Detektor obsazení se zpětným hlášením S88-N

Po uvedení nové centrály NanoX-S88-2015 (DIGI-CZ 203) v tomto měsíci přichází e-shop DIGI-CZ ve spolupráci s Pojezdy.eu v dubnu s další novinkou – inovovanou verzí osvědčeného a oblíbeného modulu pro detekci obsazení s integrovanou sběrnicí S88-N (doposud DIGI-CZ 010). Změnila se výrobní technologie a celá deska mimo konektorů je nyní osazena povrchovou montáží (SMT). (Ne, není to překlep, SMT je technologie a SMD jsou součástky, i když se to dost často zaměňuje.) Tato technologie nám umožnila desku zmenšit a zejména zlevnit. Modul dostal označení DIGI-CZ 210. Dlužno podotknout, že nejde o žádnou světovou novinku, na internetu je popsaná v mnoha verzích a i v ČR ji vyrábí více výrobců. Ale přesto naše nová verze určité novinky přináší.

Obr. 1 – Nový modul DIGI-CZ 210

Poznámka: Na obr. 1 je vyfotografován prototyp ještě se starým označením.

Základní funkce

Zařízení umožňuje detekovat obsazenost až osmi úseků na kolejišti a odevzdávat informaci o obsazení pomocí protokolu S88 (sběrnice S88-N). Tato zpětná vazba může být směrovaná do centrály, vybavené vstupem sběrnice S88-N, nebo prostřednictvím obvodu rozhraní do počítače. Také je možné použít převodníky na jiné systémy zpětné vazby (RS-bus systému LENZ, R-bus společnosti ROCO).

Poznámka: S88 je označení protokolu, resp. původního typu sběrnice. S88-N se liší pouze použitím standardního ethernetového kabelu a konektorů RJ45 pro propojování modulů. (http://www.s88-n.eu/index-en.html).

Vyhodnocování obsazení úseku probíhá na základě detekce odběru proudu v daném izolovaném úseku. Proud do úseku protéká přes dvojici diod, na které tím vzniká úbytek napětí vyhodnocovaný optočlenem. Na rozdíl od původního, běžně používaného zapojení, má moje úprava optočlen s antiparalelní dvojicí LED, kde LED „svítí“ při obou půlvlnách střídavého signálu. Optočlen zároveň galvanicky izoluje kolej od sběrnice. To znamená, že vozidlo, které neodebírá žádný proud, nebude detekováno. Aby k tomu nemohlo dojít, doporučujeme osadit všechny vozidla kovovými koly a zabezpečit minimální odběr např. odporem nebo odporovým lakem na nápravě. Doporučovaná hodnota je jeden až několik kΩ. Rovněž přítomnost dekodéru nebo osvětlení vozu postačuje k jeho detekci. Vyhodnocování polohy funguje stejně pro DCC i pro analogové kolejiště, ale přenos pomocí protokolu S88 je možný jen do digitální centrály nebo do počítače.

Připojovací konektory

Obr. 2 – Rozmístění připojovacích konektorů modulu DIGI-CZ 210

Červeně jsou označeny standardně osazené konektory, zeleně konektory v rozšířeném provedení. Svorky šroubovacích konektorů pro připojení ke kolejím jsou označeny žlutě (společné, příp. pro sekce) a modře (pro úseky). Červené šipky znázorňují směr přenosu dat.

Zapojení konektorů J1 a J2 (RJ-45) pro sběrnici S88-N – přiřazení pinů jednotlivým signálům:

Obr. 3 – Konektor RJ45

1 – + 5V 5 – GND
2 – DATA 6 – LOAD
3 – GND 7 – RESET
4 – CLOCK 8 – NC *)

*) Pin 8 konektoru RJ45 není v modulech zpětné vazby zapojen. Podle definice S88 na něm má být vyveden signál Half DCC.

Ostatní připojovací body jsou vyvedeny na šroubovací svorkovnice a budou popsány dále.

Propojení modulů a centrály

Pro propojení používáme klasické Ethernet CAT5 kabely (nepřekřížené), používané pro počítačové sítě. Konektor OUT se připojuje k centrále, do konektoru IN řetězíte další moduly S88-N. Připojení je schematicky znázorněno na obr. 4 – znázorněná je centrála NanoX-S88 (DIGI-CZ 003) a detektory obsazení staršího provedení (DIGI-CZ 010). V nové verzi centrály i modulu se na této části zapojení nic nemění.

Obr. 4 – Připojení k centrále (starý typ centrály DIGI-CZ 003 a detektory obsazení DIGI-CZ 010. I u nového typu se ke konektoru S88-N připojuje konektor OUT prvního detektoru obsazení.)

