A.M.F.N.

• Introduction
• Alimentation à courant continu pur
• Alimentation à découpage simple
• Alimentation à forme d'onde variable
• Alimentation à asservissement de vitesse

Pourquoi "schémas de principe" ?
Les schémas présentés sur ce site sont ceux de montages ayant réellement été réalisés pour nos besoins (et ayant donné satisfaction), car il nous est impossible de réaliser et de tester des schémas simplement en vue de leur publication sur le Web.

Dans nos réalisations, ces montages sont intégrés à des ensembles plus vastes, ou bien présentent des particularités liées au réseau ou au type d'exploitation envisagée.

Aussi nous avons "extrait" de nos schémas, pour les présenter ici, les seules parties réutilisables par l'amateur.

Vous avez dit "commande numérique" ?
Les montages de cette page sont basés sur des convertisseurs numérique-analogique (CNA) à 8 bits.

Il y a d'autres façons de réaliser une commande numérique, notamment dans le cas d'alimentations à découpage. Mais nous avons trouvé ce système commode, et compte tenu du très bon rapport performances/prix des CNA disponibles actuellement, nous ne le regrettons pas.

Si on préfère utiliser des micro-contrôleurs plutôt qu'un PC, ces montages sont parfaitement utilisables tels quels. Simplement, plutôt que des CNA à commande parallèle, on aura sans doute intérêt à utiliser des CNA à commande série, pour simplifier le câblage et le dessin du circuit imprimé.

Pourquoi des CNA 8 bits ?
Les CNA 8 bits, qui sont les moins chers et les plus faciles à utiliser, permettent d'obtenir 256 pas de vitesse.

On peut trouver cela excessif et inutile, et se demander si 16 pas de vitesse, par exemple (soit 4 bits), ne sont pas suffisants.

Nos critères de choix sont d'une part l'obtention d'accélérations et de ralentissements réalistes, c'est-à-dire doux et progressifs, et d'autre part la facilité de réalisation.

Accélérations et de ralentissements réalistes:
Si les variations de vitesse sont rendues progressives par des moyens électroniques (résistances et condensateurs), il est vrai que 16 pas de vitesse suffisent en général.

Mais tout l'intérêt de la commande numérique réside justement dans le fait de simplifier l'électronique, tout en offrant des fonctions sophistiquées, comme la possibilité de réaliser les accélérations, les ralentissements et les arrêt par programme, avec éventuellement une personnalisation train par train.
Aussi, dans nos montages, les tensions appliquées à la voie sont le résultat direct de la valeur chargée dans le CNA.
Dans ce cas, avec 16 pas, on "voit" passer les crans de marche lors des accélérations et des ralentissements, d'autant plus que les premiers et les derniers pas sont ineffectifs. C'est inesthétique et irréaliste.

Facilité de réalisation:
Il est bien plus facile d'utiliser un CNA 8 bits du commerce que de réaliser soi-même un CNA 4 bits.
Le seul point en défaveur du 8 bits se situe au niveau du circuit imprimé, puisqu'il y a 8 fils à tirer au lieu de 4.
Notons au passage qu'avec un CNA série, il n'y aurait que deux fils.

En pratique: les 256 pas servent principalement à l'obtention simple de variations de vitesse progressives et réalistes. Les premiers pas sont perdus, parce que les locos ne démarrent pas avant que la tension ait atteint une certaine valeur, et les derniers pas sont également perdus parce la vitesse n'augmente plus au delà d'un certain seuil.
Les réglages différent également d'un train à un autre, et c'est une raison supplémentaire pour avoir un grand nombre de pas possibles.

Quels convertisseurs ?
Les schémas suivants font appel soit à un AD558, qui délivre directement une tension continue, soit à des TLC7226 qui sont utilisés en potentiomètre.
Dans les deux cas, la tension délivrée ou réglée par le CNA est trop faible en amplitude pour commander des trains. Des "amplis OP" sont utilisés pour en augmenter la valeur.

Alimentation à courant continu pur:
 

La partie numérique du montage n'est pas représentée: voir pages précédentes. Le CNA AD558 délivre une tension continue dans la gamme 0-10V. Le LM324 amplifie cette tension dans le rapport (R1+R2)/R2, soit ici 1,5. La tension obtenue en sortie est dans la gamme 0-15V. Le darlington NPN est du genre BD651 ou BDX53C. On peut aussi le réaliser avec deux transistors séparés, ou même adopter un montage en "super darlington", qui a l'avantage de présenter une chute de tension plus faible. Noter que le darlington est à l'intérieur de la boucle de contre-réaction de l'ampli.

Avantages et inconvénients:
Du point de vue du fonctionnement: ce sont ceux de toute alimentation à tension purement continue: bon fonctionnement à vitesse moyenne ou élevée, mais démarrages brutaux.

Du point de vue de la réalisation: il faut une alimentation continue de tension supérieure à 18V, et capable de délivrer le courant souhaité. Un régulateur genre LM7812 ou LM317 suffit à alimenter le CNA.
Bien entendu, si l'on souhaite obtenir des tensions inférieures (échelle N), une alim 12V ou 13,8V peut suffire pour l'ensemble.
Le darlington, qui dissipe la différence de tension entre cette alim et la sortie, doit être équipé d'un radiateur approprié.

Alimentation à découpage simple:
 

L'alimentation: elle se fait à partir d'un transformateur pour train électrique, double isolement, délivrant une tension d'environ 14V alternatifs.
A partir de cette tension, le pont D1 fournit une tension redressée mais non lissée, utilisée telle quelle pour la traction. La diode D2 et le condensateur C1 fournissent une tension lissée d'environ 17V alimentant le reste du circuit.
Le circuit se compose: d'une part d'un générateur de signal triangulaire à 100Hz, synchronisé sur le secteur, et d'autre part d'un générateur de courant traction qui n'est qu'un simple comparateur commandant un transistor de puissance.
Si l'on veut réaliser des alimentations multiples (par exemple pour gérer plusieurs circuits, ou plusieurs cantons) il suffit d'un seul générateur triangulaire pour tous les circuits traction.

Générateur triangulaire: T1 détecte le passage à zéro de la demi-sinusoïde et commande T2 qui décharge le condensateur C2 toutes les 10 ms, en synchronisme avec le secteur. T3 charge C2 à courant constant. On a donc au point C, aux bornes de C2, une tension triangulaire. Générateur traction: c'est un simple LM339 qui compare la tension triangulaire à la tension continue délivrée par le convertisseur numérique-analogique. Le rapport cyclique de la tension de sortie est proportionnel à la valeur chargée dans le convertisseur numérique-analogique. (Voir "réglages" ci-après). Le LM339 a une sortie en collecteur ouvert, qui commande simplement deux transistors montés en "super-darlington". Le "super-darlington" a ici deux avantages sur le darlington classique: plus faible chute de tension à saturation, et, dans le cas d'une alimentation multiple, possibilité de mettre tous les transistors sur le même radiateur, puisque celui-ci est connecté au collecteur. Les diagrammes ci-contre montrent le fonctionnement avec un rapport cyclique de 25% et 75%.

La partie numérique du montage n'est pas représentée (voir pages précédentes). Elle se réduit au convertisseur numérique-analogique (CNA) monté de façon à délivrer une tension dans la gamme 0 à 5V.
Composants: T1, T2: 2N222, BC337, ou équivalents. T3, T4: BC307B, 2N2905, ou équivalent. T5: 2N3055, BD183, ou équivalent. Si l'on utilise pour T5 un transistor en boîtier TO5, on peut se passer complètement de radiateur, car T5 fonctionne en tout-ou-rien. Avec un boîtier TO220, faire des essais en fonction de la tension d'entrée et de la puissance demandée. D1, D2, D3: 1N4007.
Réglages: le seul réglage consiste à choisir R1 et C2 pour obtenir une tension triangulaire de même amplitude que la tension délivrée par le CNA. Si R1 est trop faible, la tension maximum est obtenue trop rapidement et la tension en C présente un plat. Si R1 est trop forte, le condensateur est déchargé trop tôt. Dans les deux cas, l'amplitude utile du CNA sera réduite. les valeurs indiquées sur le schéma conviennent pour un CNA délivrant une tension comprise entre 0 et 5V.
Variantes: on peut alimenter T4 et T5 par une tension continue lissée. Le fonctionnement obtenu, et notamment la courbe de réponse, est un peu différent. Mais il est alors nécessaire de munir T5 d'un radiateur. Dans le cas d'alimentation multiple, il faut que cette tension continue soit régulée, pour éviter les interférences entre alims.

