Úsekovník

Důvod používání úsekovníků v našem klubu jsem už popsal v článku o celkové koncepci elektro zapojení na našem modulišti – Koncepce zapojení našeho modulového kolejiště. V tomto článku bych Vám rád představil jeho současnou finální podobu.

První námi používané úsekovníky byly velmi primitivní a skládaly se z dvojice automobilních žárovek, které byly jednoduše připájené na slaněné vodiče zakončené banánky Hirschmann. Jako „krabička“ byly použity vysloužilé ochranné a transportní obaly od NiMH akumulátorů, které tehdy přinesl náš člen Zdeněk. Velmi pěkně je tehdejší stav popsán v Davidově článku – Napájení modulů komponenty Roco. Jednoznačnou předností žárovek byla jasná signalizace výskytu poruchy nezávislá na dalších prvcích. To, co se ale ukázalo jako jejich velká slabina, byla jen velmi omezená nabídka parametrů vlákna. Je to samozřejmě logické vzhledem k unifikaci v automobilovém průmyslu. Toto se nakonec ukázalo být Achillovou patou jejich dalšího použití. S rozšiřujícím se parkem vozidel se zvukovými dekodéry a souprav s vnitřním osvětlením nebylo možné najít typ s vhodnými parametry. Původní zvolené žárovky, které při přejezdu jednoho motoráku či lokomotivy nevykazovaly žádné nedostatky, nyní způsobovaly zřetelné zpomalování souprav, což se nám samozřejmě nelíbilo. Začali jsme řešit, jak skloubit vizuální signalizaci s námi požadovaným odporem a současně i limitem příkonu. Tak vzniklo současné (2017-2018) provedení verze 2.1.

Obrázek 1: Reálné provedení úsekovníku
Obrázek 1: Reálné provedení úsekovníku

V textu jsou použité pouze náhledy. Všechny podklady pro výrobu jsou ve vhodných formátech ke stažení na konci článku, včetně velmi podrobného návodu na sestavení a oživení.

Mechanická konstrukce

Před vlastním návrhem podoby celého zařízení jsem samozřejmě začal hledáním krabičky. V nabídce maloobchodníků je bohužel problém najít cokoli vhodného. Běžné univerzální dvou i vícedílné plastovky mívají otřepy, otřesně umístěné otvory pro připevnění DPS a o designu bych zcela pomlčel. Hezčí krabička (například Hammond nebo Okatec) pak stojí i několik stovek. Pro sérii profi zařízení to není taková hrůza, ale pro pár kousků zařízení do klubu je to darda. Hledání po velkoobchodech jsem předem zamítl, jelikož jsem zrovna neměl žádnou rozjednanou objednávku materiálu a zaplacené poštovné u jednomu kusu cenu znásobí. Inspirace přišla při hledání jiného materiálu na jiný projekt v mém „domácím skladišti“, kde mi do oka padl hliníkový jekl, který používáme na nohy k modulů. Nápad byl na světě! Tohle bude pěkné provedení, a přitom i velmi odolné! Kdo už párkrát demontoval layout, ten mi dá jistě za pravdu, že všechny provozní věci musí i něco vydržet. :-)

Bohužel rozměr, který používáme na nohy není dostatečný, aby se do něj vešly oba rezistory současně. Zvolil jsem proto rozměr větší (40×40 mm) a navíc v eloxovaném provedení. Eloxované provedení jsem vybral hlavně z důvodu vzhledu, jelikož si myslím, že dává zařízení profesionálnější podobu. V zařízení bude nutný průzor pro signalizaci a ten bude nutné opět zakrýt, aby dovnitř nepadal prach a špína. Na základě předchozích zkušeností s popisem jiných zařízení jsem od počátku počítal s použitím průhledné samolepící pásky Brother (černá/průhledná, šířka 36 mm). Při dokonalém odmaštění povrchu se jedná o velmi kvalitní popis zařízení, který je i poměrně trvanlivý.

Pro uzavření konců profilu se přímo nabízelo použití běžně prodávaných čtvercových plastových záslepek, které se do konců trvale nalisují, což je vyhovující, jelikož zařízení není nutné v provozu rozebírat. Do těchto záslepek se upevní plastové průchodky PG7, které ochrání přívodní vodiče proti vytržení. Tím bylo o mechanické podobě rozhodnuto a bylo na čase pustit se do návrhu zapojení.

Elektrické zapojení

Po delší rozvaze nad současnými klubovými požadavky jsem nakreslil pár schémat a udělal pár výpočtů. Následovalo několik provedených měření a pokusů na testovacím oválu. Bylo na čase vytvořit dva první skutečné prototypy.
Zde musím přiznat, že hned při vrtání prvního hliníkového profilu se mi to podařilo udělat díry pro výkonové rezistory zrcadlově obráceně… :-)
Celé současné schéma zapojení je vlastně stejně jednoduché jako to původní se žárovkami. Základ tvoří dvojice výkonových rezistorů v hliníkovém pouzdře spojených s jednoduchou LED signalizací proudu – viz obrázek 2: Schéma úsekovníku.

Obrázek 2: Nákres úsekovníku Obrázek 2: Schéma úsekovníku

Myslím, že na téma připájení dvou výkonových rezistorů k přívodním vodičům nemá cenu psát román, možná jen drobná poznámka k jejich výběru. Provedení RB50 bylo zvoleno záměrně, jelikož je toto hliníkové pouzdro robustní a celkem homogenně rozvádí vzniklé teplo, což je v uzavřeném zařízení bez ventilace výhodou. Jsem si vědom toho, že je celkem naddimenzované, ale na druhou stranu ani v nejnepříznivějším případě nehrozí jeho přetížení a poškození. Hodnota 3,3 Ω byla zvolena jako kompromis mezi proudovými požadavky lokomotiv a ochrannou funkcí celého zapojení.
Všechny pokusy byly prováděny na vozidlech v měřítku TT. Pokud používáte jiné měřítko (hlavně s většími proudovými požadavky např. H0, 0), tak doporučuji nejprve otestovat chování (zpomalení) lokomotiv v přechodovém úseku a případně udělat kompromis s příznivější hodnotou odporů. U nás skutečně k žádnému viditelnému zpomalování nedochází, což mohou potvrdit účastníci setkání – strojvedoucí.

Pojďme se nyní zaměřit na modul LED signalizace.

Schéma zapojení signalizace

Vytvořené schéma (v1.3) má za úkol nahradit svit klasické žárovky, která při vyšším protékajícím proudu jasně signalizuje místo výskytu poruchy. Červená barva se jeví jako zvlášť výhodná, jelikož i pro laika jasně značí chybu či poruchu. K náhradě byly zvoleny SMD LED v jasně červené barvě s čirým pouzdrem o velikosti 1206. Celé zapojení obsahuje jen minimum součástek a má zajistit, že běžné provozní hodnoty proudu protékajícího přes výkonové rezistory nezpůsobí svit signalizace (např. jedoucí lokomotiva), zatímco vyšší proudy již ano (nad 0,7 A). Obě LED jsou umístěny na středu desky plošných spojů symetricky tak, aby se vešly do společného průzoru v hliníkovém profilu, a přitom zajišťovaly dostatečnou izolační hladinu mezi signály J a K.

Celé schéma modulu signalizace je na následujícím obrázku 3: Schéma LED signalizace.

Obrázek 3: Schéma LED signalizace

Popis provedení DPS

Jelikož jsem znám jako odpůrce provizorii, tak už od počátku bylo jasno, že signalizace bude jako modul na DPS. Náhled provedení plošného spoje modulu signalizace je na obrázku 4: Náhled plošného spoje signalizace (verze 1.3) signalizace.

Všechny součástky signalizace jsou umístěny na jednostranné desce plošných spojů (dále jen DPS) v provedení SMD, jelikož po vložení obou výkonových rezistorů do hliníkového profilu již nezbývá už mnoho místa. Navíc otevřeně přiznávám, že mě nebaví vrtání desek plošných spojů. :-)
Pro uchycení celého modulu do profilu slouží dvojice symetrických otvorů ∅ = 3 mm v ose DPS. Otvory jsou schválně zvoleny větší než upevňovací šrouby M2,5, aby bylo možné jemně kompenzovat všechny případné vzniklé nepřesnosti a signalizační LED bylo přesto možné vystředit do otvoru průzoru. Pro finální montáž je z důvodu provedení DPS (strana DPS se součástkami směřuje k hliníkové stěně) nutné její oddálení od vnitřní stěny profilu, což zajišťují plastové distanční trubičkové podložky KDR03 (GME – KDR03). K propojení modulu s vývody výkonových rezistorů slouží čtveřice slaněných vodičů červené (2 ks) a černé barvy (2 ks) o průřezu 0,25 mm² a délce alespoň 40 mm (velmi to usnadní montáž do stísněného prostoru profilu), které se připájí na krajní pájecí plošky – viz obrázek 5: Náhled skutečného provedení DPS signalizace (verze 1.1).

Na závěr ještě doporučení: Po osazení všech součástek, odvrtání obou upevňovacích otvorů a připájení všech čtyř přívodních vodičů je nutné DPS důkladně očistit v izopropylalkoholu, nechat uschnout a následně zastříknout nejméně dvěma vrstvami elektroizolačního laku (například tento Sprej PLASTIK). Toto opatření výrazně eliminuje potíže při případném výskytu částeček hliníkového prachu (po obrábění) uvnitř profilu po uzavření konců záslepkami.

Nebudu zde popisovat jednotlivé body sestavení. Sám mám radši možnost si dokumentaci vytisknout a neopracovávat hliníkový profil nad klávesnicí počítače. Podrobný postup kompletace celého zařízení je proto uvedený v PDF návodu na konci článku.

Náhled provedení DPS

Obrázek 4: Náhled plošného spoje signalizace (verze 1.3)

Obrázek 5: Náhled skutečného provedení DPS signalizace (verze 1.1)

Na tomto místě se omlouvám za fotografii verze 1.1, ale všechny kusy LED signalizace verze 1.3 jsou v době psaní článku zastavěny v existujících úsekovnících a toto je jediná ostrá fotografie osazené DPS signalizace (při výrobě jsem ještě netušil, že budu psát nějaký článek). Desky se od sebe prakticky liší jen v desetinách mm. Osazení i rozložení součástek je shodné.

