SPAX-F - jednoduchý zesilovač kompatibilní s LocoNet

SPAX-F - simple booster, compatible with LocoNet

Přehled

Velmi jednoduchý zesilovač, navržený speciálně pro potřeby klubových a modulových setkání. Zesilovač je inspirovaný zesilovačem SpaXbooster / SHMDBoost. Zesilovač je založený na modernějších postupech, proto nabízí v některých ohledech větší komfort. Stále se však jedná o základní zesilovač.

Základní parametry:

• Připojuje se konektory kompatibilními s LocoNet
• Výrobně nastavitelné zatížení 2A/2,35A/2,8A jako soft limit a 3A/3,3A jako hard limit
• Režim vlastní ochrany, bez sdílení stavu do nadřazeného systému
• Nastavitelná hodnota výstupního napětí s digitálním displejem
• Velká efektivita využití energie (nehřeje se, nepotřebuje mohutné chladiče)
• Orientace na bezpečnost a jednoduchost použití
• Orientace na cenu

Základní myšlenka je provozní zesilovač pro klubové, nebo modulové kolejiště, spíše většího rozsahu, které ovládá větší množství uživatelů, kde každý uživatel sleduje vlastní soupravu a je tedy schopný reagovat na případný zkrat nebo výpadek napájení individuálně.

Schéma

Na schématu jsou čtyři základní komponenty:

• Konektory LocoNet s opticky odděleným čtením DCC signálu
• Hlavní procesor pro řízení časování a ochranných funkcí
• Výkonová část
• Napájení

Konektory LocoNet s opticky odděleným čtením DCC signálu

Tato část je mimořádně primitivní. Prostě spoléhá na fakt, že v LocoNet rozhraní je obsažen nezesílený DCC signál na vývodech označených RailSync. V podstatě tato funkcionalita nemá s LocoNetem jako takovým mnoho společného, jen tvar konektoru. Vstupní signál je galvanicky oddělen pomocí dvou optočlenů 6N137. Tato kombinace je také velmi běžná pro většinu zesilovačů. Teoreticky zajímavé může být propojení zemních potenciálů pomocí propojky RX*. Tato funkcionalita není zrovna doporučená, proto se neosazuje. Pouze pokud máte vážný důvod, můžete si osadit rezistor s nulovou hodnotou (0R), nebo rovnou propojit plošky kapkou cínu.

Hlavní procesor

Význam hlavního procesoru je v případě tohoto typu zesilovače velmi malý. Jen sleduje, že přicházející signál odpovídá DCC signálu. V případě přetížení, nebo zkratu pak řeší časy obnovení provozu a podobně. Použil jsem velmi levný procesor PIC16F15214. Jeho výhoda je pouzdro SO8, které se velmi dobře osazuje. Trochu omezující je počet použitelných výstupů, který není velký, proto zesilovač používá pouze jednu indikační LED.

Výkonová část

Výkonová část zesilovače je založená na obvodu DRV8870. Což je levný integrovaný H můstek určený pro hračky a tiskárny. Obvod je dostupný v atraktivním pouzdře s osmi vývody za velice dobrou cenu. Vlastně jsem si chtěl vyzkoušet, jestli je možné takto malý obvod použít pro DCC zesilovač. K němu je navíc připojen komparátor LM311 pro detekci přetížení a zkratu. Tato kombinace se již v minulosti osvědčila v centrále NanoY. Obvod DRV8870 patří k nejlevnějším ve své kategorii, ale potřebuje externí SENSE rezistor R1. (Další kompatibilní obvody jsou například DRV8231 a DRV8251)

Napájení

Napájení je vyřešeno velice primitivně. Pro provoz zesilovače potřebujeme 2 napájecí napětí. Zásadní je napájení kolejového výstupu. Toto napájení by mělo mít regulovatelné napětí. Je zatíženo celkem velkým proudem. Vzhledem k ceně jsem použil čínský modul s obvodem LM2596 (rozšířená verze se zobrazením napětí). Který se dá koupit i u nás na běžných smetištích typu drátek nebo láska kit. Cena modulu je paradoxně menší, než cena použitých součástek a množství padělků na trhu je velmi malé. Výstupní napětí z modulu je přímo použito pro napájení kolejového výstupu. Proto si nastavte požadované napětí v souladu s návodem k modulu.

Vlastní elektronika pak pracuje s napájením +5V. Proud je zde téměř zanedbatelný, takže stabilizátor typu 78L05 bohatě dostačuje. Zesilovač počítá s možností stejnosměrného i střídavého napájení. Proto je na vstupu usměrňovací můstek B1 a kondenzátor C1. Pokud budete centrálu napájet z vhodného stejnosměrného zdroje, není nutné kondenzátor C1 osazovat. Jeho velikost i cena jsou nezanedbatelné.

