Nieuwe circuit breaker, een must have!

[bask185]

Beste modelspoorder,

Ik heb naar aanleiding met mijn ervaringen met de BMB een nieuw stukje elektronica gebouwd, wat een kortsluiting kan detecteren en de spanning in ca 5ms kan afschakelen. Het ding is naar mijn mening rete handig voor elke half grote baan waarop meer dan 1 trein tegelijk rijdt.

Wat was het probleem?
Tijdens de rijdagen met de BMB in Stroe, viel het mij en eigenlijk iedereen op, dat de hele baan regelmatig vaak uitviel ten gevolge van een kortsluiting. Het vervelende is, als 1 persoon op 1 plaats kortsluiting veroorzaakt, heeft de hele baan kortsluiting.

Dit gebeurde wanneer iemand niet op zat te letten en zijn trein te vroeg de keerlus in stuurde, het gebeurde ook wanneer ik niet goed zat op te letten bij een bepaalde 3-weg wissel van de branchline of wanneer iemand zat te suffen bij de fiddle yard.

Dit komt ook deels door hun digitaal systeem. De witte z21 en vier roco boosters doen het erg goed alleen kent dit systeem 1 groot nadeel. Als 1 booster kortsluiting ervaart, ervaren alle boosters kortsluiting.

Buiten de BMB om, is het natuurlijk voor elke half grote baan hinderlijk als een kortsluiting er voor zorgt dat je hele baan stil staat. Hoe groter de treinbaan hoe vervelender het is.

Mijn oplossing.
Ik bedacht me dat de enige oplossing zou zijn, om bepaalde onderdelen van de baan apart te zekeren met het idee dat een lokale kortsluiting niet meteen de hele baan stil zet. Dat idee heb ik tussen mijn grotere projecten zoals m'n handregelaar en Nx schakeltableau door uitgewerkt en dat heeft tot deze circuitBreaker geleid:

<a href="https://www.youtube.com/v/99Gkl7HWomI" target="_blank" class="new_win">https://www.youtube.com/v/99Gkl7HWomI</a>

<a href="https://www.youtube.com/v/3gcMQ_PF8H0" target="_blank" class="new_win">https://www.youtube.com/v/3gcMQ_PF8H0</a>

In geval van de BMB zou je de circuitBreaker kunnen toepassen tussen de ringleiding en de keerlus bakken, tussen de ringleiding en de fiddleyard en tussen de ringleiding en... elke kortsluitgevende hotspot.

De technische werking
Voor de geïnteresseerde: De kern van het circuit is niet al te ingewikkeld en ziet er als volgt uit:



De DCC spanning komt links binnen en loopt via een van de diodes door de mosfet, door de 2 shuntweerstanden (R1 en R2) en door een andere diode naar de uitgang rechts. Vanwege de ligging van de diodes, maakt de polariteit niets uit en zal de stroom altijd door de mosfet en shuntweerstanden lopen. De stroom wordt alleen door gelaten als de mosfet in geleiding staat. Als de stroom door de shuntweerstanden te groot wordt, loopt de spanning te hoog op waardoor de controller (attiny45) begrijpt dat er een kortsluiting is. Bij een kortsluiting wordt de mosfet direct afgeschakeld.

Om goed om te gaan met hoge piekstromen, heb ik het systeem gecalibreerd aan mijn slechtst rijdende loc met de hoogste piekstromen (2A). Er wordt elke ms een meting gedaan en van 5 metingen wordt een gemiddelde berekend. Pas als dit gemiddelde de maximale stroom (instelbaar via potmeter tussen 0.5A en 2A) overschrijdt, is er sprake van kortsluiting. Deze 5ms is zo snel dat de z21 niet wordt getript.

De circuitBreakerprobeert na een kortsluiting elke seconde om de spanning te herstellen. Als uit de eerste meting al blijkt dat er nog steeds kortsluiting is, wordt de spanning direct afgeschakeld.

De print heeft tot nu toe alleen gewerkt met een arduino Nano omdat ik een usb interface nodig had om de data te bekijken. De uiteindelijke versie zal op een attiny45 draaien en heeft verder niks nodig. Je hoeft er slechts 4 draadjes op aan te sluiten (of eigenlijk 3, omdat je maar 1 rail hoeft te schakelen).

Mvg,

Bas

[St00mboy]

Dat ziet er goed uit, Bas.   Laten we het binnenkort maar eens uitproberen. De huidige baan heeft twee boostersecties en totaal kunnen we met onze aansluitkoffer vier secties maken.

Leen.

[Joz]

Zeer interessant! En met zo verrassend weinig onderdelen.
Met welke componenten kan je de uitschakelstroom beïnvloeden? Of gebeurt dat in de Arduino software.

[bask185]

De stroom vloeit door een mosfet en de arduino zet de mosfet aan of uit

Mvg,

Bas

[Mark D.]

