22/04/202125/04/2021.

Schéma du circuit quadrupleur de tension

Je n’ai pas l’intention d’expliquer le fonctionnement de ce circuit. Si vous êtes intéressé, vous pouvez consulter le site Electronique et informatique, ou Wikipédia déjà cité.

Dans ce schéma, les condensateurs C3 et C4 participent à la fois au fonctionnement et à la réserve d’énergie. Attention : leur tension de service doit être supérieure à 30 V (c.-à-d. le double de la tension d’entrée supposée égale à 15 V crête). Les condensateurs C1 et C2 sont des céramique de faible encombrement.

Schéma du quadrupleur de tension

Pour comparaison : schéma du circuit « classique »

Le redresseur composé des diodes D1 à D4 peut bien sûr être un composant intégré, ce qui est suggéré par l’encadrement en traits mixtes.

La valeur de R1 est faible, généralement autour de 100 Ω.

Schéma du redresseur classique

Premiers essais

Les premiers essais ont révélé un problème : à la mise sous tension, lorsque les condensateurs sont déchargés, les diodes sont soumises à des pointes de courant importantes, de l’ordre de 3 A, qui s’atténuent au fil du temps. Mais elles dépassent de beaucoup les valeurs maximales admissibles par les petites diodes que j’utilise, et je crains qu’elles ne perturbent en plus la centrale DCC elle-même.

Voici l’allure du courant dans une diode après avoir ajouté une résistance de 10 Ω dans le circuit d’alimentation, pour atténuer ces pointes :

Courant dans une diode

Relevé effectué sur oscilloscope PicoScope 2204A.
Facteur de conversion tension – courant : 1 A / V ; base de temps : 50 µs / div.

Valeurs mesurées : IMAX = 0,47 A ; T = 15 µs.

Les pointes de courant atteignent encore presque 0,5 A pendant 15 µs, sachant que les diodes 1N4148 ont un courant de pointe non répétitif (IFSM) de justement 0,5 A pendant 1 µs ! C’est clairement encore trop.

Avec une résistance de 100 Ω, cela va mieux, pour une chute de tension qui reste négligeable par rapport à la résistance à mettre en série avec les LED, qui est de 45 kΩ dans l’exemple précédent.

Courant dans une diode avec résistance de 100 ohms

Facteur de conversion tension – courant : 1 A / V ; base de temps : 50 µs / div.

Valeurs mesurées : IMAX = 0,11 A ; T = 40 µs.

Évolution du courant dans une diode

C’est le même relevé que précédemment, mais avec une base de temps beaucoup plus longue : 100 ms au lieu de 50 µs.

Courant dans une diode pendant 0,5 s

Le facteur de conversion tension – courant est encore de 1 A / V ; la durée du relevé est de 0,5 s. On voit que les pointes de courant sont au début de 110 mA pour finir à 10 mA. Le courant moyen est beaucoup plus petit, de l’ordre de 1 mA.

Nouveau schéma

Finalement, voici le schéma incluant la résistance R1 :

Schéma de quadrupleur modifié

Caractéristique de sortie

Il est intéressant de connaître la caractéristique de sortie I = f (V) du quadrupleur considéré comme une alimention à courant continu (en régime permanent).

Pour cela, j’ai fait un montage d’essai sur platine à trous, et j’ai relevé ces grandeurs pour différentes charges, y compris pour le court-circuit. En théorie, les valeurs ICC (courant de court-circuit) et V0 (tension à vide) permettent de tracer la courbe, si toutefois la caractéristique est linéaire.

Le petit dessin représente le schéma équivalent de l’alimentation mise en court-circuit, avec V0 qui est sa FEM (force électromotrice), et r qui est sa résistance interne. Valeurs relevées :

Caractéristique de sortie

Tension (V) 61,7 57,8 55,8 54,6 48,9 0
Courant (mA) 0 1,23 2,11 2,55 5,26 28,2

La résistance interne r est approximativement de 2,2 kΩ.