Overview

Very simple booster. Designed especially for needs of club and module meetings. Booster is inspired by SpaXbooster / SHMDBoost. Booster is based on more up to date principles, so it offers better comfort in many cases. But it is still basic booster only.

Basic parameters:

• Conected with connectors compatible with LocoNet
• During manufacturing can be configured load as 2A/2.35A/2.8A soft limit, and 3A/3.3A hard limit
• Self protective, without share of error state to upper system
• Output voltage regulation with digital display
• High effective energy distribution (does not overheating, does not need big heat silk)
• Oriented to safe and easy usage
• Strong price orientation

Basic idea is booster for operational meetings especially for bigger size one. Especially for situations, when more users controlling locomotives and are able to solve power outage problems individually.

Schematic

Schematic consist of four basic components:

• LocoNet compatible sockets with opto-isolated read of DCC signal
• Main processor for manage timing and safety functions
• High current part
• Power supply

LocoNet compatible sockets with opto-isolated read of DCC signal

This part is very trivial. It simply relay on fact, LocoNet interface contain not amplified DCC signal on pins marked as RailSync. In reality this functionality have not so much connected with LocoNet itself. Input signal is galvanic isolated by pair of optocouplers 6N137. This combination is very obvious for majority of boosters. In theory it can be interesting connection of ground potentials using RX* pads. This functionality is not recommended then it is not populated. Once you have really strong reason for it, you can populate 0R resistor, or simply solder pads together.

Main processor

Main processor is not very crucial part in this application. It only listen incomming signal and validate, that it can be DCC signal. In case of overload or short, processor manage time for disconnection and connection back. I used very cheap processor PIC16F15214. Benefit of this processor is easy to solder package SO8. A little limiting is number of useful outputs. It allow booster to use only one indication LED.

High current part

High current part is based on chip DRV8870. It is cheap integrated H-bridge designed for toys and printers. Chip is available in attractive eight pin package with very good price. In reality I want to try, if chip can be used for DCC booster. On top is connected comparator LM311 for overload and short detection. This combination is proven from NanoY already. Chip DRV8870 is cheapest one in the category, but it need external SENSE resistor R1. (Next compatible chips are for example DRV8231 or DRV8251)

Power supply

Power supply is designed very primitive way. For running booster, we need 2 voltage levels. Crucial is track output voltage. It is recommended to have regulated voltage for this output. It is loaded by relative big current. Based on price, I used Chinese module with chip LM2596 (extended version, with voltage display). It is possible to buy it from local dealers like drátek or láska kit. Price of module is smaller than price of used components and amount of fake versions is small. Output voltage from module is directly used for track output. Then you have to set up voltage as described in module instructions.

Main electronic running on +5V power source. It use really small current, so stabilizer 78L05 is good enough. Booster is designed to be able consume DC or AC power. Then it have rectifier bridge B1 and capacitor C1 at input side. Once you will use DC source, you do not need to populate capacitor C1. This capacitor have significant size and price.

Stavba a oživení

Stavba nepřináší žádné záludnosti. Než s ní začnete, pozorně si přečtěte předchozí kapitoly a stanovte si, jakou variantu chcete postavit. Já stavbu vždy začínám osazením obvodu DRV8870. Důvod je celkem jednoduchý - jako jediný používá Thermal Pad a ty se lépe pájí na prázdné desce (při ručním pájení). Následně osazuji 74..08. A to proto, že má ne příliš přátelské pouzdro a proto je výhodné, když je kolem dost místa. Ostatní součástky osadíme celkem běžným způsobem. Součástky nejsou na desce nikterak "na těsno". Procesor je možné nahrát až v osazené desce, proto jej osazuji rovnou. Snad jen připomínka, že modul zdroje má pokaždé malinko jinou velikost a tak počítejte s vhodnou délkou a pružností drátků. Já tyto moduly vždy osazuji těsně nad hlavní desku, aby se nedotýkaly. Při troše štěstí lze použít ⌀3,0 mm LCF nebo ⌀2,5mm MADA sloupky.

Po osazení a připojení napájení stačí ověřit nastavení výstupního napětí na modulu. Dále pak je možné přímo nahrát program do procesoru a zesilovač je připraven k použití. Zesilovač nemá žádné další speciální nastavení.

Proudové zatížení

V popisu se setkáváme s pojmy "soft limit", "hard limit" a "zkrat". Tyto pojmy nejsou úplně často udávané a ne všichni uživatelé je znají. Proto se je pokusím vysvětlit.

