Vratná smyčka pro DCC aneb reverzní modul
Podle projektu Petera Gilinga GCA102 jsem navrhl desku modulu vratné smyčky.
Z překladu stránek původního projektu:
Mnoho železničních modelářů řeší problém s reverzní smyčkou. Výhodou provozu digitálního kolejiště je, že instalace reverzní smyčky je poměrně snadná. V analogových systémech potřebujeme pro opuštění vratné smyčky přepnout polaritu celé části kolejiště. Protože polarita pro lokomotivní dekodér v systému digitálního řízení není důležitá, potřebujeme pouze přepínat polaritu v samotné smyčce. Většina zařízení, která jsou k dispozici k tomuto účelu, pracuje na principu detekce zkratu. Není potřeba dlouho vysvětlovat, že tato metoda je poněkud destruktivní pro vaše drahocenné modely. Tento modul poskytuje mnohem lepší řešení.
Pro řízení reverzace polarity je použito čtyř úseků proudové detekce, pro které je také zapotřebí specifické dělení kolejnic. Na desce jsou osazeny 4 proudové detektory pro správné přepnutí napájení kolejových vedení. Na desce jsou také pojistky s automatickým resetem (polyfuse) pro ochranu proudových senzorů před přetížením při zkratu. V obvodu je použito bistabilní relé, aby se předešlo problémům při vypnutí / zapnutí napájení. Při zapnutí relé zůstává v poslední zvolené pozici před vypnutím napájení.
Jak modul pracuje ?
Můžeme použít různá zapojení kolejišť: klasickou smyčku, spojovací kolej a triangl. Modré čáry ukazují, ve kterých místech by měly být kolejnice přerušeny. Každý z úseků by měl mít alespoň délku nejdelší použité lokomotivy. Úsek přerušení kolejí mezi body C a D pak musí být delší než nejdelší vlaková souprava. V této verzi jsou použity 4 proudové snímače obsazení, které detekují vlak vjíždějící do úseků.
Předpokládejme, že výhybka je přestavena na jízdu do odbočky.
Prvním snímačem je pak snímač 1. Úsek tohoto snímače je stále součástí "běžné trati" (mimo smyčku v úseku mezi body B a E), a pokud je snímač 1 aktivován (úsek obsazen), bude ve smyčce (včetně úseků snímačů 2 až 4) invertována polarita tak, aby se polarita v úseku snímače 1 shodovala s polaritou v úseku snímače 2 (a úseků 3 a 4) a vlak tak do tohoto úseku může projet.
Úsek snímače 2 má stejnou funkci jako úsek snímače 1, ale protože je shodná polarita již nastavena, nic se nezmění.
Když vlak pokračuje, vjede do úseku 3 ve smyčce. Tento úsek nemá detekci stavu a proto nemá na změnu polarity žádný vliv. Je důležité si uvědomit, že délka tohoto úseku smyčky musí být větší, než délka vaší nejdelší soupravy vjíždějící do tohoto úseku! Pokud není možné tuto podmínku dodržet, nelze tento modul použít!
Když vlak vjede do úseku snímače 4, celá smyčka bude přepnuta tak, aby odpovídala polaritě v úseku snímače 5. Polarita tak bude invertována pod jedoucí soupravou. Na dekodér lokomotivy nebude mít tato změna žádný vliv.
Snímač 5 má stejnou funkci jako snímač 4, takže při vjezdu do úseku ke změnám nedojde.
Tato posloupnost také funguje také v opačném směru, kdy vlak do smyčky vjíždí výhybkou rovně do úseku snímače 5. Detekce v tomto úseku nastaví polaritu ve smyčce shodně s tímto úsekem. Při výjezdu ze smyčky (vjezd do úseku 2) opět přehodí polaritu ve smyčce, tentokrát shodně s úsekem 1. Smyčkou lze tak projíždět oběma směry.
Funkce LED
Jedna z obou LED svítí v závislosti na poloze přepnutí relé jednotky. Pokud je modul aktivní, druhá LED bude blikat s frekvencí cca 1 Hz.
Úpravy
V této verzi nenajdete oproti původnímu projektu obvody detekce uvnitř smyčky (pro funkci modulu smyčky nejsou potřebné), také nejsou vyvedeny výstupy detekce (autor počítá s napojením na modul GCA50 (LocoIO)), ani výstup pro ovládání výhybky. Na výstupech procesoru byly přidány tranzistory pro spínání relé a také došlo k přesunutí výstupů na jiné piny procesoru, proto je nutno použít upravený program.
Jelikož se mi v praxi neosvědčila původní detekce obsazení s diodovými můstky (úbytek napětí na dvou diodách), detekce obsazení zde byla realizována pomocí indukčních proudových snímačů podle Zdena Janečka. Zapojení, ze kterých vychází bylo prezentováno na stránkách FREMO. Překlad těchto stránek si můžete prohlédnout zde.
Na toroidní transformátory byla použita levná feritová jádra z Aliexpressu (zelená, D10x6x5mm, hledejte "toroid core"). Na jádra jsem navinul cca 30 závitů (cca 45cm) sekundáru lakovaným drátem o průměru 0,2mm a 2 závity primáru drátem o průměru 0,5mm (z počítačového kabelu CAT5E). I když jsou ve schématu u vinutí znázorněny tečky, není nutno zachovávat vzájemnou orientaci. Indukčnost sekundáru u takto zhotovených toroidů jsem naměřil přibližně 2mH. Hotové toroidy jsem přilepil tavnou pistolí k DPS.
Kontakty relé HFD2/005-S-L2-D, popř. původně použitého relé autora RAL-D5W-K jsou zatížitelné proudem 2A. Na jednu předpokládanou vlakovou soupravu velikosti N v jednoduché smyčce je toto relé dimenzováno dostatečně. Pro větší měřítka a rozvětvenější smyčky doporučuji použít relé na větší zatížení (viz. další verze modulu).
Verze vratné smyčky pro vyšší proudové zatížení.
Pro větší měřítka a rozvětvenější smyčky jsem navrhl verzi s relé na vyšší proudové zatížení. Konkrétně se jedná o relé SCHRACK RT424F05, popř. RT424F12. Napětí pro cívky relé lze zvolit propojkou na DPS. Pokud se rozhodnete použít relé RT424F12 je nutno použít přiměřené napájecí napětí. Minimální napětí pro přepnutí relé je v tomto případě 8,4V a maximální napětí může být 18V. Kontakty tohoto relé lze zatížit proudem až 8A. Trochu jsem i rozšířil vodivé cesty plošných spojů, ale doporučil bych je posílit. Kvůli rozdílným časům pro přepnutí relé, je oproti předchozí verzi, změněn i firmware. Protože cívka relé má v tomto případě příkon 595mW, navrhl jsem místo stabilizátoru 78L05 silnější 7805. Pojistky jsem v tomto návrhu neměnil. Tato verze je pouze ve formě návrhu a nebyla realizována, může proto obsahovat chyby.
Původně navržená verze s detekcí pomocí diodových můstků
Pro modeláře, kterým nevadí úbytek napětí na diodách při detekci, jsem přidal ke stažení i původně navrženou verzi. V této verzi byly oproti originálu přidány tranzistory pro spínání relé. Podle autorova původního návrhu je vyveden výstup "Turn" na přepínání výhybky. Na tomto výstupu je pouze logická hodnota podle přepnuté polarity ve smyčce a nelze jím přímo přepínat výhybku. Pokud se rozhodnete výstup využít, doporučuji použít optické oddělení obvodu, ale pokud nebudete používat více napájecích zdrojů, a ani nevytvoříte zemní smyčky, nebude nutné. Připojení vstupů a výstupů mikrokontroléru u tohoto zapojení odpovídá původnímu projektu, ale spínání pomocí tranzistorů vyžaduje použití upraveného programu, nepoužívejte původní program autora.
Verze bez použití mikrokontroléru
Pokud nepožadujete žádnou z přidaných funkcí, je možné modul vratné smyčky vytvořit jen s pomocí polarizovaného relé (RAL-D5W-K, HFD2/005-S-L2, HFD2/005-M-L2). Detekce lokomotivy je zde realizována pomocí úbytku napětí na PN přechodech diod. V tomto zapojení bude cívka polarizovaného relé pod napětím, pokud bude obsazen příslušný úsek. Na desce tohoto modulu je osazen konektor SV1 pro připojení kodéru zpětného hlášení obsazení. Oproti předchozím verzím jsou zde použity detektory obsazení i uvnitř smyčky. Vnější připojení modulu tak odpovídá původnímu zapojení autora (viz. obrázek).
Pokud by jste chtěli využít zapojení relé pouze s pomocí optických nebo magnetických (jazýčkových kontaktů, nebo Hallových) snímačů, je možno vypustit Graetzovy můstky a optické oddělení, zapojení je potom ještě jednodušší (verze Hall). Pokud je možné výstupy snímačů zatížit spínacím proudem relé (cca. 300mA), je možné vynechat i spínací tranzistory (verze Reed).
Verze s přímým řízením výhybky
Napadlo mne využít impulsy použité pro přepínání relé i pro řízení přepínání běžného elektromagnetického přestavníku výhybky. Lze tak vytvořit autonomní vratnou smyčku, kdy si vlak při výjezdu ze smyčky svou jízdou přestaví výhybku do správné polohy. Program je upraven tak, aby řídící pulsy měly délku 200ms, což by mělo postačovat pro většinu přestavníků.
Verze s řízením výhybky pomocí serva nebo klasického přestavníku
Pro požadavek řízení výhybky pomocí servopřestavníku byly vyvinuty tyto verze, které obsahují i tranzistory pro spínání klasického přestavníku. První z těchto verzí je osazena detekcí pomocí proudových transformátorů, u druhé verze je detekce obsazení úseků realizována pomocí diod. Čas pro přepnutí relé je v programu nastaven na 60ms, tento čas je platný i pro přepínání přestavníku. Jelikož klasické přestavníky nepoužívám, nebylo přepínání přestavníku testováno. Pokud by jste měli požadavek na delší čas pro přepnutí, není problém program upravit. Tyto moduly jsou také vybaveny konektorem pro připojení kodéru zpětného hlášení obsazení. Obvody jsou také doplněny o zdrojovou část pro napájení servomotoru s pomalým náběhem napětí, který eliminuje zákmity servomotoru při zapnutí napájení. V obvodu tohoto zdroje nedoporučuji zaměňovat hodnoty součástek (R17, R18, R19, C19, diody D16, D17 nezaměňovat za Schottky). Propojkou JP1 lze zvolit napětí, podle použitého bistabilního relé. Doporučené relé při napájecím napětí 12V v tomto zapojení je SCHRACK RT424F12 (na JP1 spojeny piny 2, 3). Lze použít i relé RT424F05, v tom případě nesmí být propojkou JP1 spojeny piny 2 a 3.
Případný konstruktér těchto verzí si také musí dát pozor na připojení, které neodpovídá předchozím zapojením. Svorka X3-3 je rezervní, a slouží pro připojení úseku bez detekce uvnitř smyčky, číslování dalších svorek je tak posunuto.
Tato verze je funkčně shodná s předchozí, k detekci jsou však použity rychlé diody FR207. Tyto diody v pouzdře DO-15 jsou určeny pro proudové zatížení 2A.