Fotografie provedení

Obrázek 6: Čelní pohled na realizované provedení

Obrázek 7: Zadní pohled na realizované provedení

Něco málo k používání úsekovníků

Používání úsekovníků s sebou přináší i jistá specifika, jelikož průchodem proudu na nich vzniká přímo úměrný úbytek napětí. Je to daň za jejich jednoduché provedení a funkci. Než je začnete používat, tak si prosím uvědomte, že nejsou geniální a všespásné a jejich hlavním účelem je omezení případného zkratového proudu a tím i tepelných účinků na vozidla. Vycházejí z nutného kompromisu! Napájení našeho rozsáhlého park zvukových lokomotiv a osvětlených souprav (s dekodéry a elyt. kondenzátory) vyžaduje dostatečné proudové dimenzovaní boosterů, což je z elektrotechnického hlediska samozřejmě v přímém protikladu k požadavku na minimální proud s ohledem na minimální tepelné účinky při chybových stavech při přejezdech mezi úseky.

Při oživování layoutu je nezbytně nutné před jejich zapojením nejprve zkontrolovat správné sfázování (například testem mincí) a také reakci elektronické pojistky v boosteru na zkrat a až následně úseky rozdělit a úsekovníky zapojit. Aby úsekovníky mohly plnit svoji roli, pak je nezbytně nutné, aby délky přechodových úseků byly dostatečné a nemohlo dojít k jejich vyřazení z činnosti vlivem šuntování kovovými nápravami.

Obrázek 8: Princip zapojení

Závěr

Současné provedení úsekovníku zatím prokazuje svou odolnost a trvanlivost. Žádný z vyrobených kusů nebylo třeba opravovat. Všechny vyrobené kusy velmi spolehlivě slouží, a i přes občasné pády na zem zatím mají jen drobné oděrky. Další úpravy a vylepšení tohoto zařízení už ale nejsou v plánu! To ale neznamená, že nepřivítám Vaše případné náměty, připomínky či konstruktivní diskuzi. Jiný úhel pohledu se vždy hodí. Stejně tak budu rád za případné fotky jiných verzí a provedení.

Pokrok nelze zastavit a v současné chvíli je již dokončený vývoj plně elektronické pojistky, která tento systém pasivních úsekovníků zcela nahradí. Nebude mít téměř žádný úbytek napětí v provozním stavu a rychlost reakce je díky použití procesoru ATTiny závislá na charakteru zkratu. Má akustickou i optickou signalizaci chybových stavů a samozřejmě je plně autonomní. Konstrukce je obdobně robustní jako tato. Její ověřování zatím probíhá v režimu testovacího oválu, kde jsou výsledky ve skrze kladné, ale na následujícím setkání by již měla být ověřena v plném rozsahu provozu. Více bude popsáno v článku až po komplexním provozním ověření.

Jsem zastáncem teze, že lepší jednou vidět než o tom jen stokrát číst. Pokud budete chtít naši koncepci zapojení následovat, pak je nejvhodnější formou určitě návštěva některého z našich veřejných setkání v Pozořicích, kde je možné na dané téma diskutovat, a hlavně vše vidět v reálném provozu.

Podklady pro výrobu

Kompletní seznam materiálu [PDF]:
SeznamMaterialu_DCC_Usekovnik_v21

Návod na sestavení [PDF]:
MBrno_Usekovnik_NavodSestaveni

Výkres pro obrábění hliníkového profilu [PDF]:
DCC_Usekovnik_v21_VykresObrabeni_PDF

Elektrické schéma LED signalizace [PDF]:
DCC_Usekovnik_SCHEMA_Signalizace_v13

Osazovací plán LED signalizace [PDF]:
DCC_Usekovnik_OSAZPLAN_Signalizace_v13

Podklady pro výrobu filmů pro osvit DPS (PostScript) [ARCHIV]:
DPS_TOP_Signalizace_v13_NNNN

Pokud vyrábíte některé prototypy DPS doma jako já, tak doporučuji dát pár korun navíc za kvalitní předlohu. Na internetu je sice moře článků o nažehlování, tisku na pauzák, vrstvení fólií z inkoustovky apod.…, ale z vlastní více jak 15leté praxe Vám doporučuji skutečně film. Opravdu to není drahé – A4 do 80 Kč. S ním jste schopni vyleptat doma krásnou desku s šířkou spoje i 0,25 mm (ta kóta na výše uvedených předlohách má kvůli kontrole rozměru předlohy filmu tloušťku 0,1 mm a na výsledných DPS je naprosto krásně ostrá).

Pokud byste měli zájem o soubor s předlohou na tisk štítku Brother, tak mi prosím zanechte kontakt v komentáři a já Vám jej zašlu e-mailem bez našeho klubového loga, případně s požadovaným nápisem.

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