L’éclairage de nos voitures

Après l’éclairage par des lampes à huile de colza ou à pétrole, après l’éclairage au gaz [1], des voitures du réseau belge ont commencé, au début de ce siècle, à bénéficier de l’éclairage électrique. La reconversion complète fut réalisée entre les deux guerres : tous les véhicules à voyageurs furent équipés de lampes à incandescence.

En 1950, la S.N.C.B. fut le premier réseau européen à utiliser des tubes fluorescents. Les premiers tubes fabriqués à l’usage des voitures (courant continu) avaient toutefois un rendement inférieur aux tubes à usage domestique (courant alternatif). Mais, en 1963, grâce à la mise au point de convertisseurs permettant de changer le courant continu des voitures en courant alternatif, on utilisa les tubes fluorescents ordinaires dans les voitures T.E.E. du Paris - Amsterdam et dans les autres véhicules du trafic international.

La fig. 1 illustre la répercussion de cette évolution sur l’intensité de la lumière obtenue.

 L’alimentation des voitures en électricité

Comme les voitures doivent pouvoir être éclairées aussi bien à l’arrêt qu’en marche, et comme elles sont susceptibles d’être utilisées dans le pays ou à l’étranger, en traction électrique, en traction vapeur ou en traction diesel, l’équipement générateur autonome est de règle.

Un tel équipement comprend essentiellement une dynamo, une batterie d’accumulateurs et des appareils dont le rôle est de régler la tension. Depuis 1958, la dynamo est remplacée sur certaines voitures par un alternateur et un redresseur.

 La dynamo

Une dynamo comprend :

• un puissant électro-aimant, dont le champ magnétique est produit par une bobine d’excitation, et qui est axé dans le sens transversal de l’axe de la dynamo ;
• un rotor, comportant plusieurs bobines, pivotant dans ce champ magnétique ;
• un collecteur sur l’axe du rotor, se composant de plusieurs lamelles en cuivre. Chaque lamelle est reliée avec l’extrémité d’une bobine ;
• des balais qui frottent sur le collecteur et qui en soustraient l’électricité.

La fig. 2 montre une dynamo démontée.

Comment tout cela travaille-t-il ? Quand le rotor, mû par un essieu de roue, tourne dans le champ magnétique, il se produit dans les bobines du rotor un courant alternatif. Par l’action combinée du collecteur et des balais, ce courant est redressé : c’est donc du courant continu qu’on peut prélever aux balais.

Pendant des dizaines d’années, la dynamo s’est fidèlement acquittée de sa tâche, bien que des dérangements et des avaries fussent inévitables. Le point faible du système se trouve, on le conçoit aisément, dans le collecteur et les balais. Entre ces deux éléments se produisent des étincelles qui peuvent, quand elles sont fortes, causer une panne (les électriciens parlent d’un coup de feu sur le collecteur...). Les balais, qui s’usent assez vite, et les bobines du rotor, qui tournent constamment à une vitesse élevée (jusqu’à 2.500 tours à la minute), doivent être remplacés régulièrement. En outre, comme le sens de rotation de la dynamo doit s’inverser quand le sens de circulation de la voiture change, on doit ajouter un dispositif grâce auquel les balais se décalent automatiquement de 90° à chaque changement de sens de rotation Ce dispositif, lui aussi, est soumis à l’usure et nécessite un entretien. On s’est dès lors efforcé de trouver un autre type d’appareil moins compliqué et plus robuste.

 L’alternateur

Une dynamo est en réalité une génératrice de courant alternatif avec un redresseur mécanique incorporé. Il était donc tout indiqué de la remplacer par une vraie génératrice de courant alternatif (ou alternateur) et d’un redresseur isolé. Un alternateur est toujours moins compliqué qu’une dynamo : il n’a pas de collecteur à lamelles.

Pourquoi cette solution n’a-t-elle pas été essayée plus tôt ? Tout simplement parce qu’on ne disposait pas d’un redresseur fonctionnant en pleine sécurité. Les progrès énormes de l’électronique après la guerre ont résolu ce problème grâce au redresseur aux diodes de silicium.

Une diode de silicium (fig. 3) est, ce qu’on appelle, un redresseur sec : elle ne laisse passer le courant électrique que dans un sens, de sorte qu’elle transforme un courant alternatif en un courant continu. Quand elle est judicieusement montée, elle ne requiert aucun entretien.

En même temps qu’on adopta le redresseur au silicium, on instaura aussi un type entièrement nouveau d’alternateur : l’alternateur homopolaire. Cette machine n’a ni bobinages sur son rotor, ni collecteur, ni balais. Le rotor comporte uniquement un cylindre en fer doux, portant sur sa surface des rainures profondes, parallèles à l’axe. La partie fixe (stator) se compose d’une bobine d’excitation et d’une bobine à courant alternatif. La bobine d’excitation développe un champ magnétique qui est dirigé à travers la bobine à courant alternatif, via le rotor. Etant donné le mouvement rotatif du rotor, le champ magnétique change constamment et provoque dans la bobine à courant alternatif un courant alternatif qui est dirigé vers le redresseur.

