«Comme le dispositif antivol sur la porte du grand magasin»

Le relais à induction allume et éteint les moteurs et les ampoules, ou fait démarrer un petit train lorsqu'un autre train passe entre les bobines émettrice et réceptrice. Son fonctionnement repose sur la transmission d'impulsions magnétiques entre les bobines, interrompue par des objets métalliques. Il fonctionne sans contact.

Les lignes de champ magnétique d'haute fréquence passent entre les bobines. Une pièce métallique les éloigne de la bobine réceptrice. La rétroaction est interrompue et le transistor qui contrôle le champ magnétique active un relais de commutation.

L'assemblage volant est composé d'éléments d'un kit de construction KOSMOS Electronics XG de 1966. Les composants sont montés sur un socle en plastique avec des clips à ressort en tôle de laiton. Ils peuvent être facilement reliés par des morceaux de fil de cloche de quelques centimètres de long. Tout n'est pas d'origine; j'ai recréé certaines pièces.

Le vidéo

Bien sûr, le relais inductif, avec ses deux grandes bobines toroïdales, peut détecter bien plus que du poisson en conserve. J'y ai mis toutes sortes de choses: des tasses, des jouets en fer blanc, du papier aluminium, des CD-ROM. Et voilà, cliquez sur la vidéo !

L'intérêt de ce circuit réside dans le fait qu'il fonctionne avec un seul transistor. Très facile à construire, il constitue un excellent projet pour débuter en électronique (surtout s'il s'intéresse également au modélisme ferroviaire).

Il existe une deuxième variante avec commutation delai.

Le plan de circuit

Il s'agit d'un oscillateur bloquant. Les deux bobines situées près de la voie fournissent la rétroaction. Le passage d'un wagon métallique entre elles interrompt le circuit magnétique, ce qui arrête les oscillations.

Chez un oscillateur bloquant, le courant continu traversant le transistor augmente alors fortement. Ceci provoque l'excitation du relais dans le circuit d'émetteur du transistor. Lorsque l'oscillateur est en action, le courant n'est que de 3 à 4 mA. La fréquence est d'environ 80 kHz. Le relais ne réagit pas à un courant aussi faible ou, s'il était excité, retourne à son état de repos. Si les oscillations cessent, ce courant monte à 30 mA dans cet exemple. Cela suffit à un relais miniature standard de 12 V pour réagir et fermer ses contacts de travail.

Le relais à induction peut tirer son énergie du circuit d'éclairage 16 V du train jouet. Le circuit est très tolérant aux fluctuations.

Le truc de l'oscillateur bloquant

D'où vient cette forte variation de courant? Le truc dans le circuit est l'élément RC de 18 nF/47 kΩ de la ligne de la bobine réceptrice (bobine supérieure sur le schéma). Lorsqu'une tension alternative est induite dans la bobine, le condensateur de 18 nF se charge négativement, car le courant à l'autre fin de la bobine se jette dans la base du transistor, une diode qui bloque le courant retour. Lorsque la base devient de plus en plus négative, et aussi la jonction collecteur-émetteur du transistor se bloque également. Cet état persiste jusqu'à ce que le condensateur soit à nouveau déchargé. Ce n'est qu'alors que le transistor envoie une nouvelle impulsion de courant à la bobine émettrice (ci-dessous), ce qui provoque à nouveau un blocage. Le courant ne circule donc que par impulsions très brèves, et le courant moyen est très faible.

La tension de collecteur (en haut) du transistor (10 V par division) à l'état oscillant, ou la relais est ouvert. Bien que la tension de collecteur soit sinusoïdale en raison de la résonance de la bobine émettrice, le courant ne circule que par impulsions brèves. En bas : Tension d'induction dans la bobine réceptrice (2 V/division). Fréquence : 81,7 kHz.

Cependant, si le signal magnétique n'atteint pas la bobine réceptrice (en raison d'un obstacle magnétique), le blocage ne sera pas achevé. Le transistor est activé via la résistance de 47 kΩ, ce qui permet à un courant beaucoup plus important de circuler dans le relais.

