Toti cei care folosesc bucle de intoarcere pe diorama cunosc prea bine utilitatea... nope, necesitatea unui modul electronic a carui unica menire este de a pune de acord polaritatea semnalului DCC din interiorul buclei cu cea a semnalului DCC dinafara ei. Nepotrivirea apare intotdeauna la iesirea din bucla, si cateodata la intrarea in ea, iar daca nu este corectata prompt duce la crearea unui scurt-circuit, urmat de intrarea in mod avarie a centralei digitale.
Comutarea polaritatii semnalului DCC din bucla se face in mod traditional mecanic cu ajutorul unui simplu releu DPDT, dar implementarile comerciale mai noi folosesc solutii "solid-state" fara elemente in miscare. Intrucat nu (prea) am gasit module DIY (do-it-yourself) care sa foloseasca varianta "solid-state", mi-am zis ca ideea merita studiata. Modulele avute in vedere au fost Lenz LK200 (cu multumiri colegului @cheluIS pentru pozele furnizate) precum si NCE AR-10:
Ambele module folosesc cate 8 MOSFET-uri de putere pentru comutarea polaritatii; nestiind prea multe despre tranzistoarele MOSFET in general, si despre cum pot fi ele folosite pentru comutarea unui semnal bipolar (alternativ dreptunghiular) in particular, am decis ca este momentul sa aprofundez acest aspect.
Iata ce am inteles:
In schema este prezentat pentru simplitate doar unul dintre cele 2 brate care asigura comutarea polaritatii, cel pentru polaritatea directa. Celalalt brat, pentru polaritatea inversata este identic, difera doar conectarea inversata la iesire. Semnalul DCC de la centrala digitala este aplicat conectorului X2 (X2-1 si X2-2), bucla de intoarcere fiind conectata la X1. In paralel pe iesire se afla rezistorul R22 de 15 k.
a). In absenta comenzii de deschidere a optocuplorului OK1, tranzistorul intern precum si cele 4 MOSFET-uri sunt blocate; tensiunea DCC nu ajunge la bucla.
Daca optocuplorul OK1 primeste o comanda de deschidere, tranzistorul intern este deblocat. Sa presupunem ca semnalul DCC are polaritatea (+) la X2-2 si (-) la X2-1:
b). Polaritatea (+) ajunge prin dioda dreapta-sus a puntii B1 - OK1 - D1 la rezistorul R1 si portile G ale Q1 si Q2. Aceste 2 MOSFET-uri sunt conectate cu sursa S comuna, dar Q1 este polarizat invers fiind deci blocat. Totusi, prin dioda interna figurata in dreapta simbolului, polaritatea (-) ajunge de la X2-1 la R1 si cele 2 surse Q1 si Q2.
Astfel, apare pe R1 tensiunea DCC (15 V) mai putin caderile de tensiune pe B1, OK1, D1 si dioda interna a Q1 (aproximativ 2.7 V in total). Aceasta tensiune de 12.3 V deschide canalele drena D - sursa S ale Q1 si Q2. O caracteristica a acestor canale datorate efectului de camp electric este bidirectionalitatea lor (spre deosebire de jonctiunile PN).
c). Odata deschis canalul Q1, acesta intra in conductie chiar daca este polarizat invers si scurtcircuiteaza dioda interna. Astfel tensiunea pe R1 creste cu 1.3 V la 13.6 V. Caderile de tensiune pe MOSFET-urile Q1 si Q2 fiind practic neglijabile, polaritatea (-) ajunge la R22 si iesirea X1-2.
Prezenta R22 permite transmiterea polaritatii (-) catre ramul de sus (Q3 si Q4) si deschiderea in mod similar a acestuia. In absenta R22 (sau a unei locomotive in bucla), ramul superior nu se deschide si tensiunea DCC nu este prezenta in bucla. Rezistorul R2 faciliteaza detectia momentului intrarii locomotivei in bucla.
d). Tensiunea DCC minus caderile pe B1, OK1, D2 si dioda interna Q3 (12.3 V) apare pe R2 + R22 care sunt practic inseriate. Deci cam 5 V apar pe R2, suficient pentru a deschide ambele canale drena - sursa ale Q3 (polarizat invers) si Q4 (polarizat direct). Dioda interna a Q3 fiind scurtcircuitata, tensiunea pe R2 creste cu 0.5 V.
e). Deschiderea canalului drena - sursa a Q4 aduce practic polaritatea (+) la R2. Dioda D2 fiind acum polarizata invers se blocheaza si astfel dispare tensiunea pe R2, ceea ce ar trebui sa duca la blocarea Q3 si Q4. Totusi, sarcinile electrice acumulate in regiunea G - S a celor 2 MOSFET-uri (care se comporta ca un condensator) tin un timp ambele canale deschise complet. Ulterior, incepe inchiderea partiala a Q4 pana la deschiderea D2 si aparitia unei stari de echilibru cu Q3 si Q4 partial deschise.
Asa arata semnalul DCC la intrarea X2 (vizualizarea unui bit '0'):
Si asa arata acum la iesirea X1:
Se observa faptul ca, dupa 67 uS de la debutul polaritatii incepe blocarea partiala a Q3 si Q4 pana la atingerea unui echilibru. Acest efect apare numai pe bitii de '0' care au o durata de 116 uS (Roco Multimaus). Bitii '1' cu durata de 58 uS nu sunt afectati.
Ei bine, sa suplimentam atunci "condensatorul" G - S cu unul extern:
Am incercat initial unul de 3.3 nF (masurat 1.4 nF):
Se vede ca "declinul" tensiunii a fost amanat cu fix 14 uS (pe undeva de asteptat avand in vedere constanta de timp RC = 1.4 nF x 10 k = 14 uS).
Un calcul simplu imi spune ca pentru a acoperi intreaga durata a unui bit '0' am nevoie de un condensator de 5 nF. Sa folosim atunci unul de 10 nF pentru a avea o marja de siguranta.
Bingo! Semnalul la iesirea X1 este acum identic cu cel de la intrare:
La schimbarea polaritatii cu (-) la X2-2 si (+) la X2-1, procesele se repeta similar, cu deschiderea succesiva a Q4, Q3, Q2 si Q1. Aceasta succesiune de deschidere apare numai la actionarea optocuplorului; cat timp acesta este mentinut deschis, prezenta condensatoarelor de 10 nF tine canalele drena - sursa deschise si in timpul schimbarii polaritatii semnalului DCC (ele fiind bidirectionale) cu reimprospatarea tensiunilor de pe condensatoare la fiecare schimbare de polaritate.
Exista si un revers al utilizarii condensatoarelor suplimentare: la detectarea scurtului si comanda de blocare data optocuplorului, aceste condensatoare vor mentine MOSFET-urile deschise un timp si prelungirea scurtcircuitului. Pana la inchiderea completa a MOSFET-urilor din bratul care a dat scurcircuitul nu se poate comanda deschiderea celuilalt brat (care ar elimina scurtul produs) intrucat deschiderea ambelor brate (direct si invers) ar duce tocmai la crearea unui scurtcircuit intern intre ele. Iata comportamentul unui brat care se inchide / deschide la fiecare 1 mS (1000 uS) fiind alimentat in DC nu DCC pentru a se observa mai usor curba de inchidere a MOSFET-urilor:
Se observa scaderea tensiunii sub 0.5 V dupa 200 uS si inchiderea completa dupa 500 - 600 uS. Ca urmare, dupa comanda de inchidere data bratului curent (care a produs scurtul) va urma o pauza de 1000 uS (1 mS) si abia apoi va fi deschis bratul celalalt. Viteza de comutare a acestui circuit este deci de 1 mS, mult mai rapida fata de NCE AR-10 (16 mS) sau a modulelor cu relee (<20 mS).
Circuitul de mai sus este gandit pentru a fi folosit in DCC cu o tensiune la sine de 15 V. MOSFET-urile suporta tensiuni G - S de maxim 20V; pentru a preveni varfuri de tensiune peste aceasta valoare, am inclus (nefigurat in schema prezentata) un snubber DCC realizat dupa schema clasica: 5 rezistoare de 470 ohm in paralel (94 ohm echivalent) aflate in serie cu un condensator de 47 nF. NCE foloseste condensator de 100 nF, dar in teste 47 nF parca se comporta mai bine (iar snubber-ul se incalzeste mai putin).
Aceste snubbere se conecteaza de obicei la capetele tronsoanelor de alimentare lungi ce vin de la centrala; cum buclele de intoarcere se afla de obicei la capete de traseu, prezenta unui astfel de snubber la intrarea in modul este asadar cat se poate de nimerita. Un efect secundar este atenuarea unei oscilatii parazitare ce apare la tranzitia de la o polaritate la alta.
Panta semnalul DCC la iesirea din centrala digitala fara nimic conectat:
Panta semnalului DCC cu modulul conectat fara snubber:
Panta semnalului DCC cu modulul cu snubber la intrare:
Acea oscilatie este insa nesemnificativa fiind cu mult in interiorul specificatiilor DCC, durata tranzitiei intre -4 V si 4 V fiind 0.7 uS (maxim 3.2 uS conform NMRA).
Comutarea polaritatii semnalului DCC din bucla se face in mod traditional mecanic cu ajutorul unui simplu releu DPDT, dar implementarile comerciale mai noi folosesc solutii "solid-state" fara elemente in miscare. Intrucat nu (prea) am gasit module DIY (do-it-yourself) care sa foloseasca varianta "solid-state", mi-am zis ca ideea merita studiata. Modulele avute in vedere au fost Lenz LK200 (cu multumiri colegului @cheluIS pentru pozele furnizate) precum si NCE AR-10:
Ambele module folosesc cate 8 MOSFET-uri de putere pentru comutarea polaritatii; nestiind prea multe despre tranzistoarele MOSFET in general, si despre cum pot fi ele folosite pentru comutarea unui semnal bipolar (alternativ dreptunghiular) in particular, am decis ca este momentul sa aprofundez acest aspect.
Iata ce am inteles:
In schema este prezentat pentru simplitate doar unul dintre cele 2 brate care asigura comutarea polaritatii, cel pentru polaritatea directa. Celalalt brat, pentru polaritatea inversata este identic, difera doar conectarea inversata la iesire. Semnalul DCC de la centrala digitala este aplicat conectorului X2 (X2-1 si X2-2), bucla de intoarcere fiind conectata la X1. In paralel pe iesire se afla rezistorul R22 de 15 k.
a). In absenta comenzii de deschidere a optocuplorului OK1, tranzistorul intern precum si cele 4 MOSFET-uri sunt blocate; tensiunea DCC nu ajunge la bucla.
Daca optocuplorul OK1 primeste o comanda de deschidere, tranzistorul intern este deblocat. Sa presupunem ca semnalul DCC are polaritatea (+) la X2-2 si (-) la X2-1:
b). Polaritatea (+) ajunge prin dioda dreapta-sus a puntii B1 - OK1 - D1 la rezistorul R1 si portile G ale Q1 si Q2. Aceste 2 MOSFET-uri sunt conectate cu sursa S comuna, dar Q1 este polarizat invers fiind deci blocat. Totusi, prin dioda interna figurata in dreapta simbolului, polaritatea (-) ajunge de la X2-1 la R1 si cele 2 surse Q1 si Q2.
Astfel, apare pe R1 tensiunea DCC (15 V) mai putin caderile de tensiune pe B1, OK1, D1 si dioda interna a Q1 (aproximativ 2.7 V in total). Aceasta tensiune de 12.3 V deschide canalele drena D - sursa S ale Q1 si Q2. O caracteristica a acestor canale datorate efectului de camp electric este bidirectionalitatea lor (spre deosebire de jonctiunile PN).
c). Odata deschis canalul Q1, acesta intra in conductie chiar daca este polarizat invers si scurtcircuiteaza dioda interna. Astfel tensiunea pe R1 creste cu 1.3 V la 13.6 V. Caderile de tensiune pe MOSFET-urile Q1 si Q2 fiind practic neglijabile, polaritatea (-) ajunge la R22 si iesirea X1-2.
Prezenta R22 permite transmiterea polaritatii (-) catre ramul de sus (Q3 si Q4) si deschiderea in mod similar a acestuia. In absenta R22 (sau a unei locomotive in bucla), ramul superior nu se deschide si tensiunea DCC nu este prezenta in bucla. Rezistorul R2 faciliteaza detectia momentului intrarii locomotivei in bucla.
d). Tensiunea DCC minus caderile pe B1, OK1, D2 si dioda interna Q3 (12.3 V) apare pe R2 + R22 care sunt practic inseriate. Deci cam 5 V apar pe R2, suficient pentru a deschide ambele canale drena - sursa ale Q3 (polarizat invers) si Q4 (polarizat direct). Dioda interna a Q3 fiind scurtcircuitata, tensiunea pe R2 creste cu 0.5 V.
e). Deschiderea canalului drena - sursa a Q4 aduce practic polaritatea (+) la R2. Dioda D2 fiind acum polarizata invers se blocheaza si astfel dispare tensiunea pe R2, ceea ce ar trebui sa duca la blocarea Q3 si Q4. Totusi, sarcinile electrice acumulate in regiunea G - S a celor 2 MOSFET-uri (care se comporta ca un condensator) tin un timp ambele canale deschise complet. Ulterior, incepe inchiderea partiala a Q4 pana la deschiderea D2 si aparitia unei stari de echilibru cu Q3 si Q4 partial deschise.
Asa arata semnalul DCC la intrarea X2 (vizualizarea unui bit '0'):
Si asa arata acum la iesirea X1:
Se observa faptul ca, dupa 67 uS de la debutul polaritatii incepe blocarea partiala a Q3 si Q4 pana la atingerea unui echilibru. Acest efect apare numai pe bitii de '0' care au o durata de 116 uS (Roco Multimaus). Bitii '1' cu durata de 58 uS nu sunt afectati.
Ei bine, sa suplimentam atunci "condensatorul" G - S cu unul extern:
Am incercat initial unul de 3.3 nF (masurat 1.4 nF):
Se vede ca "declinul" tensiunii a fost amanat cu fix 14 uS (pe undeva de asteptat avand in vedere constanta de timp RC = 1.4 nF x 10 k = 14 uS).
Un calcul simplu imi spune ca pentru a acoperi intreaga durata a unui bit '0' am nevoie de un condensator de 5 nF. Sa folosim atunci unul de 10 nF pentru a avea o marja de siguranta.
Bingo! Semnalul la iesirea X1 este acum identic cu cel de la intrare:
La schimbarea polaritatii cu (-) la X2-2 si (+) la X2-1, procesele se repeta similar, cu deschiderea succesiva a Q4, Q3, Q2 si Q1. Aceasta succesiune de deschidere apare numai la actionarea optocuplorului; cat timp acesta este mentinut deschis, prezenta condensatoarelor de 10 nF tine canalele drena - sursa deschise si in timpul schimbarii polaritatii semnalului DCC (ele fiind bidirectionale) cu reimprospatarea tensiunilor de pe condensatoare la fiecare schimbare de polaritate.
Exista si un revers al utilizarii condensatoarelor suplimentare: la detectarea scurtului si comanda de blocare data optocuplorului, aceste condensatoare vor mentine MOSFET-urile deschise un timp si prelungirea scurtcircuitului. Pana la inchiderea completa a MOSFET-urilor din bratul care a dat scurcircuitul nu se poate comanda deschiderea celuilalt brat (care ar elimina scurtul produs) intrucat deschiderea ambelor brate (direct si invers) ar duce tocmai la crearea unui scurtcircuit intern intre ele. Iata comportamentul unui brat care se inchide / deschide la fiecare 1 mS (1000 uS) fiind alimentat in DC nu DCC pentru a se observa mai usor curba de inchidere a MOSFET-urilor:
Se observa scaderea tensiunii sub 0.5 V dupa 200 uS si inchiderea completa dupa 500 - 600 uS. Ca urmare, dupa comanda de inchidere data bratului curent (care a produs scurtul) va urma o pauza de 1000 uS (1 mS) si abia apoi va fi deschis bratul celalalt. Viteza de comutare a acestui circuit este deci de 1 mS, mult mai rapida fata de NCE AR-10 (16 mS) sau a modulelor cu relee (<20 mS).
Circuitul de mai sus este gandit pentru a fi folosit in DCC cu o tensiune la sine de 15 V. MOSFET-urile suporta tensiuni G - S de maxim 20V; pentru a preveni varfuri de tensiune peste aceasta valoare, am inclus (nefigurat in schema prezentata) un snubber DCC realizat dupa schema clasica: 5 rezistoare de 470 ohm in paralel (94 ohm echivalent) aflate in serie cu un condensator de 47 nF. NCE foloseste condensator de 100 nF, dar in teste 47 nF parca se comporta mai bine (iar snubber-ul se incalzeste mai putin).
Aceste snubbere se conecteaza de obicei la capetele tronsoanelor de alimentare lungi ce vin de la centrala; cum buclele de intoarcere se afla de obicei la capete de traseu, prezenta unui astfel de snubber la intrarea in modul este asadar cat se poate de nimerita. Un efect secundar este atenuarea unei oscilatii parazitare ce apare la tranzitia de la o polaritate la alta.
Panta semnalul DCC la iesirea din centrala digitala fara nimic conectat:
Panta semnalului DCC cu modulul conectat fara snubber:
Panta semnalului DCC cu modulul cu snubber la intrare:
Acea oscilatie este insa nesemnificativa fiind cu mult in interiorul specificatiilor DCC, durata tranzitiei intre -4 V si 4 V fiind 0.7 uS (maxim 3.2 uS conform NMRA).
Ultima editare:
