Booster pour DCC, avec intervalle de suppression du signal (blanking) pour Bidi (RailCom ™)

    Bidi (railcom) Booster für DCC

    Introduction

    Le Booster est un des composants nécessaires pour le contrôle d’un circuit de train miniature en mode numérique. Contrairement au mode analogique, le mode numérique permet de contrôler indépendamment plusieurs locomotives situées sur un même tronçon de voie. Le signal digital de commande est généré par la station centrale et est distribué aux différentes voies du circuit par l’intermédiaire des Booster. Ceux-ci ont la simple tâche de distribuer le signal digital, mais en acceptant une charge en courant supérieur à ce que la Centrale peut délivrer. Plus le nombre de locomotives circulant simultanément sera grand plus le courant livrable par le booster de ce ou ces tronçons de voie devra être élevé. Les Booster sont aussi indispensables pour les accessoires (aiguille, lampe) qui peuvent être très gourmands en courant.

    Suite à l'introduction du standard NMRA-BiDi (railcom) il est devenu nécessaire d'avoir des boosters qui peuvent générer le (blanking) du signal durant le dialogue railcom entre la loco et la station centrale.
    Le circuit Booster2 (BiDi) est basé sur le Booster standard, il est aussi réalisé avec la technique du pont H.

Caractéristiques techniques

  • Courant de sortie maximum : 4,0A.
  • Tension : alimentation stabilisée externe de 15V.
  • Sécurité : Coupure automatique au-dessus de 4A, retour après environ 1s, coupure automatique si le signal DCC est manquant en entrée.
  • Isolation : Connexion à la station centrale par coupleur optoélectronique (option)
  • Raccordement : par bornier à vis, le signal d'entrée est isolé par des coupleurs optoélectroniques.
  • BiDi : Création de l' intervalle de suppression (RailCom ®) pour BiDi
  • Dimension incluant le radiateur : 100*60*30 mm

Installation et fonctionnement

    Alimentation:
    Appliquer une tension de 15V stabilisée sur le bornier X3, en respectant la polarité + et - .

    Entré du signal DCC:
    Raccorder à la centrale DCC par le bornier X1. Attention respecter la polarité de sections de voies voisines. La polarité pour des Booster voisins doit également être respectée pour éviter les courts-circuits.

    Sortie vers les voies:
    La sortie (X2) est reliée à la voie, elle doit aussi tenir compte d'une même polarité pour qu’un court-circuit entre Booster voisins (créé p. ex. par une locomotive ou une voiture (wagon) reste sans conséquence. Pour les voitures qui prennent l'électricité en diagonale (p. ex. bogie avant à droite, à l'arrière à gauche), la lumière au point de séparation est atténuée, parce que le courant de retour est interrompu. Note : Au cas où ce wagon "diagonal" soit la première voiture d'un train, alors le train peut être détecté trop tard par les détecteurs d'occupation selon la direction de la diagonale.

    En principe, le raccordement de voies doit être réalisé en paires torsadées pour réduire le couplage entre le signal de sortie et d'autres parties du circuit (p. ex. indicateur de position, S88). En cas de longueur de câble ou de voie excessive, des circuits RC supplémentaires doivent être ajoutés en sortie (voir ci-dessous).

    Fonctionnement de plusieurs Boosters:
    Pour des raisons de de protection contre le bruit (couplage à d'autres modules du circuit, en particulier la retro signalisation par S88), chaque fois le même raccordement au port X2 est à utiliser (les pôles OUT par exemple des Boosters doivent être reliés ensemble). Les courants de fuite transitoires en sont la raison, si une locomotive court-circuite deux secteurs alimentés par deux Boosters différents, il peut y avoir brièvement une masse sur le S88 qui peut ainsi déclencher un courant de fuite qui provoque un décalage d'horloge et conduit alors à des messages d'erreur parfaitement inexplicables. En reliant entr'eux l’un des points de sortie des booster, création d'un "common rail" (fils d’au moins 1,5mm²) les Boosters interceptent ce courant de fuite.

    Attention : En aucun cas vous ne devez mélanger des Booster de modèle différent, par exemple des Boosters couplés et des booster en pont H ou des Boosters avec BiDi et sans BiDi.
    un modèle de réseau est présenté dans l' Annexe: cablage du site .

    BiDi (Railcom™):
    Le Booster peut produire un intervalle de suppression (cutout / blanking) pour des communications DCC bidirectionnelles. Si le signal d'entrée contient déjà un intervalle de suppression, une surpression de signal est produite automatiquement aussi en sortie. En positionnant le cavalier 1, l’intervalle de suppression peut aussi être produit même si le signal d'entrée ne contient pas de suppression.
    Note : Le Booster ne contient pas la logique de compréhension du signal Bidi, Il fournit seulement l'intervalle de suppression nécessaire.
    Si l’option BiDi n’est pas nécessaire, on peut omettre le composant IC3 et fermer par soudure les points SJ1 et SJ2.
    Pour la génération de l'intervalle de suppression l' ATtiny doit être chargé avec Booster_BiDi.hex (version> 1.23) , voir la section télécharger.


    Signalisation:
    La présence de signal DCC est indiquée par la LED verte, en cas de surcharge la LED rouge s’allume. La LED jaune indique une charge supérieure à 3,2A. Une autre LED indique quand un intervalle de suppression BIDI est reçu.

    Lorsque le Booster est mis hors circuit à cause d'un signal d'entrée manquant ou à cause d’une surcharge, la sortie sur le bornier X4 indique cet état grâce au coupleur optoélectronique (a collecteur ouvert). X4-1 est la masse, X4-2 la sortie. Les sorties X4 de plusieurs Boosters peuvent être connectées parallèlement. Les deux ponts de soudure SJ3 et SJ4 restent généralement ouverts.
    Nouveau à partir de la version 0.21 et 1.21 : la sortie de rétroaction (pour les circuits 2.01) sera passive / contrôlée.

    Entrée :
    Depuis la version 1.22 : une entrée supplémentaire pour mettre le booster en ou hors tension est fournie dans le logiciel (PIN PD6 du microcontrôleur Atmel, c'est la PIN 11 du boitier DIP20). Niveau haut met le Booster en service et niveau bas le désactive. Au niveau du processeur, un Pull up est programmé qui est actif par défaut. Ce raccordement n'est toutefois pas présent sur le circuit imprimé.

Description du schéma

    DCC Booster with railcom

    Alimentation:
    Une source externe de tension stabilisée de 15 volts continu doit être appliquée sur le bornier X3. Celle-ci alimente le régulateur 7805 et le pont en H L6203. Attention à la polarité!
    La tension délivrée par le Booster à la voie est alors typiquement de 15V, toutefois cette tension tombe légèrement lorsque la charge en courant augmente, puisque dans les L6203 il y a une résistance interne de 0,3Ohm dans l'état actif (R-on). Il faut s’attendre à environ 13V sur la voie pour un courant délivré de 3A et pour 15 volts en entrée du Booster. Si cela ne suffit pas, alors il suffit d'utiliser une alimentation avec 18V. Cette tension doit être bien filtrée, pour cela le condenseur céramique C10 de type SMD a été ajouté le plus près possible du L6203.