La paire RC supplémentaire de 100 nF/120 Ω, connectée en parallèle avec la bobine du relais, n'a pas de fonction fondamentale. Elle sert à amortir les oscillations parasites indésirables pouvant émaner de la bobine du relais.

J'ai ajouté des condensateurs de quelques nF chacun aux bobines, de sorte que les fréquences de résonance atteignent environ 80 kHz. Cela améliore la portée du transfert d'énergie.

La construction

Quelques composants suffisent pour construire le relais à induction. Vous devrez probablement bobiner les bobines vous-même (voir ci-dessous).

Transisteurs

Tous les transistors de commutation NPN courants en silicium sont compatibles, spécifiés pour une dissipation de puissance de 1 à 2 watts et une tension maximale de U_CE = 45 V (ou plus) dans le boîtier TO-39 compact : BC141, 2N1613, 2N2219. Le circuit peut également être assemblé avec des transistors PNP, tels que le BC161 ou le 2N2905A. Cependant, la polarité doit alors être inversée, y compris la diode de redressement et le condensateur électrolytique. Un étoile de refroidissement est recommandé.

la paire de bobines

Après avoir exploré les fonctionnalités de base du relais à induction, qui peut être construit sur une plaque d'essai électronique, plus rien ne s'oppose à la construction finale. Je préfere les plaques perforées, permettant de souder les composants de manière peu encombrante et de fixer des connecteurs ou des prises robustes.

Chaque bobine est composée de 100 spires de fil de cuivre émaillé de 0,6 mm d'épaisseur. Il faut donc environ 32 m de fil pour les deux bobines. J'ai usiné les corps de bobine sur un tour à partir du socle rond en hêtre d'une vieille armoire. Le diamètre intérieur des bobines est de 4,5 cm et leur largeur de 1,2 cm. En les serrant bien spire à côte d'autre spire lors de l'enroulement, on obtient une section de 0,5 cm² pour les 100 spires. Le L-Culator calcule une inductance de 560 µH. Vous pouvez tout aussi bien découper les corps de bobine dans du carton épais et les coller ensemble, ou les imprimer en 3D. Bien sûr, il est important de s'assurer que les deux bobines sont solidement fixées.

Choisir le relais

Voici quelques relais miniatures typiques, parfaitement adaptés au circuit. Selon la fonction du relais à induction, vous pouvez choisir un relais à contacts simples ou doubles. Le relais que j'ai utilisé est calibré pour 12 V. La bobine a une résistance de 360 ohms. Le courant de la bobine est donc de 30 mA à 12 V.

L'application au réseau de trains

J'ai conçu les dimensions des bobines de manière à ce que l'appareil s'adapte parfaitement aux locomotives et aux wagons de mon ancien trains-jouets en tôle. Celui-ci est à l'échelle 0, soit 1:43,5. L'écartement des voies est de 32 mm. L'espacement entre les bobines doit être de 10 cm. Les dimensions des bobines doivent également convenir à l'écartement 1 (échelle 1:32, largeur de voie 45 mm) ou aux chemins de fer de jardin (échelle 1:22,5).

Dans l'époque des années 1920 à 1960 on n'avait pas des modules électroniques de controle des petit trains. On n'y trouve même pas des voies de commutation. Avec le vieux materiel, on utilise aujourd'hui fréquentement des barrières lumineuses comme une solution pratique, par exemple pour actionner un aiguillage ou activer un signal pendant que le train roule. Ici, le bricolage est de mise. Les composants sont disponibles à bas prix chez les revendeurs d'électronique.

Malheureusement, les barrières lumineuses simples et artisanales présentent souvent le problème que leur fonctionnement est affecté par la lumière extérieure. Un système performant dans une pièce sombre ne fonctionnera pas forcément sous un soleil de plomb sur la terrasse. Un système inductif est donc extrêmement utile. Comme, à ma connaissance, un tel système n'est pas disponible à l'achat (sauf pour l'électronique industrielle onéreuse), vous devrez utiliser un fer à souder vous-même.

