Booster für DCC

    Beim Bau der neuen Clubanlage der MEFM stellte sich die Frage nach geeigneten Boostern. Ausgehend vom sog. Spaxbooster von Oliver Spannekrebs entstand ein Booster im Selbstbau, der ohne PIC auskommt und nur eine Platinefläche von 60*80mm benötigt. Dieser Booster hat sich mittlerweile bei Fahrtagen auf unserer Clubanlage bewährt, wir haben 18 Stück davon im Einsatz.
    Booster, bestückt für Normalbetrieb Booster, mit Kehrschleifenautomatik

Eigenschaften

  • Strom: max. 4,0A, elektronische Abschaltung
  • Spannung: Stabilisiert auf 15V, Stromversorgung über externes Netzteil
  • Sicherung: Automatische Abschaltung bei mehr als 4A, Wiedereinschalten nach ca. 1s; Automatisches Abschalten bei fehlendem DCC-Signal am Eingang
  • Melder: Abschaltmeldung an Zentrale per Optokoppler (optional)
  • Anschluß: mit Schraubklemmen, Eingangssignal über Optokoppler eingespeist.
  • Kehrschleifenautomatik: integriert, per Jumper abschaltbar
  • Baugröße inkl. Kühlkörper: 100*60*30mm

Einbau und Bedienung

    Spannungsversorgung:
    An X3 wird die stabilisierte 15V-Spannung des externen Netzteils eingespeist, Polarität beachten.

    DCC-Eingang:
    An X1 wird das DCC-Signal angeschlossen, dabei ist die Polarität benachbarter Gleisabschnitte gleich zu verdrahten. Auch die Polarität bei benachbarten Booster ist jeweils gleich zu verdrahten, da es sonst beim Überfahren von Versorgungsgrenzen zu Kurzschlüssen kommt.

    Gleis-Ausgang:
    Der Ausgang (X2) wird mit dem Gleis verbunden, auch hier ist auf gleiche Polarität zu achten. Ein Kurzschluß zwischen benachbarten Boostern (z.B. durch eine Lok oder Waggon) bleibt ohne Folgen. Bei Waggons, die den Strom diagonal aufnehmen (z.B. vorderes Drehgestell rechts, hinten links), wird das Licht an der Trennstelle dunkel, weil der Rückstrom unterbrochen ist. Hinweis: Falls dieser "diagonale" Waggon der erste Wagen eines Zuges ist, dann kann je nach Richtung der Diagonale der Zug fallweise von den Rückmeldern zu spät erfasst werden.

    Prinzipiell ist der Gleisanschluß mit verdrillten Leitungen auszuführen, um Einkopplungen des Ausgangssignals auf andere Schaltungsteile (z.B. Rückmelder, S88) möglichst zu vermeiden. Sollten am Gleis Signalüberschwinger auftreten, so muß das zusätzliche RC-Glied im Ausgang bestückt werden. (s.u.)

    Kehrschleifenautomatik:
    Der Booster kann mit einer Kehrschleifenautomatik ausgerüstet sein (IC6 und IC7 bestückt). Bei gestecktem Jumper J1 ist die Automatik abgeschaltet, der Booster wechselt seine Polarität nie.
    Fährt ein Fahrzeug aus einem Gleisabschnitt mit falscher Polarität in den Kehrschleifenabschnitt, so ergibt sich normalerweise ein Kurzschluß. Die Kehrschleifenautomatik erkennt diesen Kurzschluß (bei ca. 3,2A) vor der allgemeinen Kurzschlußsicherung bei 4A. Der Strom am Gleis wird von der Automatik blitzschnell umgepolt, was i.d.R. den Kurzschluß behebt. Sollte trotz Umpolung immer noch ein Kurzschluß vorhanden sein, so wird die normale Kurzschlußsicherung aktiv.
    Der Kehrschleifenabschnitt muß (!) länger als der längste Zug sein, da es sonst an beiden Enden zum Kurzschluß kommt.

    Betrieb mehrerer Booster: Aus Gründen der Störsicherheit (Einkopplung auf andere Schaltungsteile, insbesondere S88) sollten mehrere Booster sekundärseitig untereinander verbunden werden. Hierzu ist ist jeweils der gleiche Anschluß von X2 zu verwenden. Der Grund sind Ausgleichsströme, wenn eine Lok zwei Versorgungsbezirke kurzschließt: hier kann kurzzeitig ein Strom über die S88-Masse fließen, der damit verbundene Spannungsabfall kann einen zusätzlichen Schiebetakt auslösen, was dann zu vollkommen unerklärlichen Fehlmeldungen führt. Durch die sekundärseitige Masseverbindung (mind. 1,5mm²) der Booster wird dieser Ausgleichsstrom abgefangen.
    Hinweis: Mit dieser Masseverbindung kann natürlich die integrierte Kehrschleifenautomatik nicht mehr benutzt werden.
    Auf der Seite Anlagenverdrahtung ist die Verdrahtung einer Modellbahn dargestellt.

    Anzeigen:
    Das Anliegen des DCC-Signals wird mit einer grünen LED, das Ansprechen der Überlastsicherung mit einer roten LED angezeigt. Je eine gelbe LED zeigt die Last von 3,2A ("loaded") an bzw. die Polarität des erzeugten Signals an. (bei Umkehrung leuchtet "reversed").

    Wenn der Booster wegen fehlendem Eingangssignal oder wegen Überlast abgeschaltet hat, dann wird mit dem Optokopplerausgang (Open Collector) X4 dieser Zustand gemeldet. X4-1 ist Ground, X4-2 ist Schaltausgang. Die Schaltausgänge mehrerer Booster dürfen parallel geschaltet werden. Wenn der Optokoppler nicht bestuckt ist, dann muß die Brücke SJ5 geschlossen werden, siehe Bild.

Schaltungsbeschreibung

    Schaltplan

    Spannungsversorgung:
    An X3 wird die stabilisierte 15V-Spannung des externen Netzteils eingespeist und zur Versorgung des Vollbrückentreibers L6203 und des 5V Längsreglers 7805 verwendet. Wichtig: richtige Polarität, sonst raucht's!
    Die vom Booster ans Gleis abgegebene Sapnnung ist dann auch normalerweise 15V, allerdings sinkt diese Spannung bei höherer Stromentnahme etwas ab, da intern in den L6203 etwas ein Widerstand von 0,3Ohm im eingeschalteten Zustand (R-on) vorhanden ist. Bei 3A sind etwa 13V zu erwarten. Wenn das nicht reicht, dann einfach ein Netzteil mit 18V verwenden. Diese Spannung muß gut gesiebt werden, hierzu ist C15 (keramischer Abblockkondensator) als SMD möglichst nah am L6203 zu montieren.

    Kurzschlußüberwachung:
    Der Rückstrom aus der Vollbrücke wird über einen Strommeßwiderstand (0,05 Ohm, ev. Parallelschaltung von zwei 0,1 Ohm Widerständen) geleitet. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand (0,2V bei 4A) wird mit dem Komparator mit dem Spannungsabfall am Widerstand R7 (432 Ohm) verglichen. Der Komparator hat einen Eingangsspannungsbereich bis 0V. Mit der Kombination aus R11 und C6 wird die Ansprechverzögerung (100µs) der Kurzschlußüberwachung eingestellt. Bei zu großem Strom zieht der Komparator an und triggert das nachfolgende Monoflop, welches über die Diode D3 die Vollbrücke abschaltet. Dieser Zustand wird mit der roten LED angezeigt. Beim Abfall des Monoflops (nach ca. 1s, bestimmt durch R13 und C11) startet die Brücke wieder. Wenn der Booster mit einer externen Kehrschleife kombiniert wird, so ist ev. diese Zeitkonstante zu ändern, siehe unten.

    Kehrschleifenautomatik:
    Ein weiterer Komparator vergleicht den Spannungsabfall am Meßwiderstand mit dem Abfall an R8 (330 Ohm). Die Ansprechverzögerung (50µs) dieses Komparators (R10 und C12) ist kleiner als die der Kurzschlußüberwachung. Bei zu großem Strom zieht der Komparator an und schaltet das nachfolgende Flipflop um, dessen Ausgang über die Exor-Gatter die Polarität des DCC-Signals umkehrt.

    DCC-Überwachung:
    Das Eingangssignal wird mit IC3 auf Pegelwechsel überwacht. Sollte länger als 15ms kein Pegelwechsel anliegen, wird über die Diode D2 die Vollbrücke abgeschaltet. (Lt. NMRA darf DCC bis zu 12ms lange "0"-Bits enthalten.) Dieses Monoflop steuert auch die grüne LED (Anliegen des DCC-Signals) an. Damit wird sichergestellt, dass nach Ausfall des DCC-Signals keine Gleisspannung anliegt und ev. Loks eine anliegende Analogspannung annehmen und losrennen.

    Überschwinger am Ausgangssignal:
    Der Ausgang ist intern mit einer RC-Kombination kompensiert. Sollte eine längere Leitung angeschlossen sein (z.B. 5m), so kommt es wegen des gewählten Schaltungsprinzips (schaltende MosFETs mit schneller Flanke) zu Reflexionen auf der Leitung und entsprechend zu Überschwingern. Diese lassen sich vermeiden bzw. reduzieren wenn man den Ausgang zusätzlich durch ein RC-Glied filtert. Bewährt hat sich eine Kombination aus Längswiderstand und Querkondensator mit den Werten R23=0,15Ohm und C16=100nF bis 200nF. Der Widerstand sollte eine max. Verlustleistung von 2,5W haben. Der Ruhestrom steigt dadurch allerdings um ca. 30-60mA (je nach Kondensator) an.
    Bei der Zentrale OpenDCC wurde das gleiche Schaltungsprinzip angewendet, dort sind auch Oszillogramme der Ausgangskurvenform gezeigt.

Layout, Bestückungsplan


    Das Layout ist einseitig geroutet, es ist nur eine Drahtbrücke erforderlich.

Aufbauanleitung

    Zuerst mal der übliche Sums: Elektroniklötkolben (nicht über 300W;-), geeignetes Lötzinn (kein Tiffany-Bleilot), Dioden richtig polen (kleiner Strich in Layout), CMOS-ICs sind statisch gefährdet, kurzum: wer's nicht kann, soll nicht mit dieser Schaltung das Üben anfangen. Die Werte der Widerstände und C's sind unkritisch, im Schaltplan finden sich Hinweise zur Dimensionierung. Die Drahtbrücke nicht vergessen.
    Bei LEDs ist der lange Anschluß Anode (+).
    Die Erstinbetriebnahme muß am geregelten Labornetzteil erfolgen, der Leerlaufstrom beträgt etwa 50mA.

    Aufbauhinweise - Alternativen
    • Das RC-Glied zum Vermeiden der Überschwinger wurde ab Layout 1.3 hinzugefügt. Der Widerstand R23 ist stehend zu montieren. Falls dieses RC-Glied nicht benötigt wird, so ist R23 durch eine Drahtbrücke oder Lötbrücke zu ersetzen und C16 nicht zu bestücken.
    • Der Zustand "abgeschaltet" wird durch einen aktiven Optokopplerausgang angezeigt. Stecker X4.
    • Autoreversing: Wenn kein Autoreversing gewünscht ist, kann entweder der Jumper J1 gesteckt werden, oder es werden die 3 Lötbrücken (SJ2, SJ3, SJ4) auf der Unterseite geschlossen. SJ1 ist dann zu öffnen. In diesem Fall dürfen '74 und '86 nicht bestückt werden. (Auch die damit verbundenen Bauteile wie D7, R16, J1 .. nicht!)
    • Kühlkörper: Im Worst Case werden am L6203 bis zu 10 Watt frei; bei einer max. T(case)=90° und T(amb)=40° sollte der Kühlkörper nicht mehr als 5°/W haben.
    • Optokoppler: Statt hp2631 kann auch ein anderer Typ verwendet werden, muß allerdings schnell genug sein. hp2731 ist zu langsam!
      Nachfolgend eine kleine Crossreferenzliste (ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
             Agilent     HCPL-0631      HCPL-2631
             Fairchild   HCPL0631       HCPL2631
             Toshiba     TLP2631
             Vishay      SFH6780T       SFH6751
             NEC         PS9817-2
             
