Úprava zesilovače SPAX

21.9. 2020

Mezi modeláři je zesilovač DCC signálu SPAX rozšířeným řešením, jak posílit signál z centrály k řízení jízdy mnoha vlaků. My jsme se se zesilovači SPAX delší dobu trápili, a tak jsme se rozhodli si je upravit.

Co je to zesilovač

Zesilovač je zařízení, které na vstupu má nevýkonový DCC signál z DCC centrály (v terminologii LocoNETu „Loconet B„, v terminologii Lenz „vodiče C a D„, a dále napájení, kterému říkáme trakční napájení. Trakční napájení je modulováno DCC signálem a přivedeno do kolejí.

Kolejiště je rozdělené na více sekcí, každá má svůj vlastní zesilovač. Například naše velké klubovní kolejiště H0 má 15 zesilovačů. V případě modulových kolejišť má typicky každá větší stanice svůj zesilovač.

Na kolejišti tak lze provozovat hodně souprav zároveň pouze s jednou centrálou. Navíc lze lépe regulovat napětí v kolejích, protože vzdálenost od zesilovače k lokomotivě je vždy cca stejná. Další výhodou je, že pokud v jedné části kolejiště nastane zkrat, „vypadne“ pouze konkrétní zesilovač. To znamená, že například v obvodu celé stanice se vypne napájení kolejí, ale ostatní stanice fungují dál. To je zcela klíčové pro provoz na velkých kolejištích.

Co je to SPAX

Existují různé zesilovače od různých firem. Například LV103 od firmy Lenz či Z21 Booster od firmy Roco. My v klubu používáme zesilovače SPAX. SPAX je zesilovač původně vyvinutý německým klubem FREMO, který je jednoduchý a levný. Na internetu existuje spousta variant tohoto zesilovače. Běžná cena komerčních zesilovačů je dnes okolo 4 000 Kč, cena součástek jednoho SPAXu je cca 500 Kč.

My v klubu máme verzi 2 s procesorem PI 12C508.

Problémy zesilovače SPAX

Zesilovač SPAX je levný. A to znamená, že není dokonalý. Zesilovač má 3 hlavní problémy:

  1. Nižší kvalita výstupního signálu.
    Zesilovač pro buzení výstupu používá H-můstek L6203. Výstupní signál tohoto H-můstku se vyznačuje tím, že má velice strmé hrany. To způsobuje překmity na hranách DCC signálu, které se zvětšují s příbývající vzdáleností od zesilovače.
  2. Příliš krátký čas na obnovu zkratu.
    Zesilovač snímá proud, který jím prochází do kolejí. Jakmile detekuje, že proud přesáhl maximální možnou hodnotu (2.5 A), odpojí výstup a indikuje zkrat. Výstup pak v intervalech 200 ms zkouší zapínat na dobu až 150 us, aby se do kolejí automaticky přivedlo napájení po pominutí zkratu. Problém je, že čas 150 us je příliš krátký na to, aby se stihly nabít kondenzátory, které jsou dnes běžnou součástí lokomotiv a především vozů s osvětlením. Je bohužel realitou dnešního dne, že ne všichni výrobci umí správně zapojit kondenzátory ve svých vozech. Může se tak stát, že se při startu kolejiště v jednom obvodu zesilovače objeví několik souprav s osvětlením, ve kterých je potřeba dohromady nabít kapacitu v řádech jednotek milifaradů. Lze polemizovat, jak moc je toto chyba výrobce a jak moc návrháře zesilovače, ale faktem je, že skoro žádný modelář nechce sahat do svých 12 nových vozů Railjet a přidávat do nich nabíjecí rezistory.
    Typickým projevem této nevýhody SPAXu je, že SPAX po zapnutí kolejiště indikuje zkrat a obvod prostě nezapne. 150 us s intervalem 200 ms a proudem 2.5A A je tak krátký čas, že se kondenzátory nestihnou nabít ani postupně. Je tak třeba soupravu odklopit z kolejí a vozy postupně přiklápět zpět po jednom.
  3. Nepřesné měření zkratu.
    SPAX používá procesor PIC12C508. Tento procesor nemá analogový vstup. A tak se návrháři SPAXu rozhodli, že proud snímaný jako napětí na rezistoru připojí na digitální vstup procesoru přes tranzistor, o kterém doufali, že způsobí strmou hranu při přechodu přes určitou mezí hodnotu napětí na rezistoru.
    Toto řešení funguje polovičatě. Všimli jsme si, že při proudech mezi 2 a 2.5 A se proudová ochrana zesilovače chová podivně, protože procesor jednoduše měří analogovou hodnotu na digitálním vstupu. Navíc se toto chování liší kus od kusu procesoru, neboť  závisí na drobných výrobních nuancích konkrétního procesoru.

Řešení problémů SPAXu

Jelikož nás problémy výše trápily, rozhodli jsme se jim postavit čelem. Vyhodili jsme původní procesor na SPAXu, který byl v DIL patici, a nahradili jej za procesor PIC12F629. Vyrobili jsme nástavnou desku, na kterou se osadí nový SMD procesor a která se zasune místo starého procesoru do patice.

Nový procesor má analogový komparátor na jednom ze svých pinů, který jsme použili. Tím jsme vyřešili nepřesné měření proudu zesilovačem. Komparátor jsme nastavili tak, aby měl hysterezi.

Do nového procesoru jsme si napsali vlastní firmware, ve kterém jsme nastavili, že doba zkratové proudu je až 20 ms. Tato doba bohatě stačí k nabití kapacity v řádu jednotek milifaradů. Experimentálně jsme vyzkoušeli, že tyto soupravy s novým procesorem na kolejišti zvládají jezdit. Stabilizátor LM350, který je na SPAXu, má vnitřní limitaci proudu na 3 A, takže máme zaručeno, že zkratový proud nebude nikdy větší, než 3 A. To je dobrá ochrana jak lokomotiv a vozů, tak i napájecího zdroje.

Problém kvality výstupního signálu bohužel bez výměny H-můstku nevyřešíme. Tento problém jsme se rozhodli neřešit, protože jsme nepozorovali velké praktické dopady snížené kvality signálu (například mašinky neschopné dekódovat DCC).

Návrh nástavné desky i zdrojový kód firmwaru dáváme veřejně k dispozici všem modelářům, kteří by o tuto úpravu měli zájem.

https://github.com/kmzbrnoI/spax2020

Toto řešení jsme zvolili, protože vyžaduje minimum práce v kolejišti a protože je levné (cca 60 Kč/SPAX). Neřeší všechny naše problémy, ale je to řešení dobré.

Nástavná deska SPAX
Nástavná deska SPAX

Výhled do budoucna

Na velkém klubovním kolejišti H0 máme spoustu speciálních požadavků. Ty plynou hlavně z toho, že kolejiště je velké. Na tak velkém kolejišti máme i velké lokomotivní depo. V depu budeme někdy chtít vyčítat adresy lokomotiv pomocí protokolu RailCom. To současný SPAX neumožňuje.

Navíc budeme chtít měřit veličiny týkající se SPAXu, jako například protékající proud nebo teplotu H-můstku. Všechny tyto veličiny chceme vyčítat v reálném čase do řídicího softwaru kolejiště, abychom byly schopni identifikovat případné problémy co nejdříve.

Tyto požadavky si vyžádají návrh nového zesilovače. Doufáme, že se nám tento návrh podaří, aby komfort řízení kolejiště a spolehlivost byly i nadále co největší.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *