Une alimentation pour trains pilotée par ordinateur
Attention dernière nouvelle : Le comparateur est un 4585 et non
4085. Une alimentation plus performante sera bientôt présentée.
Table des matières
1.Introduction
2.Principe de la PWM
3.Comparaison PWM / continue
4.Montage
4.1.Partie puissance
4.2.Partie commande
5.Petit programme de démonstration
6.Conclusion
1.Introduction
Il existe de nombreuses fa‡ons de réaliser une alimentation , mais il y a en fait 2 grandes familles :
- Les alimentations continues qui délivrent une tension réglable .
- Les alimentations pulsées (PWM) qui délivrent un signal rectangulaire .
2.Principe de la PWM
Ces alimentations délivrent un signal rectangulaire ( 2 etats : 0V ou la tension maximale ex : 12V ) . La fréquence de ce signal est fixe mais son rapport cyclique n est réglable . Le rapport cyclique est le rapport entre le temps o– la tension est maximale ton et la durée de la période T . En diminuant le rapport cyclique , on diminue la valeur de la tension moyenne et en l'augmentant la valeur de la tension moyenne augmente . Vmoy=Vmax*ton/T .
La figure suivante montre le signal rectangulaire pour différents rapports cycliques .
12V _ _
0V _| |____________________| |____
0 ton T
n=.1=10% Vmoy=1.2V
12V __________ ________
0V _| |___________|
0 ton T
n=.5=50% Vmoy=6V
La fréquence du signal produit un bruit dans le moteur de la locomotive , c'est bien pour les locomotives électrique mais pour celles a vapeurs ... Mais avec une fréquence supérieure à 20000hz (20000 période par seconde) , l'oreille n'est plus sensible , donc on n'entend plus rien .
3.comparaison PWM / Continue
Selon moi , l'avantage est à la PWM pour le couple et l'absence de dissipation thermique , mais ca marche mal avec les locomotives dont le moteur est en fer dou .
Comme on applique la tension maximale ou rien , le couple instantanné est toujours soit à 0 , soit au maximum , donc les ralentis sont spectaculaires et la loco s'arrête moins souvent qu'en continue . Ce qui est très bien du point de vue du modelisme .
En continue , si l'alimentation fait 12V et qu'on lui demande de fournir 5V alors un composant appellé transistor ballast est chargé de prendre 12-5=7V . Par exemple , si le moteur consomme 0.5A alors il consomme 0.5*5=2.5W et l'alimentaion convertit .5*7=3.5W en chaleur , donc ca chauffe d'o– un radiateur ... alors qu'avec la PWM , on utilise aussi un transistor mais comme un interrupteur , soit il applique la tension maximale au moteur et donc il a 12-12=0V entres ces bornes , donc il ne consomme rien , soit il n'applique rien d'o– une intensité nulle et donc il ne consomme rien aussi . Il n'y a donc pas besoin de radiateur ... D'o– une simplification .
4.Montage
4.1.Partie puissance
Il faut mettre en jeu le transistor décrit précédament . Ce transistor fonctionne en bloqué / saturé , c' est à dire comme un interrupteur mais commandé . La commande est bien entendu le signal de rapport cyclique réglable .
La figure suivante montre le branchement .
Un " 1 " sur Ve (5V par exemple) fait conduire le transistor , on applique donc 12V sur la voie .
Un " 0 " sur Ve (0V ou rien) bloque le transistor , on n'appliquent aucune tension sur la voie .
La diode sert à protéger le transistor lorsqu'on coupe l'alimentation du moteur , en effet lorsque l'on coupe l'alimentation d'une bobine , il apparaŒt a une très grande tension (de l'ordre de 100V et plus) qui peut détruire le transistor . Si le transistor n'est pas détruit alors il y a des étincelles qui salissent la voie ce qui dimminue le captage du courant , donc la diode empèche aussi en quelque sorte de salire la voie . Si l'alimentation qui fournit le 12V est protégée (contre les courts circuits ou contre les surintensités) alors il n'est pas nécéssaire de protéger le transistor par contre si elle ne l'est pas alors il faut i mpérativement le protéger , mais la majoritée le sont donc je ne décrit pas le système de protection .
