L’éclairage des voitures voyageurs

Équiper les voitures voyageurs d’un éclairage intérieur performant.

“Une voiture ça passe, plusieurs voitures, ça lasse.”

Comme dirait un modéliste qui vient de câbler tous les composants d’un éclairage intérieur dans plusieurs voitures voyageurs.

Comme bon nombre d’entre nous, je souhaite éclairer des rames complètes de voitures voyageurs, surtout depuis que j’équipe les anciennes voitures Jouef de vitrages fraisés affleurants.

Avec les rubans LED autocollants, disponibles pour un prix attractif, il semblait que ce serait un travail vite fait et bien fait d’équiper la rame TEE PBA de Jouef. La réalité est légèrement moins idyllique puisque nous sommes dans l’obligation de câbler quelques composants tels que :

• le pont redresseur les LEDs étant polarisées,
• la résistance additionnelle de limitation et d’équilibrage du courant des LEDs
• ainsi que le condensateur qui permet de stocker un peu d’énergie pour palier les mauvais contacts dus à une prise de courant plus que hasardeuse au niveau des roues.

Nous avons vite fait d’encombrer notre voiture avec ses vitrages fraisés parfaitement translucides qui révèlent l’ensemble de l’aménagement intérieur et où on ne voit plus que le condensateur disgracieux. Pour ne pas arranger les choses, ces composants s’accompagnent d’une magnifique choucroute (ou un plat de spaghettis selon que l’on préfère l’un ou l’autre) avec les fils qui relient nos composants. La cerise sur le gâteau est sans conteste la nécessité de prévoir un fil suffisamment long (trop long) pour retirer la caisse du châssis, le ruban de LEDs étant collé à l’intérieur du toit de la caisse. Le risque de casser un fil d’alimentation, de décoller le ruban de LEDs ou d’arracher un composant est permanent à chaque démontage.

Un problème n’arrivant jamais seul, j’étais à court de lamelles de contact et il me semblait absurde de dépenser de l’argent pour équiper mes voitures d’un système de prise de courant ayant largement démontré son fonctionnement aléatoire.

Améliorons l’éclairage des voitures voyageurs Jouef.

Nous interviendrons sur deux éléments de l’éclairage :

• la rampe lumineuse proprement dite avec ses composants annexes et son raccordement électrique au châssis
• la prise de courant sur les roues du bogie.

La rampe lumineuse.

Puisqu’il n’est plus question de rendre les LEDs solidaires de la caisse, le plus simple consiste à utiliser une barre d’éclairage fixée au châssis par vissage au moyen de deux chandelles en laiton qui assurent le raccordement électrique. Le raccordement au(x) fil(s) de captage du courant sur les roues se fait au moyen d’une simple cosse à souder. Les rubans LEDs autocollants répondent parfaitement à notre besoin puisqu’ils ont un pas de 3 LEDs tous les 5 cms ce qui donne un éclairage uniforme, ils sont disponibles en différents tons de blanc (blanc chaud, blanc froid, blanc normal) et ils sont recoupables pour s’adapter quelle que soit la longueur de la voiture.

En cas de besoin, le ruban LEDs autocollant peut être remplacé aussi vite qu’il a été posé, c’est à dire en quelques secondes (en cas de panne ou de LED grillée ou si l’on souhaite changer de tonalité pour la température de couleur). Le prix d’un tel ruban autocollant étant très faible, il serait inutile de s’en priver.

Ce produit s’inscrit donc dans une démarche écoresponsable puisqu’il est facilement réparable sans outillage spécifique.

L’utilisation d’un circuit imprimé comme support mécanique de la rampe d’éclairage permet d’apporter une solution simple pour les différents raccordement électriques ainsi que pour l’installation des composants annexes.

Profitons de la commodité du circuit imprimé et de la possibilité de miniaturisation des composants pour libérer la zone visible de la voiture des composants encombrants, notamment le condensateur.

Les condensateurs offrant la plus forte capacité volumique sont les condensateurs au tantale et il est très facile d’en installer au dessus de la rampe d’éclairage donc en dehors du champ de vision du spectateur.

Ces condensateurs présentent tout de même quelques inconvénients qui sont :

• le prix élevé
• la tension de service qui ne dépasse que très rarement 35V
• la capacité maximale par condensateur de 100µF pour une tension de service de 25V.
• La technologie des condensateurs au tantale nécessite l’utilisation d’une ressource mondiale qui s’épuisera un jour, les terres rares.

