A.M.F.N.
Association des Modélistes Ferroviaires de Nice
Réalisation de détecteurs d'occupation de voie
Sensibilité des détecteurs d'occupation:

Si on se contente de détecter les engins moteurs et les wagons de queue, le problème de la sensibilité des détecteurs ne se pose guère.
Par contre, si  on veut détecter n'importe quel matériel roulant, on est amené à rendre tous les essieux du parc roulant légèrement conducteurs. Mais la consommation de courant correspondante doit rester limitée. Il est alors nécessaire que les détecteurs soient sensibles à des résistances plus élevées que celle d'un moteur ou d'une ampoule.
De plus, la technique de graphitage des essieux, que nous employons, ne permet d'obtenir ni des résistances faibles, ni des valeurs précises.
Nous nous sommes fixé comme objectif: 10k par essieu en moyenne, ce qui donne, pour un train de 20 wagons à bogies: 80 essieux, soit 125 ohms, soit 100mA de consommation supplémentaire.

Détecteurs à diode:

Les schémas suivants ont été utilisés avec satisfaction sur les réseaux de l'Association ou de ses membres. Ils sont tous en 2 rails, à courant continu, polarisés, et du type parallèle (le circuit de détection est en parallèle sur le circuit traction).
L'objectif étant de détecter la présence d'un train que celui-ci roule ou pas, c'est-à-dire indépendamment du courant traction, on fait appel à une alimentation auxiliaire permanente pour la détection. Les circuits traction et détection sont séparés par une diode.

Un détecteur à diode et relais:
 
Ce schéma montre le principe du détecteur à diode: l'alimentation traction est appliquée à travers la diode D (1N4007 jusqu'à 1,5 A, BY255 au delà).

En l'absence de train la diode est bloquée et le relais n'est pas alimenté. La tension sur la voie est celle de l'alim relais.

En présence d'un train consommateur de courant, la tension sur la voie chute à la valeur de l'alim traction (0 à 12V suivant la vitesse). Le relais est alors alimenté sous une tension égale à Vrelais-Vtraction.

Le condensateur C temporise le relais à la retombée, lui évitant ainsi de s'agiter frénétiquement en fonction des mauvais contacts roues-rails. La valeur de C est à choisir en fonction de la tension de retombée du relais.

La résistance R évite de connecter le condensateur directement  aux rails, ce qui provoquerait micro-étincelles et charbonnage à l'entrée du canton. 1/20ème de la résistance du relais est une bonne valeur.

La tension de l'alim relais dépend des caractéristiques du relais. Par exemple, avec un relais de 36V de tension nominale, on prend une alim de 36V+12V/2 soit 42V. De cette façon, suivant le réglage de l'alim  traction (0 à l'arrêt, 12V à vitesse maximum), le relais fonctionne entre 30V et 42V, ce qui ne lui pose en général aucun problème.

Ce schéma a les qualités du relais utilisé. Un de nos membres l'a récemment utilisé avec des micro-relais 48V, 11k, et une alimentation relais de 48V. Dans ce cas les performances sont pratiquement celles d'un détecteur transistorisé.

Un détecteur à diode transistorisé:
 
Par rapport au précédent, ce schéma présente plusieurs améliorations: 

- fonctionnement du relais sous sa tension nominale, 
- utilisation plus facile de relais 24V (les plus courants), 
- condensateur de temporisation plus petit, 
- et surtout sensibilité accrue, permettant de détecter n'importe quel véhicule sans autre modification qu'un simple graphitage des essieux. 

Transistors utilisés: 2N2905A, BC307B, etc. 

Ici encore, la valeur du condensateur est à ajuster en fonction de la tension de retombée du relais. 

La diode de protection en parallèle sur le relais est inutile si on est sûr de ne jamais faire fonctionner le montage sans le condensateur de temporisation.

Un autre détecteur à diode transistorisé:
 
Ce détecteur permet la double traction: en effet, si l'on utilise le schéma précédent dans un bloc-système classique (sans ordinateur) et qu'un train évolue avec deux locos en tête, la première qui pénètre dans un canton ferme le signal amont et, en quelque sorte, coupe le courant sous les roues de la seconde. 

Ici, le condensateur est monté en "intégrateur de Miller", de façon à assurer une double temporisation du relais: à l'occupation par R1xC et à la libération par R2xC. 

Comme précédemment, la diode de protection en parallèle sur le relais est inutile si on est sûr de ne jamais faire fonctionner le montage sans le condensateur de temporisation.

Un détecteur à diode et circuit intégré:
 
 
Principe: 

- en l'absence de train, la résistance R tire la voie au potentiel Vdet (par exemple: 24V), 

- en présence d'un train, cette tension chute à la valeur de la tension traction (par exemple: 0 à 12V). 

Le comparateur compare le potentiel de la voie à une tension de référence Vref (par exemple 20V) et donne en sortie l'indication d'occupation. 
 
Voici un schéma réel, un peu plus compliqué parce qu'il est compatible avec un éclairage permanent par basse fréquence:

Fonctionnement:

  • Le condensateur C1 shunte la diode de détection D1 pour permettre le passage du courant d'éclairage BF à 50kHz. C1 est un condensateur non polarisé, sans fuite.
  • R1 et C2 bloquent le passage du courant BF vers le détecteur.
  • D2, D3, R2 et R3 protègent l'entrée du comparateur contre les pics de tension négatifs dus à la self des moteurs et qui provoquent des "latch-ups" (c'est-à-dire que le comparateur donne des indications fausses).
  • R4 et R5 fixent la tension de référence autour de 20V.
  • R7 et C3 déterminent la temporisation à la libération (autour de 2 secondes). En cas de bloc contrôlé par ordinateur, il peut être intéressant de réduire cette valeur jusqu'à la limite acceptable par le cycle de lecture de celui-ci, et de réaliser la temporisation effective par programme, canton par canton.
  • R8, R9 et R10 introduisent un peu d'hystérésis dans le montage pour éviter les oscillations lors des changements d'état.
  • Le circuit encadré en pointillés commande une LED témoin de l'occupation.


    • Détecteurs à diode et sens de circulation:

    Les détecteurs à diode ne fonctionnent que pour une polarité donnée de l'alimentation traction. En pratique cela ne pose aucun problème si le sens de circulation est contrôlé entre le détecteur et la voie.

    Voici deux exemples d'utilisation de détecteurs à diode dans un système à double sens de circulation:

    Exemple 1, détecteur simple:

    Le détecteur est l'un de ceux présentés plus haut (non détaillé). L'alimentation traction n'est pas polarisée, ce qui la simplifie bien. L'inversion du sens de marche se fait par un inverseur double (interrupteur ou relais) situé au niveau de la voie contrôlée.

    Exemple 2, détecteur double:
    Dans le cas d'un bloc-système, on a besoin de détecter la présence des trains non seulement sur l'ensemble du canton, mais aussi sur les derniers décimètres, soit pour obéir au signal, soit pour préparer le passage dans le canton suivant (détection de fin de canton). A cet effet ces derniers décimètres sont isolés et pourvus d'un détecteur séparé.

    L'inversion de sens entre les détecteurs et la voie permet non seulement de conserver une alimentation traction et des détecteurs polarisés (donc simples) mais en plus d'économiser un détecteur de fin de canton.
    Les diodes de détection sont en parallèle (et non en série) pour égaliser les chutes de tension parasites dans les deux parties du canton.

    Utilisation de détecteurs à diode dans un bloc-système à sens unique:


    Utilisation de détecteurs à diode dans un bloc-système à double sens:


    Détecteurs "série" (dans le circuit de retour):
     
    Ces détecteurs sont situés en série dans le circuit de retour du courant traction, comme indiqué sur le diagramme ci-contre. C'est pourquoi nous les appellerons ici "détecteurs série".

    L'intérêt de ce genre de détecteurs est que le potentiel détecté varie peu autour du zéro, ce qui permet de simplifier notablement les schémas.  

    Pour assurer la détection lorsque le train est à l'arrêt, il faut que l'alimentation traction ait des "fuites", c"est-à-dire un petit courant résiduel qui peut être obtenu par une résistance en parallèle sur la sortie. C'est le principal problème posé lors de l'utilisation de ces détecteurs.
     

    Détecteur série à circuit logique:

    Ce schéma très simple est utilisé par un de nos membres sur un réseau géré par micro-ordinateur.
     
    L'alimentation traction est négative par rapport au commun, et, lorsqu'elle est coupée, la voie reste polarisée négativement par une résistance de 4,7k.  

    En l'absence de train, grâce à la résistance de 10k, le rail de retour est à +0,6V et l'entrée du circuit logique à +1,8V, donc au "1".  
    En présence d'un train, le rail chute à -0,7V, et l'entrée du circuit à +0,5V, donc au "0" logique. La sensibilité est de l'ordre de 4k. 

    Le circuit logique utilisé doit être de la série 74LS (et non 74HC ou 74HCT). En fait, même avec un 74LS, le niveau d'entrée à "1" est légèrement hors spécifications, mais en pratique  le fonctionnement est assuré. Le condensateur doit être sans fuite. 
    Ce détecteur est polarisé, mais peut être utilisé dans les deux sens si l'on inverse l'alimentation au niveau de la voie, comme montré précédemment.

    Détecteur série à transistor "en double T":

    Voici un grand classique de la littérature ferroviaire américaine. Il remonte aux années 50, mais est toujours valable. Il fonctionne quel que soit la polarité de l'alimentation traction.
    En l'absence de train, T1 et T2 sont bloqués, et la sortie est à +5V. 

    En présence d'un train roulant vers la gauche (rail du haut positif), T1 devient conducteur. Si le train roule vers la droite (rail du haut négatif), c'est T2 qui devient conducteur. Dans les deux cas la sortie passe à environ 0V.  

    Pour détecter un train arrêté, la voie est réalimentée à travers une résistance depuis une source de tension de polarité quelconque (voire même alternative).  

    Il y a de nombreuses variantes de ce schéma de principe: avec un transistor supplémentaire pour augmenter la sensibilité (ou pour commander un relais), avec un condensateur pour temporiser la détection, avec une LED pour indiquer l'occupation, etc.
    Utilisation de détecteurs "série" dans un bloc-système:

    Dans le cas où le sens de circulation est contrôlé canton par canton, le schéma est pratiquement le même qu'avec des détecteurs à diode.

    Détecteurs à optocoupleur:

    Ces détecteurs fonctionnent à partir du courant traction consommé par la locomotive ou un wagon de queue équipé d'un éclairage. Ils sont situés n'importe où dans le circuit traction, et, d'une certaine façon, ce sont aussi des détecteurs "série". Mais ils ne sont pas capables de détecter un train à l'arrêt, ni des véhicules simplement équipés d'essieux résistifs.
    Nous les utilisons cependant pour fermer un passage à niveau à l'approche du train, sur une voie  unique, et pour ouvrir les signaux en gare au départ des trains, deux cas dans lesquels ils conviennent très bien.

    Commande de passage à niveau:

    Le courant n'est détecté par chaque détecteur que dans un sens. La commande du PN proprement dite, derrière la sortie de l'optocoupleur, n'est pas représentée sur le schéma.

    Principe: la diode de l'optocoupleur nécessite une tension de l'ordre de 1,6V à 1,8V pour s'allumer, mais elle ne supporte ni un courant aussi important que le courant traction, ni une tension inverse élevée.
    Aussi les diodes D1, D2 et D3 créent une chute de tension de l'ordre de 2,1V, à partir de laquelle la résistance de 10 ohms limite le courant dans le détecteur à environ 3 à 5 mA.
    En sens inverse, D4 shunte l'ensemble pour laisser passer le courant traction tout en bloquant la détection et en protégeant le détecteur.
    Toutes les diodes sont des 1N4007 (au dessus de 1,5 A, utiliser des BY255).

    Lorsque le train approche du PN par le bas de la figure (le + sur le rail de droite), le détecteur du bas est actif et ferme la barrière. Quand le train dépasse le PN, ce détecteur est hors service et celui du haut ne détecte rien: la barrière s'ouvre.

    En sens inverse (le + sur le rail de gauche), c'est le détecteur du haut qui ferme la barrière.

    Variantes:
    Montage avec trois diodes dans chaque sens, pour obtenir la même chute de tension, et donc la même vitesse pour le train.
    Montage détectant le courant dans l'un ou l'autre sens, avec des sorties indépendantes. 

    Si on ne désire pas de sorties indépendantes, on peut utiliser un optocoupleur bi-directionnel.
    Autres détecteurs:

    Il existe beaucoup d'autres schémas de détecteurs d'occupation.
    L'Association a utilisé pendant longtemps, et avec satisfaction, le "DOV Hirel" de Loco-Revue (aujourd'hui en peu dépassé), qui est un détecteur à courant continu fonctionnant dans les deux sens.
    Il existe aussi des détecteurs qui utilisent le courant BF d'éclairage pour la détection.

    Comparaison et critères de choix:

    Si on a seulement besoin d'un détecteur d'occupation isolé, tous les schémas peuvent convenir, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients.
    Si par contre on cherche à réaliser un bloc-système, il faut re-situer les détecteurs dans l'ensemble du circuit électrique et examiner, au minimum, les points suivant:

    Enfin cette page sur les détecteurs d'occupation de voie ne serait pas complète sans un mot sur la technique de graphitage des essieux.
     
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