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L'éclairage du matériel roulant en analogique

L'éclairage du matériel roulant et son évolution.

Les origines avec les lampes à incandescence.

Pour augmenter l'attractivité du train miniature avec un éclairage, les fabricants n'ont pas mis lontemps pour ajouter une lampe à incandescence branchée directement sur le moteur de la locomotive. Peu de temps après, les voitures voyageurs ont aussi été équipées de lampes à incandescence alimentées à l'aide de prises de courant spécifiques sur les roues. Les feux de fin de convoi ont été installés de la même manière. Ceci fonctionne en courant continu comme en courant alternatif.

Ce système fiable et économique a fasciné des générations entières d'enfants mais il présente tout de même quelques défauts.

  • L'intensité lumineuse dépend de la vitesse du train, autrement dit de la tension appliquée à la voie.
  • L'éclairage s'allume toujours, indépendemment du sens de la marche.
  • Les défauts de contact entre les roues capteuses et la voie donnent lieu à des scintillements esthétiques mais fort peu réalistes.

Le mot est lâché, la recherche du réalisme a très vite fait son apparition.

Le premier point qui a trouvé rapidement une solution concerne l'allumage ou non de l'éclairage selon le sens de marche.

L'inversion automatique des feux.

Automatique est une bien grand mot. L'installation d'une simple diode permet d'allumer ou non une lampe selon le sens de marche.

Eclairage stabilisé : diodes de commutation 50mA 1N4148Diodes 1N4148 50mA

Ce système ne fonctionne qu'en courant continu. En alternatif, la diode ferait un redressement en simple alternance pour chaque sens de marche, la lampe continuerait à s'allumer indépendemment du sens de marche.

Au départ, seul l'éclairage avant de la locomotive faisait l'objet d'une inversion selon le sens de marche. Très rapidement, les locomotives furent dotées de feux blancs pour l'avant et de feux rouges pour l'arrière. L'allumage des feux selon les bonnes dispositions fut baptisée la double inversion des feux.

Dans les faits, deux lampes sont branchées sur chaque diode, une blanche pour l'avant et une rouge pour l'arrière. Avec 4 lampes nos machines disposent donc de cette double inversion des feux.

L'évolution technologique permet des améliorations.

Il était difficile d'envisager d'embarquer un redressement avec un tube à vide qui fonctionnait sous 300V tout comme les cellules au sélenium avec une tension de seuil importante et un encombrement significatif.

Tout comme les diodes semi-conductrices au silicium (le germanium est depuis longtemps sorti des rayons des fournisseurs) ont permis une miniaturisation apte à inverser les feux d'une locomotive à l'échelle HO ou à une échelle plus réduite, l'avènement de l'opto-électronique a fourni de nouvelles perspectives pour l'éclairage.

Qui ne connaît pas les LED, autrement dit les diodes electro luminescentes. Il a fallu près de 50 ans pour passer de la diode rouge des années 70 au choix pléthorique qui nous est offert aujourd'hui, tant pour la couleur que pour la taille ou pour la puissance.

Les LED présentent plusieurs avantages sur les lampes à incandescence :

  • faible consommation.
  • absence d'échauffement.
  • miniaturisation.

Eclairage stabilisé : Assortiment de LED de couleur de 3mmLED 3mm

 Pour surmonter les autres défauts.

Les progrès en alimentation analogique deviennent assez marginaux avec le développement des commandes digitales, mais ceci ne nous empêchera pas de tirer le meilleur de ce système qui date de l'origine du train miniature.

Remédier aux défauts de contact.

Le moyen le plus simple pour remédier aux défauts de contact est d'installer une réserve d'énergie à bord du véhicule éclairé. Ceci peut être réalisé avec un condensateur de capacité adaptée.

Eclairage stabilisé : condensateur chimique 1000µF 25VCondensateur 1000µF 25V 10 x 17 mm

Avec le diminution de la consommation des LED, un condensateur de 1000µF permet de conserver l'éclairage allumé pendant une bonne dizaine de secondes. Ce laps de temps est largement suffisant pour éliminer les scintillement irréalistes que nous connaissons depuis longtemps.

Attention au sens de branchement d'un tel condensateur. Ne jamais le brancher directement sur la voie. Il doit toujours être branché derrière un dispositif de redressement (diode seule ou pont de redressement double alternance). En effet, si vous inversez la polarité, vous risquez au mieux, un écoulement chimique dans votre matériel roulant préféré, au pire, une explosion fort peu agréable.

Stabiliser l'intensité lumineuse.

Les LED fonctionnant à courant constant, la première solution consiste à insérer une source de courant dans le circuit d'alimentation. La source de courant la plus simple est un transistor à effet de champ (FET) câblé de manière adéquate en reliant la grille et la source. Ce montage permet de délivrer un courant de 10mA environ quelle que soit la tension d'alimentation. 10mA, c'est exactement ce qu'il faut pour les LED.

Eclairage stabilisé : Transistor FET 2N4416Transistor FET 2N4416

Le problème qui se pose avec un tel montage est le seuil de tension pour avoir une stabilisation de l'éclairage.

Additionnons tous les seuils de tension que nous avons dans notre montage : 2 x 0,7V pour le redressement double alternance, 1,6V à 3,5V pour les LED selon leur couleur et 4V pour la source de courant. L'intensité de l'éclairage est donc stabilisée au mieux à partir de 6,3V pour des feux rouges de fin de convoi à 10,5V pour l'éclairage d'une voiture voyageurs.

Cette solution ne permet pas vraiment de stabiliser l'éclairage correctement quand les moteurs actuels commencent à entraîner le convoi à partir de 3V.

Il convient de revenir à la source de tension, moins gourmande en perte de tension. Avec une source de tension constante, il n'y a rien de plus simple que d'alimenter les LED en courant constant.

Le réel problème à surmonter pour une source de tension constante avec une variation de la tension d'alimentation de 0 à 12 - 16V, c'est de disposer d'une tension de référence sans fluctuation.

Les essais avec les diodes zener ont vite montré leurs limites puisque leur résistance interne conduit à des variations significatives de la tension de référence. Ces variations sont particulièrement sensibles avec les LED blanches trop lumineuses pour nos maquettes que nous utilisons dans une zone appelée le coude de leur caractéristique courant tension.

L'évolution technologique met à notre disposition des références de tension de précision d'une stabilité absolue pour un prix absolument dérisoire.

Eclairage stabilisé : sources de tension de précisionRéférence de tension TL 431

Il n'en faut pas plus pour construire une source de tension stabilisée à 2,5V au minimum et qui peut être ajustée à 3,5V pour les LED blanches.

La même source de tension permet d'alimenter les LED blanches et les LED rouges en ajustant la valeur de la résistance de limitation de courant de chaque LED. Et voilà comment on alimente en courant constant à partir d'une source de tension.

Un tel montage est nettement moins gourmand en tension puisque les LED rouges sont stabilisées dès 4V, les LED blanches dès 5V. Ces valeurs sont proches de la tension de démarrage des convois.

Nous verrons plus loin qu'il existe un moyen pour s'affranchir de ces seuils de tension pour disposer d'un éclairage stable dès le démarrage.

Eclairer le matériel roulant à l'arrêt.

Ceci est un argument en faveur des commandes digitales. Avec l'installation d'un décodeur il est même possible de commander l'éclairage de la cabine conducteur à la demande.

En analogique, nous avons déjà embarqué une réserve d'énergie à l'aide d'un condensateur. Comme nous disposons d'une source de tension stabilisée, nous pouvons aussi en profiter pour recharger une batterie qui, compte tenu de la consommation des LED, pourrait avoir une autonomie d'une heure environ.

Les batteries modernes sont vraiment miniaturisées, malheureusement elles nécessitent des précautions pour les charger correctement. Un circuit de charge qui ne serait alimenté que durant des périodes limitées réduit pratiquement à zéro les risques d'accident avec les batteries.

Eclairage stabilisé : batterie miniaturiséeBatterie rechargeable LIR2032

Même si les progrès en commande analogique se réduisent, nous pouvons aisément installer (en construisant avant) une alimentation que nous appelerons pulsée. Le vrai nom, c'est une commande par modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Pour faire simple, la voie est alimentée par des impulsions de 12V dont la durée est variable (de 0 à 100% de la durée). La fréquence des impulsions peut aujourd'hui être aussi élevée que nous le voulons. C'est la technologie des moteurs qui va imposer cette fréquence en priorité, les sifflement induits par la fréquence de découpage sont aussi à prendre en compte, même si ces sifflements peuvent facilement être réduits.

Une impulsion de 12V, quelle que soit sa durée permet de charger instantanément le condensateur dont nous parlions au début. Avec une alimentation MLI, l'éclairage dispose d'une tension de 12V dès le démarrage.

Dans ces conditions, est-il encore intéressant d'installer un éclairage stabilisé ? La réponse semblerait oui pour disposer d'un courant vraiment calibré dans les LED mais aussi pour mieux maîtriser la charge de l'éventuelle batterie.

Et comment éclairer le matériel roulant à l'arrêt ? Il suffit de monter un circuit sur l'alimentation MLI qui envoie alternativement une très courte impulsion positive puis une très courte impulsion négative. Ceci suffit pour fournir l'énergie nécessaire à l'éclairage et à la stocker dans le condensateur entre deux impulsions.

L'impulsion doit être suffisamment courte pour ne pas solliciter le moteur et le faire chauffer puisqu'il est alimenté en courant alternatif. Pour remédier à cet inconvénient, il est souhaitable d'insérer une self en série avec le moteur.

Eclairage stabilisé : selfs d'antiparasitage

Et en pratique ça donne quoi ?

Malheureusement il semble que ce matériel n'existe pas dans le commerce pour le modélisme ferroviaire. Il n'y a probablement pas de créneau marketing pour ces considérations dépassées par les les commandes numériques.

Adepte de la solution la plus simple et la moins coûteuse, j'ai envisagé l'utilisation d'un convertisseur continu - continu miniaturisé prêt à l'emploi.

Ecairage constant : module d'alimentation DC/DCBien que séduisante, cette solution nécessite d'ajouter les diodes et le condensateur ainsi que les circuits pour l'inversion des feux. La miniaturisation gagnée avec un module fabriqué de manière industrielle est perdue avec les composants additionnels qu'il faudra assembler. Le bilan de tension n'est guère plus favorable pour un tel module qui stabilise la tension de sortie dès que l'alimentation atteint 4,75V. Dans ce cas l'éclairage est stabilisé à partir de 4,75V + 1,4V, soit environ 6,1V sur la voie. L'avantage d'un tel module est sa puissance puisqu'il est capable de délivrer une intensité de 1,8A dont nous n'avons aucun besoin dans notre application pour l'éclairage par LED.

Chacun verra en fonction de ses besoins et de ses préférences, mais le bilan en termes de budget, d'encombrement comme de facilité reste assez favorable pour une construction intégrale.

La place dans le matériel roulant étant comptée, et nous parlons ici de l'échelle HO, les essais pour fabriquer un tel montage avec des composants classiques mesure toujours plus de 3 cm de large qui ne peut pas être logé dans le matériel roulant.

Avec les composants montés en surface un tel montage, condensateur et batterie compris, fabriqué de manière artisanale (sur son propre établi à la maison) mesure 27mm x 39mm. Il faut dire que le montage en question comporte aussi le dispositif d'antiparasitage du moteur. Avec une technologie de fabrication industrielle, les dimensions pourraient être réduites encore pour être compatibles avec l'échelle N.

L'analogique permet donc des fonctionnalités proches des commandes numériques avec l'amusement de tout faire soi même en plus.

En guise de conclusion.

Si comme moi vous préférez jouer au train plutôt que de commander votre réseau comme vous le feriez avec une console de jeux, j'espère que cet article vous rassurera puisque même en analogique nous pouvons disposer de fonctionnalités très sophistiquées pour un prix totalement dérisoire. Quand j'écris dérisoire, vous pouvez vous en convaincre avec les prix réels des produits dont vous aurez besoin en cliquant sur les images insérées dans le corps du texte.

Si vous êtes intéressé pour passer de la théorie à la pratique, vous trouverez ce qu'il faut savoir pour fabriquer un circuit universel d'éclairage pour le matériel roulant en 2 rails continu et analogique.

Il vous faudra installer un équipement électronique embarqué dans le matériel roulant, tout comme pour un décodeur.

En plus vous aurez la maîtrise totale de la technologie que vous installez.

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