tension moyenne, l’intensité du courant traversant ses bobinages (qui se comportent comme une résistance) est proportionnel à la tension efficace… La perte par effet Joule (la puissance dissipée, l’échauffement) est proportionnelle au carré de la tension efficace (P = U²/R) et augmente donc rapidement si l’on augmente la tension de crête. Pour mémoire, cette augmentation de la tension de crête devrait voir la diminution du rapport cyclique (t/T) pour maintenir la même tension moyenne…
Pour les formules utiles aux calculs, voir : « Tensions caractéristiques ».
La fréquence
Il est à remarquer que l’on utilise une tension hachée en conduction discontinue (la tension passe de la valeur de crête à zéro durant la période) puisque la tension hachée en conduction continue (hachage à plus de 10000 hertz où la tension ne s’annule pas durant la période) n’a pas plus d’intérêt que le courant continu lissé pour les ralentis. La fréquence de 100 Hz correspond à la fréquence du courant redressé double alternance non lissé fourni par les transformateurs réglables classiques pour modélisme et semble donc sans danger pour les moteurs. Une augmentation de la fréquence de hachage à 200 ou 400 Hz ralentit la vitesse des moteurs probablement par un phénomène de réactance inductive qui fait craindre un échauffement supplémentaire sans apporter d’avantage quelconque. Toutefois, l’utilisation de fréquences de hachage inférieures à 100 Hz n’a pas pu être testée en raison du type de hacheur utilisé. Or des fréquences qui descendent jusqu’à 30 Hz sont utilisées par les décodeurs qui commandent les vieux moteurs de locomotives adaptées à une commande « digitale »…
Une seconde remarque concerne les locomotives munies d’un décodeur en vue d’être prises en charge par une commande numérique dite « digitale ». Une locomotive équipée d’un décodeur peut, sauf exception, circuler sur un réseau alimenté analogiquement en courant continu : le décodeur détecte généralement l’alimentation analogique ou parfois doit être paramétré pour cette alimentation. Certains réglages du décodeur paramétrés en numérique, comme la vitesse maximale et la courbe d’accélération, seraient conservés en alimentation analogique. Toutefois, il est rapporté qu’une alimentation analogique en tension hachée détruirait le décodeur alors que paradoxalement la plupart des transformateurs réglables pour trains miniatures fournissent un courant dit continu mais qui est en fait un courant redressé double alternance non lissé, c’est-à-dire une tension pulsée à 100 Hz… Il est possible que la destruction évoquée du décodeur soit liée à l’utilisation de fréquences supérieures lors de l’alimentation en tension hachée, mais la situation n’est pas claire et peu documentée… Par ailleurs, il est à signaler qu’une locomotive équipée d’un décodeur a circulé un certain temps sur le réseau alimenté en tension analogique hachée à 100 Hz, mais son décodeur a été ultérieurement retiré en raison de chocs se produisant au niveau du passage entre des sections de tensions différentes…
Les détails de la commande à tension hachée
Adaptation des locomotives
Les réglages (dont la vitesse sur la section de ralentissement maximum et la vitesse en pleine voie) sont réalisés pour la locomotive la plus lente, les locomotives plus rapides étant freinées par une résistance (de 3,3 à 15 ohms) montée en série avec leur moteur.
La tension de seuil d’une diode de redressement comme la 1N4007 est généralement considérée comme étant de 0,7 V… Or pour un courant de 300 mA, la tension de seuil mesurée est de 0,9 V : c’est dû au fait que la diode au-delà de la tension de seuil présente une faible résistance, dite résistance directe. Si la locomotive consomme moins, la chute de potentiel diminue légèrement (valeur comprise entre 0,7 et 0,9 V), d’où la nécessité supplémentaire du réglage par le montage d’une résistance en série avec le moteur pour la freiner correctement…
Le découpage de la voie en sections
La décélération et l’accélération se font en six paliers correspondant chacun à une section de voie. La première section de ralentissement précède la zone des aiguillages, la seconde comprend la zone des aiguillages et les suivantes de longueur décroissante de 40 à 25 cm se succèdent jusqu’à la section d’arrêt. Ensuite, les trois premières sections d’accélération, après la section d’arrêt, comprennent la zone des aiguillages… Le découpage des sections dépend évidemment de la configuration du réseau et de la longueur des quais, mais la dernière section de décélération et la section d’arrêt qui sera la première section d’accélération doivent être très courtes (25 cm) et être rectilignes pour éviter des frictions inopportunes à très faible vitesse. Par ailleurs, il faut veiller à positionner l’interrupteur à lame souple (ILS) commandant la remise au rouge du signal de départ de manière à ce que la dernière voiture d’un train ait quitté la zone d’arrêt afin de garantir son éclairage.
Les fusibles de protection
Le circuit imprimé, un par sens de circulation, comportant les diodes permettant la décélération et l’accélération ou le passage à pleine vitesse en court-circuitant ce système doit être protégé par deux fusibles. Le type de fusible retenu est celui en verre de 5 x 20 mm à fusion lente et sa valeur a été calculée pour la configuration des voies. Trois voies dans un sens permettent la présence éventuelle de trois trains de quatre ou cinq voitures éclairées dont un au plus en mouvement, ce qui nécessite l’utilisation de fusibles d’un ampère, ceux de 0,63 A étant insuffisants.
La force électromotrice des moteurs
En pleine voie, la tension hachée voit sa valeur moyenne perceptiblement augmentée par la force électromotrice du moteur. Cette tension créée par la rotation du moteur apparaît dans le temps de non conduction de la période et augmente donc la tension moyenne. Ce phénomène intéressant permet une vitesse plus élevée que la vitesse qui serait obtenue au moyen d’un courant continu lissé mais nécessite par contre une diminution de la tension par quatre diodes en série dans les sections en pente dans le sens descendant… Un essai a permis de mettre en évidence qu’une même vitesse est obtenue par cette tension hachée de 8 V de tension moyenne et par une tension continue lissée de 13 V. Ce phénomène explique également que la tension moyenne théorique sur une section de vitesse minimale (vitesse obtenue par la mise en série de 10 diodes de redressement) est à peine la moitié de la tension moyenne théorique en pleine voie alors que cette vitesse minimale est de loin inférieure à la moitié de la vitesse en pleine voie…
expliquant une augmentation perceptible de la tension moyenne en pleine voie
L’éclairage de la locomotive à l’arrêt
La possibilité existe d’éclairer les feux de la locomotive arrêtée sur une section d’arrêt en les alimentant par le courant fourni, via un attelage conducteur, par un wagon avec prise de courant sur la voie qui sera lui situé sur une section alimentée…
Les connexions électriques
L’alimentation en tension hachée, comme tous les types d’alimentations de réseaux d’une certaine taille, fait apparaître le problème de la résistance des conducteurs, câbles et rails, et de leurs connexions… Ce qui nécessite certaines précautions : voir « Continuité électrique ».
Différence avec la modulation de largeur d’impulsion
Comme expliqué ci-dessus, le réseau principal à voie normale est exploité comme aiguilleur et alimenté par une tension hachée dont la valeur moyenne varie automatiquement, en fonction des sections et de la signalisation, par une diminution variable de la tension de crête.
Le réseau secondaire à voie métrique (le réseau en voie HOm) est par contre exploité en mode manuel, comme conducteur. L’unique engin en déplacement est commandé en utilisant la modulation de largeur d’impulsion (MLI, ou PWM en anglais). Dans ce cas, la tension moyenne se modifie en jouant sur la largeur de l’impulsion (le rapport cyclique), la tension de crête restant constante.
Le train de Georges 