Napájení

Standardně je modul napájen z centrály napětím +5V na pinu 1 výstupního konektoru OUT. Odběr modulu je méně než 1 mA. Přes vstupní konektor IN (pin 1) je toto napětí dále poskytováno následujícím modulům. Pokud je do série zapojené větší množství obvodů, může v závislosti na jejich odběru docházet k úbytku napětí na kabeláži a konektorech. Rovněž zdroje některých centrál neumožní svým výkonem napájení většího množství modulů, zejména pokud mají větší proudový odběr – to se však našeho modulu netýká. Na eliminaci tohoto jevu je možné využít doplňkovou svorkovnici VIN vedle konektoru IN, do které lze přivést doplňkové napájení 5V. Při běžném provozu to však není nutné. Svorkovnici je možné osadit na desku i dodatečně, současně je však nutné přidat i ochrannou diodu. Doporučeno pouze pro zkušené, je nutné zabezpečit, aby byla obě napětí shodná a netekl vyrovnávací proud mezi zdroji.

Připojení ke kolejišti

Již bylo zmíněno, že na vyhodnocování obsazení úseků se používá sledování proudu do izolovaného úseku. Je tedy potřebné mít kolejiště rozdělené na úseky. Na jednodušších kolejištích se obvykle přerušuje jen jedna kolejnice. Řeší se to vedením jedné kolejnice jako průběžné a druhé přerušené ve vybraných místech pomocí izolační spojky nebo přeříznutím kolejnice. Princip je znázorněn na obr. 4, kde jsou tři izolované úseky. Svorka J centrály je připojena do společné svorky dekodéru obsazení, svorka K je na průběžné kolejnici. (Poznámka: Toto není žádná norma ani nutnost, svorky mohou být i opačně, ale na celém kolejišti se doporučuje udělat to stejně – výjimky později.)

Modul má osm vstupů galvanicky oddělených od sběrnice. Vstupy se vyhodnocují proti jednomu společnému bodu a lze je rozdělit na nezávislé, vzájemně izolované skupiny (na desce DIGI-CZ 010 na dvě, na DIGI-CZ 210 až na čtyři). Deska je z výroby připravená tak, že těchto osm vstupů vyhodnocuje vůči jednomu společnému bodu – na obr. 4 je to vstup vodiče J. V praxi se někdy setkáváme s nutností udělat izolované úseky v některých místech na opačné kolejnici. Také je často potřebné vyhodnocovat obsazení úseků ve vratných smyčkách, kde dochází k přepínání polarity kolejí, a tedy nelze zaručit, které svorka centrály (J nebo K) je připojena na kterou kolejnici. Z těchto důvodů můžeme na modulech DIGI-CZ oddělit vybrané svorky od společného přívodu a použít je úplně nezávisle. Plošný spoj je na to připraven. Není potřebné dělat úpravy popsané např. v tomto článku.

Obr. 5 – Rozdělení vstupů do nezávislých sekcí

Inovovaný modul DIGI-CZ 210 v případě potřeby umožňuje přidání další svorkovnice (XA – svorky C a D na obr. 2 a obr. 5), čímž je možné vytvořit až čtyři nezávislé sekce, počet úseků v sekcích se dá v jistých mezích volit výběrem přerušených míst. Schématické znázornění je na obr. 5. Svorky jsou číslovány při pohledu na vrch desky.

Svorky pro jednotlivé úseky jsou označené U1 až U8. Žluté kroužky se symbolem spínače představují místa na desce plošného spoje, kde lze přerušit spoj. Červené kroužky jsou obvody vyhodnocující odběr. Společný vodič je připojený na svorky A anebo B. Přerušením kteréhokoliv z míst S1-S8 získáme dvě nezávislé sekce, stejně jako u starší verze detektoru. Pokud nám tento počet nestačí, přidáme svorky C a D (svorkovnici XA uprostřed) a můžeme pracovat se třemi nebo čtyřmi sekcemi.

Obr. 6 – Pohled zespodu

Na obr. 6 je pohled na spodní stranu desky prototypu a místa kde lze společný spoj přerušit. Místo určené pro přerušení je mezi vodivými ploškami označeno symbolem připomínajícím přesýpací hodiny. V případě potřeby je možné ho opět propojit např. odporem hodnoty 0R ve velikosti SMD 1206.

Poznámka: Potisk prototypové desky na obr. 6 ještě neodpovídá označení svorek v tomto článku.

Adresace modulů

Obr. 7 – Přiřazení adresy v programu Train Controller

Po připojení na sběrnici S88-N první modul za centrálou automaticky získává adresu 65. Toto nelze uživatelsky měnit. (Prvních 64 adres je v systému vyhrazeno pro zpětná hlášení výhybek.) Jednotlivé vstupy jsou pak označeny jako 65.1, 65.2, …, 65.8 (resp. 65/1 až 65/8). Každý další modul bude mít adresu vždy o jednu vyšší. V modulech se nic nenastavuje, vše je pevně dané protokolem sběrnice. Data jsou čtena z registrů sériově. Počet připojitelných modulů je dán centrálou (NanoX-S88: obslouží max. 16 modulů, tj. 128 vstupů), resp. řadičem, který je součástí interfejsu (HSI-88: je pro 62 modulů tj. 496 vstupů).

Podrobnější popis nastavení pro program Train Controller najdete v článku http://www.masinky.info/2015/06/test-detektory-obsazeni/.

V programu Rocrail je číslování vstupů postupné, první vstup prvního modulu má číslo 512.

Volitelná rozšíření modulu

Kromě již zmíněných přídavných konektorů VIN pro napájení a XA pro více sekcí je možné zvolit variantu s indikací stavu pomocí LED nebo verzi pro větší zátěž.

Verze s LED

Deska v této verzi (DIGI-CZ 210-LED) obsahuje osmici SMD LED, které indikují obsazení jednotlivých úseků a je možné je vypnout propojkou (na obr. 1 a obr. 8 uprostřed nahoře). Toto je však určeno spíše pro experimenty nebo hledání závad, standardně to modelář asi příliš nevyužije. LED jsou v provedení SMD a není možné je vyvést na panel. (Jsou připojeny přímo na logické integrované obvody CMOS a dlouhé vývody by ovlivňovaly příp. znemožnily jejich činnost.)

Verze pro 2A

Obr. 8 – Verze pro 2A a s osmi LED

Modul starší verze (DIGI-CZ 010) byl osazován můstkovými usměrňovači B250C1500, která mají povolený maximální proud (podle katalogových listů výrobců) v rozmezí 1000 až 2000 mA. V provedení SMD jsou diodové můstky dostupné pro 800 mA nebo 2000 mA. Rozhodli jsme se proto pro výrobu dvou verzí – standardní DIGI-CZ 210 (nově DIGI-CZ 210A) pro maximální proud do jednoho úseku 800 mA a rozšířenou DIGI-CZ 210-2A (nově DIGI-CZ 210B) pro proud 2A. Jedná se o úplně stejné zapojení, pouze jsou použity výkonnější můstky a upravená deska modulu. První verze je doporučovaná pro velikosti N a TT, výkonnější pro H0 a případně větší.

Nová verze 210.1, dodávaná od září 2015, má maličko upravený plošný spoj (odstranění drobné chyby v pořadí vstupů), sjednocený potisk a přidanou LED diodu indikující napájecí napětí 5V (uprostřed mezi dvěma čtveřicemi LED). Rozlišení A nebo B, určující maximální proud, je součástí názvu i potisku.

Další možnosti a doplňky

Již bylo zmíněno, že použití jednoduchého, spolehlivého a levného detektoru obsazení je „vykoupeno“ úbytkem napětí na diodách. Toto se může na některých lokomotivách projevit zakolísáním rychlosti při přejezdu z vyhodnocovaného úseku do části kolejiště, kde detektor není (a naopak). Na některých lokomotivních dekodérech to lze řešit nastavením CV. Obecně je však lepší vyřešit tento problém tak, že i do nevyhodnocovaných úseků kolejí zařadíme stejné diody, jako jsou ve snímačích obsazení. A je vymalováno. Navíc, tímto způsobem můžeme v budoucnosti přidat detektory obsazení i do těchto míst. Ale někteří modeláři mají panický strach před elektronickými součástkami. Právě pro ně jsme připravili minimoduly DIGI-CZ 206, které obsahují jen dvoupólovou svorku, diodový můstek a odpor. Přívod od boosteru (centrály) se připojí na jednu svorku, vodič ke kolejnici na druhou. Dokonce jsou obě svorky vzájemně zaměnitelné. Tyto minimoduly jsou přizpůsobeny na připojení k zjednodušenému modulu detektoru DIGI-CZ 207 (bez vstupních diodových můstků), který také připravujeme, a později jej mohou k takovýmto úsekům připojit. Minimodul bude stát méně než jedno pivo (hmm, plzeňské …).

Technické údaje:

DIGI-CZ 010 – starší verze

Napájení: +5V ze sběrnice S88-N, nebo zvlášť, odběr méně než 1 mA
Rozměry: 100 x 82 x 16 mm (deska 100 x 82 mm)
Maximální proud do snímaného úseku 1 000 mA
Varianty – osazená deska, stavebnice.

DIGI-CZ 210A – nová verze

Napájení: +5V ze sběrnice S88-N, nebo zvlášť, odběr méně než 1 mA, (3 mA s 8 x LED)
Rozměry: 109 x 50 x 16 mm (deska 100 x 50 mm)
Maximální proud do snímaného úseku 800 mA.

Možná rozšíření:

Indikační LED (8 ks, odpojitelné propojkou) – indikují obsazení jednotlivých úseků (+50 Kč);
Rozšiřující konektor pro 4 sekce (+15 Kč);
Přídavný konektor napájení (+25 Kč).

DIGI-CZ 210B

Detektor obsazení se zpětným hlášením S88-N a s diodovými můstky 2A
Napájení: +5V ze sběrnice S88-N, nebo zvlášť, odběr méně než 1 mA
Rozměry: (stejné, jako DIGI-CZ 210A).
Maximální proud do snímaného úseku 2 000 mA.