Soft limit je maximální proud, při kterém zesilovač vyhodnocuje přetížení a pokusí se odpojit. Toto odpojení nastane, když zátěž překročí limit na dobu delší než zhruba 10 ms (mili sekund). To je čas nutný pro rozeznání šumu a umožnění rozběhu strojům s krátkodobě větší spotřebou.

Hard limit je proud, který zesilovač nikdy nechce překročit. Pokud by mělo dojít k překročení tohoto limitu, zesilovač prakticky okamžitě (25µs) sníží výkon dodávaný do kolejí, aby nedošlo k překročení tohoto limitu. Nadále se ale uplatňuje soft limit, takže při překročení po nějakou dobu dojde k odpojení.

Zkrat jako úplný zkrat se považuje stav, kdy zatížení neklesne pod hard limit ani po 25µs snížení výkonu. V takovém případě dojde k okamžitému odpojení výstupu zesilovače. Zesilovač následně udělá druhý a třetí pokus vždy po 3 ms. Pokud přetížení stále trvá, dojde k odpojení jako u soft limitu.

Nastavení limitů se provádí použití správných rezistorů při osazování zesilovače. Následující tabulky ukazují, jaké hodnoty rezistorů použít.

Build

Build does not contain any treachery. Before you will begin, carefully read previous chapters and make decision, what variant you would like to build. I'm always starting build with soldering DRV8870. I have simple reason for it - it is only one chip on board with Thermal Pad and it is easier to solder it on empty board (with manual soldering). Next one I'm soldering 74..08, as it have little unfriendly package and it is better to have lot of space around it. Then I'm soldering other components as usual. Components are not "so close" on board. Firmware for processor can be uploaded on finished board, then it can be soldered at any time. Do not forget, that power source modules coming with many variants and they have not same dimensions. Consider relevant length and elasticity of used connection wires. I'm never soldering modules directly touching main board. Always keeping some minimal distance between them. In lucky case you will be able to use ⌀3.0 mm LCF or ⌀2.5mm MADA stands.

When soldered, it is enough to validate output voltage provided by module. Then you can upload firmware to processor and booster is ready for use. Booster have no other special configuration.

Maximum current load

In description you can see terms like "soft limit", "hard limit" a "short". They are not usually presented and not all users are aware about them. Let me try to describe.

Soft limit is maximum current, when booster start detecting overload and will try to disconnect. This disconnection occurs, when over load stay for approx 10 ms (mili sekund). This time is necessary for filtering noise and allow start up of devices with bigger power-up consumption.

Hard limit is current, that booster never wants exceed. In case this going to be raised, booster immediately (25µs) decrease power delivered to tracks, to not allow raise this limit. During this time soft limit is still valid. it means, after some time of overload booster disconnect itself.

Short as total short is understand state, when load does not fall under hard limit after 25µs of decrease of power. In this case booster immediately disconnect from track. Booster will then perform second and third try in period of 3 ms. Once short situation persist, booster will disconnect same as with exceeding soft limit.

Limits are set using proper resistors when soldering booster. Following table present, what values means what limits

Obnovení

Při detekci přetížení se zesilovač pokouší automaticky obnovit funkci. Zesilovač provádí pokusy ve zvětšujících-se časových intervalech. Časové intervaly jsou: 0,1s, 0,2s, 0,5s, 1s a 2s. Delší interval než 2s se nepoužívá.

Indikace chyb

Zesilovač disponuje pouze jednou LED pro indikaci stavu. Pokud LED trvale svítí, zesilovač pracuje normálně. Pokud LED bliká rychle, došlo k přetížení. Pokud LED blikne a následuje delší mezera (pomalé blikání), vstupní signál neodpovídá DCC, nebo není připojená LocoNet-B kabel.

Restore

When overload is detected, booster automatically try to restore normal functionality. Booster performs try in increasing time intervals. Time intervals are: 0,1s, 0,2s, 0,5s, 1s a 2s. Bigger interval than 2s is not used.

Error indications

Booster contain only one LED for state indication. Once LED light continuously, it mean booster works normally. Once LED flashes quickly, it indicate overload state. Once LED flash followed by longer pause, it mean, input signal does not look as DCC signal, or LocoNet-B cable is connected.

Použití

Zesilovač je navržený pro použití na kolejištích s manuálním řízením jízdy vlaku. Sice je velice dobře zajištěna ochrana proti přetížení, zkratu a podobně, ale neexistuje žádný systém hlášení chyby k centrále. Je tedy mimořádně vhodný pro klubová kolejiště, nebo na modulová setkání.

Usage

Booster is designed for usage in layouts with manually controlled train drive. Of course it have well designed safety for overcurrent and short protection, etc. But it does not exist any error reporting to command station. It position booster to be used in club or modular layouts and meetings.