Câblage 9° partie : Commande des signaux

La signalisation installée sur ce réseau s'inspire de la signalisation SNCB.
C'est en fait une version simplifiée de la signalisation réelle utilisée par les chemins de fer belges.
Simplifiée en ce sens que je ferai appel à seulement 3 positions des signaux :

Feu vert
Marche

Feu rouge
Stop

Feux rouge et blanc
petit mouvement

Vu la petite taille du réseau et donc des tronçons de "pleine voie", il ne sera pas fait appel aux signaux avertisseurs.
Pour rappel, petit mouvement permet de passer le rouge sous certaines conditions :
marche à vue (la voie peut être occupée), manoeuvres, vitesse max = 40Km/h.
Il est bien entendu que les automatismes présentés ici sont utilisables pour toute autre version de la signalisation (SNCF, etc . . .)

Comme précisé dans les chapitres précédents, sur ce réseau, le DCC sera utilisé uniquement pour piloter les trains.
Divers TCO seront répartis tout autour du réseau pour commander et visualiser la position des aiguillages.
Il est mis 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.
En combinant ces détections de présence (détecteurs de courant ou détecteurs infrarouge) avec la position des aiguillages,
des automatismes assez simples permettent de commander les signaux lumineux.
De cette manière, il sera possible, en respectant la signalisation, de rouler "a vue" sur toutes les parties visibles du réseau
alors que les parties cachées seront entièrement automatisées.
Pour faciliter la compréhension des automatismes développés ici, voici d'abord une introduction à la logique combinatoire.

1 : Introduction à la l'algèbre de Boole

Le calcul booléen ou algèbre de Boole est une manière mathématique de représenter une fonction logique
et ainsi de la mettre en équation de manière à en simplifier son écriture et sa résolution.
Ne craignez rien, loin de moi la prétention de vous faire un cours de math, je suis nul en maths.
Il est question ici d'exprimer une idée sous forme de formule pour en simplifier son écriture.
La logique que nous étudions ici est appelée "logique combinatoire" car la sortie d'un bloc dépend uniquement des états des entrées.

Si on ajoute la notion de temps et donc de synchronisation des signaux entre eux on introduit une fonction mémoire
qui fait que les états des sorties sont non seulement dépendants des entrées mais également de l' instant ou on les observe,
c' est alors de la "logique séquentielle ".

Les fonctions logiques

La fonction ET ( AND )

Pour que la sortie soit à 1, il faut que A = 1 ET B = 1

La fonction OU ( OR )

Pour que la sortie soit à 1, il faut que A = 1 OU B = 1

La fonction NON ( NOT ) ( appelée aussi inverseur )

La sortie est l'inverse de l'entrée

La fonction NON-ET ( NAND )

Pour que la sortie soit à 1, il faut que A = 0 OU B = 0

La fonction NON-OU ( NOR )

Pour que la sortie soit à 1, il faut que A = 0 ET B = 0

La fonction OU EXCLUSIF ( XOR )

Pour que la sortie soit à 1, il faut A différent de B

La fonction NON-OU EXCLUSIF ( XNOR )

Pour que la sortie soit à 1, il faut A égal B

Les tables présentées ici sont extraites de la page "Fonction logique" du site www.wikipedia.org

La logique exposée ci-dessus correspond à ce qu'on appelle la logique positive,
c'est à dire que dans ce cas, c'est l'état 1 qui est actif.

Toutefois, il est possible d'établir un schéma de fonctionnement en logique négative, c'est dans ce cas l'état 0 qui sera actif.
Par exemple, si on prend le détecteur de courant présenté au chapitre 3, lorsque le canton est occupé, la sortie du détecteur = 0.
Il en est de même pour le détecteur infrarouge présenté au chapitre 4, en cas de détection, la sortie = 0.

Exemple :

Fonction ET en logique positive
sortie = 1 si entrées A ET B = 1

devient en logique négative :
sortie = 0 si entrées A OU B = 0

Exemple pratique

Si nous prenons pour référence le plan de cantonnement du réseau : plan_canton_sup_1d.pdf
cantons_sup_2d

Prenons, par exemple le signal lumineux S1
En logique positive cela donnera :

Pour que le signal soit vert il faut =>

que le canton SUB 21 soit libre (état = 1)
ET que l'aiguillage A20 soit positionné "en haut" (led rouge éteinte) (état = 1)

Reprenons l'exemple du signal lumineux S1
En logique négative cela devient :

Pour que le signal soit rouge il faut =>

que le canton SUB 21 soit occupé (état = 0)
OU que l'aiguillage A20 soit positionné "en bas" (led rouge allumée) (état = 0)

Comme vous le voyez, il existe plusieurs manières d'exprimer la même chose.
Etant donné qu'une simple combinaison de diodes nous permet de réaliser facilement une porte OU en logique négative,
j'utiliserai cette fonction pour commander les signaux.
Les détecteurs de courant et les détecteurs infrarouge ont été conçus suivant cette logique (libre = 1 - occupé = 0).
Il reste donc à convertir l'allumage des LED de position des aiguillages en 1 ou 0 (éteint = 1 - allumé = 0).

2 : Détection de position des aiguillages

Il est préférable de prendre l'information de position des aiguillages sur les LED de visualisation qui sont le reflet de la position moteur plutôt que sur la commande moteur. Le moteur étant mécaniquement lié à l'aiguillage, c'est l'information électrique la plus fiable dont nous disposons.
Néanmoins, si vous ne disposez pas de cette visualisation, vous pouvez récupérer les signaux de commande.

Le problème c'est que les LED sont alimentées en 12V AC et la logique de commande s'attend à une information 1 ou 0 (+12V ou 0V DC).

Il sera donc nécessaire de traiter cette information pour qu'elle soit compréhensible par la logique de commande des signaux.

Le filtre AC - DC

Les entrées (IN_1 - IN_2) se connectent entre 1 et 8 (LED verte) ou entre 1 et 7 (LED rouge) du moteur représenté ci dessus.
Le principe de ce circuit est relativement simple :
le signal AC est redressé (D1 à D4) et filtré (C1).
La tension DC ainsi obtenue va saturer le transistor d'un optocoupleur qui garantira l'isolation entre entrée et sortie du circuit.
Nous obtenons ainsi en sortie (OUT) :
si 0V AC en entrée => OUT = +12V (état 1)
si 12V AC en entrée => OUT = 0V (état 0).
La diode D5 permet de coupler plusieurs circuits sans perturbation l'un de l'autre.
Alimentation : 12 V DC entre + 12V et REF

Voici un triple filtre AC - DC installé sur le module K.

Ci dessous vous trouverez le schéma électrique, le schéma d'implantation des composants et le circuit imprimé de ce circuit.
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.

Le circuit imprimé proposé ici est constitué de 12 filtres AC - DC.

Schéma électrique

Implantation

Circuit imprimé

3 : Fonctionnement d'une diode

La diode est composée de 2 électrodes appelées Anode et Cathode.

Elle est représentée par une flèche qui nous indique dans quel sens elle laissera passer le courant.
Le symbole même de la diode en dit long sur son fonctionnement, c'est un peu comme un interrupteur qui est fermé dans un sens (polarisation en direct) et ouvert dans l'autre ( polarisation en inverse).

Toutefois, contrairement à un interrupteur, lorsque la diode conduit, il existe une légère chute de tension à ses bornes (0.6 à 0.7 V pour une diode silicium).

Nous utilisons d'ailleurs cette caractéristique dans le détecteur d'occupation par mesure de courant.

Les caractéristiques principales d'une diode sont :
le courant direct max I f
la tension inverse max V r

Utilisation de la diode en logique

Considérons maintenant que pour allumer les feux de signalisation, nous utilisons un relais inverseur.

A partir de ces diodes, nous pouvons facilement réaliser une fonction logique telle que :

Si A et B ne sont pas connectés ou sont à + 12V,
le relais n'est pas alimenté.

Si une des entrées A ou B passe à 0V,
le relais est alimenté.

Il est bien entendu que nous pouvons ajouter d'autres diodes de commande en fonction des besoins.

Le problème de ce système est que le courant consommé par le relais doit être absorbé par les entrées A et (ou) B.

En fonction du relais utilisé et de son courant de bobine, cela pourrait perturber les circuits situés en amont (par exemple des détecteurs de courant) qui ne sont pas forcément conçus pour cela.
Cela est d'autant plus vrai si les détecteurs situé en amont doivent piloter plusieurs circuits logiques de ce type.

Pour palier ce problème, il suffit d'installer un ampli (Buffer) sur chacune de ces entrées.

Oui mais . . . . et si je veux inverser le signal de commande pour respecter une équation logique ?

Dans ce cas, il suffit de remplacer le buffer de commande par deux buffers inverseurs.

Suivant la position du pontage :

en position 1, le relais est commandé avec 0 (0V)

en position 2, le relais est commandé avec 1 (+12V)

3 : Circuit de commande des signaux lumineux

Sur base du schéma précédent, voici un circuit de commande qui peut être utilisé pour les signaux lumineux,
les signaux et barrières de P.N. ainsi que tout automatisme se basant sur l'occupation de canton ou la position des aiguillages.
Il a été conçu avec trois entrées, ce qui suffit à la plupart des cas, sur base du CD4049 comportant 6 inverseurs.

Les entrées A1 - B1 - C1 recevront les signaux d'occupation de canton ou de position d'aiguillage.
Attention : les entrées non utilisées devront êtres connectées à la masse (0V) afin d'éviter l'oscillation du CD4049.
Les relais utilisés ici sont de type Zetler AZ830-2C-12DSE ou équivalent.
Les sorties du relais marquées NO1 - COM1 - NF1 seront utilisées pour commander les signaux.
Les pontages JP 1 - 2 - 3 définissent la polarité de chaque commande :
pontage en 1 - 2 commande inversée
pontage en 2 - 3 commande non inversée
La diode D5 est une "diode de roue libre" qui élimine la pointe de tension engendrée par la bobine du relais.
L'ensemble D4 - R1 est une visualisation de l'état de sortie ( ON si relais activé).

Correspondant au schéma ci-dessus, voici, dans le rectangle rouge, la partie du circuit logique qui commande le signal S1.

Sur le module K, voici les 6 circuits de détection de cantons (rectangle bleu) ainsi que le circuit de commande des signaux S1, S3, S7 (rectangle rouge).

Schéma électrique

Implantation

Circuit imprimé

Reprenons l'exemple du signal S1 :

Pour que le signal soit rouge il faut que le canton SUB 21 soit occupé (état = 0)
OU que l'aiguillage A20 soit positionné "en bas" (led rouge allumée) (état = 0)

Voici le schéma complet de câblage du signal S1.
Cela inclut le détecteur de présence du canton SUB21, le filtre AC-DC de l'aiguillage A20 et le circuit de commande du signal.

Notez que l'entrée B1 non utilisée est connectée à la masse afin d'éviter l'oscillation du CD4049.
En effet, les blocs logiques CMOS ont une sainte horreur des entrées "en l'air" !

Si toutefois les trois entrées de ce circuit ne suffisaient pas, il est tout à fait possible d'ajouter des entrées suivant ce petit artifice :

Il est bien entendu que si on inverse l'entrée C1 (pontage JP3 en 1 - 2) les entrées 3 - 4 - 5 - . . . seront toutes inversées.
La résistance de polarisation R = 10 K Ohms et les diodes = 1N4148

Les signaux installés sur ce réseau sont des B-models disponibles chez Van Biervliet

Ils sont de bonne apparence (après peinture du socle) mais relativement fragiles.

Je regrette néanmoins la disparition des signaux SNCB de marque Henckens bien moins fragiles.