L’éclairage du matériel roulant en analogique

Ce que cet article traite

L’éclairage d’un train miniature pose des problèmes différents selon le type de commande. En analogique, la voie est alimentée par une tension variable. En digital, la voie est alimentée par un signal carré alternatif à tension fixe. Les préoccupations ne sont pas les mêmes, et les solutions non plus.

Cet article traite principalement de l’analogique. Le digital est abordé en fin d’article, parce qu’il change la donne sur un point simple : soit le décodeur gère l’éclairage, soit la forme d’onde permanente permet un éclairage continu.

Les origines : nostalgie, réalisme, technique

Pour augmenter l’attractivité du train miniature, les fabricants n’ont pas mis longtemps pour ajouter une lampe à incandescence branchée directement sur le moteur de la locomotive. Peu après, les voitures voyageurs ont été équipées de lampes alimentées par des prises de courant sur les roues, et les feux de fin de convoi ont suivi. Ce système simple et économique a fasciné des générations entières d’enfants. C’est la nostalgie de ces trains qui s’animent qui rassemble encore aujourd’hui une grande partie de la communauté.

Mais l’éclairage d’origine avait ses défauts : l’intensité dépendait de la vitesse, l’éclairage s’allumait dans les deux sens, et les défauts de contact donnaient des scintillements peu réalistes. C’est la recherche du réalisme qui a fait évoluer les solutions : inversion des feux, LED, stabilisation, réserve d’énergie.

C’est la technique qui rend ce réalisme accessible. Les solutions décrites dans cet article ne demandent ni laboratoire ni budget important : quelques composants, un peu de méthode, et l’éclairage d’un train miniature devient aussi fidèle que celui d’un modèle haut de gamme. C’est ce parcours — de la nostalgie au réalisme, et du réalisme à la technique — que cet article raconte.

Le problème central : une intensité constante dès la plus faible tension

En analogique, la tension de voie varie de 0 à 12-16 V. L’éclairage doit donc fonctionner avec une tension qui change tout le temps, et qui peut descendre très bas. Le but est simple : obtenir une intensité lumineuse constante dès la plus faible tension d’alimentation possible.

Cela suppose deux choses : une réserve d’énergie (condensateur) pour maintenir l’éclairage lors des coupures et à basse tension, et une stabilisation qui fonctionne tôt, sans consommer trop de tension.

Les formes d’onde en analogique

Toutes les alimentations analogiques ne se valent pas, et le comportement de l’éclairage en dépend directement.

Le continu pur. La tension est continue, sans ondulation. Un condensateur de réserve se décharge progressivement, sans recharge périodique.

Le redressé double alternance. La tension est redressée, mais non filtrée. La tension moyenne mesurée au voltmètre est de 12 à 16 V efficaces, mais après filtrage par un condensateur, la tension de crête atteint 18 à 25 V (tension moyenne × 1,414). C’est cette tension de crête qui charge le condensateur de réserve, et c’est elle qu’il faut prendre en compte pour dimensionner les condensateurs (25 V minimum, avec une marge de sécurité). Le condensateur se recharge à chaque alternance (50 Hz).

Le PWM (modulation de largeur d’impulsion). La voie est alimentée par des impulsions de tension maximale dont la durée varie. Avec un filtrage adapté, l’éclairage dispose de la tension maximale dès le ralenti, parce que le condensateur se charge à chaque impulsion (plusieurs dizaines de kHz). Le PWM permet donc de s’affranchir en partie du problème de la tension basse.

La superposition d’un courant BF

Certaines alimentations analogiques superposent au courant de traction un courant basse fréquence (BF), généralement une onde sinusoïdale de quelques dizaines de kHz, destiné à l’éclairage. Ce courant BF est indépendant de la tension de traction : il est présent même à l’arrêt, ce qui permet d’éclairer sans dépendre de la vitesse.

Le découplage dans le véhicule se fait par deux composants :

• une self série pour le moteur, qui bloque le courant BF et laisse passer le continu de traction ;

• un condensateur série pour l’éclairage, qui bloque le continu et laisse passer le BF.

Mon montage est compatible avec ce type d’alimentation. La seule précaution est de vérifier la tension crête de l’onde sinusoïdale BF, pour ne pas dépasser la tension de service des condensateurs.

Les condensateurs céramique sont particulièrement adaptés à cet usage : non polarisés, ils peuvent être connectés dans n’importe quel sens, ce qui simplifie le montage et évite tout risque d’inversion.