    Surveillance de court-circuit:
    Le courant de retour du pont traverse une résistance de mesure de courant (0,05 ohm, R20 et R21 deux résistances de 0,1 ohm en parallèle). La valeur de tension résiduelle sur cette résistance (0,2V pour 4A) est comparée par le comparateur différentiel IC4B et IC4A à la tension sur la résistance R7 (432 ohms). Le comparateur a un seuil de tension d'entrée à 0V. Le temps de latence (100µs) de la surveillance de court-circuit est ajusté avec la combinaison de R11 et de C6. En cas de courant supérieur au seuil le comparateur se déclenche et informe le microcontrôleur Attiny PD1/PD0 qui met hors circuit le pont en H L6203 par la broche PD5 (ENABLE).
    Le microcontrôleur Attiny est programmé pour la logique de déconnexion suivante : En cas de court-circuit, on essaye d'abord trois fois à 4 ms d’intervalle de remettre le circuit sous tension (ENABLE actif broche PD5). Si le court-circuit est toujours présent, les prochaines tentatives de remise sous tension ont lieu alors toutes les secondes.
    En conséquence : lorsque le court-circuit disparait, avec ce mécanisme de tentatives répétées le Booster se réactive rapidement. Avec un véritable court-circuit, les tentatives de redémarrage sont suffisamment éloignées de sorte qu'il n’y ait pas de risque électrique.
    Nouveau à partir de la version 0.2 et 1.2: Après le démarrage du Booster, le signal est maintenu malgré le court-circuit existant pour un temps très court, de 10ms. De cette façon, les éventuelles difficultés de mise sous tension (courant d’appel) qui peuvent apparaitre avec les charges capacitives importantes (par des décodeurs de son ou avec les lampes) sont évitées. Ce retard d’activation de la détection de court-circuit n'est en vigueur que lors de la mise sous tension initiale du Booster par exemple parce que le signal d'entrée est devenu actif ou si le Booster a été déconnecté pendant longtemps. Il n'est pas en vigueur en fonctionnement normal et avec les tentatives de rétablissement rapides sur court-circuit.

    Surveillance du signal DCC:
    Le microcontrôleur Attiny surveille le signal DCC d'entrée pour détecter des changements de niveau et les intervalles de suppression. Les changements de niveau doivent avoir lieu au moins toute les 15ms, sinon le pont en H L6203 est mis hors circuit (ENABLE off). Conformément à la norme du NMRA, le signal DCC peut contenir au maximum 12ms de bits à 0. De cette façon, on garantit qu'après la perte du signal DCC, aucune tension délivrée par le booster n’existe sur la voie et que l'on peut commencer à faire circuler des trains dont les locomotives acceptent une tension analogique continue.

    Génération des intervalles de suppression pour BIDI:
    Si un intervalle de suppression doit être produit pour BIDI, les deux polarités du signal DCC sont bloquées par la porte logique ET 74HC08N et ils sont mis à 0. Les deux transistors MOSFETs inférieurs du pont en H L6203 ne sont plus passants. La sortie est ainsi court-circuitée et la rétro signalisation permise.
    Pour la production d’intervalle de suppression, un temps mort est mis en œuvre pour la raison suivante : La tolérance est étroite sur cet intervalle de suppression pour que le Booster puisse suivre exactement le signal d'entrée. Sur un signal avec des flancs rapides sur l'entrée, le fonctionnement est aussi garanti. Lorsque le signal d'entrée arrive toutefois avec des flancs lents (tels que les produisent les stations centrales Intellibox) il peut être nécessaire d'apporter plus de précision sur le temps nécessaire aux deux étapes initiales. Pour cela la résistance R1 des coupleurs optoélectroniques peut être abaissée de 2k2 à 1k2, le OK s’enclenche alors avec le changement de flanc légèrement plus tôt.
    Intervalle de garde pour les intervalles de suppression BiDi
    Si une locomotive court-circuite deux Boosters (p. ex. en chevauchant deux secteurs d'alimentation), et un des Booster est déjà en intervalle de suppression alors que l’autre envoie encore un signal sur la voie, alors les deux Boosters s’alimentent l'un l'autre, et ceci avec un courant maximal.
    Pour éviter cela à coup sûr, peu avant l’ intervalle de suppression le booster est mis hors circuit et à nouveau remis en circuit après 4µs.

    Réduction des oscillations sur le signal de sortie:
    La sortie du Booster est compensée en interne avec une combinaison résistance condensateur RC. Si un câble long devait y être connecté par exemple 5 mètres, on aurait à cause du mode de fonctionnement du transistor MosFETs générant des fronts de signaux rapides, des réflexions sur la voie et des oscillations en conséquence. Ceci peut être évité ou réduit si on filtre en plus la sortie par un couple résistance condensateur. La combinaison de la résistance série R23 de 0,15 Ohm et du condensateur parallèle C16 de 100nF à 200nF s'est montrée concluante. La résistance doit avoir une dissipation de 2,5W. Le courant de repos augmente toutefois ainsi d'environ 30-60mA (selon le condensateur).
    Dans le cas de la station centrale OpenDCC le même principe de circuit a été appliqué, voir les oscillogrammes de la forme d'onde de sortie.