Comparé à la dynamo, l’alternateur donne plus de sécurité et exige moins de frais d’entretien. Seuls les deux roulements du rotor demandent de l’entretien.

 Le régulateur

Mais l’alternateur, comme la dynamo, a pour propriété que la tension qu’il débite augmente avec la vitesse de rotation, en fait avec la vitesse du train. Il faut donc compléter cette installation d’un appareil qui règle cette tension : le régulateur.

Le régulateur mesure la tension du générateur et, quand cette tension monte, il fait baisser le courant dans la bobine d’excitation, ce qui fait aussi baisser la tension du générateur et vice-versa, de façon que la tension reste dans les limites fixées.

Ce principe de fonctionnement est le même pour les dynamos et les alternateurs, mais l’exécution diffère sensiblement. Un régulateur de dynamo fonctionne avec une voie de contact et possède plusieurs parties mécaniques mobiles : il exige un entretien régulier et minutieux. En revanche, le régulateur de l’alternateur fonctionne d’une façon purement statique ; ici pas question de voies de contact ni de parties mobiles, de sorte que l’entretien se limite à un contrôle de fonctionnement à l’occasion d’une grande réparation de la voiture. (fig. 4).

Un dernier mot au sujet de la puissance à fournir par la génératrice. Au début, une dynamo de 1.500 watts suffisait pour l’alimentation de deux voitures ! A mesure que le besoin de plus de lumière se fit sentir, on dut fournir plus d’énergie électrique, d’autant plus qu’il en fallait encore pour des services auxiliaires (portes automatiques, ventilateur du chauffage à air, etc.). Actuellement, une voiture moderne est munie d’une génératrice pouvant produire jusqu’à 6.000 watts !

 L’éclairage proprement dit

La lampe à incandescence diffuse une lumière agréable (la plupart des pièces de nos maisons sont encore éclairées par ce moyen) et est facile à placer. En revanche, il en faut beaucoup quand on désire une grande intensité de lumière. Cela est dû à son rendement peu élevé : seulement 3 % de l’énergie électrique prélevée est diffusée comme lumière visible. A cela s’ajoute encore que cette lampe répand beaucoup de chaleur, qu’elle s’échauffe excessivement (qui n’a jamais brûlé ses doigts à une lampe à incandescence ?) et possède un filament assez fragile qui ne supporte pas facilement les vibrations. Tout compte fait, ce n’est pas un système tellement indiqué pour le matériel de chemin de fer.

 Les tubes fluorescents

Le principe de fonctionnement de la lampe tubulaire diffère totalement de celui de la lampe à incandescence. Comme son nom l’indique d’ailleurs, elle se compose d’un tube, terminé à chaque extrémité par un culot (fig. 5). Celui-ci porte un filament incandescent qui fait fonction d’électrode. On fait d’abord le vide dans le tube qui est ensuite rempli de gaz inerte et de vapeur de mercure. La paroi intérieure du tube est revêtue d’une matière fluorescente.

Le fonctionnement d’un tube fluorescent est beaucoup plus compliqué que celui d’une lampe à incandescence, mais on peut le résumer comme suit : quand on amène aux deux électrodes une tension suffisamment grande, le gaz devient un conducteur électrique. Le courant électrique s’en va alors d’une électrode à l’autre, ce qui provoque un rayonnement invisible. Ce rayonnement invisible est ensuite transformé en rayonnement visible par le revêtement fluorescent du tube.

Comparativement à la lampe à incandescence, le tube fluorescent présente plusieurs avantages : il ne s’échauffe presque pas ; son rendement est beaucoup plus élevé (25 %) ; il permet une meilleure répartition de la lumière ; il résiste mieux aux vibrations.

Notons cependant quelques désavantages : le montage est plus difficile par suite de ses dimensions ; le placement est plus compliqué parce qu’il n’est pas possible de connecter directement un tube fluorescent à la tension normale étant donné qu’il sauterait, le courant qu’il reçoit devant être limité par un appareil transformateur ou ballast ; il ne s’allume que dans des températures ambiantes, ni trop basses, ni trop élevées ; la longueur du tube est proportionnelle à sa puissance électrique (un tube de 20 W a une longueur de 60 cm, un de 40 W a 120 cm de long). On ne peut donc remplacer un tube de 20 W par un de 40 W sans changer l’armature d’éclairage.