Le cas de l’alternatif Märklin

Le système Märklin classique fonctionne en alternatif (16 V AC pour la traction). L’inversion de marche se fait par une impulsion de surtension (24 à 26 V AC nominale) qui commute le sens dans la locomotive.

Le problème des anciens transformateurs. Les transformateurs bleus ont été dimensionnés pour un secteur à 220 V. Sur le secteur actuel (230-245 V), leur tension d’inversion peut atteindre 30 V AC ou plus, alors que la limite absolue de nombreuses électroniques embarquées est de 40 V crête (environ 28 V AC efficace). Une impulsion trop forte peut donc détruire un décodeur ou un module d’éclairage.

La protection d’entrée est indispensable dans cette configuration. Mon module d’éclairage intègre une diode TVS en entrée, qui écrête la tension à 20 V quelle que soit la polarité. L’impulsion d’inversion Märklin est donc absorbée avant d’atteindre le pont redresseur et les condensateurs, ce qui protège l’électronique et les condensateurs (25 V) contre les surtensions destructrices.

Précaution pratique : avec un transformateur bleu ancien sur un secteur élevé, la TVS travaille à sa limite. Un transformateur récent (gris, 6647) délivre une impulsion plus maîtrisée (environ 26 V AC) et reste dans une plage plus sûre pour l’électronique.

Les deux façons d’alimenter des LED

Les LED fonctionnent à courant constant. Deux approches permettent de les alimenter.

Courant constant. Une source de courant délivre un courant fixe quelle que soit la tension d’alimentation, tant que la tension de seuil est atteinte. La solution la plus simple est un FET monté en source de courant, qui délivre environ 10 mA. Il existe aussi des circuits intégrés spécialisés. L’intensité lumineuse est stable par construction, mais le bilan en chute de tension est pénalisant.

Tension constante avec résistance de limitation. Une source de tension stabilisée alimente les LED à travers une résistance qui limite le courant. Le bilan de tension est meilleur, donc la stabilisation intervient plus tôt. Le réglage de l’intensité se fait par la valeur de la résistance, ou par potentiomètre si le régulateur est ajustable.

Les seuils de tension des LED

Les seuils dépendent de la couleur lien vers « L’utilisation des LED » :

• LED rouges : 1,5 à 1,6 V

• LED vertes, orange, jaunes : 1,8 à 2,2 V

• LED blanches ou bleues : 3,2 à 3,6 V

Une LED ne doit jamais être traversée par une tension inverse supérieure à 5 V ; si une tension inverse peut être appliquée, il faut monter une diode ou une LED tête-bêche.

Pour les configurations complexes (plusieurs branches de LED en série, avec des résistances individuelles), l’outil FerroLED de FerroCalc fait le calcul à votre place. L’onglet FerroLED est accessible librement dans la version démo.

Le choix série/parallèle pour les voitures voyageurs

Avec 9 à 12 LED blanches (seuil ~3,2 V), le choix du branchement détermine la consommation et la durée de maintien.

LED en parallèle. Chaque LED est alimentée individuellement avec sa propre résistance. La tension de seuil est basse (~3,2 V), donc l’éclairage continue de fonctionner jusqu’à une tension de condensateur relativement basse. Mais la consommation en courant est importante, et le régulateur dissipe davantage (courant plus élevé).

Groupes de 3 LED en série, puis en parallèle. Trois LED en série ont une tension de seuil de ~9,6 V, mais la consommation est divisée par 3, et le régulateur dissipe moins. En revanche, l’éclairage cesse de fonctionner dès que la tension du condensateur descend en dessous de ~9,6 V + la chute du régulateur, ce qui réduit la durée de maintien.

Le compromis dépend donc de deux facteurs : la consommation en courant (qui détermine la vitesse de décharge du condensateur) et la tension de seuil (qui détermine le moment où l’éclairage s’éteint). Pour une voiture voyageurs, la solution série est généralement préférable, car la consommation réduite et la dissipation plus faible du régulateur l’emportent sur la perte de durée de maintien liée à la tension de seuil plus élevée. Mais le choix dépend de la capacité du condensateur et de la tension de décharge acceptable.

Le choix des régulateurs

Régulateurs linéaires classiques (78Lxx, 78xx, LM317). La série 78Lxx est une famille de régulateurs fixes à faible courant (100 mA). La série 78xx est la version courant plus élevé (1 A). Le LM317 est un régulateur ajustable (1,25 V à 37 V). Leur chute de tension est de l’ordre de 2 à 3 V, ce qui retarde la stabilisation.

Régulateurs LDO (AMS1117). L’AMS1117 est un régulateur LDO avec une chute de tension de l’ordre de 1,3 V. C’est le régulateur adapté à l’éclairage analogique, car sa chute plus faible permet une stabilisation plus précoce.

Step-down converters. Les step-down sont des convertisseurs DC-DC à découpage, avec un rendement de 85 à 95 %. Ils génèrent moins de chaleur que les linéaires. En analogique, le bruit de commutation est sans conséquence pour l’éclairage LED : un condensateur de filtrage en sortie lisse la tension. Je propose un step-down 1,5 A qui dispose d’une broche de commande permettant l’allumage et l’extinction de l’éclairage.

Tableau récapitulatif des régulateurs

Le réglage de l’intensité

Avec une source de courant : l’intensité est fixée par la résistance de réglage de la source. Elle est stable, mais non ajustable sans modifier le montage.

Avec une tension constante et une résistance de limitation : l’intensité se règle par la valeur de la résistance. Avec un régulateur ajustable (LM317, AMS1117 ajustable, ou step-down avec potentiomètre), un potentiomètre permet de régler la tension de sortie, donc l’intensité.

L’article sur l’éclairage des voitures voyageurs décrit une solution pratique : un simple potentiomètre permet de régler l’intensité lumineuse en continu, en quelques instants, avec un simple tournevis.

La réserve d’énergie : choix des condensateurs

La réserve d’énergie est assurée par un condensateur. Trois technologies sont disponibles.

Condensateurs électrolytiques. Bon marché, forte capacité (1000 µF et plus), mais encombrants. Ils sont adaptés aux voitures où l’espace ne manque pas.

Condensateurs au tantale. Compacts, mais chers, fragiles en cas de surtension (risque d’explosion et de flamme), et dépendants d’une ressource en terres rares. Leur capacité maximale est de 100 µF pour une tension de service de 25 V. Ils sont à réserver aux espaces très contraints. À proscrire en PWM.

Condensateurs céramique (MLCC). Pas de risque d’emballement thermique, meilleure stabilité, pas de terres rares. Les condensateurs céramique multicouches existent en 100 µF 50 V. Je propose des condensateurs céramique 50 V 100 µF de chez Samsung, utilisables pour le maintien de l’éclairage ou l’antiparasitage.

Tableau récapitulatif des condensateurs

Précautions

Ne jamais brancher un condensateur polarisé directement sur la voie. Il doit toujours être derrière un dispositif de redressement. Sinon, une inversion de polarité provoque un écoulement chimique, voire une explosion.

Pour les condensateurs au tantale, ne jamais dépasser la tension de service, et conserver une marge de sécurité de 5 V.

En PWM, la combinaison céramique + électrolytique est préférable : la céramique filtre le bruit haute fréquence, l’électrolytique fournit la réserve d’énergie. Le tantale est à proscrire.

Les supercondensateurs

Pour les applications où l’éclairage doit rester allumé à l’arrêt prolongé (feux de fin de convoi, éclairage de locomotive et de la rame en arrêt en gare ou devant un carré fermé), un condensateur classique ne suffit pas. Un supercondensateur (ou Gold Cap) stocke beaucoup plus d’énergie pour un encombrement donné.

Domaine d’application. Ce montage est idéal pour les locomotives ou les feux de fin de convoi, y compris à l’arrêt prolongé. La réserve d’énergie du supercondensateur maintient l’éclairage bien plus longtemps qu’un condensateur électrolytique.

Limite. Le supercondensateur temporise énormément l’inversion des feux selon le sens de marche. L’énergie stockée retarde la transition, et le circuit d’inversion ne « voit » pas immédiatement le changement de polarité. Pour une locomotive qui change souvent de sens, ce montage n’est donc pas adapté. Il est réservé aux usages où l’éclairage doit rester allumé sans changement de sens fréquent.

Précaution. Les supercondensateurs ont une tension nominale faible (2,7 V ou 5,5 V selon les modèles). Ils doivent être utilisés dans leur plage de tension, et jamais connectés directement à la voie.

Je propose sur demande des supercondensateurs (prochainement sur la boutique Ferroversum).

Précaution d’exploitation (block automatique)

Sur un réseau en block automatique avec détection de présence par consommation de courant, l’éclairage de fin de convoi sert aussi à maintenir la détection. Avec une réserve d’énergie (supercondensateur), l’éclairage peut rester allumé alors que le contact avec la voie est perdu : le train n’est plus détecté, mais rien ne le signale visuellement. C’est un cas rare (mauvais contact simultané avec une perte de détection), mais il est préférable de le savoir.

Protections et limitation du courant d’appel

La protection en amont contre les surtensions. Une diode TVS bidirectionnelle en amont, avec une résistance de limitation, protège les condensateurs et l’électronique contre les pics de tension transitoires.

La limitation du courant d’appel. Un condensateur déchargé se comporte comme un court-circuit à la mise sous tension. Sur une rame de plusieurs voitures, le courant d’appel cumulé peut être important, et en PWM, il se répète à chaque impulsion. Une résistance série de 47 à 100 Ω limite ce courant sans dégrader le fonctionnement en régime établi. L’article sur l’éclairage des voitures voyageurs mentionne cette résistance de limitation du courant d’appel.

Les cas : locomotive vs voiture

Locomotive : inversion selon le sens de marche. Une simple diode suffit à allumer une lampe selon le sens de marche, en courant continu. Pour une double inversion (blanc à l’avant, rouge à l’arrière), deux lampes sont branchées sur chaque diode. Ne fonctionne qu’en courant continu.

Voiture : pont redresseur nécessaire. Une voiture peut circuler dans les deux sens. Son éclairage doit donc fonctionner quelle que soit la polarité de la voie. Un pont redresseur double alternance est nécessaire. Il introduit une perte de tension (environ 1,4 V), mais il est indispensable.

Tableau récapitulatif des diodes

La famille 1N400x couvre 50 V (4001) à 1000 V (4007). La famille 1N540x couvre 100 V (5401) à 1000 V (5407).

Ponts redresseurs

Pour les voitures, le pont redresseur double alternance est indispensable. Deux familles sont adaptées :

Je propose ces ponts redresseurs sur la boutique Ferroversum : DB10X CMS et ponts CMS 500 mA.

Les pistes exploratoires (et leurs limites)

La batterie. Une batterie permettrait d’éclairer à l’arrêt, mais elle pose des questions spécifiques : décharge profonde, durée de recharge, risques de fuites et d’oxydation. C’est une piste difficilement généralisable pour un usage courant.

Les buck-boost converters. Ils permettraient de résoudre la question des très faibles tensions, mais la solution est coûteuse, y compris en petite série. Elle n’est pas adaptée à une diffusion large.

Le digital : ce qui change

En digital, la question est plus simple. Soit le décodeur gère l’éclairage (inversion couleur/sens, extinction/allumage), soit l’éclairage est permanent du fait de la forme d’onde présente en permanence (signal carré à tension fixe). Dans ce second cas, un pont redresseur et un condensateur suffisent, et une commande tactile sensitive peut assurer l’allumage et l’extinction sans décodeur.

En pratique

Un montage complet pour l’analogique (pont redresseur, régulateur LDO ou step-down, réserve d’énergie, inversion des feux) fabriqué artisanalement en composants montés en surface mesure environ 27 mm × 39 mm, condensateur et batterie compris. C’est compatible avec l’échelle HO.

Pour les voitures, l’article dédié décrit une barre d’éclairage à base de ruban LED autocollant, avec un régulateur de tension, un potentiomètre de réglage, et des condensateurs (électrolytiques, céramique ou supercondensateurs) logés dans les bogies ou au-dessus de la barre.

En guise de conclusion

En analogique, le problème central n’est pas la réduction des pertes de tension, mais le stockage d’énergie : c’est lui qui permet de maintenir l’éclairage à faible vitesse ou à l’arrêt. Avec des LED, un régulateur adapté (LDO ou step-down) et un stockage dimensionné, l’analogique offre des fonctionnalités proches du digital, pour un coût modeste et avec la maîtrise totale de la technologie installée.

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Liens vers Ferroversum

Les composants mentionnés dans cet article sont disponibles sur la boutique Ferroversum :

• Step-down 1,5 A avec broche de commande

• Condensateurs céramique 50 V 100 µF Samsung

• Supercondensateurs

• Barrettes d’éclairage pour voitures voyageurs

• Ponts redresseurs DB10X CMS

• Ponts redresseurs CMS 500 mA

• Kits de remotorisation