Layout, placement des composants


    Le circuit imprimé a une dimension de 50 * 80mm.

    DCC Booster, Bauteileseite
    Côté composants

    DCC Booster, Lötseite
    Côté soudures

    DCC Booster, Bestückung
    Circuit équipé

Instructions de montage

    La construction du Booster requiert une bonne base de connaissances dans le montage de Kits électroniques, en bref, débutant s’abstenir ou acheter un kit déjà monté.
    Sinon, vous avez besoin d’un fer à souder de petite puissance 300W et de soudure à l’étain de qualité. Les précautions habituelles pour la manipulation des circuits intégrés CMOS contre l’électricité statique sont à respecter. Les diodes doivent être polarisées correctement, la cathode (-) est du côté repère, ou l'anode côté connexion longue (+). Bien vérifier le sens d’insertion des circuits intégrés (ATiny 2313p, HCPL2631) Comparer à la photo en début de page du montage fini.


    Indications de construction - alternatives
    • Radiateur: Dans le pire des cas le L6203 supporte jusqu’à 10watts avec une température du boitier de = 90° max et ambiante de 40°. Le radiateur ne doit pas avoir une résistance thermique de plus de 5 ° / W.
    • Coupleur optoélectronique : Au lieu de hp2631 un autre type peut également être utilisé, mais il doit être toutefois rapide assez. Le hp2731 est trop lent !
      Voici une brève liste de référence croisée (non exhaustive)
             Agilent     HCPL-0631      HCPL-2631
             Fairchild   HCPL0631       HCPL2631
             Toshiba     TLP2631
             Vishay      SFH6780T       SFH6751
             NEC         PS9817-2
             
      Tout coupleur optoélectronique d’au moins 10MBit peut être utilisé. Sources d'approvisionnement: par exemple Bürklin 66S7962
    • s'il vous plait, se reporter aux instructions de cablage du booster .

    • Essais et tests
    • Pour la première mise sous tension, il est recommandé d’avoir une alimentation de laboratoire réglée avec une limitation du courant de sortie à 50mA. "Fuses" pour la ATtiny avec horloge interne de 8 MHz.
    • Après la mise sous tension, les 3 LED s’allument trois fois l'une après l'autre pendant environ 2s. Si cela dure clairement plus longtemps, l’horloge du microcontrôleur ATiny est sans doute restée sur la valeur de défaut de 1MHz

    • Attiny2313 8MHz intern RC-Oscillator

    • Dans la version 1.1 du logiciel le microcontrôleur ATiny envoie sur la PIN 11 un signal de synchronisation de 500Hz avec un rapport cyclique de 50%.

Logiciel

  • Le Timing pour produire l’intervalle de suppression:
    Environ 30µs après la fin du message précédente un intervalle de suppression de 418µs est généré. La tolérance sur ce temps est relativement étroite, doit être environ 1% et être respecté précisément en supposant que la station centrale respecte précisément son timing. Si on prend en compte les écarts admissibles, le BiDi-Booster doit se synchroniser sur le timing de la centrale, et ce, non seulement pour la phase des intervalles de suppression, mais pour le cycle complet.
    Cela est particulièrement vrai lors d'une utilisation de plusieurs Boosters, ou un court-circuit entre sections de voies (p. ex. par une locomotive sur un point de séparation) génèrerait des conflits entre Booster.

    La gestion de ce timing précis est réalisée par une régulation numérique mise en œuvre dans le logiciel. Un filtre à moyenne mobile est utilisé, la longueur exacte des intervalles de suppression (par rapport aux relations de synchronisation actuelles) est alors calculée à partir du résultat de filtre. Ce moment précis calculé dans le logiciel pour la génération des intervalles de suppression doit générer le moins de variation de signal (jitter) possible dans le matériel. Pour cela, les comparateurs PWM sont chargés avec les valeurs calculées pour le début et la fin de l'intervalle de suppression et la gestion de l'étage de sortie à lieu dans la routine d'interruption appropriée. Une précision de <2µs est atteinte. De cette manière le Booster travaille toujours exactement dans le timing de la station centrale.

    Pour encore améliorer la sécurité, une longue pause (CUTOUT_GUARD) de transition de 4us est ajoutée entre le signal DCC normal et les intervalles de suppression, pendant laquelle le Booster passe temporairement en haute impédance. Grâce à ce délai, les insécurités entre plusieurs Booster sont vraiment compensées.
    Ce CUTOUT_GUARD a malheureusement aussi créé des coupures du signal de sortie dans la version 2.0 , c'est pourquoi la sortie du signal a été découplée par la libération des ponts en H dans la version 2.01.

    (A l'origine je voulais réaliser le projet avec une PLL, les filtres mentionnés ci-dessus aurainet alors utiliser l'oscillateur RC de l'Atmel comme un VCO. Malheureusement quelque chose Balance parce que la caractéristique OSCCAL de ATtiny n'est pas monotone. Ceci aurait généré trop de jitter.)

  • Polarité :
    Pour produire les intervalles de suppression, le signal d'entrée DCC doit être mis à la disposition du logiciel dans la polarité correcte. Puisque la connexion ne permet pas de garantir cela, la routine d'accueil examine la polarité dans le DCC et se synchronise sur le flanc actif du signal. De cette manière, les signaux d'entrée et de sortie restent inchangés. Le Booster produit toujours le signal d'entrée et de sortie avec un rapport de 1/1.
    Néanmoins, lors d'une utilisation de plusieurs Boosters, tous les Boosters doivent être reliés avec la même polarité, pour exclure les erreurs de durée de validité et des asymétries de signal.

Documents

    Les documents suivants sont prévus pour un usage privé. Toute nouvelle publication ou utilisation commerciale est interdite, il n'y a aucune responsabilité quant à l'exactitude ;-)

  • Software:
    Software_Booster2.zip V0.23 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.28 (BiDi), correction: en raison d'une interruption intégré à l'erreur 01h27 BLOCK_SHORT_after_Power, on pouvait différé trop longtemps le booster.
    Software_Booster2.zip V0.22 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.27 (BiDi), telle que modifiée: après mise sous tension il ya une longue période de 25ms hors délai, de sorte que le booster doit être mieux en mesure de faire face aux grands courants d'appel. (Dans le code source: BLOCK_SHORT_after_PowerOn)
    Software_Booster2.zip V0.21 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.25 (BiDi), changé : voir FAQ.
    Software_Booster2.zip V0.21 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.24 (BiDi), nouvelle addition: externe et interne off via la broche PD6 (= broche 11 sur DIP20), high = on(default), low = off . Correction pour RailCom (intervalle de suppression).
    Software_Booster2.zip V0.21 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.21 (BiDi), commande de rétroaction (broche 7)
    Software_Booster2.zip V0.20 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.20 (BiDi)
    Software_Booster2.zip V0.03 (seulement le Timer, pas de BiDi) et V1.10 (BiDi)
  • Matériel :
    Partlist_Booster2.pdf nomenclature
    Plan d'équipement
    circuit imprimé nu
    liste d'achat composants chez reichelt (von D.Trudel)
    Note sur les listes d'achat: Les listes d'achat ne sont pas les miennes et je ne reçois aucune commission de Reichelt. Les listes d'achat proposées doivent obligatoirement être contrôlées. Si les éléments stockés n'existe pas ou ont été remplacés lorsque vous appelez la liste d'achat à Reichelt , il n'existe aucune preuve que l'article est manquant.
    Si vous souhaitez commander plusieurs listes d'achat à Reichelt , il faut comparer le poste individuel et la quantité.
    L'exécution des composantes n'est pas toujours celle que j'ai fournis, en particulier les condensateurs semblent être un problème.


    Vieilles versions :
      Schaltplan V2.0 (GIF)
      booster_2_0_brd.pdf Layout als pdf
      booster_2_0_sch.pdf Stromlauf als pdf

Links

 
('RailCom' ist ein eingetragenes Warenzeichen der Lenz GmbH)