Les condensateurs au tantale ne peuvent supporter aucune surtension. En cas de surtension, les condensateurs qu’ils soient au tantale ou électrolytiques chauffent puis explosent avec un risque de flamme à toute tension même modérément supérieure à la limite. Vérifiez soigneusement la tension de sortie maximale de votre alimentation ainsi que la forme d’onde. En cas de redressement double alternance, il faut multiplier la tension moyenne mesurée au voltmètre par 1,414 après filtrage par les condensateurs qui emmagasinent la tension de crête (en redressement simple alternance il faut multiplier la tension moyenne par 2,828).

Au risque de sacrifier un peu du réalisme, le circuit imprimé prévoit l’implantation optionnelle non pas d’un mais de deux condensateurs électrolytiques de 1000µF 25V (ou avec une tension de service de 35V pour augmenter la marge de sécurité), chacun à une extrémité de la voiture à un emplacement très peu visible de l’extérieur, à savoir la plateforme d’extrémité / couloir toilettes.

Deux options sont proposées pour le montage des condensateurs électrolytiques selon la hauteur des chandelles support.

Avec des chandelles de 20mm, le ruban de LEDs est au niveau supérieur des baies vitrées et les condensateurs peuvent être montés au dessus du circuit imprimé pour les voitures disposant de la hauteur nécessaires sous le toit, c’est à dire presque toutes les voitures Jouef avec bogies Y24, sauf les voitures Inox et les voitures CIWL longues. Les chandelles de 20mm ne conviennent pas forcément pour certains aménagements intérieurs.

Avec des chandelles de 25mm, les condensateurs électrolytiques peuvent être montés sous la barrette d’éclairage, l’espace entre la barrette et le toit n’étant plus suffisant pour loger ce type de condensateur (les condensateurs au tantale peuvent toujours être installés au dessus). Les 5mm gagnés en hauteur font gagner l’espace nécessaire pour que les condensateurs ne soient plus qu’à peine visible en partie hautes des baies vitrées, encore faut-il observer la voiture à l’horizontale.

Même si les condensateurs électrolytiques restent discrets pour l’observateur, ils perturbent néanmoins la diffusion de la lumière vers les plateformes d’extrémité de la voiture.

Tel que le circuit imprimé est conçu, il est donc possible de disposer d’une capacité de condensateur de 2500µF ( 2900µF si l’on prend en compte les condensateurs incorporés dans les bogies ), ce qui reste une valeur tout à fait inhabituelle sans nuire de manière significative au réalisme de l’aménagement intérieur.

Bien entendu avec une telle capacité du condensateur embarqué, l’insertion d’une résistance de limitation du courant d’appel lorsque le condensateur est déchargée est prévue sur le circuit imprimé. La valeur de 47 à 100 ohms semble un bon compromis pour une vitesse de charge du condensateur satisfaisant tout en limitant le courant d’appel à une valeur de 100 à 200 mA. Cette valeur de courant s’établit pendant un très court instant lorsque le condensateur est entièrement déchargé et après quelques millisecondes ce courant descend à la valeur consommée par les LEDs.

Puisque nous disposons d’un circuit imprimé il est aussi possible d’installer un régulateur de tension qui évite les fluctuations d’intensité de l’éclairage liées à la décharge progressive des condensateurs en cas de coupure de l’alimentation.

La tension nécessaire aux LEDs pour une ambiance lumineuse réaliste est comprise entre 8V et 9V. L’intensité lumineuse reste donc constante pendant toute la décharge des condensateurs depuis la valeur de la tension aux bornes du condensateur (18V pour une alimentation avec un transformateur redresseur classique de n’importe quelle marque) jusqu’à 10V si l’on tient compte de la chute de tension liée au régulateur de tension.

Nota : dans les faits la luminosité des LEDs dépend de l’intensité qui les traverse. Cependant les 4 tronçons de 3 LEDs utilisés pour la voiture TEE PBA sont déjà équipés de résistances d’équilibrage pour chacun des tronçons. Il n’est donc possible que de mesurer l’intensité traversant les 4 tronçons, qui est de 7mA, soit un peu moins de 2mA pour les 3 LEDs en série de chaque tronçon. Ce courant est obtenu pour une tension d’alimentation de 8 à 9V environ. Les LEDs blanches ayant un seuil de tension de 3V / 3,5V environ, au delà elle se comporte comme un court-circuit, sa résistance interne devenant presque nulle. C’est bien la résistance en série qui provoque la chute de tension qui évite de faire passer un courant trop important et destructif en l’absence de résistance dans la LED. Les électroniciens auront noté qu’avec les valeurs mesurées, la diode fonctionne dans le coude de la courbe tension/courant.

Avec cette barre d’éclairage, finis les tâtonnements pour trouver la bonne valeur de la résistance pour ajuster l’intensité de l’éclairage. Un simple potentiomètre permet de régler l’intensité lumineuse en continu dans la voiture en quelques instants à l’aide d’un simple tournevis.

Qui peut le plus peut le moins, il va sans dire que le circuit imprimé est prévu pour alimenter les LEDs au moyen de la classique résistance sans utiliser le régulateur de tension.

Les photos illustrent la barre d’éclairage que je peux comme d’habitude proposer aux amateur intéressés.

Le captage du courant.

La rampe d’éclairage peut être alimentée au moyen des lamelles de prise de courant classiques en soudant le fil de connexion à une cosse à souder vissée sur la chandelle support.

La miniaturisation des composants et la mauvaise volonté que j’avais pour équiper mes voitures d’un système de captage archaïque m’a incité à équiper mes bogies d’un captage sur chacune des 4 roues.

L’utilisation de palpeurs élastiques et très souples en bronze béryllium limite les frottements à une valeur très acceptable.

Nota : le terme chrysocale étant parfois utilisé pour désigner ce type de bronze j’en profite pour rappeler la définition du terme chrysocale : “Alliage de cuivre, de zinc et d’étain en proportions variables et ayant l’aspect de l’or”. Le terme chrysocale est donc inapproprié car il ne désigne pas l’alliage qui a les propriétés du bronze béryllium (Il n’est fait mention ni de béryllium ni du phosphore dans le cas du bronze phosphoreux dont les caractéristiques élastiques peuvent aussi intéresser le modéliste). En effet ce qui intéresse le modéliste dans ce matériau ce sont ses propriétés élastiques et sa dureté et non pas son apparence proche de celle de l’or.

Tant qu’à faire, pourquoi se priver de l’espace disponible sous les bogies Jouef pour y loger des condensateurs et bien entendu le pont redresseur qui s’impose.

Un seul bogie devient par conséquent aussi efficace que les deux bogies dans la configuration classique et même plus puisqu’il peut contribuer au stockage de l’énergie dans un condensateur (deux condensateurs pour être précis).

S’agissant de condensateurs au tantale et sachant ce qui en a été dit plus haut, ils sont onéreux et la capacité est limitée à 200µF par bogie.

Ceci permet quand même de disposer de 400µF et de la tension redressée, par conséquent il est possible de supprimer tous les composants additionnels (en conservant la résistance) qui encombrent l’aménagement intérieur d’une voiture déjà équipée d’un éclairage par LEDs.

L’utilisation de ces bogies qui à défaut d’être intelligents n’en sont pas moins efficaces, nécessite d’équiper chaque voiture de deux feeders, un pour chaque polarité et surtout en ne se trompant pas dans la polarité au moment du branchement sous peine de griller les ponts de diodes. Ces feeders en ruban de cuivre autocollants sont fixés sur le châssis et courent d’une extrémité à l’autre de la voiture. Chaque chandelle support de la barre d’éclairage sera raccordée à un feeder. La barre d’éclairage disposant de son propre pont de diodes, il n’y a pas à se préoccuper de la polarité lors du raccordement d’un feeder à la chandelle support de la rampe d’éclairage.

Compatibilité du système d’éclairage des voitures.

Ce système d’éclairage a été conçu pour les voitures Jouef mais la barre d’éclairage est potentiellement compatible avec toutes les marques. La principale différence entre les types de voitures est la longueur de la barre d’éclairage. Un modèle spécifique de barre d’éclairage sera donc proposé selon la longueur de la voiture.

Le système de captage de courant est compatible avec tous les bogies Jouef. Seuls les bogies Y24 avec les roues d’origine (que tous les amateurs auront probablement remplacées tant les roues ne tiennent pas sur les axes) nécessitent de réduire légèrement la largeur du circuit imprimé en frottant le bord sur du papier de verre (quelques dixièmes de millimètres suffisent).

Les limites de fonctionnement au niveau électrique de cette barre d’éclairage sont de 20V à l’entrée du régulateur (La tension nominale des condensateurs de 25V offre une marge de sécurité satisfaisante, notamment pour les condensateurs au tantale).

Ces conditions sont conformes à l’alimentation d’un réseau HO en 12V mais dans une prochaine version, un dispositif d’écrêtage de la tension sera mis en amont du régulateur pour éviter toute mauvaise surprise.

A condition de respecter le maximum de 20V à l’entrée du régulateur de tension, cette barrette est compatible sans aucune modification ni ajout avec la plupart des types d’alimentations utilisées à l’échelle HO, à savoir :

• le transformateur redresseur classique jusqu’à 12V,
• l’alimentation pulsée (PWM) jusqu’à 20V mais il vaut mieux éviter une tension aussi importante aux bornes des moteurs,
• l’alimentation stabilisée à sortie variable jusqu’à 20V mais il vaut mieux éviter une tension aussi importante aux bornes des moteurs,
• le digital, que ce soit directement avec la tension présente sur la voie ou par l’intermédiaire d’un décodeur,
• les alimentations par superposition de courant BF utilisées en analogique pour l’éclairage constant.
• les alimentations en tension alternative ( attention à l’éventuelle inversion du sens de marche par surtension qui dépasse la limite de 20V et qui est destructive pour l’électronique ).

Certaines alimentations analogiques qui sont réputées améliorer les ralentis par superposition d’une impulsion périodique doivent faire l’objet d’une vérification préalable pour s’assurer que cette impulsion ne fait pas plus de 20V.

La mise en place d’un dispositif d’écrêtage dans les versions à venir permettra l’utilisation de ces barrettes d’éclairage même avec l’inversion par surtension ou avec la superposition d’impulsions de plus de 20V

Évolutions et améliorations.

Il est tout à fait possible dans l’état actuel de brancher une LED d’éclairage de fin de convoi en parallèle sur le ruban de LEDs en insérant une résistance de valeur adéquate.

Pour les versions futures, notamment pour les voitures mixtes fourgons, le circuit imprimé prévoira l’emplacement pour cette résistance de limitation du courant destiné à la (aux) diode(s) d’éclairage des feux de fin de convoi, ainsi que des pastilles pour y souder les fils de raccordement de la diode (ces fils seront invisibles de l’extérieur puisque situés dans la partie fourgon).

Il pourrait être envisagé de prévoir un second régulateur de tension pour l’alimentation des feux de fin de convoi dont les diodes nécessitent une tension plus faible que la rampe d’éclairage. Cette disposition permettrait de maintenir l’éclairage constant des feux de fin de convoi sur une durée plus longue que pour l’éclairage intérieur. Cette évolution n’est pas planifiée pour le moment.

Exemple d’installation sur une voiture Pullman CIWL Jouef longue

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Et le prix dans tout ça.

Une amélioration aussi significative a certes un coût mais si l’on prend en compte la transformation radicale du réalisme de l’éclairage ainsi que le gain de temps pour l’installation, le prix reste largement dans la partie basse de la fourchette pour un tel équipement.

Par contre l’utilisation des condensateurs au tantale qui étaient l’une des motivations de ce projet, conduira à une augmentation important du prix.

En guise de conclusion.

Cette approche apporte une très nette amélioration du réalisme des voitures éclairées.

Le gain de temps pour l’équipement d’une voiture est très significatif puisqu’il n’est plus que d’un dizaine de minutes. Toutefois pour installer les bogies capteurs, la mise en place des feeders d’alimentation impose quelques soudures supplémentaires, ce qui peut nécessiter un peu plus de temps.

Très important : il faut absolument s’assurer que la tension crête qui sera appliquée aux condensateurs ne dépasse en aucune façon 25V compte tenu du risque de dégâts que tout dépassement pourrait occasionner au véhicule sur lequel ils sont installés sans compter le prix élevé des condensateurs au tantale. Conserver une marge de sécurité de 5V semble une bonne pratique ce qui donne une recommandation pour une tension de crête de 20V. Sachant que certains transformateurs redresseurs affichent une tension moyenne de sortie de plus de 16V, soit 22,6V après filtrage.  Ainsi il est aussi préférable de limiter l’utilisation des condensateurs au tantale aux voitures voyageurs où l’espace disponible pour installer des condensateurs électrolytiques est insuffisant, notamment lorsque la configuration de l’aménagement intérieur ne le permet pas. Il convient aussi de rappeler que les condensateurs installés sur les bogies ne sont protégés par aucun dispositif d’écrêtage éventuel de la tension de la voie.

Pourquoi avoir commencé avec les voitures TEE PBA Jouef ? Tout simplement parce que leur éclairage s’inscrit dans la continuité des amélioration en cours qui ont commencé avec l’installation des vitrages affleurants.  Les barrettes d’éclairage pour voitures TEE PBA conviennent aussi pour toutes les voitures UIC, Inox, et autres Grill express ainsi que pour les voitures CIWL longues. La mise à disposition des barres d’éclairage pour les autres voitures se fera très rapidement, celles pour les voitures OCEM RA, les voitures armistice ex DR et les voitures Romilly modernisées sont déjà en production.

Voici une vue en CAO de la rampe d’éclairage avec les améliorations mentionnées dans l’article. Il existe même la possibilité d’installer deux condensateurs electrolytiques supplémentaire, ce qui conduit à disposer jusqu’à 4900µF de stockage d’énergie ou à avoir recours à de plus petits condensateurs en nombre plus important.