Avantages et inconvénients:
Du point de vue fonctionnement: ce sont ceux de toute alimentation simplement pulsée: démarrages progressifs, mais moins bonne stabilité en vitesse (sensibilité à la charge) qu'en courant continu, et ronflement des moteurs.

Du point de vue de la réalisation: puisque le transistor de puissance fonctionne en tout-ou-rien, on peut faire l'économie d'un radiateur. De plus, le montage proposé travaille directement à partir de l'alternatif redressé, ce qui permet de faire également l'économie d'une alim régulée de puissance. Les tensions auxiliaires sont simplement produites par le biais de petits régulateurs genre LM78xx ou LM317.

Alimentation à forme d'onde variable:
Pour combiner les avantages des alimentations continues et des alimentations pulsées, il faudrait que la tension soit pulsée au démarrage, mais plus lorsque le train roule. De nombreuses alimentations du commerce ont mis en oeuvre ce principe avec succès.
Notre page intitulée "un régulateur très simple" décrit un montage que nous utilisons avec satisfaction depuis des années, et qui répond (fortuitement, mais assez bien) à ce critère. Pour bien comprendre ce qui suit, nous vous recommandons de commencer par lire cette page.
Le montage présenté ici est simplement une variante de ce régulateur, auquel on a ajouté une commande informatisée par le biais d'un convertisseur numérique-analogique.
 

Principe: le convertisseur numérique-analogique (CNA) TLC7226 est utilisé en potentiomètre. Mais il ne peut agir comme tel que sur des tensions de valeur comprise entre 0V et sa tension d'alimentation moins 4V (soit ici 8V). Pour cette raison, la tension présente au point A est d'abord abaissée par le pont de résistances R1/R2 avant d'être appliquée au CNA, puis ré-amplifiée en sortie de celui-ci pour être utilisable pour la traction. C'est la seule astuce de ce schéma.
Le montage comprend: une section alimentation, un convertisseur numérique-analogique (quadruple), et une section puissance.
Si l'on veut réaliser des alimentations multiples (par exemple pour gérer plusieurs circuits, ou plusieurs cantons) il suffit de: une seule section alimentation,  un CNA pour 4 circuits, et une section puissance par circuit.
Par exemple, sur le réseau HO de l'Association, il y a, pour 32 cantons, une seule section alimentation, 8 CNA, et 32 circuits de puissance. Cette réalisation sera décrite prochainement.
L'alimentation: elle se fait à partir d'un transformateur double isolement, délivrant une tension alternative d'environ 14 à 16 V.
A partir de cette tension, le pont D1 fournit une tension "pulsée" (redressée mais non lissée), utilisée telle quelle pour la traction. La diode D2 et le condensateur C1 fournissent une tension lissée d'environ 17V, régulée à 12V pour alimenter les amplis et les CNA.
Une fraction de la tension pulsée est prélevée par le pont diviseur R1/R2, amplifiée en courant par le premier LM324 et appliquée à l'entrée du CNA.

Fonctionnement du CNA: La tension de sortie du CNA est proportionnelle à la tension d'entrée, quelle que soit la forme d'onde, comme avec un potentiomètre. La valeur chargée dans le registre du CNA détermine la rapport tension de sortie / tension d'entrée. Par exemple, avec une valeur 255 on obtient 100% de la tension d'entrée, avec 127: 50%, avec 63:25%, avec 38: 15%, etc. L'espace entre les demi-sinusoïdes est du aux chutes de tension (constantes) dans les semi-conducteurs de puissance: pont D1 et transistors T1 et T2. Il augmente lorsque la tension diminue, et c'est pourquoi on peut dire qu'elle est "plus pulsée" à bas régime qu'à vitesse maxi (ou à "forme d'onde variable"!).

Avantages et inconvénients:
Du point de vue fonctionnement: ce schéma est à notre avis le meilleur compromis entre les différentes possibilités techniques et c'est pourquoi nous l'avons choisi pour notre réseau HO. Nous comptons également l'utiliser sur notre réseau N quand nous l'équiperons.

Du point de vue de la réalisation: le montage se distingue par sa simplicité, surtout en cas d'alimentation multiple. Dans ce cas, on a intérêt à regrouper tous les convertisseurs sur la même carte pour minimiser le câblage.

Alimentation à asservissement de vitesse:

Voici d'abord un schéma utilisant un CNA AD558, et que nous avons utilisé pour le système déjà présenté sous le nom "exemple de réalisation 1" pour le réseau d'un de nos membres.
 

Le schéma est plus simple qu'il n'y paraît à première vue: l'alimentation proprement dite comprend seulement les composants situés à l'intérieur du cadre pointillé du haut. Le reste constitue un disjoncteur à ré-armement automatique dans le détail duquel nous n'entrerons pas.
Le convertisseur AD558 est programmé pour fournir une tension de sortie variant de 0 à 10V lorsque le registre d'entrée est chargé avec une valeur numérique variant de 0 à 255. Ceci est obtenu par connexion de la broche "SELECT" à la masse. Pour la même raison, le module doit aussi être alimenté par une tension d'au moins 14V. Comme précédemment,  la partie numérique du montage n'est pas représentée: voir les pages précédentes.
L'asservissement de vitesse est réalisé exactement comme exposé sur notre page consacrée aux alimentations traction. La seule différence réside dans l'utilisation d'un comparateur LM339 monté en bistable à la place du LM555 pour réaliser la bascule. Les LM3900 sont des amplis assez particuliers qui fonctionnent en courant, et non en tension. Ils ont ici l'avantage d'assurer une double fonction: amplification et décalage de la tension de sortie du CNA.

Voici maintenant un schéma de principe utilisant un CNA TLC7226:
 

L'asservissement de vitesse est toujours réalisé sur le même principe: la F.C.E.M. du moteur est prélevée par le pont R2/R3 et comparée, par le transistor T3, à la tension de consigne présente en sortie du CNA.
Au début de chaque demi-alternance, T1 et T2 déchargent C1, et remettent à zéro la bascule du 555.
Puis C1 se charge à un taux proportionnel à la différence: tension de consigne - F.C.E.M. Lorsque sa tension de charge atteint le seuil déterminé par le 555, celui-ci bascule et déclenche la conduction de T4 et T5.
La tension de consigne, comme la F.C.E.M. sont décalées du zéro afin de pouvoir charger C1 simplement avec un transistor. C'est là que le TLC7226 apporte une simplification intéressante, puisque sa tension de sortie peut être décalée simplement en appliquant une tension non nulle à la broche AGND. Ici, la tension de sortie varie de 5V (ANGD) à 10V (REF) lorsque le contenu du registre varie de 0 à 255.
Le taux d'asservissement dépend du produit R1xC1, c'est pourquoi R1 est réglable (valeur moyenne: 10k).
Les différentes tensions peuvent être obtenues simplement avec de petits régulateurs intégrés. Cette complication est négligeable lorsqu'on réalise des alimentations multiples.
Avantages et inconvénients:
Du point de vue fonctionnement: les alimentations à asservissement de vitesse procurent un excellent fonctionnement à tous les régimes, ainsi qu'une vitesse stable et peu sensible aux variations de profil de la voie. Elles permettent de s'affranchir des points durs et des résistances parasites de toutes sorte.
Par contre, la vitesse obtenue pour un réglage donné dépend fortement des caractéristiques du moteur et de la charge  électrique du train (éclairage). Ceci peut être gênant si l'on essaie de faire tourner des trains différents sur une même alim sans toucher au réglage, comme dans le cas d'un bloc-système. Par contre, si l'on accepte de mettre en oeuvre un suivi personnalisé des trains, c'est l'alimentation idéale.
Sur le réseau de notre Association, nous avons renoncé à utiliser ce genre d'alimentation parce qu'il aurait été indispensable de personnaliser les trains. Or l'expérience nous a montré que cette personnalisation, non seulement s'avère vite fastidieuse (nécessité de déclarer les trains et leurs caractéristiques à la mise en service), mais de plus dépasse les capacités techniques de la plupart des utilisateurs.
Du point de vue de la réalisation: le seul point un peu délicat consiste à trouver le niveau d'asservissement optimum (valeur de C1).

La page suivante décrit un exemple de réalisation: le bloc-système de notre réseau HO.