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ORB-1

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ORB-1 ist ein DCC/MM Booster der speziell für die ORD-1 entwickelt wurde. Er ist aber auch mit vielen anderen Systemen zu verwenden.

Eigenschaften

  • Wird 100% von Rocrail unterstützt
  • Kompatibel mit ORD-1
  • Stabilisierte Ausgangsspannung
  • 80x100mm PCB
  • 5-pin booster bus Anschlüsse
  • Kurzschluß erkennung
  • 3A oder 5A Ausgangsstrom
  • Anschluß an einen normalen Modellbahntrafo (1x18VAC) oder für beste Performance, mit Mittenabgriff (2x18VAC)

Dateien

Gesamte Dokumentation: https://github.com/rocrail/GCA/tree/master/orb-1
Letzte Version ist 1.22; ältere Versionen stehen nicht mehr zur Verfügung.

Schaltpläne und Platinenlayout wurden mit KiCaderstellt, einer Open Source (GPL) PCB Suite.

Hinweise

  • 0,5W-Zenenerdiode Z3 tendiert zum Durchbruch durch einem hohen Einschaltstrom von C1 und C2. Empfohlene Lösung: Verden einer 1,3W-Zenenerdiode oder eines Stromberenzungs-Widerstandes von 100Ω in Reihe mit Z3. Das Problem besteht bei allen älteren ORB-1-Versionen und auch beim ORD-1 < V1.4
  • Status: Grundsätzliche Tests durchgeführt. Performance Tests stehen noch aus.

Bauteile

  • Leistungswiderstände:
0R22 für 3A Ausgangsleistung.
0R15 für 5A Ausgangsleistung.
Es müssen 4W Typen verwendet werden, max 17mm Länge.
Es ist auch möglich längere Widerstände einzusetzen. Allerdings müssen sie dann stehend verbaut werden. Ebanfalls können mehrere kleine Widerstände eingebaut werden wie z.B. 4Stk.1Ohm 2W parallelgeschaltet = 0.25Ohm.
  • Darlington Transistoren:
Die Platine ist für Transistoren mit TO218 Gehäuse konzipiert. Es können aber auch diverse TO220 Tyopen eingebaut werden.
  • Glättungs Elko's:
Verwenden Sie entweder C17-C14, 16mm Durchmesser, 7,5mm Beinabstand, minimum 35V
oder C5 und C6, max 35mm Durchmesser, 10mm Beinabstand, minimum 35V.
Wenn Sie planen einen Transformator ohne Mittenabgriff zu verwenden, sollten sie die größtmöglche Kapazität verwenden.Mindestens 2x6800uF für 3A Output oder 2x20000uF für 5A Output.
  • Gleichrichter Dioden:
Die Dioden müssen die volle Boosterleistung aushalten können. Für einen 3A Booster können Sie Dioden der 1N5401 Serie verwenden. Wenn der Booster größere Ströme liefern muss sollten sie z.B. 6A10 einbauen.
Um den Spannungsverlust über den Dioden zu minimieren können Sie Schottky Dioden wie z.B. SR506 verwenden.
  • Kühlkörper:
Ein quadratischer PC CPU Lüfter ist eine einfache und günstige Lösung. Bohren Sie 2,5mm Löcher und schneiden Sie ein Gewinde mit einer M3 Schraube in den Alu-Kühlkörper. Benutzen Sie Nylon Schrauben und Isolierscheiben zwischen den TO220 Gehäusen der Leistungstransistoren und dem Kühlkörper. Über den Anschluß P9 können sie den Lüfter mit Strom versorgen.

Zusammenbau

  1. Löten sie zuerst alle kleinen Komponenten ein.

> Beachten Sie die Polarität/Richtung der Dioden (Die Seite mit dem Ring kommt in das eckige Lötpad),

LEDs (das lange Beinchen kommt in das eckige Lötpad) und
Elko's (Die Seite mit dem Minus Zeichen kommt in das runde Lötpad).

- Bauen Sie das Netzteil auf.

  1. Testen Sie das Netzteil.
  2. Löten Sie die verbleibenden Komponenten ein.
  3. Bauen Sie den Kühlkörper ein und überprüfen Sie das die Leistungstransistoren keine elektrische Verbindung zum Kühlkörper haben.
  4. Testen Sie ORB-1!

Anschluß

Um die beste Leistung zu erziehlen sollte ein 2x18VAC Trafo verwendet werden. Mindestens 60VA für 3A Ausgansstrom und mindestens 100VA für 5A Ausgangsstrom. Der Spannungsverlust zwischen Booster und Modellbahn sollte so gering wie möglich sein. Deshalb sollte die Bahn mit mehrerem Kabeln an verschiedenen Stellen angeschlossen werden. Benutzen Sie Kabel mit einem minimalen Querschnitt von min. 0,75mm2.

Für den Betrieb von Motorola-Dekodern ist es wichtig das braune Kabel mit J3, und das rote Kabel mit J2 zu verbinden. Falls stationäre Dekoder nicht reagieren, sind die Kabel möglicherweise vertauscht.

Kabel Anschluß
Braun = Masse J3
Rot = Power J2

Wenn Sie ORB-1 mit ORD-1 verwenden, beachten Sie bitte das bei ORB-1 Version 1.0-1.3 die Polarität des Booster Ausganges vertauscht ist.

Um ORB-1 direkt an eine 9-pin RS232 Schnittstelle anzuschließenport verwenden sie folgende Verkabelung:

DSub9 Booster bus connector
Pin 3 TX 1 Data input
Pin 4 DTR 2 GO/STOP
3 NC
Pin 5 GND 4 GND
Pin 6 DSR 5 SC

Funktionsbeschreibung

Netzteil

Der Trafo wird mit den 3-poligen Anschluß J1 verbunden. Die beiden Sicherungen F1 & F2, schützen den Booster im Falle eines Kurzschlusses. Vier Dioden , D1-D4, richten die Eingangsspannung gleich. Die Glättung der Spannung wird durch die Elko's C5 & C6 oder C7-C13 vorgenommen. Die geglättete Gleichspannung beträgt ohne Last ungefähr +-24-30V. Wenn ein 1x18VAC Trafo verwendet wird muss er mit GND ( die mittlere Klemme von J1) und einem der beiden Wechselstrom Eingänge verbunden werden. In diesem Fall werden nur eine Sicherung und zwei Dioden benötigt. Die Schaltung fungiert dann als Einweg-Gleichrichter. Die Glättungs-Elko's speichern Ladunf zwischen den Wechselstrom Impulsen. Da es bei der Einweg-Gleichrichtung eine nicht nutzbare Halbwelle gibt müssen die Elko's diese kurze Pause überbücken und deshalb weitaus größer sein. Zwei 15V Zenerdioden, Z1 & Z2, und zwei standard 7805 und 7905 Spannungsregler, U1 & U2, erzeugen +-20V Spannung für die Regelelektronik des Boosters. Zwei kleine Kondensatoren, C3 & C4, entkoppeln die +-20V Versorgung.

Booster Bus

Die Anschlüsse P1 & P2 sind durchverbunden. Mehrere Booster können in Reihe angeschlossen werden.

Pin1= Data Pin2= Stop/Go, Low=Stop, Open or high=Go Pin3= Not used Pin4= Ground Pin5= Short Circuit detected, High Shorted

Signalpfad

Der OP-Amp U3 ist durch den Eingangswiderstand R5, Hysterese Widerstand R3 und Spannungsbegrenzung R12 als Comparator mit Hysterese geschaltet. Die Referenzspannung für den Comparator wird durch den Spannungsteiler R4 & R9 erzeugt. R9=15k und R4=100k erzeugen Vref=2,6V. R3 erzeugt ca. +-0,5V Hysterespannung.

Wenn der Spannungspegel am Data Pin des Booster Einganges weniger als 2,1V beträgt interpretiert es der Comparator als Low und erzeugt eine Ausgangsspannung von -20V. Wenn die Spannung am Data Pin größer als 3,1V wird liegen am Ausgang des Comparators +20V an.

Der Ausgang des Comparators treibt die Boosterstufe bestehend aus den Basis Vorwiderständen R7 & R8, Darlington Transistoren Q1 & Q2, den Widerständen R1 & R2 und der Strombegrenzungsstufe bestehend aus den Transistorens Q3 & Q4 und den Dioden D5 & D6.

Die Regelung (Stabilisierung) des Boosters Für ein positives Signal gilt: Eine positive Spannung über ca, 1,4V an den Basiswiderständen schaltet den NPN Darlington Q1. Diese Konfriguration wird Emitterfolger (Kollektorschaltung) genannt. Die Emitterspannung folgt der Eingangsspannung der Basis. Die Basisspannung beträgt +20V wenn der Comparator ein positives Ausgangssignal von +20V erzeugt. Die Emitterspannung beträgt dann ebenfalls +20V. Durch diese Schaltung wird die Boosterstufe geregelt.

Die Strombegrenzung Der Strom durch R1 erzeugt eine eine Spannung nach dem Ohm'schen Gesetz, U=R*I. Wenn die Spannung über R1 größer als ca. 0,6V wird beginnt Transistor Q3 durchzuschalten. Dadurch wird die Basispannung von Q1 begrenzt. D5 stellt sicher das kein Rückwärtsstrom von der Basis zum Kolektor von Q3 fließen kann.

Kurzschlußerkennung

Im normalen Betrieb liegt die Spannung über den beiden 100uF, C1 & C2, Elko's bei ungefähr -4V (-20V+15V+1V=-4), da jeder negative Teil des Ausgangssignals Strom über die Zenerdiode Z3 und die Diode D7 von den Elko's abzieht. Der positive Teil des Ausgangssignals kann die Elko's nur über den 10k Widerstand R11 aufladen. Dies ist zu wenig um im normalen Betrieb die Kurzschlußerkennung auszulösen. Wen es einen Kurzschluss nach Masse gibt kann über die Zenerdiode und die Diode kein Strom mehr fliessen und die Elkos werden über R11 aufgeladen. Wenn die Spannung hoch genug ist wird der Booster Bus Pin 5 über R6 und D9 auf High Potential gesetzt.

Stop/Go

Der Stop/Go Pin des Booster Bus wird durch den Spannungsteiler R10 & R14 schwach auf High Potential gesetzt. Wenn der Stop/Go Pin nach Masse gezogen wird, schaltet der Transistor Q6 ab und setzt damit R15 und D8 auf High. durch Diode D8 schaltet der Comparator Ausgang auf +20V. High R15 lässt Q5 durchschalten und zieht die Basiswiderstände der Endstufe über D10 nach Masse. Dadurch können weder Q1 noch Q2 schalten und der Booster ist abgeschaltet.

Output monitor

Die optionalen LED's D11 & D12 zeigen die Ausgangsspannung an. Wenn der Booster über den "Stop/Go Pin" des Booster Bus abgeschaltet ist leuchtet keine LED. Ist der Booster aktiv müssen beide LED's flackern (abhängig von der Signalfrequenz können sie auch dauerhaft leuchten).

Optionaler Lüfter-Anschluß

Ein einfaches LM317 Design. Über einen NTC Widerstand wie z.B.Vishay 2381 640 6471 wird die Drehzahl des Lüfters beeinflußt. Befestigen Sie den NTC direkt am Kühlkörper.

Tabelle der Lüfter Spannung abhängig von der Temparatur:

Vout R18 R17+NTC Temp
12,93 2200 240 short
11,85 2200 265 120
11,22 2200 282 100
10,23 2200 314 80
8,8 2200 375 60
6,88 2200 508 40
5,34 2200 710 25
4,86 2200 812 20
3,96 2200 1105 10

Wenn Sie keinen NTC benutzen wollen können Sie P4 einfach kurzschliessen und R17 durch einen Widerstand ersetzen der die gewünschte Ausgangsspannung herstellt. Weitere Infos gibt es auf dem Datenblatt des LM317 .

Bilder

3D-Bild erzeugt durch KiCad, ORB-1 Version 1.1:

The real stuff, ORB-1 version 1.0: ASCII

orb1-de.txt · Last modified: 2018/11/12 08:56 (external edit)