Bon avec ceci on peut régler la vitesse de notre locomotive mais pas le sens , on rajoute alors un relais 2RT dont la bobine est alimentée par un transistor lui même piloté par le PC . Le schéma suivant montre le nouveau montage .
Les circuits de commande fonctionnent en 5V qu'il faut donc fabriquer avec le 12V , on utilise pour cela un régulateur 7805 . La figure suivante montr son branchement .
4.2.La partie commande
Le but de cette partie est de piloter le transistor de sens et celui de vitesse grƒce au PC .
Le transistor de sens est directement relié sur un bit en sortie du port parrallèle par exemple D4 .
Le transistor de vitesse est beaucoup plus difficile à commander car il faut lui fournir le signal à rapport cyclique réglable . Ce signal peut se générer soit directement à partir de l'ordinateur ce qui complique grandement le programme et devient pratiquement impossible à gérer lorsqu'il y a plusieur alimentaion . Soit fabriqué automatiqument avec une consigne fixée par l'ordinateur . La figure suivante montre le schéma de cette 2eme solution .
Le 4060 ets un compteur qui comporte son propre oscillateur , sa frequence st fixée par R et C . On prend 4 de ses sortie , ce qui permet de compter de 0 à 15 . On appelle B ce nombre qui évolue donc de 0 à 15 très rapidement .
Les transistors connectés au PC par D0 à D3 fournissent la consigne du PC (de 0 à 15) . Il sont là pour protéger le PC , ainsi si le montage est allumé et l'ordinateur éteint alors aucun courant ne passe dans ce dernier . Mais les bits transmis par l'ordinateurs sont inversés (Il faudra en tenir compte durant la programmtion) . Notons A le nombre fournit par l'ordinateur en sortie des transistor .
Le 4085 est un comparateur qui compare en permanence les nombres A et B . On utilise la sortie A>B pour commander le transistor de vitesse , ainsi lorsque la consigne de l'ordinateur est plus grande que la valeur instantannée du compteur alors la sortie est à " 1 " (5V) . La figure suivante montre le signal pour quelques valeurs de la consigne .
Consigne à 0
Compteur 0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF
5V
0V ___________________________________
Consigne à 1 (1>0)
Compteur 0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF
5V _ _
0V _________________ _________________
Consigne à 8 (8>0..7)
Compteur 0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF>
5V _______ ________
0V _________ ________
Consigne à 15 (15>1..14)
Compteur 0123456789ABCDEF0123456789ABCDEF
5V _______________ _______________
0V _ _
(A=10,B=11,C=12,D=13,E=14,F=15)
La fréquence du signal de sortie est de fosc/16 . Si elle ne convient pas alors on peut la changer .
La figure suivante montre le schéma général de l'alimentation .
Nomenclature:
IC1 7805
IC2 4060
IC3 4085
R1 1 kOhms
R2..R6 2.2 kOhms
R7..R10 10 kOhms
R11 270 Ohms
R12 100 kOhms
C1 220 æF(chimique)
C2,C3 100 nF
T1 TIP 132
T2 2N1711
T3..T6 2N2222
D1,D2 1N4001
5.Un petit programme de démonstration
Le bit D4 contr“le le sens .
Les bits D0 à D3 la vitesse (il y a donc 16 vitesses possibles) mais attention , ces bits sont inversés donc il faut envoyer leurs complément .
Vitesse D3 D2 D1 D0 nombre
0 1 1 1 1 15
1 1 1 1 0 14
..
15 0 0 0 0 0
il faut donc envoyer 15-vitesse désirée
Le petit programme suivant écrit en basic permet de tester l'alimentation
Rem test de l'alimentation
Début :
CLS
print " Réglage de l'alimentation "
print " Sens (0 ou 1) (2=fin) "
input sens
if sens>=2 goto fin
print " vitesse "
input vitesse
out(888,16*sens +15-vitesse)
goto debut
fin :
6.Conclusion
Cette petite alimentation peut servir à controller un train en sens et vitesses (16) . On peut augmenter le nombre de vitesses avec plus de bits . Il est interressant de simuler l'inertie de la locomotive par programmation . Cette réalisation montre une solution mais il en existe beaucoups d'autres .
Bonne réalisation
Delmas-Begue Ulysse
24 janvier 1999
udelmas@etud.insa-tlse.fr
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