Le schéma précédent présente un petit inconvénient : il nécessite deux condensateurs électrolytiques. En général, dans les voitures à éclairer, il y a deux toilettes, donc assez de place pour les loger. Mais ce n’est pas toujours le cas. On peut alors utiliser le schéma ci-dessous.

Il y a ici quatre condensateurs céramique de petite taille plus un seul condensateur électrolytique, mais avec une tension de service plus élevée (63 V au lieu de 35 V), et donc un encombrement plus grand pour la même capacité — ou une plus petite capacité pour le même encombrement. Cependant, on a vu que ce montage ne nécessite que de faibles valeurs de capacité.

Autre schéma de quadrupleur

Association avec un décodeur DCC

Personnellement, je commande le plus souvent l’éclairage de mes voitures avec de simples ILS bistables qui donnent toute satisfaction.

Cependant, je me suis demandé s’il était possible de combiner le quadrupleur avec un décodeur DCC. A priori, ce n’est pas évident : les tensions sont trop différentes. La solution existe, mais cela devient un peu compliqué : la sortie du décodeur qui va commander l’éclairage doit être isolée de la partie 60 V à l’aide un optocoupleur (ou optoisolateur), de la façon suivante :

Schéma avec décodeur DCC

Cet optocoupleur doit avoir une tension de sortie à l’état bloqué (VCE0) supérieure à 60 V. Noter que son emplacement dans le circuit des LED est indifférent.

Fonctionnement : lorsque la sortie du décodeur est inactive, la LED de l’optocoupleur est éteinte, le transistor de sortie est bloqué, l’éclairage est éteint. Si la sortie du décodeur est activée, le transistor se sature (à condition que les résistances soient bien calculées ! Calcul), il devient passant et l’éclairage s’allume.

Cependant, il faudra prévoir un circuit de réserve d’énergie supplémentaire côté décodeur qui ajoutera à l’encombrement global. En effet, en cas de perte d’alimentation, les sorties du décodeur se désactivent. Le circuit des LED sera lui aussi coupé, bien qu’il soit muni d’une réserve d’énergie.

Je ne pense donc pas que ce soit une solution très intéressante. Pour ma part, je n’utilise un décodeur que pour une rame complète (TEE par exemple), et, dans ce cas, il n’y a pas en général de difficulté pour trouver de la place pour des condensateurs assez gros.

Conclusion

Dans les modèles auxquels j’ai appliqué le schéma à quadrupleur, l’effet est spectaculaire : avec un ou deux condensateurs de 100 µF, et parfois 15 LED, j’obtiens des durées de maintien de l’ordre de 5 secondes.

De plus, j’ai un schéma standard dans lequel il suffit de changer le nombre de LED et la valeur de la résistance série pour l’adapter à n’importe quel cas particulier.

Je regrette seulement de ne pas y avoir pensé avant.

Optocoupleur CMS
FODM124R2 On Semiconductor
Tension collecteur-émetteur 80 V
CTR 100-1200% à 1 mA
chez TME.eu

Calcul de R1

Les données sont : le courant dans les LED, ici nommé IC (courant collecteur), = 0,5 mA ; le taux de transfert en courant (CTR = Current transfer ratio), = 100% à 1200% ; la tension de sortie du décodeur, VCC = 15 V.

Le taux de transfert est le rapport entre le courant de sortie et le courant d’entrée : CTR = IC/IF. Donc IF = IC/CTR.

La difficulté est dans la grande imprécision de valeur du CTR. Il faut que cela fonctionne dans le pire des cas, donc quand le CTR est le plus faible — qui peut le plus…

On prend donc CTR = 100% = 1 ; donc IF = IC/1 = IC = 0,5 mA. On constate que le décodeur ne risque pas d’être surchargé !

Schéma pour le calcul de l’optocoupleur

Dans le circuit d’entrée, la LED de l’optocoupleur chute environ 1,5 V ; il reste donc VR1 = 15 − 1,5 = 13,5 V aux bornes de la résistance R1. En appliquant la loi d’Ohm :

R1 = VR1 / IF = 13,5 / 0,5.10−3 = 27.103 = 27 kΩ.