Câblage 3° partie : DCC et détection de courant

Le Digital Comand Control ou DCC est un système qui associe :
un signal de puissance qui alimente les trains
avec un signal binaire (Digital)
de commande (Comand)
transmis aux trains pour Controler leur marche (Control).

Ce signal DCC peut être utilisé pour commander non seulement les trains, mais aussi les aiguillages, les signaux, etc . . .
Chaque utilisateur de ce signal DCC (Locomotive, aiguillage, etc . . est équipé d'un récepteur (décodeur)
possédant un numéro individuel (adresse) par lequel il peut être sélectionné et commandé.

Sur ce réseau, le DCC sera utilisé uniquement pour commander les trains.
Néanmoins, il met en oeuvre divers automatismes qui, pour fonctionner correctement, doivent connaître la position des trains.
Dans ce but, le réseau est découpé en 24 morceaux appelés cantons.
Chaque canton sera équipé d'un système permettant de détecter la présence d'un train.

Ce système de cantons peut être utilisé indifféremment sur des réseaux alimentés en Digital ou en Analogique tant alternatif que continu.

Caractéristiques du signal DCC

Voici un exemple de signal DCC propre.

Tension = 40 V peak to peak = 20 Vcrête
Pour cette mesure, vous devez utiliser un voltmètre alternatif, celui-ci indiquera 20 V.
(signal rectangulaire V eff = V crête)

La période varie entre 116 us (bit 1) et 232 us (bit 0).

=> fréquence varie entre 8.62 et 4.31 KHz.

Le signal est bien rectangulaire avec très peu de bruit, voilà le genre de signal que vous devez pouvoir mesurer partout sur votre réseau.

Vous trouverez une description détaillée du signal DCC en consultant les normes :

NEM 670 et NEM 671

disponibles sur le site du MOROP

Ce signal DCC est transmis par le Bus principal aux différents Bus des cantons répartis autour du réseau.

La longueur du Bus principal doit toutefois être limitée à 10 m maximum pour éviter une déformation du signal due aux composantes parasites des fils
(R résistance L inductance C capacité).

Pour limiter cette longueur, ne positionnez pas la centrale en bout de réseau, pensez plutôt à l'installer en position médiane.

Voyez la position de la centrale DCC bien au milieu du réseau.

Le Bus principal part de ce point dans 4 directions différentes pour limiter sa longueur à maximum 4 m.

Définition des cantons

Vous trouverez ci dessous les plans de cantonnement de ce réseau.

Cantons niveau inférieur - rév B

Cantons niveau supérieur 1 - rév D

Cantons niveau supérieur 2 - rév E

Voici le schéma d'alimentation DCC de la centrale, du bus principal et des bus de canton (SUB BUS).

Sur ce réseau, vous trouverez :

Le bus principal gris-bleu 2 x 1.5 mm² torsadés

Les bus de canton noir-bleu 2 x 1.5 mm² torsadés

2 fils AWG 22 blanc-bleu torsadés alimentent les rails à partir des bus de canton.

Libre à vous de définir un autre code des couleurs si celui-ci ne vous convient pas.

Entre le bus principal et chaque bus de canton est inséré un "coupleur de bus".

Clic sur image pour agrandir

Comme défini ci-dessus, chaque bus de canton est équipé d'un "coupleur de bus" (rectangle vert)
qui le connecte au bus principal.
Ce coupleur est composé de 2 x 2 diodes 1N5402 montées tête bêche.

Lorsque un train, ou autre wagon éclairé, est présent dans un canton, le courant ainsi consommé fait apparaître une tension de 1.2 à 1.4 volts
aux bornes des diodes.
Cette tension est mesurée par le détecteur de courant et transformée en signal digital (1 ou 0).

Ces signaux digitaux seront ensuite traités pour commander un aiguillage, une rétro-signalisation, etc..

Voici les "coupleurs de bus" dans la réalité.

Notez que tous les bus sont torsadés ainsi que les fils AWG22 qui connectent le coupleur au détecteur.

Notez que les diodes sont "au plus près" du Bus principal et du Bus secondaire.

Evitez de les déporter, cela entrainerait des pertes et perturbations supplémentaires.

La distance maximum entre coupleur et détecteur ne doit pas dépasser 50 cm, pour éviter des perturbations électromagnétiques sur les fils qui les relient.

Comme de coutume dans l'industrie électronique, j'essaie de préparer au mieux le travail de câblage.

Les 4 diodes 1N5402 ainsi que la paire torsadée AWG22 qui les relie au détecteur sont pré-câblées avant leur installation.

Cette manière de travailler limite le temps de câblage, souvent inconfortable, sous le réseau.

Il reste donc à installer les diodes et connecter la paire AWG22 au détecteur de courant.

Notez, en avant plan, que le Bus d'alimentation des détecteurs et autres circuits électroniques (noir-bleu-rouge) est lui aussi composé
de fils 1,5mm² torsadés.

Le détecteur de courant

R1 = 27 Ohms - R2, R3, R4, R5 = 10K - R6 = 2K2 - D4, D5 = 1N4148 - D3 = led rouge 3mm - C1 = 220uF - Opto = H11AA1 - IC1 = LM311

Ces composants sont disponibles chez tout bon détaillant en composants électroniques sinon, voyez Conrad sur la page Liens.

Description du fonctionnement

Pour limiter les pertes dans les fils, les diodes D1, D2, D6, D7, initialement prévues pour être montées sur le circuit imprimé, ont été déplacées sur le "coupleur " de Bus comme décrit sur le plan de l'alimentation DCC (voir image 3 ci dessus).
Ces 4 diodes ne doivent donc pas être câblées sur le circuit imprimé.

Chaque canton est donc alimenté via un coupleur de bus comprenant 2 x 2 diodes 1N5402 en tête bêche (D1,D2 - D6,D7).

Au repos (canton libre), il n'y a pas de consommation de courant dans le canton et donc pas de tension aux bornes des diodes 1N5402.
La tension à l'entrée de l'opto (pins 1 - 2) est donc 0V.
Le transistor de l'opto (pins 4 - 5) est bloqué ce qui induit une tension de 12V à la pin 2 du comparateur LM311 (via R2).
Le comparateur est donc ainsi commandé : pin2 = 12V et pin 3 = 6V (pont diviseur R3-R4).
La sortie du comparateur est donc "open collector", la tension de sortie (OUT) est +12V (via R6 - D3) et la LED D3 est "Off".

Si un canton est occupé, il y a consommation de courant et apparaît une tension de 1,4 V aux bornes des diodes du coupleur de bus.
Cette tension est appliquée à l'opto d'entrée du détecteur de courant (via R1).
Le transistor de l'opto se sature ce qui induit une tension de 0.4V à la pin 2 du comparateur LM311.
Le comparateur est donc ainsi commandé : pin2 = 0.4V et pin 3 = 6V (pont diviseur R3-R4).
Le comparateur bascule, sa sortie (OUT) passe à 0.4V et la Led D3 est "On".

Cette sortie (OUT) peut être utilisée pour commander toutes sortes d'automatismes, rétro-signalisation, mini-relais, etc . .
Le comparateur dispose en sortie d'un montage "open collertor", cela veut dire que :
En position "occupé, c'est à dire sortie = 0.4V, le courant maximum en sortie du circuit (Out) est de 50mA.
En position "libre", la sortie offre une très grande impédance.

L'ensemble C1, R5, D4, D5 sert de temporisation au relâchement du comparateur.
C'est à dire que le détecteur reste en position "occupé" durant 1 à 2s après la libération du canton.
Cela permet d'éviter une oscillation du comparateur due à un éventuel mauvais contact entre les rails et les roues du train.
Si vous désirez modifier cette tempo, il suffit de changer la valeur de C1.
Si C1 augmente, la tempo augmente, la plage de valeurs de C1 = 47 à 470 uF.

Ci dessous vous trouverez le schéma électrique, le schéma d'implantation des composants et le circuit imprimé de ce détecteur.
A propos du circuit imprimé, imprimez d'abord sur papier, vérifiez après impression que les dimensions du circuit sont bien 160 x 100 mm.
Il se peut que votre programme d'impression effectue une correction d'échelle.
Si tout est correct, vous pouvez imprimer le slide qui servira à réaliser le circuit imprimé.

Schéma électrique

Implantation

Circuit imprimé

Installation d'un relais en sortie du détecteur de courant

Si vous désirez une sortie de type "contact relais", il vous suffit d'installer un mini-relais entre le +12V et la sortie (Out).
Exemples de mini-relais : Zetler AZ830-2C-12DSE ou Omron G6A

Test du câblage DCC

Comme nous l'avons vu précédemment, il faut utiliser des fils de section assez importante et limiter les résistances de contact.
Si vous utilisez un système digital, votre centrale de commande est certainement munie d'une protection contre les courts-circuits.
Cette protection doit absolument être testée avant d'exploiter le réseau.
Ce test, appelé "coin test" (test de la pièce de monnaie) par les modélistes américains,
doit être effectué un peu partout sur le réseau et surtout aux endroits les plus éloignés de la centrale de commande.
Cela validera la qualité du câblage et des différentes connexions tout au long des Bus d'alimentation.
Avant d'effectuer ce test, assurez-vous que votre centrale est bien équipée d'une protection contre les courts-circuits !

Il est fou . . . ! Il veut que je court-circuite mes rails pour vérifier mon câblage !

En effet, si votre câblage est mal réalisé (fils trops fins, mauvais contacts, etc . . .), lorsque un court-circuit va apparaître
(par exemple un déraillement), les différentes résistances parasites accumulées
vont limiter le courant de court-circuit et la centrale ne sera pas capable d'enclencher sa protection.
Dans ce cas, la surcharge non détectée peut provoquer l'échauffement des fils voir même un incendie !

Très simple à réaliser, ce test consiste à court-circuiter les rails à laide d'une pièce métallique.

Effectuez ce test un peu partout et surtout aux endroits les plus éloignés de la centrale ou aux endroits au câblage "douteux".

Si vous avez bien travaillé, la centrale doit activer sa protection instantanément !

Si ce n'est pas le cas, vérifiez le câblage de cette partie du réseau !

ATTENTION : Lors de ce test, vous allez soumettre votre réseau électrique à un courant équivalent au courant de court-circuit défini par votre centrale, assurez-vous que tous les composants peuvent supporter ce courant et en particulier, les diodes des détecteurs de courant.

La 1N5402, diode utilisée ici, tient 3 A en régime nominal et 200 A en pointe durant 8,3 ms.

Le bus XpressNet

Afin de communiquer entre les différents composants de la centrale digitale,
Lenz a développé le bus XpressNet basé sur le protocole de communication RS-485.
Sur ce réseau, j'utilise ce bus pour communiquer entre le centrale LZV100 et les commandes LH100 et LH90.
Ce bus est composé de 4 fils : 2 fils pour la communication RS-485 et 2 fils pour l'alimentation 12V et 0V.

Afin de pouvoir connecter les "Handheld" (commande à main) aux différentes extrémités du réseau, j'utilise des adaptateurs LA152.

Entre la centrale LZV100 et ces différents LA152, j'ai utilisé un câble blindé à 4 fils.
Ce blindage protége les signaux XpressNet des perturbations électromagnétiques induites par les autres câbles (DCC, secteur 220v, etc . . .).

Voici le câblage de cet adaptateur LA152.

Notez que le blindage du câble n'est pas connecté, pour éviter les courants de masse, le blindage est connecté uniquement au 0V côté centrale.