Alimentation PWM pour moteurs de locomotives.

Description de l’alimentation PWM.

Une alimentation PWM ou alimentation pulsée est un dispositif électronique qui permet de faire varier la tension d’alimentation en envoyant des impulsions de durée variable.

Ceci permet déjà de clarifier les multiples dénominations des ces alimentations. Comme elles fournissent des impulsions périodiques, ceci leur a rapidement valu l’appellation d’alimentation pulsée.

Les impulsions étant de largeur variable pour ajuster la tension de sortie, en français ceci leur a valu l’appellation d’alimentation par modulation de largeur d’impulsion, aussi connues sous l’abréviation alimentations MLI.

L’appellation la plus courante est bien entendu la traduction de modulation par largeur d’impulsion en langue anglaise, ce qui donne pulse width modulation universellement connue sous l’abréviation alimentation PWM.

Voici en quelques images l’allure d’un signal PWM pour des tensions de sortie différentes.

A gauche l’oscilloscope et à droite le boitier de l’alimentation PWM. Les réglages de l’oscilloscope nous permettent de lire la tension qui est à un peu plus de 12 V sur la première impulsion, puis 0V. La période du signal PWM est un peu supérieure à 40 µS, soit une fréquence de 25 kHz environ.

Il était tentant de partir sur la fréquence du secteur (50 impulsions par seconde, soit 50 Hz) mais compte tenu des performances des composants électroniques, des vibrations dans les moteurs ainsi que des sifflements sonores, la fréquence retenue aujourd’hui se situe généralement entre 12 et 30 kHz (entre 12 000 et 30 000 impulsions par seconde).

L’impulsion de 12 V dure environ 1/4 de la durée de la période et le voltmètre affiche bien 3 V, c’est à dire 12V / 4 = 3 V.

Voici le réglage de l’alimentation PWM à un rapport cyclique proche de 50 %, c’est à dire que la durée de l’impulsion de 12 V est égale à la durée où la tension vaut 0 V. Sans surprise, la tension du voltmètre de l’alimentation PWM affiche bien 6V (pas loin en tout cas) soit 12 V / 2 = 6 V.

Et voici le cas le plus simple avec un rapport cyclique de 100 %, la tension de 12V (12,6 V exactement) est présente en permanence, ce qui correspond à la lecture que l’on peut faire sur le voltmètre du boitier PWM.

Les avantages de l’alimentation PWM.

Nous avons déjà cité le principal inconvénient de ces alimentations ainsi que le moyen par lequel il a été solutionné. Pour le reste, il n’y a plus que des avantages.

En premier lieu, comme l’impulsion a la valeur de la tension maximale, le couple instantané du moteur est aussi à la valeur maximale, ce qui permet au moteur de démarrer à une tension moyenne légèrement plus basse, les résistances mécaniques au démarrage étant vaincues par ce mode d’alimentation.

Ces alimentations chauffent très peu. En théorie, lorsque le transistor de commutation est bloqué,  il n’est traversé par aucun courant donc la puissance dissipée est P=UI, soit P= 12 V x 0 A = 0 W. De même lorsque le transistor est passant, la tension à ses bornes est proche de 0, donc la puissance dissipée est P = 0 V x  n A = 0 W.

En réalité, les échauffements sont dus aux temps de commutation des transistors visibles sur le signal de l’oscilloscope. En effet les passages de 0V à la tension max et inversement ne sont pas strictement verticaux, ce qui produit une dissipation de puissance. La puissance dissipée augmente avec la fréquence de commutation. Une autre source d’échauffement est la tension de saturation du transistor qui n’est pas nulle, ce qui produit aussi une dissipation de chaleur.  Néanmoins, pour la commande de nos modèles réduits, la puissance dissipée reste très faible, elle est pratiquement insignifiante.

Un autre avantage est que entre deux impulsions, il est possible de mesurer la force contre électro motrice (FCEM) du moteur. C’est quoi cette FCEM ? Comme le moteur continue à tourner entre deux impulsions, il se comporte comme une génératrice à courant continu. Ceci revient à dire que cette FCEM permet de lire la vitesse de rotation du moteur en lecture directe. Nous disposons par conséquent de l’information nécessaire pour asservir la vitesse du moteur à la consigne, quelle que soit la charge qui lui est appliquée. Bref la vitesse du moteur peut devenir indépendante de sa charge.

Enfin, n’importe quelle source d’alimentation continue convient à ces régulateurs (batterie, transformateur redresseur avec filtrage ou toute autre source d’alimentation continue). Par leur très faible encombrement ils peuvent trouver leur place n’importe où. Les adeptes du DCC le savent bien, un décodeur de locomotive n’est en fait qu’une alimentation PWM pilotée par un micro-contrôleur.

En pratique.

Voici le schéma presque universellement partagé sur la toile pour fabriquer une alimentation PWM.

Il convient de ne pas oublier la diode D6 qui ne figure pas souvent sur les schémas trouvés sur internet pour éviter les surtentions de la charge inductive lors du découpage de la tension (voir l’article sur l’antiparasitage des moteurs).

Les valeurs de RV1 et de C4 indiquées donnent une fréquence d’environ 10kHz. Pour le calcul de ces valeurs pour d’autres fréquences voir la fiche de caractéristiques (datasheet) du NE555 en cliquant sur ce lien.

L’examen de cette même fiche de caractéristiques montre que ceci correspond au fonctionnement astable du circuit intégré qui fait varier le rapport cyclique en modifiant le rapport des résistance de temporisation en déplaçant le potentiomètre. Certes ceci répond au besoin de modulation de la largeur des impulsions mais ce schéma ne permet pas la modulation par une tension de consigne comme il est nécessaire pour asservir la vitesse.

Voyons à nouveau la fiche de caractéristiques du NE555 pour le fonctionnement du circuit en PWM où la remarque du § 9.2.2.1 nous informe que la fonction de transfert n’est pas linéaire, autrement dit la valeur de la tension de sortie n’est pas directement proportionnelle à la tension d’entrée, donc à la position du potentiomètre. Ceci n’est pas vraiment gênant pour une commande de vitesse d’un train.

Exemple pratique de réalisation d’une alimentation PWM

Voici quelques images pour illustrer une fabrication personnelle d’une alimentation PWM de 2 A avec le bloc d’alimentation à brancher sur la prise secteur qui permet d’alimenter les moteurs les plus voraces.

L’afficheur fournit la tension de sortie ainsi que le courant consommé au niveau de la voie.

La face avant est en plexi fumé fraisé, elle peut supporter tous les constituants de l’alimentation. La boitier n’est donc pas indispensable et la face avant peut se visser directement sur le tableau de commande du réseau, les borniers servant dès lors à repiquer la tension d’alimentation et la tension de sortie pour des besoins ponctuels.

Les composants pour la fabrication personnelle d’une alimentation PWM

Il y a encore quelques années, il fallait jouer du fer à souder pour fabriquer artisanalement ces alimentations.

Maintenant de tels modules avec un NE555 cablé pour la modulation PWM sont en vente prêts à l’emploi. Il suffit de brancher l’alimentation d’un côté et la voie de l’autre, et le tour est joué.

Plusieurs configurations sont disponibles :

• potentiomètre de réglage de vitesse déporté ou soudé sur le circuit.
• avec ou sans interrupteur d’arrêt, en général en tournant le potentiomètre en butée vers la gauche.
• avec ou sans commutateur d’inversion du sens de marche.

La puissance de telles alimentations peut être très élevée et des puissances de plusieurs kW sont courantes.

L’examen d’une telle alimentation permet de constater que :

• la diode de protection est une diode de puissance Shottky ultra rapide.
• Le transistor est un MOS FET supportant 30A à une tension qui ne devrait pas dépasser 30V, d’où le besoin impératif de la diode de protection.

Comme il n’y a aucune raison pour que le modélisme ferroviaire soit un loisir onéreux, ces régulateurs d’alimentation PWM sont vraiment très économiques et ne coûtent souvent que quelques euros à l’unité, prix impossible à tenir avec une fabrication personnelle.

En voici quelques exemples.

Controleur de vitesse PWM pour moteur DC 6V 12V 24V 28V 3A ajustable de 0% à 100%Contrôleur PWM de vitesse pour moteur DC 3AContrôleur de vitesse PWM avec interrupteur d’inversion 120W 10V 12V 24V 30V

Prenez garde toutefois de protéger ces modules des court-circuits en cas de déraillement par exemple. Plusieurs solutions existent, depuis la mise en série d’une ampoule d’éclairage de voiture (lampe ballast 12V 21W par exemple), en passant par le fusible ou le bilame, voire même une protection électronique. Nous pourrons revenir sur ce sujet dans une autre article.

Voici par exemple un fusible réarmable automatiquement (même principe de fonctionnement que le bilame) plus pratique et plus économique qu’un fusible simple puisqu’il n’y a plus besoin de le remplacer, et bien plus simple qu’une protection électronique active.

Ce fusible réarmable de 1A à 1,5A, ou moins si la consommation du matériel roulant le permet devrait être placé en amont de la voie pour protéger le matériel roulant, vous ne voudriez par que 30A circulent sur votre réseau en cas de court circuit.

Vous pourrez aussi protéger le dispositif électronique en plaçant un fusible normal calibré à 3A ou moins avant l’alimentation PWM.

20x fusible réarmable 30V 1.1A

Il faut encore fournir de l’énergie à l’alimentation PWM. Il est possible d’utiliser un petit bloc d’alimentation surmoulé dans la prise dont l’intensité peut atteindre 2A et même 3A.

Des blocs d’alimentation plus puissants peuvent être mis à profit tels que décrits dans cet article consacré aux solutions modernes de remplacement de nos vieux transformateurs.

Un microcontrôleur pour une alimentation PWM.

Il est tentant d’utiliser un microcontrôleur pour réaliser une alimentation PWM.

Une fois de plus nous chercherons du côté Arduino qui nous permet de réaliser une alimentation PWM avec une facilité déconcertante.

En effet il suffit de 2 lignes de code et d’une carte additionnelle (shield) à base de L298H pour disposer d’une alimentation PWM extrêmement performante et qui ouvre des possibilités pratiquement infinies de gestion de la vitesse, de l’inertie et de toute consigne spécifique telle qu’un automatisme de type va et vient ou telle que le signalisation en block automatique.

Plus de détails seront donnés dans cet article consacré à une alimentation PWM asservie.

L’asservissement de vitesse.

Les régulateurs d’alimentation PWM du commerce ne comportent pas de circuit d’asservissement de la vitesse.

Ceci fera l’objet d’un autre billet compte tenu de l’étendue du sujet.

Les utilisateurs des décodeurs numériques disposent du logiciel d’asservissement dans le micro-contrôleur de commande. Pour nous autres, amateurs du CC 2 rails classiques, il faudra un peu jouer du fer à souder.