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Booster

Übersicht:


Funktion:

Zur Energieversorgung des "fahrenden Materials" braucht es natürlich auch einer leistungsstarken Versorgung, eines Boosters. Ich habe den EDiTS-Booster nachgebaut. Dieser wurde im Rahmen des EDiTS-Projektes, welches von der Elektronikzeitschrift Elektor veröffentlicht wurde, entwickelt.

Hier ein paar Eckdaten:
- bis zu 10A Ausgangsstrom
- Ausgangsspannung u.a. über Z-Dioden einstellbar
- Ausgänge kurzschlussfest
- auswertbares Signal zur Kurzschlusserkennung
- hohe Flankensteilheit auch unter Last
- Eingangssignal: +-12V symmetrisch (RS232-Pegel)

Ich bedanke mich beim Elektor-Verlag für die freundliche Zustimmung zur Veröffentlichung des Schaltplans und der von mir dazu überarbeiteten Platine des EDiTS-Boosters aus Elektor Heft 7-8/1999 beziehungsweise dem Elektor-Buch "Digitale Modelleisenbahn-Steuerung mit EDiTS Pro" auf meiner Homepage.

Sowohl der Schaltplan als auch das modifizierte Platinenlayout im EAGLE-Format stehen mit freundlicher Genehmigung der Elektor-Verlag GmbH, Aachen (www.elektor.de) zum Download bereit: Bitte diesem Link folgen.

Ich möchte es nicht versäumen sowohl den Link zum Elektor-Verlag GmbH, Aachen
(http://www.elektor.de),
wie auch zum Buch
"Digitale Modelleisenbahn-Steuerung mit EDiTS Pro"
(http://www.elektor.de/books/details/bdl61079.htm)
anzugeben.

Ausdrücklich weise ich nochmals darauf hin, dass es sich beim Schaltplan und dem Platinenlayout der Ansteuerlogik und des Leistungsteils um das aus dem EDiTS-Buch abgezeichnete und modifizierte Layout handelt und nicht um das im Buch veröffentlichte Original. Die Schaltung wurde nicht von mir entwickelt und das Copyright der Schaltung liegt beim Elektor-Verlag GmbH, Aachen.
Die Weitergabe des von mir abgezeichneten Platinenlayouts geschieht nur zu Zwecken des privaten Nachbaus. Eine kommerzielle Nutzung ist ausgeschlossen.

Eine detailierte Beschreibung der Schaltung des Boosters, sowie Hinweise zum Aufbau, Test und den verwendeten Bauelementen  findet man im Buch: "Digitale Modelleisenbahn-Steuerung mit EDiTS Pro" oder in den Veröffentlichungen der Zeitschrift Elektor. Gerne helfe ich aber bei Fragen ebenfalls weiter.

Lediglich die Ergänzungen der Schaltung (Geräteschutzschalter LED-Anzeige und ~230V Anschlußeinheit) sind von mir entworfen und gehören nicht zur ursprünglichen Veröffentlichung des EDiTS-Boosters.

Bevor nun der Aufbau im Detail vorgestellt wird, hier zuerst ein paar Bilder vom Booster, eingebaut in die Hälfte eines 19'' Baugruppenträgers. Die Bilder können durch Anklicken vergrößert werden.

Booster Frontansicht     Booster Rückansicht
Front- und Rückansicht des Boosters

Booster Innenansicht
Innenansicht des Boosters

Booster LED und Ansteuerteil     Booster Leistungsteil
LED-Statusanzeige und Steuerteil (liks) und Leistungsteil (rechts)

Aufbauhinweise:

Um den Auf- und Einbau des Boosters in einen 19'' Baugruppenträger zu vereinfachen, wurde die Steuereinheit und der Leistungsteil des Boosters voneinander getrennt. Die Steuereinheit paßt jetzt dank SMD Bauteilen auf eine 1/4 Europaplatine, die über einen Frontplattenhalter als Einschubplatine an der Frontplatte befestigt werden kann. Es bot sich an, auch die Komponenten für die  ~230V Einspeisung (Netzschalter, Einschaltstrombegrenzer (ESB), Anschlüße für die primär Wicklung(en) des Trafos) zusammenzufassen und in der Nähe der Frontplatte anzuordnen. Deshalb wurde das zweite 1/4 der Europlatine im Bereich unter der Steuereinheit als Träger dieser Komponenten genutzt. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die beiden Seiten dieser Platine.

Steuereinheit Voderseite
Ansteuerteil und ~230V Anschluß des Boosters

Steuereinheit Rückseite

Leider ist der ESB nicht mehr einfach zu beziehen, so daß ich mich nach einer alternativen Lösung umgesehen habe. Ein Anwender der MoBaSbS, der selbst den Booster in Betrieb hat,  hat als Ersatz für den ESB-Baustein die in der nächsten Abbildung zu sehende Schaltung eingesetzt.

ESB Alternative
Ersatz für den ESB

Diese Schaltung besteht lediglich aus einem Heißleiter und einem Relais. Die Wirkungsweise ist die Folgende:
Wird der Booster eingeschaltet, so kann über den im kalten Zustand hoch-ohmigen Heißleiter (NTC: Negativer Temperatur Koeffizient) nur ein geringer Strom fließen. Die Spannung fällt also noch über dem NTC ab. Durch den Strom, der durch den NTC fließt, wird dieser erwärmt und der Widerstand des NTCs nimmt immer weiter ab. Nun fällt die Spannung also nicht mehr über dem NTC ab, sondern über dem Relais, bzw. dem nachgeschaltetem Trafo. Ist die Spannung über dem Relais groß genung, so zieht das Relais an und hält sich von nun an selbst. Gleichzeitig wird der NTC kurzgeschlossen, so dass kein Strom mehr durch in fließt. Dadurch kühlt er sich wieder ab, wird nicht weiter belastet und zeigt direkt beim nächsten Einschalten das bereits zuvor beschriebene Verhalten.

Um die bestehenden Platinen des Boosters weiter nutzen zu können, können die beiden Bauteile auf einer Lochrasterplatine oder eventuell direkt auf der vorhandenen Platine aufgebaut werden. Auf ausreichende Isolation ist selbstverständlich in jedem Fall zu achten.

Zu den weiteren Baugruppen:

Über die Sub-D-Buchse wird die Verbindung zum USC hergestellt. Die beiden 2pol Pfostenstecker werden nur während der Testphase benutzt. Ansonsten bleiben sie so wie dargestellt offen.

Da die Platine, die den Leistungsteil des Boosters umfasst, lediglich eine geringe Zahl von Bauelementen aufweist  (im wesentlichen die beiden 22.000uF Elkos und die 4 Darlington-Leistungstransistoren, sowie einige Flachstecker), lohnt sich eine Darstellung dieser Platine nicht. Wie sie verdrahtet wird, wird aber weiter unten noch erläutert. Beim Aufbau des Leistungsteils ist darauf zu achten, daß die Darlingtons isoliert auf dem Kühlkörper befestigt werden. Dabei sollten die Beinchen der Darlingtons leicht gekröpft werden, so dass zwischen Kühlkörper und Platine ein Abstand von 2 bis 4 mm verbleibt.  Der Kühlkörper trägt im übrigen auch den Brückengleichrichter. Dessen Gehäuse hat keine elektrischen Verbindungen und kann direkt auf dem Kühlkörper befestigt werden.

Da aufgrund des hohen Ausgangsstroms des Boosters eine Aufteilung des einen Ausgangs auf mehrere separate Ausgänge, die über Geräteschutzschalter abgesichert sind,  sinnvoll ist, habe ich eine kleine Platine entworfen, die den Zustand der Geräteschutzschalter über Duo-LEDs anzeigt. So wie hier vorgestellt, wird der Ausgangsstrom auf 5 separate Ausgänge verteilt, so daß auch 5 Anzeigeeinheiten auf der Platine vorhanden sind. Über diese Platine werden auch die Geräteschutzschalter angeschlossen. Hier wieder Voder- und Rückseite dieser Platine.

Anzeige Voderseite
LED-Anzeigeteil des Boosters

Anzeige Rückseite

Beim Bestücken der Duo-LEDs ist darauf zu achten, daß die Zuordnung des Bestückungsaufdrucks vertauscht zu sein scheint. Der Grund hierfür liegt darin, daß im Schaltplan und somit auch in der Platinendatei zwei einzel-LEDs verwendet werden, deren Bezeichnung immer rechts vom Bauteil dargestellt werden. Da die beiden einzel-LEDs um 180° gegeneinander eingesetzt werden und dicht zusammen liegen, ist die Zuordnung nicht mehr sofort zu erkennen. Im Zweifel sollte bitte der Schaltplan mit der Platine verglichen werden. Ansonsten sollte der Aufbau der Platinen Dank der gezeigten Bilder keine Fragen offen lassen. Lediglich die Verdrahtung selbst könnte noch zu Fragen führen. Daher wird diese im nächsten Kapitel behandelt.

Sonstiges

Die oben aufgebauten Platinen werden entsprechend den Abbildungen im Gehäuse eingebaut. Ich weise - auch wenn dies schon im oben genannten Elektor-Artikel (den ich jedem rate, ihn sich genauestens durchzulesen)  gemacht worden ist - noch einmal ausdrücklich darauf hin, daß mit einer Spannung von ~230V auf der Primärseite des Trafos gearbeitet wird. Der Verdrahtung und Isolation aller Schaltungsteile, die mit dieser lebensgefährlichen Spannung in Berührung stehen, gilt höchste Sorgfalt. Dazu ein paar Hinweise:
  • Für den ~230V Anschluß bietet sich ein Kaltegeräteanschluß mit integriertem Sicherungshalter an, den man in eine Aluplatte (so wie oben zu sehen) mecahnisch stabil einbaut. Die vom Computer bekannten Netzleitungen sind recht solide ausgeführt. Außerdem reißt man bei einem Hängenbleiben am Kabel lediglich den Stecker aus der Dose.
  • Im Inneren des Gehäuses sind die Netzspannung führenden Leitungen mit Kabelbindern aneinander zu befestigen. So verhindert man, daß eine Leitung, die sich warum auch immer gelöst hat, sich im Gehäuse lose bewegen kann.
  • Der Schutzleiter ist am Gehäuse zu befestigen.
  • Weiter rate ich dringend dazu, einen Berührschutz des ~230V Teils (untere Hälfte der Ansteuerplatine) zu montieren. Auf der Platine sind dafür extra 3 Bohrungen vorgesehen, an denen man eine Kunststoffplatte über Abstandshülsen montieren kann.
Darüberhinaus habe ich auf eine weitreichende Absicherung des Boosters geachtet. Konkret heißt das, daß neben der im Trafo eingebauten Temperatursicherung und der elektronischen Kurzschluß- bzw. Überlasterkennung des Boosters selbst, weitere Schmelzsicherungen und Geräteschutzschalter an folgenden Stellen eingesetzt wurden:
  • Primärseite: Schmelzsicherung 1.6A T (Angaben dem eingestzten 300VA Trafo, 2x18V entnommen)
  • Sekundärseite: Schmelzsicherung 2 x 10A T (Angaben dem eingestzten 300VA Trafo, 2x18V entnommen)
  • 10A Geräteschutzschalter in der Ausgangsleitung des Boosters, den Einzelabsicherungen der separierten Ausgänge vorgeschaltet
  • 5 x 2.5A Geräteschutzschalter in den separaten Ausgangsleitungen des Boosters
Hat man nun alle Einheiten in das Gehäuse eingebaut, gilt es, diese zu verdrahten. Die nachstehende Zeichnung, die durch Anklicken vergrößert dargestellt werden kannm zeigt die Verschaltung der Einzelkomponenten (Netzanschluß, Netzschalter, Trafo, Leistungsteil, Steuer- und Anzeigeeinheit, Sicherungen). Eventuell kann es Abweichungen beim Anschluß des Trafos geben, da dieser u.U. mit einer oder zwei Primärwicklungen hergestellt wird. Auch auf der Sekundärseite können eventuell anstelle der erwarteten 2 Wicklungen, 4 Wicklungen vorhanden sein. In diesem Fall werden je zwei Sekundärwicklungen parallel geschaltet. Um diese unterschiedlichen Bauarten der Trafos weitmöglichst abzudecken, sind eventuell mehr Flachstecker vorhanden, als man bei 'seinem' Trafotyp benötigt.

Schaltplan klein

Inbetriebnahme

Wieder verweise ich zuerst auf den Elektorartikel in dr Zeitschrift 8-9/1999 bzw. das Buch zu EDiTS. Hier finden sich wertvolle Hinweise zur Schaltungsfunktion und zur Inbetriebnahme. Eine weitere sehr gute Informationsquelle habe ich auf einer niederländischen Homepage gefunden. Ich selbst gehe bei der Inbetriebnahme wie folgt vor:
  1. Alle Komponenten sind unverdrahtet im Gehäuse eingebaut. Die Wicklungsenden des Trafos sind mit isolierten Falchsteckhülsen versehen.
  2. Als erstes wird nun die Verkabelung zwischen dem Kaltgerätestecker und der ~230V Platine vorgenommen und der Netzschalter verdrahtet. Die Primärseite des Trafos wird an der ~230V Platine angeschlossen. Nun wird am Ausgang des Trafos die Spannung kontrolliert. Werden dort die 18V gemessen, geht es weiter.
  3. Spannung abschalten und die Sekundärseite des Trafos mit den Flachsteckern auf der Leistungsteilplatine verbinden. Nun wird wieder die Spannung kontrolliert, um die richtige Polung der Wicklungen zu überpruefen Zwischen den 'äußersten Enden' der Wicklungen muß die doppelte Trafospannung  (ca. 38V/AC) gemessen werden.
  4. Nun wird der Brückengleichrichter angeschlossen und wieder gemessen. Nun müßen an den entsprechenden Stellen auf der Platine +23 .. 30V/DC bzw. -23 .. 30V/DC gemessen werden.
    ACHTUNG: Wird die Spannung abgeschaltet, so bleiben die 22.000uF Elkos aufgeladen! Vor den weiteren Arbeiten sind diese über einen niederohmigen, aber leistungsstarken Widerstand (z.B. 100Ohm, 5W) zu entladen.
  5. Jetzt werden alle restlichen Komponenten verschaltet. Um den abschließenden Test durchzuführen, werden auf die beiden 2poligen Stiftleisten, die sich auf der Steuerplatine befinden, Jumper gesteckt. Damit liegen ca. +18V an Pin 3 und ca. -18V an Pin 1 der Sub-D-Buchse. verbindet man nun Pin 3 (+18V) mit Pin 4 (Dateneingangssignal) des Boosters, muß am Ausgang des Boosters die volle positive Ausgangsspannung von ca. 19V zu messen sein. Verbindet man nun Pin 1 (-18V)  mit Pin 4 (Dateneingangssignal) des Boosters, muß am Ausgang des Boosters die volle negative Ausgangsspannung von ca. -19V zu messen sein.
Aus Interesse habe ich die Schaltung analog simuliert. Von der Firma 'Linear Technology, Inc.' gibt es eine hervorragende Software, die einen (SPICE basierten) analog Simulator mit einem Schaltungseingabetool (Schematic Capture)  und einem Signalanalysewerkzeug (Waveform Viewer) vereint. Nach ein wenig Suchen im Internet nach den entsprechenden SPICE Modellen der eingesetzten Komponenten (sofern nicht schon in den mitgelieferten Libraries vorhanden) und der Eingabe der Schaltung, konnte der Booster simuliert werden. Einige interessante Kenndaten sind in den nachfolgenden Bildern gezeigt.

Legende:
  • V(data): Dateneingangssignal - stimuliertes Eingangssignal -6V, +6V, -6V, 0V
  • V(r): Spannung am Boosterausgang
  • V(short): Kurzschlußsignal
  • I(R_load): Ausgangsstrom des Boosters unter Last (5Ohm, 2Ohm, 1.65Ohm und 0,5Ohm)

Booster bei 5Ohm Last
Simulation bei 5Ohm Last am Boosterausgang. Die volle Ausgangsamplitude der Spannung liegt am Ausgang an. Es fließt ein Strom von ca. 3.5A.

Booster bei2Ohm Last
Simulation bei 2Ohm Last am Boosterausgang. Lediglich der Strom steigt nun auf über 8A.

Booster bei 1.65Ohm Last
Simulation bei 1.65Ohm Last am Boosterausgang. Nun bricht die Spannung langsam ein. Der Ausgangsstrom ist maximal. Das Kurzschlußsignal bewegt sich tendenziell auf die +5V zu.

Booster beo 0.5Ohm Last
Simulation bei 0.5Ohm Last am Boosterausgang. Die Ausgangsspannung ist bei maximalem Ausgangsstrom zusammengebrochen. Das Kurzschlußsignal zeigt nun dauerhaft die Überlast an.

Download
Das Platinenlayout, sowie Frontplatten-Bohr- und Sägevorlagen liegen (in den nächsetn Tagen) als Download vor. Bitte diesem Link folgen.


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