Important : le design appropriée

Pour une utilisation sur un réseau de train-jouets ancien, avec ses locomotives et wagons magnifiques, il est également important de prendre en compte le design extérieur du relais à induction. Cela concerne principalement les deux bobines toroïdales bien visibles à côté de la voie. La réussite d'un tel projet – c'est-à-dire l'introduction d'une « nouvelle » technologie dans un loisir traditionnel plus que centenaire – dépend essentiellement de sa capacité à s'intégrer au contexte existant, à remplir sa fonction avec le moins d'intervention possible et à respecter le style esthétique spécifique.

Quoi de plus naturel que de construire une sorte de « barrière de sécurité » comme celles que l'on trouve dans un aéroport ou un grand magasin, mais avec un look rétro des années 1930 ? J'ai scié et collé les pièces à partir de lattes de bois restantes, puis j'ai poncé toutes les arêtes vives pour les arrondir. Vous trouverez des exemples de style en tapant le mot-clé « chaise Art déco » dans Google.

Variante avec arrêt retardé

Une brève démonstration : la différence entre avec et sans délai de mise hors tension. Cliquez simplement sur la vidéo.

Si vous ne souhaitez pas que le relais s'éteigne immédiatement après le passage du train, il vous faut un délai d'extinction. Ceci est utile car, sur un long train, le relais « claque » après chaque wagon.

De plus, il peut être souhaitable que la lumière reste allumée un certain temps après la mise sous tension, comme avec une minuterie d'escalier. Nous résolvons également cette tâche complexe avec un seul transistor.

Le circuit de delai

Comme l'alternatif, ce schéma de circuit présente la variante avec transistor PNP. À l'exception de la polarité, il est identique à la version présentée ci-dessus. Les composants en bleu sont neufs. Ils empêchent le relais de se déclencher immédiatement, garantissant ainsi un courant élevé dans le transistor pendant un certain temps. Ce temps dépend de la capacité CR. Pour 47 µF, le délai est de 5 secondes.

État initial: Tant que la barrière d'induction est franchie, que l'oscillateur oscille et que le relais de commutation est au repos, la tension aux bornes de l'élément RC de 47 kΩ/18 nF est approximativement de zéro volt en raison de l'effet de blocage de l'oscillateur. Cette tension est transférée via les diodes d₁ ou d₂ au condensateur C_R. La borne négative du condensateur est également reliée à la masse via le contact normalement fermé du relais. Le condensateur ne reçoit donc aucune charge.

Un train heurte la barrière: lorsque les oscillations cessent, la tension aux bornes de l'élément RC augmente jusqu'à des valeurs de plus en plus négatives. La diode d1 est alors bloquée. Aucun courant ne circule dans le condensateur C. Même si le relais s'active et relie le pôle négatif du condensateur à la tension d'alimentation négative via une résistance de 22 kΩ, la tension aux bornes du condensateur reste nulle malgré la mise sous tension.

Le train a quitté la barrière: les oscillations de l'oscillateur reprennent. L'élément RC se charge positivement. La diode d1 devient conductrice et le courant circule de la borne négative de l'alimentation vers la base du transistor, via la résistance de 22 kΩ, le condensateur et la diode. Le transistor reste conducteur et maintient le relais sous tension. Cependant, cela ne fonctionne que jusqu'à ce que C soit chargé et que le courant ne puisse plus circuler. Ce laps de temps détermine le temps de retard. Le relais retombe alors.
À ce moment, le condensateur se décharge via la diode d2 et la résistance de 1 kΩ. Le relais d'induction est prêt pour le tour suivant. Pour C = 47 μF, le retard est de 5 secondes. L'augmentation de la capacité augmente d'autant le temps de conduction du relais.