 

Ik snap niks van de werking, maar wel waar tegen het werkt.
Het aansluiten van die draadjes moet mij ook wel lukken.

Ik denk dat dit een perfecte oplossing is voor wat vervelende wissels.

[Maarten65]

Wat is het voordeel van deze oplossing tov een automatische zekering? Deze laatste zitten op onze clubbaan in elk baanvak er werken perfect. Een felle led licht op wanneer de zekering open staat zodat je snel kan zien waar het probleem is. Deze zekeringen kunnen ook met de hand omgezet worden wanneer er aan de baan gewerkt wordt. Alle andere delen kan dan gewoon gereden worden.

[Eric B]

Dan vraag ik me af wat dat voor automatische zekeringen zijn Maarten.
Een 2A installatieautomaat met B karakteristiek gaat het niet winnen van de elektronische beveiliging van de meeste centrales/boosters.

Een groot voordeel is m.i. het automatisch weer inschakelen na oplossen van het probleem.

Afschakelen van een deel van de baan kan zeker handig zijn, maar bij een club- of modulebaan zou ik dat dan liever met een sleutelschakelaar doen 

[richardvandijk]

Hoi Bas.

Begrijp ik nou goed dat de uiteindelijke versie geen extra onderdelen nodig heeft als zijnde arduino en dergelijke?
Want dat maakt het echt wel rete handig zeg!

Richard

[Maarten65]

https://www.msgdenbosch.nl/cms/vaste-marklinbaan-h0/213-besturing-van-de-baan

Hier worden de zekeringen beschreven.

Groeten Maarten

[AndrevdG]

Mooie oplossing Bas. Herken het probleem zelf van een grote baan in combinatie met een Z21 of DR5000: 1 kortsluiting en alles lag plat.

Ben zelf daarom op BiDiB overgestapt, daar wordt het per 'booster' geregeld, en die doet precies wat jij hier beschrijft: is er een kortsluiting, dan gaat de spanning er voor 1 seconde vanaf, en daarna er weerop, is de kortsluiting weg dan wordt er gewoon verder gereden.

Ga eens volgen hoe jij dat met de Arduino (of andere controller) gaat regelen.

[bask185]

Ik denk dat dit een perfecte oplossing is voor wat vervelende wissels.

Nog geen succes gehad met de andere oplossingen?

Mijn print zou idd de delen van je wissel waar je kortsluiting heb, spanningsloos maken bij kortsluiting. Maar voordat ik ze aan je verkoop, wil ik je wel vertellen dat het niet aansluiten van die onderdelen tot hetzelfde resultaat zal leiden... namelijk spanningsloos punten. Ik zou eerst proberen om je probleem wissel op de probleem puntje spanningsloos te maken en dan kijken of je materiaal met powerpacks er overheen komt of niet.

Dan vraag ik me af wat dat voor automatische zekeringen zijn Maarten.

Ik ook, ik heb inmiddels het artikel gelezen, maar de auteur lijk er zelf niet heel veel kaas van gegeten te hebben en er staan geen PTC waardes oid in vermeld.

@Maarten. Ik heb die pagina door gelezen en het zou mooier, goedkoper en beter zijn als dat goed werkt. Ik had nooit gedacht dat een PTC in 3ms kon afschakelen. Maar die booster die geeft een whopping 10A. Dat is grofweg 3x meer dan de gemiddelde booster kan uitsturen. Dat betekent ook dat de warmte ontwikkeling in de PTC grofweg 9x hoger is. De tijd dat de PTC zal afschakelen zou dan ook rond de ~27ms zitten. Dat is nog steeds sneller dan een booster en dus tolerabel

Ik vind het dat wel leuk om zelf eens een keertje te testen met een z21 uitgang en PTCs. Ik ga er een paar bestellen zodra ik weet welke waardes ik moet hebben. Ik heb op school niks mee gekregen over PTCs en ik heb ze zelf nog nooit aangeraakt. Ofwel ik heb er zelf ook geen kaas van gegeten 

Begrijp ik nou goed dat de uiteindelijke versie geen extra onderdelen nodig heeft als zijnde arduino en dergelijke?

Nee dat klopt. Waar die draden uit de arduino naar toegaan, daar komt een attiny chip te zitten en die doet het alles aansturen. Er gaan dan maar 2 DCC draadjes in en 2 draadjes naar het spoor.

Er is op dit moment 1 werkend prototype in 'het veld' (de treinbaan van Saskia). De prototype werkt! Nu heeft ze laten weten dat ze interesse had in dit printje maar voor iets hogere stromen. Het eerste ontwerp was ook maar bedoeld voor 1 trein en kon slechts ~1.5A continu stroom afhandelen. Saskia wilde ze voor 4A.

Ik had er op de dag voor de laatste BMB rijdag nog even 4 in elkaar gesoldeerd. Maar geen van allen wilde het doen  . Daarom moet je bij solderen dus nooit haasten, 1 foutje en... DOA  ( <== dead on arrival).

