Připojování boosterů a úsekové dělení – část 1

Do příchodu technologie DCC do železničního modelářství se pro napájení trakce na většině domácích kolejišť používal jeden či více stejnosměrných nápáječů FZ1 spolu s úsekovým dělením. Vyskytlo se i pár fajnšmekrů, kteří si dle návodů ze speciálů Modely vyráběli z tranzistorů drobná udělátka, aby byl provoz věrnější a i automatizovaný. I já byl jedním z nich. Doba se změnila, ale snaha o výrobu elektroniky svépomocí zůstává. Problém však většinou nastává při hledání příčin vzniklých problémů. Zde již není možné intuitivní měření stejnosměrného napětí pomocí klasického ručkového PÚčka. :-)

To mě přivedlo k napsání článku na téma problémů se spojováním boosterů při úsekovém dělení kolejiště. Na českých i zahraničních serverech je k nalezení velké množství návodů a zapojení, ale jen minimum z nich poskytuje komplexní úvod do problematiky.

Většina z dále uvedených informací byla zjištěna při důkladném měření za provozu našeho moduliště. Nejedná se jen o teoretickou úvahu.

Rád bych odkryl některá specifika při připojování DCC boosterů. Snad to některé ušetří od zničených vozidel, kolejiva i elektronických prvků, které tak pracně stavěli.

Část informací o tomto tématu zpracoval již kolega David v článku Napájení modulů. Můj popis bude podrobnější a půjde více do hloubky a fyzikální podstaty.

Co je to DCC signál?

Jedná se v podstatě o obdélníkový střídavý signál, který slouží jak pro napájení daného vozidla a elektroniky, tak i k přenosu informace o požadavku na provedení příkazu. Tato komunikace je pouze jednosměrná. Celý systém byl od počátku vyvíjen pro domácí kolejiště a proto nynější  snahy o provozování na rozsáhlejších layoutech často naráží na hranice návrhu celého systému (počty ovladačů, přechodové odpory…). Zdrojem vzorového signálu je DCC centrála, která vytváří signál na základě požadavků od obsluhy (ovladač, PC…). Tento signál je poté nutné zesílit vestavěným nebo externím boosterem, aby poskytoval dostatečnou proudovou zatížitelnost pro napájení více vozidel. Jeho vzorový signál je na obrázku Obr. 1: Vzorový signál DCC.

Vzorový signál DCC

Obr. 1: Vzorový signál DCC

Důvod, proč se rozepisuji o DCC signálu, který na internetu popisují desítky stránek je ten, že jako každý signál i tento má svou fyzikální podstatu, kterou ale mnoho lidí (občas i odborníků) ignoruje. Tím se potom stává, že jimi naměřená data nekorespondují s jejich předpoklady o příčině problému.

Z fyzikálního hlediska nás budou zajímat následující vlastnosti, které definují signál:

  • Amplituda signálu – Umax
  • Perioda – T_a, T_b
  • Fáze – φ
  • Rychlost šíření – pro snazší porozumnění zjednodušíme: v c (300 000 km/s)

Hlavním rozdílem v chápání stejnosměrného napájení modelové železnice a DCC je nutnost předpokládat, že DCC signál se šíří jako elektromagnetická vlna. Opět pro zjednodušení se zmíním pouze o třech fenoménech, kterými jsou odraz, útlum a stojaté vlnění. Nebudu se zde o jejich principech rozepisovat. Porodobnější popis můžete nalézt například na Wikipedii. V prvním díle v následujících řádcích nebude tato znalost nezbytně nutná, jelikož se budu zabývat stavy, které se vyskytují u většiny domácích kolejišť (malé délkové rozměry). V dalším pokračování se ovšem budu zabývat jevy, které se vyskytují na rozsáhlých layoutech o větších vzdálenostech, a tam již půjdu do problematiky hlouběji.

