Centrála NanoX-S88 nové koncepce

Po nepříliš dobrých zkušenostech s původní H-centrálou a naopak po dobrých zkušenostech s rozšířenou verzí podle Jindry Fučíka jsem se odhodlal k několika úpravám.
Na stávající centrále mi nejvíce vadila původní napájecí část. Jen připomenu, že využívá jeden vstup střídavého (nebo i stejnosměrného) napětí, ze kterého se po usměrnění odvozuje nastavitelné stabilizované napětí (regulátor LM350) pro trakci (obvykle 14 – 16V). Z něj se pak v obvodu L6203 vytváří signál (napětí) DCC. Ze vstupního napětí se dále pomocí monolitických stabilizátorů 78(S)05 a 78(S)12 vyrábí stabilizované napětí 5V pro napájení elektroniky centrály a obvodů S88 a 12V pro zařízení XpressNET™. Všechny tři regulátory jsou tepelně dost namáhané a poměrně neefektivní – zejména při použití jako zdroje napájení pro více XpressNET™ zařízení a kaskády modulů zpětné vazby S88. Na desce navíc nebyly regulátory nejvhodněji rozmístěné. Je tam málo místa na chladiče a blízko elektrolytických kondenzátorů, čímž trpí jejich životnost.

Celou zdrojovou část jsem tedy navrhl úplně nově s využitím spínaných stabilizátorů. Centrálu jsem rozdělil na dvě desky s plošnými spoji – jedna obsahuje jenom zdroje, druhá jak logickou, tak i výkonovou část (booster). Obě části lze využít i samostatně – zdrojovou desku jako napájecí stabilizovaný zdroj třech nastavitelných napětí a naopak, centrálu zase lze použít i s jiným napájecím zdrojem. Obě desky jsou konstrukčně uspořádány pro montáž nad sebou na distančních sloupcích (zdroj nahoře).

Tato centrála v zásadě obsahuje všechna vylepšení a úpravy popisované J. Fučíkem v http://www.fucik.name/masinky/nanox_opt/. Jsou to zejména:

• Zavedení vstupu E, aby bylo možné bezpečně provozovat CDE zesilovače (boostery). Tento vstup odevzdává procesoru informaci o zkratu (přetížení) na některém přídavném zesilovači (boosteru) a dojde k vypnutí centrály;
• Rozšíření, které umožňuje zatížitelnost až 4A. Určeno pouze pro větší modelová měřítka s velkým odběrem, kvůli bezpečnosti nedoporučuji využívat na velikostech H0 a menších;
• Konektor pro zobrazovací modul „Booster Display“, který pomocí „bargrafu“ ze svítících diod znázorňuje odběr z centrály do trakce;
• Statické zakončení sběrnice XpressNET™ pro případ použití levnější náhrady MAX485.

Následující dvě funkce z původních úprav J. Fučíka jsou nově řešeny v samostatném zdroji:

• Doplňkový konektor 5V pro napájení většího množství S88 modulů;
• Doplňkové konektor 12V pro napájení většího množství XpressNET™ ovladačů.

Zvýšení výstupního proudu nedoporučuji (ve shodě s autorem), nicméně tuto možnost jsem ponechal, stejně tak jako volitelné zakončení sběrnice XpressNET™. Opakuji, nedoporučuji využívat v běžné praxi, verze se zvýšeným výkonem je určena jen pro odborníky.

Novinky této verze

 

Změnil jsem především počet i určení vstupně-výstupních konektorů a doplnil řadu ochran a filtrů pro zvýšení spolehlivosti a odolnosti proti rušení. Na schématu na obr. 2 jsou změny podbarveny.

Další úpravy, které jsem doplnil na centrální desce:

• Vstupy napájecího napětí jsou vybaveny unipolárními transily. Tyto poskytují jednak přepěťovou ochranu a také chrání proti připojení zdroje s opačnou polaritou. Ve schématu jsou označeny jako TR1 až TR3;
• Vstup napájení 5V pro logickou část je vybaven také filtrem EMI (proti elektromagnetickému rušení indukovanému na přívodu) – viz schéma – filtr LCL1;
• Stejným filtrem jsou vybaveny výstupy napájení 5V pro S88 a 12V pro XpressNET™ – zabrání se tím přenosu rušení po napájení zpět do centrály (LCL2 – LCL3);
• Optočlen OK1 ve zpětnovazební větvi („vstup E“), indikující přetížení v externích zesilovačích, jsem zaměnil za typ s antiparalelní LED, dosáhne se tím vyšší spolehlivosti vyhodnocování;
• Doplnil jsem indikaci napětí DCC na výstupech pro trakci nebo programovací kolej (přepínatelné pomocí jumperu) (LED2, LED3, JP1). Využití je zejména při laborování s centrálou, při běžném použití je možné vypnout;
• Úplně nová je deska s plošným spojem – dvouvrstvá s prokovenými otvory a stínícími plochami, má dostatek místa pro chlazení výkonového spínače IC4 mohutnějším chladičem. Rozměry desky jsou 100 x 84 mm;
• Pro uživatele je důležité více konektorů:
  • pro XpressNET™ –  2 x RJ12 a LMBA signály vyvedené i na nožovém konektoru. To umožní přímé připojení až třech zařízení XpressNET™ bez použití rozboček;
  • Kromě vývodů pro trakci CDE (resp. J-K-E) a programovací kolej P-Q jsou signály CDE vyvedeny též na nožový konektor pro propojení na další zesilovače. Externí boostery se tak nemusí připojovat na výkonový rozvod DCC do kolejí;
• Upravil jsem desku „Booster Display“ – nyní na ní může být kromě „bargrafu“ indikujícího odběr z centrály osazena také dioda LED1 indikující funkce centrály. Dioda se připojuje na samostatný konektor.

Na obr. 3 je pohled na řídící a výkonovou desku centrály. Konektory vlevo – přívod napájecích napětí U_DCC, +12V a +5V ze zdrojové desky, vývod indikační LED. Čelně zleva RJ45 – sběrnice zpětného hlášení S88, 2 x RJ12 – XpressNET™, nožový konektor LMBA také pro XpressNET™ a konektor pro „booster display“. Na pravé straně (lépe je vidět na obr. 4) se nachází silový výstup trakce CDE (J-K-E), vedle nožový konektor CDE pro přídavný booster a vzadu (resp. vpravo) výstup P-Q pro programovací kolej. Vedle výstupu PQ jsou indikační LED, které informují o přítomnosti signálu na výstupu (každá indikuje opačnou polaritu). Za distančním sloupkem je jumper J1 (na obr. 4 není vidět), kterým tyto diody můžeme vypnout, resp. zvolit si, zda indikují výstup J-K, nebo P-Q. Vzadu je mohutný chladič spínacího prvku. Počítám s trochu menším než je na fotografii, tento byl vybrán metodou „co šuplík dal“. Tvar bude stejný, ale nižší.

Původně jsem také zvažoval integraci rozhraní GenLI (pro komunikaci s počítačem) na desku centrály. Tuto myšlenku jsem nakonec zavrhl, protože těchto rozhraní je k dispozici více druhů a je lépe zvolit si typ podle vlastních priorit. Já osobně používám GenLI Bluetooth k plné spokojenosti. Připojení rozhraní GenLI je možné do některého z konektorů XpressNET™.

Popis nové verze napájecího zdroje

Napájecí zdroj byl navrhován tak, aby jej bylo možné použít v několika verzích. Teoreticky je možné využít i jiný externí stabilizovaný zdroj s regulací (dokonce i bez ní) pro DCC a fixní 5V a 12V stabilizovaný zdroj. Tyto zdroje se pak připojí přímo na svorky základní desky centrály.)

Navržený zdroj je rozměrově kompatibilní s deskou centrály, umísťuje se do „horního patra“ nad ní. Má rozměr 100 x 66 mm, nezakrývá chladič v zadní části spodní desky.

Může být napájen z jednoho transformátoru s napětím 14 – 18V. Nebo lze použít až tři samostatné transformátory (nebo tři vinutí jednoho transformátoru) s napětím vhodným pro vytvoření stabilizovaného napětí 16V, 12V a 5V. Podle toho se buď na desce osadí propojky, nebo se osadí dvě nebo tři kompletní větve usměrňovačů a ochran (na schématu podbarveno). Propojky je možné osadit za výstupy z usměrňovače M1 a jsou označeny J1 a J2. Pokud je chceme použít, je nejvhodnější na jejich místo použít výkonové diody zespodu desky. Vždy se osazuje kompletní první větev pro DCC. 

Pozor: Pokud je použitá propojka J1, neosazuje se část mezi svorkovnicí K2 a můstkem M2, pokud je použitá i propojka J2, neosazuje se část mezi svorkovnicí K3 a můstkem M3. Verze pro jedno vinutí transformátoru je na obr. 8. Pokud zamýšlíme využívat zdroj pro vyšší proudy (např. 3A DCC, 12V/2A a 5V/3A), je vhodnější využít více transformátorů (resp. více vinutí) a všechny větve zdroje. Tato verze je na obr. 6.

Každá větev obsahuje proudovou tepelnou pojistku (volí se podle toho, na jaký proud zdroj navrhujeme, resp. podle povolené zátěže transformátoru). Tato pojistka je tvořená vratnou polovodičovou součástkou – polyswitch – PF1 – PF3 a je doplněna  indikací přetížení a správné činnosti (dvoubarevná LED, ochranná dioda a odpor). Při správné činnosti svítí LED zeleně, při odpojení kvůli přetížení červeně. Bližší popis zapojení a funkce – viz http://www.masinky.info/2012/01/chranim-chranis-chranime-aneb-na-co-casto-zapominame/. Tato proudová ochrana je primárně určená pro transformátor. Pokud máme proudovou ochranu zabudovanou v transformátoru, můžeme vynechat příslušný polyswitch a nahradit ho propojkou. Ale nic nebrání i dvojité ochraně… Za proudovou ochranou je zapojený bipolární transil, chránící proti přepětí. Obdobný – ale na stejnosměrné napětí – je osazený na vstupu na desce centrály. To může vést k diskuzi o tom, že zde se osazovat nemusí. V tom případě je však proti přepětí chráněná jen centrála, ale ne spínané regulátory ve zdrojové části. Po usměrnění a vyhlazení je napětí vedené do napěťového regulátoru.

Již v úvodu jsem se zmínil, že původní analogové stabilizátory, které produkovaly hodně tepla, jsem nahradil spínanými zdroji. Jako spínané regulátory napětí jsem použil moduly vyráběné v Číně (mají různá označení). Starší verzi jsem popsal v lednu 2013 v článku „Moduly spínaných zdrojů z Číny“. Nověji se na trhu objevily moduly pro vyšší proud (podle výrobce až do 5A). Využívají moderní integrovaný obvod  XL4015, mají mohutnější tlumivku a pracují na frekvenci 180 kHz s vysokou účinností. Minimální úbytek napětí na tomto stabilizátoru je pouze 0,3V (!). Pro napájení trakce jsem použil modul s voltmetrem za necelé 4 USD (únor 2015). Verzi s displejem jsem zvolil proto, aby při použití více boosterů bylo možné jednoduše nastavit shodné napětí pro různé části kolejiště. Podotýkám, že voltmetr ukazuje stejnosměrné napětí před jeho spínáním výkonovým spínačem L6203.Doporučené typy boosterů však využívají stejné zapojení výkonové části, tedy stejné napětí před spínačem znamená i stejné napětí na výstupu. (Neuvažuji teď úbytek na měřícím odporu pro omezení proudu.)

Pro stabilizaci 5V a 12V využívám tyto moduly (cena 2 USD, únor 2015). Napětí se nastaví trimrem na modulu na požadovanou hodnotu 12 nebo 5V při úvodním oživování. Pro úsporu místa na desce jsou tyto dva obvodu osazeny na desku zdroje zespodu.

Na pravé straně vedle vstupních svorek jsou vratné pojistky, vedle nich transily a usměrňovací můstky. Uprostřed vedle kondenzátorů jsou indikační diody proudové ochrany. LED jsou vsazeny v patici, aby bylo možné je vyvést např. na čelní panel. Vlevo je spínaný stabilizátor U_DCC s voltmetrem a výstupní svorky. Stabilizátory +12V a +5V jsou osazeny ze spodní strany – viz obr. 7).

 

Jen doplním, že do výroby je navržený i zesilovač DCC (booster) podobné koncepce se shodným spínaným zdrojem (pouze nemá 12V). Je připravený na využití CDE signálu i indikátoru „Booster display“ a je kompatibilní s touto centrálou i pokud jde o konektory.

Schází už jen transformátor …

Pokud jde o vhodné transformátory, musí se v každém případě jednat o bezpečný transformátor s dvojitou izolací, nejlépe zalitý v izolační hmotě a s pevně instalovaným síťovým přívodem. Nebo může být v kovové skříňce, která musí být spojená s ochranným vodičem PE, výstupy musí v každém případě být galvanicky odděleny od síťového přívodu. Je zakázáno používat různé zdroje z PC apod., tyto nesplňují bezpečnostní normy pro hračky. Zdroj s transformátorem může vyrobit jen osoba s příslušnou elektrotechnickou kvalifikací. Pokud chceme použít transformátor s jedním vinutím, doporučuji napětí 15 – 16V pro proudovou zátěž 5A (z toho počítám 3A pro trakci a po 1A pro 12V a 5V). Pokud chceme využít zdroj centrály pro napájení většího množství příslušenství (což hravě snese), doporučuji tři oddělená vinutí transformátoru 16V/3A, 7-8V/1-3A a 12V/1-3A. 

Požádal jsem českého výrobce toroidních transformátorů  JK-ELTRA s.r.o. o kalkulaci dvou vhodných typů, abych případným zájemcům ulehčil objednávání.

 Navrhl jsem typy, které odpovídají výše popsaným variantám:

1. primár 230V, sekundár I – 16V /3,5A, II – 12V/1,5A, III – 7V/1,5A
2. primár 230V, sekundár 16V/ 5,5A.

Od výrobce jsem dostal tyto ceny:

typ: 085316 standardní holé provedení (drátové vývody, napětí naprázdno)
rozměry: průměr cca 100mm, výška cca 50mm
cena bez DPH: 454,-Kč/ks (549,-Kč s DPH)
při zalití do misky (miska, flexokabel, sekundár lankem, pojistkové pouzdro a pojistka, termistor)
rozměry: průměr cca 122mm, výška cca 65mm
cena bez DPH: 804,-Kč/ks (973,-Kč s DPH)

typ: 088116 standardní holé provedení (drátové vývody, napětí naprázdno)
rozměry: průměr cca 100mm, výška cca 50mm
cena bez DPH: 390,-Kč/ks (472,-Kč s DPH)
při zalití do misky (miska, flexokabel, sekundár lankem, pojistkové pouzdro a pojistka, termistor)
rozměry: průměr cca 122mm, výška cca 65mm
cena bez DPH: 740,-Kč/ks (895,-Kč s DPH)

možné nejběžnější doplňky bez DPH:
upevňovací podložky pro holé provedení UP 2/2: 25,-Kč/sada (nutno přičíst cca 5mm na výšku)
nebo zalitý střed pro holé provedení: 35,-Kč/ks
teplotní pojistka 100°C: 35,-Kč/ks (vratná)
termistor NTC: 30,-Kč/ks (pro zachycení proudového nárazu při zapnutí)
stínění PRI-SEK: cca 5% z ceny
vývody lankem: 5,-Kč/vývod
lakování jádra: 60,-Kč/ks (zpravidla pro AUDIO, proti případnému chvění plechů)

Termín dodání v případě objednání cca 2-3 týdny nebo dohodou. Objednání je možné na www.jkeltra.cz.

Foto autor. Děkuji za recenzi a připomínky Janu Hlaváčkovi a Miloši Gregušovi.

Doplnění po dvou letech – Využití transformátoru z halogenového osvětlení

 

Jeden ze stálých zákazníků DIGI-CZ se dotázal, zda nemůže využít transformátor s dostatečným výkonem, ale s napětím 12,6V, který mu zbyl z demontovaného osvětlení halogenovými žárovkami. Tyto zdroje (na rozdíl od spínaných zdrojů pro LED řetězy) poměrně spolehlivě splňují bezpečnostní předpisy (zalití, dvojí izolace atd.). Problémem je napětí, které je nízké pro stabilizaci a napájení DCC. Protože spínané měniče se vyrábí nejen pro napětí nižší (step-down) ale i pro vyšší (step-up), rozhodl jsem se takovéto zapojení vyzkoušet. Na eBay jsem zakoupil spínaný měnič, kterým jsem v původním zapojení nahradil obvod pro stabilizaci napětí DCC. 

Modul má podle výrobce/prodejce výkon 100W, když to podělíme „marketingovou konstantou“, i 50W na výstupu  pro nás bude stačit (potřebujeme 16V*3A= 48W). Samozřejmě, je potřebné si uvědomit, že na vstupní straně bude vyšší proud, proto musíme posílit usměrňovací část. Použil jsem můstek na 8A a také větší kapacitu elektrolytického kondenzátoru ve filtru. Samozřejmě, také vratnou pojistku (polyswitch) musíme použít jinou – použil jsem polyswitch pro trvalý proud 6A. Úpravy na desce plošných spojů potřebné nejsou (kromě upevňovacích otvorů). Zdroj pro 12 a 5V zůstal beze změny.