      Im Prinzip passt jeder Dual 10MBit Optokoppler. Bezugsquellen: z.B. Bürklin 66S7962
    • Logik: 74LS123 statt 74HCT123: etwas höherer Ruhestrom, ev. 7805 kühlen. RC-Zeitkonstante sind dann 0.33*R*C statt 0.45*R*C, also umdimensionieren. Tw soll ca. 15ms sein; Dimensionierung:
      • bei 74HCT123: Tw=0.45*C*R, also: R12=330k, C10=100nF
      • bei 74LS123: Tw=0.33*C*R, also: R12=150k, C10=220nF
      .

    Varianten
    Ist die Kehrschleifenautomatik nicht erforderlich, dann entfallen folgende Bauelemente:
      IC674HC86
      IC774HC123
      R1910k
      C64n7
      JP1Jumper
      R161k5
      U$1LED
      Dafür sind entsprechende Lötbrücken zu schließen: SJ2, SJ3, SJ4.
    Lötseite:
    Solder bridges
    Je nach Bestückung sind unterschiedliche Lötbrücken erforderlich: SJ1 ist bei bestückter Kehrschleifenautomatik zu schließen. SJ5 ist zu schließen, falls der Optokoppler der Rückmeldung nicht bestückt ist.

Hinweise zur Anlagenverdrahtung

    Auf der Seite Verdrahtung habe ich Bespiele für verschiedene Anlagen abgelegt. An dieser Stelle möchte ich noch von Problemen und deren Behebung berichten:
  • Verwendung mehrerer Booster
    • Fehlerbild:
      Beim Überfahren der Versorgungsgrenze zwischen zwei Boostern gibt es Kurzschluß.
    • Ursache:
      Booster sind falsch gepolt und 'bekriegen' sich gegenseitig über das Fahrzeug.
    • Abhilfe:
      Bei Verwendung mehrer Booster müssen diese gleich gepolt sein, d.h. alle müssen eingangsseitig und ausgangsseitig identisch angeschlossen sein. Auch sollten die jeweiligen Gleichstromquellen etwa gleiche Spannung liefern.
  • Fehlerhafte Belegtmeldungen bei Verwendung mehrerer Booster
    • Fehlerbild:
      Wir hatten in Verein auf dem S88-Bus sporadische Fehlmeldungen, welche überhaupt nicht zuordenbar waren - sie traten quasi überall auf, auch in Bereichen, wo überhaupt nichts fuhr. Es wurde gesucht und gemessen: Die Leitungen waren sauber, keine Einkopplung zu sehen, keine Reflexionen.

      Bei der Analyse der gelesenen Daten haben wir festgestellt, dass diese teilweise um ein Bit verschoben waren, also sind Doppeltaktungen im Spiel, nur wo kommen diese her?
    • Ursache:
      Nach weiteren Tests haben wir es dann doch gefunden:

      Wenn zwei optogekopplte Booster am gleichen Rückmeldebus hängen, dann driften die Massepotentiale dieser Booster etwas auseinander. Schließt nun eine Lok mit ihren Rädern diese beiden Booster kurz, dann werden die Massepotentiale angeglichen - und je nach Größe der Versorgungsbezirke fließt nun ganz kurz der zugehörige Rückstrom über die Rückmelder und den S88-Bus. Dieser Strom hebelt dort den Massebezug aus (=Ground Bouncing).
      Die Folge: die Logik erkennt einen extra Takt.
    • Abhilfe: Die Booster ausgangsseitig auf einer Phase zusammenhängen, damit ist die Drift weg und der Ground Bounce auf der S88-Masse auch.
  • Beim Überfahren der Kehrschleife geht der Booster kurz auf Kurzschluß
    • Fehlerbild:
      Wenn man die Kehrschleifenschaltung überfährt, löst kurzzeitig der Booster aus, nimmt aber dann sofort wieder die Arbeit auf.
    • Ursache:
      Der Kurzschluß wird sowohl von der Kehrschleife, als auch von Booster erkannt. Der Booster entscheidet sich nach etwa 100us Überlast fürs Abschalten. Das Relais auf der Kehrschleife braucht jedoch je nach Typ etwa 5ms zum Abschalten, so dass trotz Ansprechen der Kehrschleife der Booster auf Kurzschluß geht.
    • Abhilfe (1):
      Hier gibt es zwei Möglichkeiten: entweder wird der Booster beim Abschalten mit einer kleinen Verzögerung ausgerüstet oder er schaltet sehr schnell wieder ein. Die Abschaltverzögerung finde ich nicht so gut - damit geht genau einer der Vorteile dieses Boosters (optimaler Schutz der Fahrzeuge) verloren. Nicht mehr störend und damit 'abgeholfen' ist das Problem, wenn man die Wiedereinschaltzeit des Boosters auf etwa 7ms herabsetzt: Hierzu C11 von 22uF auf 150nF ändern.
      Allerdings könnten diese häufigen Wiedereinschaltversuche stören (Brummen und doch 'etwas' Leistung an der Kurzschlußstelle), deshalb wurde eine weitere Alternative entworfen:
    • Abhilfe (2):
      Der 74123 wird durch einen passend programmierten Atmel Attiny2313 ersetzt. Dieser zeigt folgenden Abschaltverhalten: nach einem Kurzschluß wird zuerst 3 mal in Abständen von 5ms versucht, wieder einzuschalten. Wenn das nicht gelingt, dann erfolgen die nächsten Einschaltversuche im Abstand von 1s.
      Folge: wenn der Kurzschluß durch eine Kehrschleifenautomatik behoben wird, dann schaltet der Booster schnell wieder ein. Bei echtem Kurzschluß sind die Einschaltversuche hinreichend weit auseinander, so daß es nicht zu Lichtbogenbildung oder Brummen kommt.
      Der Attiny2313 ist so progammiert, dass er anstelle des 74HC123 bestückt werden kann; Nun hat der 74123 nur 16 Pins, der Attiny jedoch 20 Pins; Ich habe das mit einer zwischengesteckten Fassung gelöst, bei dieser Fassung ist Pin 19 mit Pin 20 und Pin 9 mit Pin 10 verbunden. Nähere Erläuterung findet sich im Sourcecode des Booster_Timers. Download Source und Hex-File (alte Version)
      Bei der neuen Version ist jetzt noch zusätzlich eine kleine Abschaltverzögerung hinzugekommen, die nur dann aktiviert wird, wenn der Booster entweder aus Stillstand oder aus der langen Abschaltpause startet.

Unterlagen

Kontakt

    Natürlich sind sinnvolle Anregungen, Verbesserungen und Fehlerhinweise zur Schaltung immer willkommen. Aus gegebenen Anlass möchte ich darauf hinweisen, dass ich leider keine Zeit für langwierige Diskussionen des Typs "Ich habe die Schaltung nachgebaut, warum funktioniert sie bei mir nicht" habe. Auch die Frage "Ich habe noch diesen oder jenen Chip in der Schublade, kann ich den auch verwenden", möge sich bitte jeder selbst beantworten. Und bitte nicht anrufen, sondern mailen.