Temelín

Úvaha nad koncepcí napájecího zdroje pro kolejiště, návrh a popis realizovaného zdroje. 

Název článku je tak trochu recesistický, ale smysl má. Chci totiž psát o hlavním zdroji energie pro kolejiště. A tento název to, navzdory názorům různých aktivistů, určitě navozuje. Mnozí modeláři napájení hodně podceňují („plácnu tam zdroj ze starého PC“). To však může být pro kolejiště smrtelná  chyba (velké proudy vytváří ve vodičích při zkratu hodně tepla, velké teplo vyvolává požár).

Pro analog vystačí něco na úrovni známého a desetiletími ověřeného FZ1, případně několik FZ1 pro větší kolejiště. Regulovatelných stejnosměrných 12 V pro trakci a střídavých 16 V pro příslušenství bylo v šedesátých letech minulého století to optimální a normalizované a vydrželo dodnes. Časem se začalo experimentovat s PWM (pulzy s konstantním napětím ale s proměnnou šířkou), ale to bylo spíš pro fajnšmekry a alespoň u nás se příliš nerozšířilo, i když dnes je to poměrně dostupné řešení.

U DCC je základem celého systému pro trakci (i příslušenství) digitální signál, který přenáší informace i energii. Ten se vytváří v tzv. centrále (Command Station) a zesiluje v zesilovači (Booster) – viz následující obrázek převzatý  od Paco Cañada z http://usuaris.tinet.cat/fmco/dcc_en.html.

(Podrobněji viz Analog versus Digital, nebo prezentaci J.Fučíka na http://www.honzikovyvlacky.cz/wp-content/uploads/2011/11/Jemn%C3%BD-%C3%BAvod-do-DCC2.pdf ).

Do zesilovače musíme přivést energii ze zdroje (na obrázku Power Supply). A tím se vlastně dostáváme k jádru věci.

Napájení trakce – volba napětí

Rozkmit napětí DCC určuje norma NMRA v rozmezí minimálně +/- 7 V a max. +/- 22 V. Musíme také počítat s úbytkem napětí na spínacích polovodičových prvcích v zesilovači, cca 2 – 4 V, podle typu.  Ze zdroje se nejčastěji přivádí střídavé napětí a usměrňuje se až v zesilovači. (U zesilovačů vlastní výroby je volba na konstruktérovi, nic nebrání tomu používat externí zdroj stejnosměrného napětí. Raději bych se však vyhnul úplně levným spínaným zdrojům, přece jen se občas nějaké rušivé impulzy vyskytnout mohou a znehodnotí DCC signál. Navíc hodně z nich nesplňuje požadavky na bezpečnost.) Pro běžné velikosti HO-TT se obvykle používá 15-16V, pro N někdy i méně.  Pro mé kolejiště (rozchod TT) jsem zvolil střídavých 16 V.

Trakce – maximální proud

S určováním proudové zátěže je to složitejší. Záleží na „žravosti spotřebičů“, tedy hlavně motorech lokomotiv, ale také osvětlení, jak lokomotiv, tak i vagonků. Případně, pokud z kolejí chceme nápájet i příslušenství, musíme počítat i s ním (Nedoporučuji, viz dále.). Největší „žrout“ je obvykle mašinka, zvlášť, když jí naložíme do kopce pořádnou zátěž. Orientačně max. 300 – 600 mA u menších velikostí. Osvětlení žárovkami si také pořádně cucne, hlavně dlouhý rychlík svítící jako výkladní skříň se mašince klidně vyrovná. LED jsou lepší. Dnešní diody slušně svítí již při 3-5 mA, celková spotřeba však  velmi záleží na jejich zapojení  (sériové, nebo paralelní). Logická úvaha – proudu nikdy není dost – postavím tedy tvrdý zdroj cca 10 až 15 A a je vymalováno. CHYBA !!! Takovýto zdroj už má snahu chovat se jako zdroj pro svářečku. Pokud dojde např. ke zkratu kolečkem na srdcovce výhybky, spolehlivě roztaví nejen srdcovku, ale klidně vykousne zub do okolku nebo teplem zdeformuje i kolečko lokomotivy. Nemluvě o již zmiňovaném nebezpečí požáru. Takže se držme zdravého sedláckého rozumu,který radí,  že kolem 3 A je doporučovaná hodnota. To stačí tak na 3 až 5 vlaků plus nějakou rezervu.  V praxi je to dost často málo, proto se kolejiště rozděluje do více úseků (sekcí) se samostatným napájením. Zesilovače (boostery) se propojí přes optočleny digitálním signálem tak, aby ve všech úsecích kolejiště byl ve stejném čase stejný signál, ale galvanicky oddělený (viz zmiňovaná prezentace J. Fučíka, obr. 9 a 10).  Pro mé kolejiště jsem zvolil tři zesilovače (boostery).  Jeden je integrovaný do centrály Nano-X, další dva jsou pomocné BoosteR-CDE. Velkou výhodou tohoto řešení je, že i pomocné zesilovače mohou přes centrálu do ovladače posílat informaci o zkratu.

Kolejivo je dost nespolehlivý vodič, navíc na něm může vznikat rušení od jiskřících kol na nerovnostech.  Z těchto důvodů  pod kolejištěm plánuji rozvést DCC napájení pro jednotlivé sekce dostatečně dimenzovanými  vodiči (1,5 mm²) a propojit rozvody s kolejemi všude, kde to bude možné. Pozor však na jednu důležitou věc – při zapojování je vhodné dbát na to, aby rozvod digitálního signálu netvořil smyčky !!! Do jednoho úseku (bloku) kolejiště by měl být přívod pouze v jednom bodě. U analogu tento problém nebyl, napětí bylo stejnosměrné a proud tekl tudy, kde byl nejmenší odpor. U digitálního signálu, byť se to nezdá, musíme brát do úvahy i časový posun impulzů. Pokud  stejně odeslaný signál do jednoho bodu přijde ze dvou různých cest, můžou být oba příchozí signály fázově posunuté a dekodér tomu neporozumí. Nestává se to vždy, záleží na celkovém řešení (délka vodičů, zpoždění signálu v elektronických obvodech a jiné), ale stát se to může, byť jen občas. A občasné chyby se hledají nejhůře. Proto ne smyčky, ale rozvod napájení by měl mít topologii „stromu“. Tento „strom“ samozřejmě může jít pod kolejemi, ale jeho konce by neměly být spojené. Vzhledem k tomu, že při digitálním řízení se téměř vždy kolejiště dělí na kratší bloky kvůli vyhodnocování polohy vlaků, není uvedená podmínka žádný problém, jen se na to musí myslet při návrhu kabeláže. Podrobněji ZDE.

 

Napájení příslušenství

Příslušenství lze rozdělit do dvou skupin. První tvoří zařízení ovládané pomocí DCC, které musí mít svůj dekodér.  Tyto můžeme dále dělit podle napájení. Část dekodérů nebo i jimi ovládaných zařízení  bývá napájená přímo ze signálu DCC, který se usměrní a stabilizuje (např. servodekodér podle Paco Cañada). Výhodou je menší počet vodičů, nevýhodou může být ovlivňování rušivými signály, které vznikají např. na komutátorech motorků lokomotiv nebo servomotorů a mohou se šířit po rozvodech. Rozvod DCC často bývá galvanicky propojený až na vstup mikroprocesoru.  Navíc, každý dekodér musí mít svůj stabilizovaný zdroj přímo na desce. Druhá skupina dekodérů (např. dekodér návěstidel ND-4) bývá napájena z externího zdroje (nebo rozvodu vhodného napájecího napětí), signál DCC bývá galvanicky oddělený od procesoru optočlenem a využívá se pouze jeho „logická hodnota“. Výhodou je minimální citlivost na rušení, nevýhodou jsou dva napájecí vodiče navíc. Zde bych se chtěl zmínit o tom, že je v podstatě velmi jednoduché upravovat dekodéry z první skupiny na ty z druhé skupiny, ale ne vždy je to  vhodné. Některé funkce dekodérů (zejména při přeprogramování konfigurace – tzv. CV) mohou vyžadovat tzv. Handshaking (potvrzování). Centrála v tomto případě po vyslání povelu čeká na jeho potvrzení.  Někdy to jednodušší systémy realizují tak, že jednoduše „zacvičí zátěží“ – tedy např. pohnou servem, a zvýšený odběr proudu je centrálou vyhodncen jako potvrzení vykonání  příkazu. Pokud napájení dekodéru přehodíme z DCC na externí zdroj, nebude to možné.  Proto všeho s rozvahou.

Poslední skupinu pak tvoří to příslušenství, které nevyužívá DCC (např. osvětlení, autíčka a pod.). Dost často však i takovéto příslušenství ovládáme sprostředkovaně pomocí  DCC (např. přes nějaké spínací dekodéry).

Výše bylo uvedeno, že nedoporučuji napájet DCC příslušenství přímo z kolejí. Plánuji pro něj samostatný rozvod DCC, abych omezil šíření rušivých signálů. Proto jsem se rozhodl použít další zesilovač (booster), který bude pouze pro příslušenství. Už jsem se zmínil, že mezi jednotlivými boostery není galvanická vazba, signál se přenáší přes optočleny, čímž je zaručená vysoká odolnost proti šumu, resp. přenosu rušení. Zde s výhodou využiji starý zesilovač Roco 10764, který lze pomocí jednoduchého obvodu (opět z dílny Paca a Jindry) použít jako přídavný booster. V tomto případě nemusím ani řešit otázku amplitudy signálu, protože signál bude od kolejí galvanicky oddělený.

Shrnutí – pro napájení rozvodu DCC počítám se čtyřmi samostatnými  galvanicky oddělenými  boostery – budu tedy potřebovat čtyři střídavé zdroje  16 V.  Z důvodů vyšší spolehlivosti a odolnosti jsem zvolil dva zakázkově navinuté toroidní transformátory,  každý se dvěma sekundárními vinutími 16 V / 3 A.  Samozřejmě, každé vinutí, jak primární, tak sekundární, bude jištěné samostanou pojistkou, která má chránit před zkraty v instalaci. (Provozní zkraty „vyřídí“ ochrana v boosterech.)  Prudký náběhový proud v primárním vinutí toroidů omezí sériově zapojený termistor.

Co se ještě bude napájet?

Obvykle budeme potřebovat stejnosměrné napětí  12  V. Pro dekodéry návěstidel, osvětlení a pod. Pro elektroniku je většinou vyžadované stabilizované napětí. Při větších celkových proudech je vhodné stabilizovat napětí až blízko spotřebiče,  je tím méně náchylné na kolísání odběru a úbytky na vedení. Proto jsem zvolit dvoustupňovou stabilizaci – jako první stupeň používám spínaný zdroj z notebooku, který dodáva 16 V stejnosměrných (povolená zátěž 4,5  A) a lokálně pod kolejištěm bude několik malých stabilizátorů s obvody 7812 (1 A), nebo 78S12 (2 A). (Dodatek – místo 7812 nebo 78S12 použiji spínané stabilizátory.)  POZOR – zdroj notebooku musí být v bezpečném provedení SELV, jiný nepoužívejte ve vlastním zájmu. Přečtěte si poznámku dole.

Může se vyskytnout také potřeba 5 V.  Je to vhodné napětí pro napájení serv, paměťových drátů nebo samostatných LED (ty mají v propustném směru cca 2 až 3,5 V). Také mnohé logické obvody vyžadují napájení  5 V. Proto počítám i s rozvodem 5 V.  Zde použiji stejný princip jako u 12 V, jen předstabilizace bude spínaným zdrojem 9 V / 3 A (dostupný např. v GM Electronic).  A malé spínané stabilizátory na 5V.

Malé odbočení  – mnohé prodávané lampy s LED jsou dodávány s odpory pro 16 V. Je to pouze z historických důvodů (napáječ FZ1 používá právě toto napětí pro příslušenství, žárovky bývaly také na 16 V a mnozí modeláři toto napětí dodnes používají už jen ze zvyku. Navíc, toto napětí pro příslušenství uváděla i norma NEM.) Takové řešení nemá smysl, když si uvědomíme, že úbytek na LED jsou cca 2 – 3 V, na odporu musí zůstat 14 V, tedy 7 krát vyšší výkon se mění na teplo.  Srážet napětí pro LED pomocí odporů z 12 až 16 V je tedy značně neekonomické. Lepší je použít seriové zapojení více diod, nebo je napájet 3 – 5 V (sériový odpor musí být vždy kvůli omezení proudu, ale stačí menší ohmická hodnota – pokud to někomu není jasné, doporučuji přečíst si články
Martina Pinty http://lokopin.wz.cz/ruzne/zaklady_elektroniky.htm#LED,
Jaroslava Vorlíčka http://www.honzikovyvlacky.cz/2011/08/20/uvaha-o-zamene-klasickych-zarovicek-za-led/,
nebo BorgM: http://dccmm.dyndns.info/index.php/dcc-modely/volba-odporu-k-led.

Kam se zdrojem?

Další důležitá otázka. Zásadně nedoporučuji montovat zdroj přímo pod kolejiště, často se zde manipuluje se zapojením, používají se různé ostré nástroje a mít pod nosem rozvod 230 V považuji za velký hazard. Navíc, nějaké zvídavé děti se kolem kolejiště (nebo i pod ním) také  často vyskytují. Proto volím samostatnou kovovou (uzemněnou) skříňku, ze které budou vycházet ke kolejišti svazky vodičů pouze s malým napětím. Může stát na zemi někde v koutě pod kolejištěm nebo to může být  jakýsi minirozvaděč na stěně.  Pod kolejištěm už budou pouze obvody na 16 V a méně (centrála, zesilovače, dekodéry atd.).

Rušení a odrušení

Ještě na jednu věc bychom neměli zapomínat. Kolejiště je z hlediska norem spíš prototyp, nežli finální výrobek. Nemusí se na něj tedy striktně uplatňovat všechny normy pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC).  Ale měli bychom si být vědomi dvou skutečností – digitálně řízené kolejiště je značně citlivější na vnější rušení, nežli analogové. A na druhou stranu – pulzní proudy několik ampérů, navíc tekoucí různými smyčkami v kolejišti, dokážou vygenerovat dost silné rušivé elektromagnetické pole. Proto by součástí zdroje měl být také kvalitní odrušovací filtr na vstupu síťového napětí.

Nejlepší je koupit síťovou zásuvku se zabudovaným LC filtrem – např. tzv. Euro zásuvku používanou často pro napájení  PC – viz obrázek převzatý z http://www.gme.cz/sitove-napajeci-euro-konektory-kombinovane/5110-0643-1-p806-073/, případně podobný filtr zařadit mezi přívod a primární vinutí transformátorů. Já jsem měl k dispozici precizní filtr ze zdroje vyřazeného serveru, tak jsem jej s úspěchem použil. Zmíněný filtr je na obrázku, je vidět, že obsahuje více filtračních prvků než výše zmíněný filtr.

Velmi vhodné je též používání kroucených dvouvodičů, a to nejen pro napájení.

Realizace

Na dalším obrázku je rodící se zdroj. Na čelním panelu je centrální vypínač a řada LED indikujících jednotlivá napětí na výstupech. Vzadu je přívod 230 V a průchodky pro vyvedení kabelů ke kolejišti.

 

 

Následující fotografie ukazuje plošný spoj s pojistkami. Na pravé straně jsou čtyři tavné pojistky pro ochranu primárních vinutí toroidních transformátorů (2x) a dvou spínaných zdrojů 9V a 16V DC (stejnosměrných) a dva termistory pro omezení náběhového proudu toroidů. Vlevo jsou postupně shora čtyři elektronické pojistky (i s ochranou proti přepětí) 3A AC pro napájení boosterů DCC (každý toroid má dvě sekundární vinutí 16V/3A) a po jedné pojistce 3A a 4,5A DC na výstupu spínaných zdrojů. Bližší popis těchto obvodů je ZDE.

 

Závěrem

Jistě se vyskytne otázka – Proč zde není celkové schema? Rozhodně nechci, aby tento článek byl brán jako stavební návod. Vzhledem k tomu, že ve zdroji pracujeme s životu nebezpečným napětím (na primární straně transformátoru), nechci publikovat podrobné zapojení. Ti, kteří mají dostatek zkušeností, to zvládnou sami, ostatním bych doporučil koupit si nějaký hotový zdroj, nebo požádat o pomoc zkušenějšího přítele. Měl by mít příslušnou kvalifikaci a oprávnění (Vyhláška 50/1978 Sb.).

(doplněno 28.ledna 2012)

 Doplnění – poznámka

Možná by se zdálo, že vyžadování SELV nebo dvojité izolace je zbytečné. Ale uvedu jeden aktuální příklad. Chtěl jsem vyzkoušet jeden elektronický obvod pro DCC. A potřeboval jsem k tomu také osciloskop. Ten, jak známo, má obyčejně kostru propojenou s nulovou svorkou (někdy se dá odpojit – tento ne). Pro DCC jsem v pokusném zapojení použil „co dům dal“ – zesilovač – „kostku“ Roco, Multimaus a jako napáječ (byl jsem líný hledat a připojovat transformátor) jsem si vzal zdroj z notebooku Lenovo, který dává 16V stejnosměrných. Měření voltmetrem bylo ok, chtěl jsem ještě ověřit průběhy napětí osciloskopem. A ouha! Jakmile jsem se osciloskopem dotknut vodiče DCC, kostka zabzučela a Multimaus rozsvítil blesk – tedy indikoval zkrat. Asi pět vteřin jsem na to nevěřícně koukal, pak jsem to zopakoval se stejným výsledkem. Vzhledem k tomu, že jsem v ruce držel hrot od osciloskopu, došlo mi to dost rychle …

Důvod – napáječ od notebooku nebyl galvanicky oddělený od sítě. I když stejnosměrným ohmemetrem jsem nic nanaměřil, jsou tam obvykle odrušovací kondenzátory, které jsou galvanicky propojeny se síťovým rozvodem. No a střídavý DCC signál nimi prošel a zpátky se vrátil přes osciloskop. Proto pozor, můžete dostat ránu, můžete zničit měřáky i jiné cennosti …

(doplněno 6.srpna 2013)