A.M.F.N.
Association des Modélistes Ferroviaires de Nice

L'éclairage basse fréquence (B.F.)

L'éclairage basse fréquence est un manière simple d'obtenir en éclairage permanent, c'est-à-dire indépendant de la marche des trains.
Il y a d'autres façon d'arriver à ce résultat, par exemple les télécommandes (numériques ou pas).
Nous ne prétendons pas que l'éclairage B.F. soit la meilleure solution entre toutes, mais elle est simple, économique, facile à mettre en oeuvre, et donne d'aussi bons résultats que d'autres. Et nous l'avons testée sur plusieurs réseaux, du HOe au LGB, à notre entière satisfaction.

Une remarque importante en préambule: plusieurs fabricants de train ont mis, à une époque ou à une autre, un éclairage B.F. à leur catalogue, puis l'on retiré. La raison en est qu'une réglementation européenne interdit l'usage de fréquences supérieures à 12 kHz pour ce genre d'application. Or, à 12 kHz, l'éclairage B.F. rencontre un certain nombre de limitations gênantes.
Les montages que nous vous présentons ci-après fonctionnent entre 50 et 60 kHz, ce qui améliore grandement les performances. Nous n'avons jamais rencontré le moindre problème lors de leur utilisation, que ce soit sur des réseaux d'appartement, des réseaux d'exposition, ou des réseaux de jardin.
Mais sachez que si par extraordinaire cela devait vous arriver (par exemple si vous perturbiez la télé des voisins), vous seriez en tort et vous devriez cesser votre activité . De plus, notez bien que nous déclinons toute responsabilité quant aux conséquences de l'incident. Voir notre page "sécurité électrique".

Exemple de réalisation:
Ce petit train mixte, en HOe, est équipé de l'éclairage permanent B.F. (Le convoi est arrêté pour la photo). 

La voiture est équipée d'un simple condensateur. Elle a été dotée d'un aménagement intérieur avec passagers, ce qui est bien entendu un préalable à l'éclairage. 

Le tombereau contient un petit circuit électronique d'inversion des feux qui sert ici à éteindre le feu rouge de fin de convoi lorsque le wagon roule en sens inverse. A l'arrêt, les feux restent allumés conformément au dernier sens de circulation. 

La locomotive figurant sur la photo n'est pas équipée, c'est pourquoi les fanaux sont allumés aux deux extrémités.

Principe de l'éclairage B.F.
Ce diagramme de base montre les principaux composants d'un système d'éclairage B.F: à l'alimentation traction classique on adjoint un générateur basse fréquence. L'une et l'autre ont le même point commun, et leurs sorties sont réunies par l'intermédiaire d'une self et d'un condensateur comme indiqué. 

Dans chaque véhicule est installé un petit condensateur en série avec les ampoules d'éclairage habituelles.

Fonctionnement:
La self en sortie de l'alimentation traction laisse passer le courant continu délivré par celle-ci, mais bloque le courant B.F. en provenance du générateur. Inversement, le condensateur en sortie du générateur B.F. laisse passer la basse fréquence délivré par celui-ci, mais bloque le courant continu en provenance de l'alimentation traction. Sans ces deux composants, il y aurait court-circuit entre les deux courants.

Coté véhicule, le condensateur en série avec le circuit d'éclairage laisse passer le courant B.F. mais bloque le courant traction.
Attention: sans ce condensateur, les ampoules seraient suralimentées (courant traction plus courant B.F.) et grilleraient.

En ce qui concerne les engins moteurs, seuls ceux équipés d'un moteur à rotor sans fer nécessitent l'adjonction d'une petite self en série avec celui-ci (voir plus loin). Les engins à moteur classique peuvent être utilisés tels quels.

Un générateur B.F. simple
 
Ce générateur est composé d'un amplificateur audio TDA2040 monté en oscillateur. 
La résistance de 1k et le condensateur de 10nF déterminent une fréquence d'oscillation de 50 à 60 kHz. 
La tension de sortie a une forme rectangulaire et une amplitude à peu près égale à la moitié de la tension d'alimentation, moins 1 V. 
L'amplificateur travaille en mode saturé, ce qui lui permet de délivrer des courants importants (jusqu'à 3 A) sans trop s'échauffer. Un petit radiateur est néanmoins nécessaire. 
Les deux diodes protègent l'ampli contre les surtensions inductives provoquées par les mauvais contacts roues-rails. Ce sont obligatoirement des diodes rapides (le genre 1N4007 ne convient pas). 
Le condensateur de sortie doit être du type non polarisé
Attention: ce schéma de principe ne comporte pas de protection contre les court-circuits (voir plus loin).
Equipement des alimentations traction

Les alimentations traction doivent être équipés d'une self en sortie, pour éviter de court-circuiter le courant B.F.
Ces selfs doivent répondre à trois critères:
1: avoir une résistance assez faible pour n'occasionner qu'une chute de tension négligeable lorsqu'elles sont traversées par le courant traction. 3 ohms est un maximum.
2: avoir une inductance suffisante pour bloquer la plus grande partie du courant B.F. Les selfs que nous utilisons font 4 mH, mais 1 mH (1000 uH) est probablement une valeur suffisante.
3: ne pas se saturer, c'est-à-dire conserver leur inductance lorsqu'elles sont traversées par le courant traction maximum.
En pratique, la troisième condition est la plus difficile à satisfaire. Elle conditionne la taille de la self, et interdit d'utiliser des produits du commerce.
Pour que les selfs ne saturent pas, il faut que le circuit magnétique reste ouvert (ce qui réduit notablement l'inductance de la self). On peut arriver à ce résultat soit en bobinant du fil sur un bâtonnet de ferrite, soit en utilisant des  pots de ferrite sur lesquels on maintien un entrefer résiduel au moyen d'une cale en plastique de 2 à 3/10èmes de mm.
Aucune des valeurs ci-dessus n'est critique, d'autant plus que l'emploi d'une fréquence élevée simplifie bien le problème (à 12 kHz, les selfs devraient être bien plus grosses).
 
Voici des selfs réalisées à partir de pots en ferrite de récupération de 18x11mm (DxH). 
En cliquant sur ces photos, vous pouvez voir le circuit imprimé complet d'alimentations traction avec éclairage B.F. inclus. 

La bobine intérieure est remplie de fil émaillé de 35/100èmes. L'entrefer résiduel est réalisé avec des cales en rhodoïd de 2 à 3/10èmes, collées ensuite au Rubson. 

Pour la fixation, n'utiliser que des vis nylon: les vis métalliques causent presqu'à coup sûr le bris du pot (de même que les chutes!). 

Ces selfs on une résistance de 1 à 2 ohms et une inductance d'environ 4 mH.


Voici les composants d'une telle self avant montage: bobine (vide) et demi-pots de ferrite.
Un ensemble d'éclairage complet

Disposition:
Ce bloc éclairage comprend à la fois le générateur B.F. et la self d'isolement du transfo traction. 
Il est alimenté par la sortie "accessoires" (14-16 volts alternatifs) du transformateur. 
Attention: les sorties "traction" et "accessoires" du transformateur doivent être galvaniquement indépendantes. C'est le cas de la plupart des transformateurs actuels, mais pas de certains anciens transfos Jouef.
Schéma complet du bloc éclairage:

Ce schéma diffère du schéma de principe présenté plus haut par la présence de la self, mais surtout par un circuit de protection (disjoncteur) protégeant l'amplificateur contre les court-circuits dus, par exemple, à un déraillement, ou à la prise en talon d'un aiguillage non talonnable. En effet, le TDA2040 est insuffisamment protégé par lui-même, contrairement à ce qui est mentionné dans sa notice.

Ce montage permet de délivrer jusqu'à 3 A sous 15 V, mais il est possible d'utiliser des amplificateurs plus puissants: un de nos amis utilise avec satisfaction des TDA7294.

Réalisation:
L'ensemble d'éclairage se présente comme sur la photo ci-contre. 

En haut les borniers de connexion au transfo: 2 fils de la sortie traction et 2 fils de la sortie accessoires. 

A gauche le bornier de connexion à la voie. 

Entre les deux la self d'isolement de la B.F. 

Le cylindre rouge est une lampe témoin (à incandescence). 

Les picots visibles à gauche sont des points de connexion permettant de modifier la fréquence du montage à titre expérimental. 

Le radiateur du TDA2040 est ici très largement dimensionné; un radiateur bien plus petit suffit dans la majorité des cas.

Ce circuit imprimé mesure 6,5cm x 11,5cm. Son typon est disponible sur notre page téléchargement.

Equipement des véhicules

Eclairage des voitures:
Il suffit de monter un condensateur en série avec les ampoules d'éclairage d'origine.
Ce condensateur doit être du type non polarisé (céramique, polyester, ou autre), ce qui est difficile à trouver sous un petit volume pour des valeurs importantes. Mais grâce à la valeur élevée adoptée pour la B.F, on peut de contenter de valeurs assez faibles (1nF par mA). En pratique, un condensateur de 1uF convient pour tous les véhicules.
 
Quelques petits condensateurs sympathiques: de gauche à droite: 
- condensateur polyester 1uF, 
- condensateur polyester 470nF, 
- condensateurs céramique 1uF. Ce dernier modèle est particulièrement compact et convient pratiquement à tous les cas. Référence Conrad Electronic: 0453-382-14, ou Selectronic: 20.1526.
Eclairage des engins moteurs:
La plupart des engins moteurs ont des diodes dans le circuit d'éclairage afin d'inverser les fanaux en fonction du sens de marche. Il y a plusieurs possibilités pour les rendre compatibles avec l'éclairage B.F:
1: ne pas modifier les engins, mais abaisser la tension B.F. aux environ de 10 V pour ne pas risquer de griller les ampoules (solution adoptée sur la loco figurant sur la photo en tête de cette page). Dans ce cas l'éclairage se fera un peu de chaque coté à l'arrêt, et coté avant en marche normale.
2: remplacer les diodes par un petit condensateur, comme pour les autre véhicules, Dans ce cas, il n'y aura plus d'inversion des fanaux.
3: installer à bord un circuit d'inversion des fanaux, comme décrit ci-après.

Inversion des fanaux avec le sens de marche:
Sur les locomotives et les autorails, on peut provoquer l'inversion des fanaux en fonction du sens de marche en montant à bord un petit circuit électronique. Ce circuit peut également être utilisé sur les fourgons de queue pour n'allumer les feux rouges qu'à l'arrière du véhicule.
Le circuit que nous utilisons est construit autour de deux optocoupleurs, ou d'un optocoupleur double:
Le coeur du dispositif est constitué de deux transistors (2N2222) montés en bistable, et qui commandent chacun l'éclairage d'une extrémité. 
Ce bistable est alimenté à partir de la B.F. par l'intermédiaire d'un pont redresseur, obligatoirement composé de diodes rapides (le genre 1N4007 ne convient pas). 
En présence d'un courant traction continu, l'un ou l'autre des optocoupleurs devient passant et fait basculer le bistable dans l'état approprié. A l'arrêt, l'éclairage reste tel qu'il était dans le dernier sens de marche. 
C1 et C2 sont des condensateurs non polarisés (céramique ou polyester). C3 est un condensateur chimique ou tantale. 

L'éclairage peut être réalisé par des ampoules 12V ou bien des LED en série avec une résistance appropriée (1k).

Voici deux réalisations de circuits inverseurs de feux, correspondant toutes deux à ce schéma.
Il est possible de réaliser ces circuits de différentes façons, en fonction de la place disponible dans les engins moteurs.
Ci-dessus, un circuit compact de 30x18x13 mm.
Ci-dessus, un circuit en longueur de 41x11x11 mm,
éventuellement sécable pour mieux se loger dans certains engins.
Les typons de ces circuits seront publié ultérieurement sur ces pages. D'ici là, si vous en avez un besoin urgent, écrivez nous!

Précautions à observer pour le montage de ces circuits inverseurs:
Le schéma présenté plus haut suppose que le circuit de captation peut être facilement isolé du circuit d'éclairage.
Mais certains engins moteurs ont les roues et les ampoules d'éclairage connectées ensemble par l'intermédiaire du châssis et ceci n'est pas facile à modifier. Aussi nous utilisons l'astuce suivante:
- le véhicule n'est pas modifié: les ampoules restent connectées au châssis, de même que le moteur, 

- le circuit inverseur prend le courant aux bornes du moteur, mais en respectant bien le sens indiqué ci-contre, 

- dès lors le pont redresseur fonctionne en doubleur de tension (avec une diode en court-circuit). Il est alors nécessaire d'intercaler une résistance R en série avec les ampoules. La valeur de cette résistance est à déterminer en fonction de la consommation des ampoules.

Equipement des engins moteurs à rotor sans fer:

Seuls les engin équipés d'un moteur à rotor sans fer nécessitent l'ajout d'une self en série avec le moteur. Par bonheur, cette self n'a pas besoin d'avoir des caractéristiques aussi pointues que celle équipant les alimentations traction, ce qui permet d'utiliser de petites selfs du commerce. Une fois de plus, c'est la valeur élevée choisie pour la fréquence qui simplifie le problème.
Ci-dessus, un extrait du catalogue RadioSpares, qui montre deux types de selfs qui conviennent parfaitement pour les moteurs à rotor sans fer. Ci-dessus, une mécanique d'autorail LSL équipé d'une self 228.545

Alimentation d'autres accessoires:

La tension B.F. présente sur la voie permet d'alimenter différentes sortes de matériels embarqués, de consommation raisonnable.
Pour obtenir du courant continu, il suffit d'utiliser un pont redresseur rapide (4xBA159, par exemple, ou pour des courants faibles, 4x1N4148) suivi d'un condensateur de lissage, et, si nécessaire, d'un circuit intégré régulateur de tension.
Nous avons alimenté de cette façon nombre de bruiteurs (vapeur, diesel, ou autres)  et de wagons aspirateurs.

Pour des courants plus importants, on constate que la forme d'onde se prête mal au redressement, et que l'on récupère en fin de compte une tension très inférieure à la valeur espérée. Cependant, avec différentes astuces destinées à "gratter" quelques volts ici et là, nous sommes arrivés à obtenir 500mA de 12V régulés, pour alimenter un émetteur vidéo et sa caméra. Ces astuces consistent à réaliser le pont redresseur avec des diodes Schottky, à les monter éventuellement en doubleur de tension, à utiliser un redresseur à faible chute de tension, et même à remplacer le régulateur par un convertisseur continu-continu de meilleur rendement.

Compatibilité et incompatibilités...

Compatibilité avec le matériel moteur:
A part les moteurs à rotor sans fer, déjà traités, nous n'avons pas noté d'incompatibilité de la B.F. avec les moteurs proprement dits.
Par contre les circuits anti-parasites qui équipent certains engins moteurs (certaines locos LGB, par exemple, mais pas toutes) peuvent court-circuiter la B.F. On doit alors, soit supprimer le circuit, soit rajouter une petite self en série.
Les circuits du genre "Roulnet" qui équipent les dernières locos Jouef sont également incompatibles, et il faut les supprimer.

Compatibilité avec les alimentations traction:
Nous n'avons pas noté d'incompatibilité d'aucune sorte, quelle que soit le type d'alimentation utilisé, y compris celles à asservissement de vitesse.

Compatibilité avec les blocs-systèmes:
Les détecteurs d'occupation de voie ou de passage décrits dans notre page sur les détecteurs sont insensibles à la B.F. mais les détecteurs à diode ne laissent pas passer celle-ci.
Il faut donc shunter ces diodes par un condensateur comme indiqué sur ce schéma de principe:


(Schéma à comparer à celui présenté sur notre page sur les détecteurs d'occupation de voie.)

C est un condensateur non polarisé de 1 à 4,7uF, suivant l'intensité prévue pour l'éclairage. On pourra noter un léger changement de vitesse à l'allumage (accélération) et à l'extinction (ralentissement) de l'éclairage. Ceci est du au fait que les diodes des détecteurs redressent légèrement la tension B.F. et provoquent une légère augmentation de la composante continue.
On peut soit contourner le problème en n'allumant ou n'éteignant l'éclairage qu'à l'arrêt, soit augmenter la valeur du condensateur de shuntage des diodes.

Compatibilité avec les dispositifs ioniseurs genre "Gaugemaster":
Non seulement ces dispositifs sont incompatibles avec l'éclairage B.F. mais de plus ils deviennent inutiles, le courant B.F. ayant les mêmes propriétés dans les deux cas (il nous  arrive parfois de redémarrer une locomotive "plantée" en allumant simplement l'éclairage). Ils peuvent donc être supprimés sans regret.

Comparaison avec les télécommandes numériques

Les télécommandes numériques permettent d'installer un éclairage permanent simplement, sans nécessiter de générateur additionnel. Mais si l'on désire pouvoir allumer et éteindre cet éclairage, il faudra supprimer les prises de courant sur les véhicules, et les alimenter par une "ligne de train" remontant jusqu'au décodeur de la locomotive. Et si l'on veut, en plus, maintenir l'éclairage de la rame en l'absence de locomotive, il faudra équiper la rame de son propre décodeur. La complexité au niveau du matériel est donc plus grande qu'avec la B.F.
Les télécommandes offrent par contre des puissances supérieures à ce qui peut être obtenu avec de la B.F. Elles sont donc particulièrement bien adaptées à l'alimentation d'électronique embarquée à forte consommation, tels que les système vidéo évoqués plus haut.


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