diskreter DCC Booster


diskreter DCC Booster von Anton Vogl

erster, realisierter Booster

Konstruktion und Bau eines diskreten DCC Booster

Ein diskret aufgebauter DCC Booster? Wozu brauchen wir den, es gibt einen Spax-Booster zum Selberbauen und einen Lenz LV101 zu kaufen, lohnt der Aufwand etwas eigenes zu bauen?.

Ich denke ja, ein geeigneter Booster ist als Fertiggerät von Lenz oder Tams nicht gerade billig, der Nachbau des Spax-Boosters scheiterte an verfügbaren Platinen und programmierten Controllern.

Ein einfach zu bauender Booster müßte diskret aufgebaut sein, also ohne eigens dafür programmierten Controller, und den Rahmenbedingungen des Fremo für den Modulbetrieb genügen. Also waren als erstes zwei Dinge zu erledigt:

Anforderungen an einen diskreten DCC Booster

erster, realisierter Booster

Das hatte ich mir so einfach vorgestellt: Fremo Hompage besuchen, DCC Bereich öffnen und eine Anforderungsliste finden. Aber so einfach war es dann doch nicht. Verschiedene Links enthielten viele, teilweise versteckte, Hinweise, aber leider nie eine komplette Liste. Also wurde diese kurz selber erstellt was, nicht zuletzt der freundlichen Mithilfe des Fremo Kollegen Stefan Bormann, sehr schnell gelang. Diese Liste gibt es nun hier:

Anforderungen an einen Fremo tauglichen Booster (43kB)

erster, realisierter Booster

Neben den technischen Anforderungen, die in der Liste stehen, soll der Booster auch für die Belange des Selbstbaues hin optimiert ausgelegt werden:

Damit ist der äußere Rahmen für die Entwickelung abgesteckt.

Bereits realisierte, diskrete Booster aus dem Netz

Erstaunlicher Weise finden sich recht viele diskrete Booster im Netz.

Viele Hinweise fanden sich auch in verschiedenen Foren die ich an dieser Stelle gar nicht alle auflisten kann. Alle diese Informationen wurden zusammengetragen und dienten in erster Linie als Ideenlieferant. Die Basis für den ersten realisierten Booster war das Layout des open-DCC Boosters, der unseren Anforderungen schon recht nahe kam. Dennoch wurden auch hier einige Änderugen eingebracht, Bauteile neu berechnet und ausgetauscht. Ebenfalls wurden zwei Printbuchsen für RJ12 Stecker zum Durchschleifen der LN Leitung vorgesehen.

Erster Aufbau und Test des diskreten Booster

Lötseite des Booster

Nachdem die Schaltung in Eagle entwickelt wurde, konnte eine Ätzvorlage für einen erste Platine erstellt werden. Diese wurde professionell bei Das Satzstudio hergestellt. Die Platine wurde dann wieder selber belichtet und geätzt. Die Bauteile waren zusammen mit der Folie bestellt worden und waren pünktlich zum fertigwerden der Platinen vorhanden. Das Bohren der Löcher auf einer kleinen Standbohrmaschine und Einlöten der Bauteile war problemlos, leider gibt es dazu keine Bilder.

Testaufbau

Vor dem Einbau in ein Gehäuse wird die aufgebaute Platine getestet. Dazu haben wir oben in der Kanzel des RSWE einen Spax ausgestöpselt, der einen Teil des derzeit aufgebauten H0e Arrangements mit Strom versorgt, und haben den diskreten Booster angestöpselt. Der erste Test ist die Abschaltung der H-Brücke wenn kein DCC Signal anliegt. Dies kann mit dem Ein- und Ausstöpseln der LN Leitung simulieren. Die Spannung am Gleis wird dabei sauber und schnell abgeschaltet.

Testaufbau

Eine Verbindung zum Gleis besteht nicht, aber zum Ozilloskop. Schöne rechteckige Signale, keinerlei Überschwinger oder Nulldurchgänge, die da nicht sein sollten, da habe ich auf die Schnelle ein paar Bilder gemacht.

Testaufbau

Dann haben wir die Ausgangsspannung gemessen und auf 14V eingestellt, es ist ein Poti auf der Platine mit dem man dies sehr einfach einstellen kann. Gemessen wird die Ausgangsspannung mit einfachem Multimeter.

Potentiometer zum Einstellen der Ausgangsspannung

Dann ein paar Tests:

So, wie geht es da nun weiter?

Einige Dinge müssen noch angepasst werden:

Aber alles andere funktioniert schon soweit ganz gut. Fahren kann man, Ausgangspannung kann eingestellt werden und diese wird aktiv nachgeregelt. Dadurch treten keine Geschwindigkeitsänderungen mehr bei Boosterübergängen auf. Die Eingangsspannung wird ebenfalls überwacht. Wird hier 12V unterschritten wird die H-Brücke abgeschaltet, auch dies funktioniert schon.

Testprogramm für den diskreten Booster

Nun wird ein Testprogramm entwickelt um die Booster in Grenzbereichen zu testen um so sicher zustellen das die gewünschten Funktionen im realen Betrieb auch erreicht werden. Das Fehlen des DCC-Signals wurde ja bereits erfolgreich gestet. Am Gleisausgang wird einen Verbraucher, Drahtpoti, mit 60W angelegt und von 100 Ohm, entsprechend 150mA, auf 0 Ohm, also einem Kurzschluß, verringert und mit dem PC die Ergebnisse aufnehmen.

Anschließend werden noch verschiedene andere Dinge auf das Gleis gelegen, große Elkos zum Beispiel, oder Spannung aus einer anderen Quelle (Booster, Trafo...) um die Reaktion des Boosters aufzunehmen.

Anschließend wird die Eingangspannung/Leistung des Trafos variiert:

Hierdurch werden mögliche Mängel bei der Versorgungsspannung simuliert und deren Auswirkungen auf den Booster. Die Ergebnisse werden wir aufnehmen (PC) und am Ende mal darstellen.

In RSWE haben wir auch folgende Booster im Bestand:

Diese werden dem selben Testprogramm unterzogen und ebenso die Daten aufgenommen. Das klingt zwar nach einem Haufen Arbeit, Daten sammeln und auswerten, aber erhalten wir auch eine echte Basis auf der man mal klar sieht was die Booster können und wo noch Schwachstellen sind. Da wir den diskreten Booster nun selber verändern können werden wir da auch jeden Fehler beheben können, eigentlich eine schöne Sache.

Nach dem Abschluß dieses Testprogrammes wird an dieser Stelle auch der Schaltplan, das Layout, eine Stückliste, eine bebilderte Bauanleitung und natürlich eine Anleitung zur Einstellung und Betrieb als download zu finden sein.

Erste Booster Tests

Der umgebaute Booster

Der Aufbau der Testumgebung hat etwas gedauert, da eine Motorregler mit 5A, ein Motor mit rund 100W, ein regelbarer Widerstand mit 60W und verschiedene Elkos besorgt und aufgebaut werden mußte. Auch am Booster waren ein paar Änderungen erfolgt, die sich aber im wesentlichen auf das Ansteuern der Staus LED beschränkten:

Die LED Anzeige

Durch diese Zusammenlegung der vorher getrennten LED für Unterspannung am Eingang, Kurzschluß und Strombedarf am Gleis größer als der eingestellte Abschaltstrom ist die äußere Anzeige gleich zu dem im Fremo oft verwendeten Spax Booster und werden so keine Verwirrung im Betrieb erzeugen. Die LED "Spannungsversorgung zu gering" wird eingeschaltet wenn die Eingangsspannung unter den eingestellten Wert, bei uns 12V, fällt und so die Leistung des Trafos für den Betreib nicht austreichend ist. Um aber nicht den Betrieb durch temporäre Überlastung zum erliegen zu bringen, wird der Booster nicht dauerhaft abgeschaltet, sondern nur solange der Leistungsbedraft größer als die Leistungsabgabe des Trafos ist. Als Information das dieser Zustand eingetreten ist, bleibt diese LED eingeschaltet bis der Booster abgeschaltet wird und der Trafo ausgetauscht ist.

Die Anschlüsse auf der Rückseite

auf der Rückseite ist der Booster unverändert, von links nach rechts:

Die Umbauten

Hier kann man schön die mit Kabeln und "fliegenden" Bauteilen realisierten Umbauten erkennen. Auch ein paar krum und schief auf der Platine stehenden Bauteile verraten ihren ursprünglich nicht geplanten Einbau. Das wird mit dem nächsten Platinen Layout anders.

regelbarer Widerstand

Die Tests wurden mit dem regelbaren Drahtwiderstand von 100Ohm und eine Belastbarkeit von 60W begonnen.

Signal ohne Last

Ohne Last ergibt sich am Oszi dieses Bild eines Signals mit recht steiler Flanke und ohne Überschwinger, so soll das sein.

135 mA bei 100 Ohm

Mit dem Anlegen eines Widerstandes von 100 Ohm am Boosterausgang stellt sich ein Strom von 135mA ein. Im Folgenden wird der Widerstand in Richtung 0 Ohm, also einem Kurzschluß, verringert. Dabei wird die Verzerrung des Signals beobachtet. Hier sollte sich im idealen Fall kein Einbruch der Spannung oder Überschwinger zeigen, ein Verziehen der Flanke hingegen ist normal, schließlich wird für das Nachregeln eine gewisse Zeit benötigt.

Signal bei 135mA Last

Das zu der 100 Ohm anliegender Last aufgezeichnete Signal. Die Regelung und auch ein Überschwingen ist zu erkennen.

313 mA bei rund 50 Ohm

Mit dem Anlegen eines Widerstandes von etwa 50 Ohm am Boosterausgang stellt sich ein Strom von 313mA ein.

Signal bei 313mA Last

Das Signal zeigte eine später einsetzende Regelung und auch eine schwächeres Überschwingen.

691 mA bei rund 20 Ohm

Mit dem Anlegen eines Widerstandes von etwa 20 Ohm, dies ist konstruktionsbedingt krz vor dem Kurzschluß, stellt sich ein Strom von 691mA ein. Hier haben wir vermutlich den falschen wert für den Drahtwiderstand gewählt, ein kleinerer Wert wäre besser gewesen.

Signal bei 691mA Last

Das Signal zeigte die einsetzende Regelung und kaum Überschwingen.

Nun ist doch einiges an Zeit ins Land gegangen, den ein und anderen Test haben wir durchgeführt, und wie es so ist, wenig bzw. gar nicht dokumentiert. Aber schlußendlich gab sich der diskrete Booster (welcher mittlerweile einen "Namen" bekommen hat: "diskreter" RBG-Booster) ganz gelassen und absolvierte die Test zu unserer vollsten Zufriedenheit. Etwas Nachentwicklung war ja nötig, aber das war schnell erledigt. Auf der Seite der Unterspannungserkennung funktionierte die erste Idee nicht zufriedenstellend, aber wenn der Booster schon "diskret" heißen soll, dann lösen wir das schließlich auch diskret mit einem kleinen Reed-Relais. Nun sollte es funktionieren.

Der Einsatz

Der Booster im Bhnf

Mal lieber ohne großes TamTam ging es im Februar 2011 auf ein Fremo-Treffen und ein Betriebsstellenbesitzer hatte nichts dagegen, den Booster einfach mal anzuschließen. Es handelte sich dabei um einen Endbahnhof. Vorsorglich überwachten wir die Ausgangssignale am Oszi, aber alles war gut. Wie bereits vom Spaxbooster bekannt, traten kleine Überschwinger an den Signalflanken auf, aber schließlich verwenden wir die identische Endstufe (L6203). Der Fremo-Betrieb lief reibungslos ab - der Booster hatte seinen ersten heißen Einsatz bestanden.

Der Booster im Bhnf

Schnell die zweite Platine (ich hatte am Anfang lieber gleich zwei gemacht, falls was schief geht) aufgebaut, die Änderungen mit umgesetzt und am Fremo-Regionaltreffen in Regensburg im August 2011 beide diskreten Booster im Schmalspur-Ast eingesetzt. Das Treffen lief reibungslos ab, es gab sogar ein richtiges AHA-Erlebniss: Uwe's Soundlok machte nur kratzende Geräusche und bockte in einem Boosterbezirk mit einem Spaxbooster (vermutlich erster Generation) und nach Überfahren der Boostertrennstelle in den Bezirk mit dem diskreten Booster funktionierte der Sound bestens und die Lok hatte sich das Bocken abgewöhnt.

Nächster Test: Einsatz auf dem Fremo-Schmalspurtreffen im November 2011 in Elfershausen. Man kann es kurz fassen: keinerlei Probleme.

Jetzt muss mal eine größerer Einsatztest her, und was bietet sich förmlich an? Das Fremo-Schmalspurtreffen in Haag/Niederösterreich Ende April 2012. Im Vorfeld wurden wir (die Regensburger Schmalspur-Truppe: Franziskus, Uwe und Anton) bereits gefragt, ob wir (wieder) mit reichlich DCC-Equipment aushelfen können.

Also wurde das Platinenlayout überarbeitet/angepasst ("diskreter" RBG-Booster V1.1), neue Platinen gemacht und 10 Booster aufgebaut. Da die Bauaktion am Ende wieder mal unter erheblichem Zeitdruck vor dem Treffen stand, gab es leider keine Fotos von der Bauaktion. Sofort waren die ersten Designfehler sichtbar - der Lieferant der Bauteile hatte plötzlich andere Gehäuseabmessungen bei den Gleichrichtern und promt kollodierte das mit einem Transistor - neues Platinenlayout ist nötig. Aber man ist ja erfinderisch und so konnten auf dem Treffen in Haag 12 diskrete RBG-Booster eingesetzt werden. Zugleich stand der Test an, ob man anstatt der klassischen AC-18V-Trafos auch preiswertere Laptopschaltnetzteile einsetzten kann. Dazu an anderer Stelle (Link fehlt noch) demnächst mehr.

10+2 diskrete RBG-Booster

Das Ergebniss war leider nicht 100% zufriedenstellend: Nach dem ersten Fahrplan wurde vereinzellt berichtet, dass beim Überfahren mancher Boostertrennstellen manche Loks kurz langsammer wurden. Was soll das? Eine Überprüfung ergab, dass beim Überfahren der besagten Trennstelle der diskrete RBG-Booster immer kurz auf "Kurzschluss" geht und somit den Schienenstrang für eine Sekunde stromlos macht. Aber warum? Die Lösung war dann doch recht schnell gefunden: Beim Planen der Kurzschlussabschaltung habe ich noch mit 3ms Verzögerungszeit gerechnet (so steht es auch in der Anforderungsliste...), aber der Zeitbestimmende Kondensator wurde dann nicht angepasst, sondern behielt seinen ursprünglichen Wert. So was kommt davon, wenn man verschiedene Planungsversionen miteinander mischt. Der "diskrete" RBG-Booster V1.1 schaltet schon nach etwa 300µs ab! Durch Laufzeitunterschiede (u.a. lange Leitungen im Arrangement) sind Phasenverschiebnungen des DCC-Signals schnell in der Größenordnung von 300µs erreicht. Also mussten wir die diskreten Booster gegen die vorsorglich schon als Reserve bereit gehaltenen Spaxbooster austauschen und konnten leider den "großen" Einsatztest damit noch nicht machen. Die 10 Booster erhalten jetzt den richtigen Kondensator um dann nochmals final getestet zu werden.

Erfreulich aber war folgendes: Am Ende des Treffens beim Abbau fehlte plötzlich ein diskreter Booster - hat da schon jemand ...? Nein, nein, keine Sorge. Der fehlende Booster lag friedlich unter einem Bahnhof und verrichtete das ganze Treffen über sang und klanglos seine Dienste - hier traten scheinbar keine so großen Phasenunterschiede zu den benachbarten Boostern auf und wir hatten diesen Booster einfach vergessen auszutauschen. Das stimmt doch sehr zuversichtlich.

Nach dem Abschluß des finalen Tests wird an dieser Stelle auch der Schaltplan, das Layout, eine Stückliste, eine bebilderte Bauanleitung und natürlich eine Anleitung zur Einstellung und Betrieb als download zu finden sein. Es spricht momentan nichts dagegen, dass dies noch 2012 geschieht :-)

...der Rest ist noch immer eine Baustelle