La décharge capacitive


Sollicité par un internaute, je me suis rendu compte que je n'avais pas commis d'article à ce sujet. Voici mon expérience en matière de décharge capacitive :


1/ solénoïde, bobine, électroaimant.... que de mots pour une seule chose !

La commande de la plupart des aiguillages (et autres accessoires "électromagnétiques") est réalisée à l'aide de bobines qui transforment le courant électrique en une force mécanique. Ils utilisent le principe de "l'électroaimant à noyau plongeur" 


Le "noyau plongeur" est constitué d'un matériau Ferromagnétique (fer, Nickel, oxyde de chrome....). Comprenez par là qu'il est sensible aux champs magnétiques et que sous certaines conditions, il peut en extraire une force mécanique.

Il peut être fixe dans la bobine (électroaimant) ou mobile (nos aiguillages). Dans ce dernier cas, s'il est placé de façon non symétrique de long de l'axe de la bobine, il aura tendance à venir se centrer sur la bobine lorsque celle-ci est alimentée :

Grâce à cela, certains l'utilisent comme un canon.... Hello Timmy !

Pour plus d'information sur le principe physique, je vous invite à consulter les liens suivants : Wikipédia électroaimant, Règle de la main droite, Ferromagnétisme. et pour les plus courageurx : Les travaux d'Ampère et Avogadro


C'est donc archi simple à faire fonctionner : Un interrupteur suffit pour établir le courant.





2/ Attention ! DANGER !

Messieurs Ampère et Arago sont formels sur un point : Pour obtenir une force (relativement) importante, ils faut avoir une intensité importante. Et donc, ça consomme beaucoup.......et c'est particulièrement vrai pour nos vilains moteurs PECO de première génération.
Et là, c'est le début des problèmes...car un beau jour, on oublie l'interrupteur (ou il reste coincé) sur la position "ON"...et l'intensité finit par détruire la bobine (par effet joule)... voire pire parfois !



Par ailleurs, ce type de commande suppose que l'alimentation est capable de fournir le pic d'intensité requis, et demande donc une alimentation puissante. Surtout si on commande plusieurs bobines à la fois (cas des itinéraires).


Et s'il y a beaucoupde courants dans les fils, ça suppose de gros fils, des gros câblages, des grosses alimentations qui coûtent cher etc....

Tout cela est bien problématique, DONC... ne faudrait-il pas limiter le courant !?!?



3/ Limiter le courant ? NON ! limiter l'énergie, OUI !

Oui, vous allez me dire "si on limite le courant, il n'y a plus assez de force". Et vous avez bien raison ! Donc le pic de courant doit être conservé.
En revanche, on ne veut pas que ça chauffe (énergie calorifique), c'est donc la quantité d'énergie qu'il faut diminuer. La solution est simple! Il suffit de diminuer le temps pendant lequel on distribue le courant.

Alors on trouve une astuce pour qu'il n'y ait beaucoup de courant, mais uniquement de façon temporaire. Une réponse possible consiste à mettre en place une décharge capacitive qui va donner BEAUCOUP de courant mais de façon très brève.

Son principe consiste à décharger un condensateur brutalement au travers de la bobine souhaitée. Le condensateur étant un "réservoir de courant", dès que le condensateur est "vide" le courant s'annule naturellement. C'est le principe du bidon rempli d'eau : Quand on ouvre le robinet, ça coule très fort tant que c'est plein. Une fois le bidon vidé....bah ça coule plus !

Il faut d'abord charger le condensateur (schéma de gauche) puis basculer l'interrupteur pour le décharger (schéma de droite).
 
La sur-intensité (courbe bleue) n'étant pas maintenue, l'énergie n'est pas suffisante pour faire chauffer la bobine (ici, représentée par une résistance). On a gagné !
On peut donc, SANS DANGER, laisser l'interrupteur dans la position où il se trouve.



4/ Branchons nos aiguillages !

4.1 / Un premier schéma de branchement simpliste de nos aiguillages peut donc ressembler à cela :

- On retrouve le condensateur C2 : Il doit avoir une très forte capacité : 4700µf est vraiment le strict minimum. Il est possible de placer plusieurs condensateurs côte-à-côte pour augmenter la capacité globale.

- On retrouve les boutons-poussoirs : Un bouton par bobine, à contact momentané.

- On trouve aussi une résistance R ... "MAIS A QUOI C'EST DONC QU'ELLE SERT ?"
Simple ! Elle sert à limiter le courant dans le cas où un interrupteur resterait en contact. Ainsi, lorsque le condensateur s'est déchargé, il ne reste qu'un tout petit courant ridicule qui est bien insuffisant pour faire chauffer la bobine restée sous tension. Sécurité !

Evidemment, cela suppose que le condensateur va mettre loooongtemps à se recharger. C'est LE problème de ce montage. Il faut ATTENDRE entre deux commandes consécutives. Sinon y'a pas la patate pour basculer l'aiguille !



4.2 / Passons au montage suivant

L'avantage du système présenté au paragraphe §3, c'est qu'on a DEUX pics de courants. Un à chaque basculement de l'interrupteur.
Et comme on a DEUX bobines, alors il est tout-à-fait possible d'utiliser les deux séquences à notre avantage !

Je vous propose le schéma suivant :

On y retrouve la résistance de limitation et la batterie de condensateurs C2.

L'aiguillage est branché dans la zone grisée. Remarquez qu'on lui a ajouté un condensateur en série sur le commun de l'interrupteur, qui bascule d'une bobine à l'autre.

Lors de la mise sous tension, : La tension de 16V (voire même beaucoup plus !) passe à travers la résistance R pour charger petit à petit les condensateurs C2. Lorsque la batterie de condensateur C2 est chargée, le courant de charge s'arrête naturellement. Le système est prêt à fonctionner.
Evidemment, le condensateur C3 se charge aussi (au travers de la bobine) jusqu'à la tension maxi.

Lorsque l'interrupteur bascule, alors toute la charge accumulée pendant la première phase va être libérée dans la seconde bobine.

La bobine a basculé et le condensateur est maintenant complètement déchargé. Cette opération n'a absolument RIEN consommé sur l'alimentation. C'est totalement transparent !

Si on bascule l'interrupteur dans l'autre sens, alors la décharge capacitive C2 va recharger C3 à travers la bobine 1 :

Et le cycle est bouclé ! On peut recommencer !

Quelques remarques complémentaires sur ce montage :
- L'alimentation n'a vraiment pas besoin d'être puissante. Le plus important, c'est la tension qu'elle peut nous donner, l'intensité n'a aucune importance. Un petit transfo de 18V/0.3 A est LARgement suffisant pour notre usage puisque l'énergie sera stockée peu-à-peu dans les condensateurs. Ce n'est pas le transfo qui "donne la patate"..ce sont les condensateurs C2.
- La tension d'alimentation peut monter jusqu'à des valeurs très importantes. Vous pouver choisir une tension de 36 volts continu si ça vous fait plaisir. Le punch n'en sera que meilleur. Evidemment, les condensateurs seront choisis en conséquence (voir dernier point ci-dessous) !
- La résistance ne doit faire que quelques Ohms (maxi 20 Ohms), et encore, on peut s'en passer. Elle ne sert qu'à limiter le courant. Si, par hasard, votre alimentation est de faible puissance (aucun souci), alors la résistance est inutile. Dans la plupart des cas, elle peut même être avantageusement remplacée par une diode 1N4001...7.
- La batterie de condensateurs C2 doit être de TRES forte capacité en ajoutant une palanquée de condensateurs en parallèle.
- Le condensateur C3 doit, lui aussi, être de forte capacité afin d'absorber la plus grande quantité de courant possible. 4700µf est une valeur classique.
- La tension de TOUS les condensateurs doit être adaptée à la tension choisie. Entendez par là que la tension des condensateur doit être supérieure de 1.5x à la tension d'alim. Par exemple, avec 16v d'alimentation, les condensateurs devront pouvoir suporter 16*1.5=24V. Donc des condensateurs de 4700µF/25V seront choisis dans ce cas.

Voici une image qui vous parlera peut-être davantage, avec un branchement inversé, mais identique dans son principe :




5 / Un circuit imprimé pour cela ? Allez.. c'est cadeau !

Le circuit que je vous propose ci-dessous permet de commander un aiguillage à partir d'un décodeur d'accessoires (style LDT ou autre) ou de 2 boutons poussoirs. Il permet aussi de visualiser l'état actuel de l'aiguillage grâce à 2 LEDs. Il suffit d'une impulsion sur l'une des bornes "G" ou "R" du "Com. décodeur" pour faire basculer le relais bistable :

Du fait que le relais soit bistable, le contact est maintenu sans consommation de courant, jusqu’à ce que l’autre bobine soit commandée. A ce moment là, le relais bascule. Le condensateur étant chargé, il se décharge alors à travers la seconde bobine.
-    Le relais est prévu pour une tension de 12 v. Si votre décodeur fournit une tension supérieure, il est préférable de placer une résistance sur le commun. Elle limitera le courant dans les bobinages du relais. Celui-ci doit être de 15mA maxi. Les deux bobinages du relais ont chacun une résistance de 700 Ohm. Par exemple, avec une tension de 15v délivrée par le décodeur, cela donne une résistance de 300 Ohm minimum (600 Ohm maxi par expérience).
-    La résistance qui alimente les deux LEDs doit être de 1,5kOhm (courant de 10 mA dans l’une ou l’autre diode). Evidemment, chaque led permet de visualiser la position actuelle.
-    Le condensateur est de 4700uf pour 25V. Dans mon cas, j'ai réglé la tension d’alimentation des aiguillages autour de 15-18 volts. Cela assure une commutation ferme.
- Les relais sont BISTABLES !
- Le condensateur est de type "électrolytique" "polarisé". Attention à bien respecter la polarité ! le "+" est au milieu (voir la marque "+" sur le typon)

Voici le typon et l'imlantaton des composants  pour 2 aiguillages :


Et voici le typon correspondant (un clic sur l'image permet de télécharger le typon directement imprimable) :
Et voilou ! Vous êtes au bout !
Comme d'hab', n'hésitez pas à m'envoyer vos commentaires et à me signaler toute erreur.