 Le tube fluorescent pour courant continu 72 V

Pour allumer un tube fluorescent, il faut un minimum de tension qui est proportionnelle à sa longueur et, dès lors, à sa puissance.

En 1945, les voitures étaient équipées de courant continu 24 V. Cette tension ne permet pas d’allumer un tube fluorescent et ne peut être transformée en une valeur supérieure, comme c’est le cas avec le courant alternatif. On fut donc obligé d’adopter une tension plus élevée : celle de 72 V, qui permet l’utilisation de tubes fluorescents de 15 W.

De 1950 à 1963, toutes les voitures ont été munies de ce système d’éclairage. La fig. 6 présente une vue d’installations de ce genre.

L’amélioration de l’éclairage est frappante : dans une voiture de 1^re classe, on atteint, pour une puissance électrique enregistrée à peine plus élevée, 110 lux avec un tube fluorescent au lieu de 32 auparavant avec des lampes à incandescence.

Toutefois, le système des tubes fluorescents alimentés de courant continu présente pas mal d’inconvénients : le rendement d’éclairage d’un tube diminue rapidement ; le ballast consomme presque autant que le tube (mais ne donne pas de lumière) ; la période d’allumage ne dure que quelques secondes : une lampe qui ne s’allume pas immédiatement reste éteinte ; l’allumage n’est possible qu’entre -5° C et + 50° C et moyennant une tension suffisante (65 V) (quand une voiture a stationné longtemps au soleil, il arrive qu’un grand nombre de lampes ne s’allument pas, surtout quand elles ne sont plus neuves).

Tous ces inconvénients disparaissent quasi entièrement avec l’utilisation du courant alternatif.

 Le tube fluorescent à convertisseur à transistors

Depuis 1960, le commerce fournit des transistors capables de supporter 40 watts et plus. Grâce à eux, on put construire un petit appareil, alimenté à l’entrée en courant continu et fournissant du courant alternatif à la sortie, sur lequel on peut brancher directement une simple lampe de 40 watts achetée dans le commerce. Ce « convertisseur individuel », appelé ainsi parce qu’il n’alimente qu’un tube de 40 watts, se compose principalement de deux transistors et d’un transformateur (fig. 7). Les transistors laissent passer alternativement le courant continu à travers le transformateur, le premier transistor dans un sens, le deuxième dans le sens opposé. Le transformateur est donc parcouru par un courant qui change continuellement de sens, en d’autres termes par un courant alternatif. Ce courant alternatif est transformé par le transformateur en une tension suffisamment élevée permettant l’éclairage d’un tube fluorescent de 40 watts. En outre, il fait office de ballast.

Tout est calculé de façon à donner au courant alternatif une fréquence élevée : de 8.000 à 9.000 Herz (c’est-à-dire 8.000 à 9.000 changements de positif en négatif par seconde. L’appareil reste relativement petit (fig. 8) et peut être placé dans l’armature de l’éclairage.

Le convertisseur à transistors possède des avantages énormes. Il permet d’utiliser des lampes normalisées du commerce, dont le rendement au point de vue de l’éclairage est meilleur que celui du tube fluorescent à courant continu ; grâce à la fréquence de 8.000 Hz, le rendement du tube, déjà satisfaisant, s’améliore encore, et le vacillement du tube fluorescent devient complètement invisible ; aussi la lampe s’use-t-elle beaucoup moins vite. L’allumage est rapide et moins tributaire des températures et des tensions. A consommation égale de courant, l’intensité est de 350 lux contre 110 lux pour la lampe à courant continu.

La tension continue d’alimentation ne peut, toutefois, dépasser 30 V (à cause des transistors) ; il s’ensuit que le système est inutilisable pour les installations de 72 V. C’est pour cette raison, notamment, que les nouvelles voitures RIC, mises en service en 1966, sont de nouveau équipées de la tension de 24 V. L’éclairage complet de ces voitures est exécuté avec des convertisseurs à transistors individuels (un convertisseur alimente deux lampes de 20 W) (fig. 9).

 Perspectives

Cette évolution rapide de l’éclairage de nos voitures n’est pas terminée. Déjà, il existe des panneaux lumineux, épais de quelques millimètres seulement, qui supplanteront peut-être un jour les tubes fluorescents modernes. En ce qui concerne l’alternateur, il est sérieusement question de prendre toute l’énergie électrique de basse tension à la conduite électrique de haute tension du chauffage de la voiture. Des convertisseurs statiques et électroniques transformeraient cette haute tension (1.000, 1.500 ou 3.000 V selon le réseau) en courant continu de 24 V pour une puissance de 20.000 watts. Seule, la bonne et vieille batterie à accumulateurs ne semble pas menacée à moins que... on ne sait jamais, les cellules à combustible, qui transforment directement le carburant en énergie électrique, deviennent d’usage courant.