Tijdens het solderen, vond ik de layout van de componenten vervelend. Ik heb inmiddels geleerd dat je dingen als weerstanden, diodes en condensators zoveel mogelijk naast elkaar moet zetten om sneller te kunnen solderen. De losse diodes waren ook erg.. veel werk. 8x pootje buigen, solderen en knoppen terwijl er ook gewoon een gelijkrichter in past. Daarom heb ik een 2e ontwerp gemaakt en besteld:





Er zit een dikke gelijkrichter op en een 5W shunt weerstand om ook 4A te kunnen regelen. Ik heb ook extra connectoren toegevoegd zodat je er meerdere tegen elkaar kan steken. Beide DCC lijnen, de 5v en massa worden doorgevoerd. Je heb het niet echt nodig, maar als je er meer naast elkaar wilt hebben dan hoef je iets minder te solderen. 1 print kan namelijk de 5V voorziening doen van meerdere printen.

Inmiddels zit Saskia ook al een maand of twee te wachten op nieuwe printjes. Ik zou wat eerder leveren, maar ik heb een beetje last van wat ik een zomerdepressie noem. Te veel en te warme dagen geven mij alles behalve zin om de soldeerbout aan te raken . Het is zelfs zo erg dat ik nu een low budget microlayout in een bananendoos aan het maken ben  .

Mvg,

Bas

[saskia]

Bas,
eerst en vooral , het steekt nu op geen weekje, koel maar eerst lekker af, zodat de hersencellen terug wat beter kunnen werken.

Kan je dan ook een voetje voorzien voor het IC, en de componenten ( fet , transistor e.d. ( warmtegevoelige componenten )) niet te laag op de PCB solderen?
Anders met de nodige info ,kan ik ze zelf wel in elkaar solderen hoor.
grtjs,Saskia

[bask185]

Ik had naar Schoonhoven het laatste exemplaar mee, maar ik had slechts gedeeltelijk succes. Hij was soms trager dan de z21, soms niet. Ik vermoed dat dit komt door de led die ik nu op dezelfde pin heb aangesloten als de mosfet. De led werkte nu ook andersom, kortsluiting -> led uit. Ik wil die led bypassen en dan kijken hoe de circuit breaker zich gedraagt.



Er zat ook nog zo'n miniscuul onvoorzienbaar foutje in het ontwerp. Die pinnen van die gelijkrichter... die waren te dik. Ik moest die gaten opboren. Puntje van aandacht voor versie 3. 

Bas

[Menno]

Ik denk dat je probleem niet in die LED zit, maar in de aansturing. Een IRF540N is een gewone MOSFET, waarbij de gespecificeerde RDSon pas gehaald wordt bij een gate-source spanning van 10 Volt.

Een Attiny heeft op z'n uitgangen veel te weinig spanning staan om een niet-logic level MOSFET zoals deze goed open te sturen. Nu kan 'ie net een paar Ampère verstouwen en daarbij waarschijnlijk ook snel opwarmen. Aan dat soort situaties overlijden MOSFETs heel snel als het echt mis gaat.

Ik zie wel een transistor of IC met 3 pootjes op het printje zitten, maar als er alleen 5 Volt op het printje beschikbaar is, gaat een stuurtrapje je nog altijd niet helpen.

[bask185]

Die 3 poter is een spanningsregulator om de attiny te voeden met 5V. Ik gebruik de helft van het DCC signaal om die te voeden.

Die mosfet die geleidt opzich prima bij 5V. De Vgs threshhold is volgens mij 2V. Dit probleem heb ik ook niet gezien bij de eerste proto. Daar had ik een pulldown weerstand op de gate. En nu heb ik er een weerstand met led aan die gate hangen. Hij begint wel idd lichtelijk warm te worden bij een ampere of 2, dus een andere mosfet is misschien niet helemaal een slecht idee. De eerste versie was ook bedacht voor slechts 1 trein. Het idee was om feitelijk elke blok op je baan af te zekeren.

Ik ga ff zoeken naar een andere die wel minstens 3A aan kan. Ik wil wel graag een TO-220 behuizing blijven gebruiken. In To92 kon ik niks leuks vinden wat meer dan een ampere aan kon, en die sot23 zijn me te klein. Een soic behuizing is ook nog wel tollerabel. Ik heb nog van die 2 in 1 mosfets die ook in een dk4018 zitten. Ik weet alleen niet uit mijn hoofd wat die aan stroom aan kunnen.

De eerste versie had een 0.5R shunt weerstand, de nieuwe een 0,33R. Ik had onbedoeld een stroombegrenzing gemaakt. Als er iets van 4A door de shunt zou gaan, dan zou de spanning op de Source dusdanig hoog worden zo dat Vgs <= 2V en dat doet de mosfet dicht knijpen. Zo zou dit ding ook een booster van 10A overleven.. in theorie tenminste. Ik heb geen 10A voeding om dat te testen.

Bas