Úseky

Nejčastější důvody pro rozdělení kolejiště s DCC ovládání na více samostatných napájecích úseku jsou v zásadě dva. Prvním je distribuce celkového proudového zatížení kolejiště na více boosterů a druhým je detekce obsazenosti částí kolejiště. My pro začátek budeme uvažovat o běžném případu hranice dvou sousedních úseků napájených ze dvou samostaných boosterů. Tento případ je zobrazený na obrázku Obr. 2: Úsekový přechod.

Obr. 2: Úsekový přechod

Obr. 2: Úsekový přechod

(V následujících řádcích se nebudu zabývat elektrickými jevy způsobenými špatně provedeným mechanickým rozhraním – např. asymetricky provedené dělení kolejí – ani systémem se společnou kolejnicí.)

Z fyzikálního hlediska nás budou zajímat následující vlastnosti úseku:

  • Fyzická délka – L (m)
  • Impedance vedení a smyčky – Z (Ω)

Při přejezdu obecného vozidla (lokomotivy nebo vozu), které má kovové nákolky na nápravách, na uvedeném vzorovém rozhraní dvou úseků dojde k propojení obou těchto úseků. Tento jev je známý a v zahraniční literatuře popsaný a na jeho základě je založen i test pro kontrolu polarity zapojení – test s mincí. Méně již je mezi modeláři známá věc, že ke stejnému stavu propojení úseků dochází i přes vnitřní zapojení modelů lokomotiv a i některých vícepodvozkových např. osobních vozů. Typický případ je zobrazený na obrázku Obr. 3: Lokomotiva při přejezdu úseků. V tomto případě čtyřnápravová lokomotiva má dva samostatné podvozky a propoj mezi nimi je tvořený sběrači proudu a přívodními vodiči, které přivádí proud na základní desku s instalovaným dekodérem.

Lokomotiva při přejezdu úseků

Obr. 3: Lokomotiva při přejezdu úseků

Většina komerčně vyráběných systémů (LENZ, Digitrax, Zimo…) je na tuto skutečnost projektována a při správné činnosti a správném zapojení dle návodu výrobce nebývá uvedený stav u malého kolejiště s několika vozy problémem.

Začneme se stavy, které mohou nastat na klasickém domácím kolejišti. Co se například stane při poměrně banální poruše, kterou je výpadek napájení jednoho boosteru?

1) Výpadek napájení jednoho ze sousedních boosterů

Zde se ještě obejdeme celkem bez vzorečků. :-) V tomto případě je výstupní signál z jednoho z boosterů (například booster B) s nulovou amplitudou: Umax = 0V. Druhý booster ovšem normálně generuje napájecí DCC signál pro svůj úsek (booster A). Průběh signálu je schématicky nakreslený na obrázku Obr. 4: Vypnutí boosteru B.

Obr. 4: Vypnutí boosteru B

Obr. 4: Vypnutí boosteru B

Co se stane při přejezdu bežného vozu s izolovanými nápravami?

Při každém průjezdu nápravy přes rozhraní mezi úseky dojde k propojení výstupu obou boosterů skrze tuto nápravu. Tím dojde k napájení vedlejšího (vypnutého) úseku z fungujícího boosteru. Jelikož proud protéká pouze přes nákolek dané nápravy, tak uvedený stav signalizuje hlavně „škubání“ u lokomotiv, „blikání“ u osvětlených vozů a jiskření náprav vozu na rozhraní mezi úseky.  Nedochází k výraznému ohřevu a tudíž tento stav je vysledovatelný hlavně na základě vizuální kontroly nákolků lokomotiv a vozů, kde budou zřetelné výpalky po jiskření.

Co se stane při přejezdu vozu s více podvozky nebo lokomotivy?

Zde je již situace horší. Situace je velmi podobná jako v předchozí situaci s izolovanými nápravami. Zásadní rozdílem ale je, že uvedený vyrovnávací proud mezi úsekem s funkčním boosterem a úsekem s vypnutým bosterem může procházet skrze vnitřní zapojení lokomotivy. Hodnota tohoto proudu může být značná a teoreticky se může blížit až maximálnímu proudu funkčního boosteru. To jistě není dobrá situace, která může vyústit i ve zničení lokomotivy nebo vozu!

Řešení problému:

Variant řešení je několik. Nejvhodnější je následující kombinace více prvků. Pro omezení proudového namáhání je nejlepší známou variantou vložení elektronických jistících/omezovacích prvků, které limitují proud na přijatelnou úroveň (viz například MERG – Cut out and detector unit (BDC1) ). V nejjednodušší variantě pro menší měřítka (TT a N) postačí i vhodně zapojené žárovky do výstupu k úsekům. Dále je nutné doplnit výstup boosteru o zvukovou signalizaci podpětí, která zajistí informování obsluhy o výskytu problému a nutnosti vypnutí kolejiště. Tato ochrana samozřejmě musí být napájena z jiného zdroje, aby byla kontrola nezávislá na první poruše.

2) Rozdíl amplitud sousedních boosterů

Jelikož se pohybujeme v reálném světě, tak velmi často nastává následující situace. Amplituda signálů sousedních boosterů je rozdílná, například Umax_A > Umax_B.

Tato situace může vzniknout z následujících příčin:

  1. Napájecí zdroj má jiné napětí a booster nemá vnitřní stabilizaci napájení
  2. Boostery maji vnitřní kalibraci, která je špatně nastavená (např. LENZ)
  3. Booster B je umístěný asymetricky na konec dlouhé větve
  4. Booster B je výrazně více proudově zatížený a napájecí zdroj je měkký

(Další případy, jako například poruchy koncových spínacích prvků, jsou velmi řídce se vyskytující a dále je nebudu rozebírat.)

Nyní se na uvedené varianty podíváme trochu z blízka. Průběh signálů v obou úsecích je schématicky nakreslený na obrázku Obr. 5 : Rozdílná amplituda sousedních boosterů. Na obrázku je naznačena situace Umax_A > Umax_B.

Obr. 5 : Rozdílná amplituda sousedních boosterů

Obr. 5 : Rozdílná amplituda sousedních boosterů

2.1) Napájecí zdroj má jiné napětí a booster nemá vnitřní stabilizaci napájení

Značná část DIY zařízení na internetu má bohužel jednu nectnost, a tou je absence kvalitní stabilizace napájecího napětí pro koncové spínací prvky. To způsobuje, že napětí je tak závislé pouze na výstupním napájecím napětí zdroje (adaptéru/trafa) a to může velmi kolísat a i u stejných typů se může mírně lišit.

Řešení problému:

Jelikož jen velmi zřídka se chce člověku předělávat již navrženou a z internetu staženou desku plošných spojů (DPS), pak nastává ještě záložní řešení a tím je napájení boosterů z kvalitních tvrdých stejnosměrných stabilizovaných zdrojů s kalibrovatelným výstupním napětím (z vlastních zkušeností doporučuji BKE – česká výroba).

2.2) Boostery maji vnitřní kalibraci, která je špatně nastavená (např. LENZ)

Kvalitnější výrobci, jako je LENZ, nabízejí ve svých boosterech možnost nastavení výstupního napětí tak, aby bylo přívětivé k modelové velikosti a nezpůsobovalo zbytečný ohřev dekodérů odpadním teplem koncových stupňů a stabilizátorů. Toto nastavení je vždy popsáno v manuálu a je nutné dodržet nastavení stejného napětí u všech boosterů, které spolu sousedí.

Řešení problému:

Pokud už se člověk pustí do přenastavování tohoto parametru boosteru, pak je vhodné poznamenat si původní nastavení výrobce a přečíst si návod! Pokud jsou všechny boostery od jednoho profesionálního výrobce, pak se dá na shodnost výstupních napětí při shodné hodnotě parametru vcelku spolehnout. Pokud kombinujete více kompatibiliních výrobců a DIY, pak je vždy vhodné použít osciloskop ke kontrole skutečného stavu. Tímto způsobem je možné i kalibrovat napětí na rozhraních úseků a tím eliminovat délků vodičů a kolejí – celé výsledné smyčky.

2.3) Booster B je umístěný asymetricky na konec dlouhé větve

Častou chybou je umístění boosteru B na nejvzdálenější konec celého napájeného úseku. Tím na rozhraní úseků vzniká vlivem impedanci smyčky při zatížení úbytek napětí a o tuto hodnotu je menší i amplituda signálu. Naštěstí bývá úbytek ve většině případů symetrický v obou polaritách.

Řešení problému:

Nejvýhodnější řešení bývá umístění boosterů uprostřed celého k nim přináležejícího úseku, čímž se tento problém do značné míry eliminuje. Dalším variantou řešení (např. boostery jsou u zdrojů u zásuvek v jednom hnízdě) je posilovací vedení zakončené poblíž rozhraní úseků, které má dostatečný průřez, čímž kompenzuje úbytek v kolejnicích a základním vedení.

2.4)  Booster B je výrazně více proudově zatížený a napájecí zdroj je měkký

Vhodný booster i k němu přináležející napájecí zdroj by měl být ideálně tvrdý až do maximálního trvalého zatížení. U profesionálních výrobků (např. LENZ) je tato vlastnost poměrně slušně provedena a měření prokázala, že hodnoty udávané výrobcem jsou dost přesné. U různých zvěřejněných zapojení na internetu jsou vlastnosti různé.

Řešení problému:

Stejně jako v bodu 2.1 platí, že jen velmi zřídka se člověku chce předělávat již navrženou a z internetu staženou DPS (někdy je to bohužel nutnost). :-) Řešení je pak nutné dvojí.
Prvním nutností je napájení boosterů z kvalitních tvrdých stejnosměrných stabilizovaných zdrojů s kalibrovatelným výstupním napětím. Jako druhé velmi vhodné se také jeví proměření tvrdosti boosteru jeho zatížením na maximální uvažované provozní zatížení a současné změření změny výstupního napětí se zvyšujícím se zatížením. Při nevyhovujícím výsledku je pak vhodné zvolit dělení na více úseků a tím i menší jednotlivé zatížení, nebo zvolit jiného dodavatele.

3) Rozdíl fází signálů sousedních boosterů

Zde již narážíme na první zásadní rozdíl oproti stejnosměrnému nápájení trakce na modulovém kolejišti. Na obrázku Obr. 6: Rozdílná fáze sousedních boosterů je toto zpoždění dáno rozdílnou velikostí Toff_A (zpožděné) > Toff_B.

Nejčastějšími důvody vzniku rozdílu fází signálů DCC jsou:

  1. Dopravní zpoždění přenosu ze vstupu boosteru na výstup
  2. Kaskádní zapojování boosterů

3.1) Dopravní zpoždění přenosu ze vstupu boosteru na výstup

Jak jsme si řekli v úvodu, tak signál DCC se šíří konečnou rychlostí. Stejně tak i řetězec elektronických prvků přenášejících informaci (tvar) o DCC signálu ze vstupu na výstup boosteru má nenulové zpoždění. Jsou to řádově jednotky až desítky μs (1×10e-6 s). U profesionálních boosterů je s tímto počítáno a všechny boostery mají toto zpoždění nastavené z výroby (programově), tak aby byl výstup synchonizovaný a nedocházelo k destruktivním jevům při paralelním spojování. U schémat typu DIY toto opět není pravidlem. Málokteré zapojení obsahuje zpětnou vazbu o stavu sepnutí koncových stupňů, které by umožňovalo cílené řízení zpoždění. Většina zapojení vychází z principu „čím rychleji na výstupu, tím lépe“. Zde pak hraje velkou roli tolerance součastek (např. i tolerance krystalu…) celého zapojení, která určuje vzájemnou slučitelnost boosterů i od jednoho stejného výrobce.

Řešení problému:

U DIY bohužel existuje jen jediné správné řešení a tím je kompletní předělání zapojení a nebo firmware (ovládací program procesoru). Méně vhodnou variantou, kterou ale máme vyzkoušenou i na našem modulišti, je vytvoření oddělovacích úseků, delších než je nejdelší vlaková souprava, které jsou napájené jednostranně přes ochranné žárovky, které limitují proud. Tím je zkrat omezený na minimum. Nejvhodnější variantou bývá jen výměna za jiného dodavatele.

3.2) Kaskádní zapojování boosterů

Velmi častou chybou je kaskádní zapování boosterů za sebou. Správný způsob je připojení boosteru na referenční signál. Všichni profesionální výrobci tento princip mají implementovaný (LENZ zavádí CDE, LocoNet obsahuje DCC kopii). Důvod je následující a vychází z bodu 3.1 o konečné rychlosti přenosu informace ze vstupu na výstup boosteru. Pokud připojíme jako vstupní signál pro booster A výstupní signál sousedního boosteru B, pak dochází ke sčítání těchto dopravních zpoždění a takové rozhraní bude vykazovat při průjezdu vozidel zkrat. Pokud je fázový rozdíl výrazně menší než půl periody T_a (nebo i T_b), pak dochází jen k „malému zkratu“. Ve většině případů se uvedený problém projevuje jako drobný brum při průjezdu nákolků přes rozhraní úseků. Případně se může vyskytovat i drobné jiskření u nákolků. Současně při vyšší četnosti vlaků dochází k náhodným výpadků jednoho z boosterů, který pak signalizuje zkrat, který ale není způsobený „opravdovým tvrdým zkratem“ v daném úseku, ale tepelným přetížením boosteru a jeho následným odpojením.

Průběh signálů v obou úsecích je schématicky nakreslen na obrázku Obr. 6 : Rozdílná fáze sousedních boosterů. Zpožděným boosterem je booster A → Toff_A > Toff_B.

Obr. 6: Rozdílná fáze sousedních boosterů

Obr. 6: Rozdílná fáze sousedních boosterů

Řešení problému:

Jediným správným způsobem je zapojení vstupu boosteru na jeden globální referenční signál, který je na domácím kolejišti společný a tím je zajištěna synchronizace a jednotnost. Značná část DIY řešení má implementováno CDE rozdraní nebo v případě SPAXu LocoNet DCC kopii. Na našem modulovém kolejišti provozujeme komponenty ROCO, které mají ještě zde nezmíněnou variantu synchronizovaného rozvodu DCC kopie signálu. Podrobný popis je uvedený v článku: Napájení modulů komponenty Roco.

Závěr

Doufám, že Vám všem těch několik výše napsaných řádek pomůže v porozumnění některých problémů, které se mohou a vyskytují při ovládání modelové železnice pomocí DCC. Možná se Vám může zdát, že preferuji značkové zboží před domácím kutilstvím. Není to pravda. Sám rád upravují zapojení z internetu a využívám setové prvky. Mojí snahou bylo vysvětlit, že většina zapojení na internetu na rozdíl od komerčních produktů  není „blbuvzdorná“ a vyžaduje od kutila jisté znalosti a vybavení dílny. V dnešní době již bohužel jen s PÚčkem nevystačíte a kvalitní osciloskop je při výrobě DIY DCC nutností, ne zženštilostí. Při nepochopení těchto pravidel nastává často souboj fyzikálních veličin na kolejišti a pak vždy prohrává ten nejslabší, například lokomotiva.

Příště se zaměříme na jevy, které se vyskytují hlavně u rozsáhlejších instalací.

Příspěvek byl publikován v rubrice Elektronika se štítky , , . Můžete si uložit jeho odkaz mezi své oblíbené záložky.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *