Ta strona poświęcona jest głównie układom elektronicznym stosowanym w modelarstwie kolejowym i automatyzacji sterowania makiet kolejowych. Moim zamiarem jest dzielenie się prostymi pomysłami, możliwymi do zrealizowania przez prawie każdego pasjonata kolejek elektrycznych, posiadającego nieco obycia w elektronice i informatyce. Prezentowane projekty są mojego autorstwa. Można je dowolnie kopiować i adaptować do swoich potrzeb ku własnej uciesze. Nie daję żadnej gwarancji poprawności i użyteczności prezentowanych rozwiązań i nie ponoszę żadnej odpowiedzialności związanej z ich wykorzystaniem i jakimikolwiek szkodami, które mogą wyniknąć z korzystania z treści zawartych na tej stronie.
Dziękuję Marcinowi Engelowi za zdjęcia.
Marcin Peczarski
Warszawa, w listopadzie 2009 roku
Zdjęcie po lewej przedstawia model Piko HO lokomotywy BR120 wyposażonej w dekoder DCC (ang. Digital Command Control) z mikrokontrolerem ATtiny25. Na zdjęciu po prawej widać wnętrze modelu po zdjęciu obudowy. Właściwy dekoder to płytka widoczna w głębi. Na schemacie ideowym jest to część po lewej stronie pionowej przerywanej linii. Połączenia po prawej stronie tej linii są wykonane na płytce widocznej z przodu. Pełny kod źródłowy zawiera nieco komentarzy wyjaśniających funkcjonalność i działanie dekodera.
|
|
Prototypowa wersja sterownika została zbudowana na bazie zestawu startowego ZL3AVR z mikrokontrolerem ATmega32. Sterownik umożliwia bezpośrednie kierowanie siedmioma lokomotywami. Dla każdej lokomotywy przewidziano po jednym potencjometrze i dwa klawisze. Za pomocą potencjometru ustala się kierunek i szybkość jazdy. Jeden z klawiszy służy do awaryjnego zatrzymania lokomotywy, a drugi do włączania i wyłączania funkcji (zwykle są to główne światła). Do układu można podłączyć osiem potencjometrów. Potencjometr 0 służy do regulacji współczynnika wypełnienia sygnału DCC. Jest to funkcjonalność eksperymentalna – normalnie współczynnik ten powinien wynosić 0,5. Potencjometry 1 do 7 służą do sterowania lokomotywami. W układzie na zdjęciu podłączone są potencjometry 0 do 3. Sterownik wyposażony jest w klawiaturę matrycową 4x4, 14 klawiszy służy do sterowania lokomotywami, a dwa pozostałe mogą być wykorzystane do sterowania innymi funkcjami sterownika. Sterownik można podłączyć do komputera osobistego za pomocą interfejsu RS-232. Umożliwia to przejęcie przez program uruchomiony na komputerze pełnej kontroli nad sterownikiem i wysyłanie dowolnych komend DCC. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny (ang. LCD) pokazuje adresy sterowanych lokomotyw i aktualne ustawienia ich kierunku jazdy, prędkości oraz świateł głównych.
 |
Schemat sterownika można wywnioskować na podstawie opisu połączeń i łatwego do znalezienia w sieci schematu zestawu ZL3AVR. Niestety kod źródłowy jest na razie bardzo eksperymentalny i słabo udokumentowany.
 |
 |
Wzmacniacz (ang. booster) składa się z trzech modułów. Pierwszy zawiera zasilacz i mostek wyjściowy DMOS zbudowany na układzie LM18200T.
Drugi moduł zawiera układ formujący sygnały sterujące mostkiem. Wzmacniacz może być w dwóch stanach: aktywnym i nieaktywnym. W stanie aktywnym na wyjścia RAIL1 i RAIL2 podawany jest sygnał DCC. W stanie nieaktywnym wyjścia te są w stanie wysokiej impedancji. Stan aktywny i nieaktywny są sygnalizowane odpowiednio zieloną i czerwoną diodą świecącą. Przejście do stanu aktywnego następuje po krótkim naciśnięciu przycisku ON. Przejście do stanu nieaktywnego następuje po krótkim naciśnięciu przycisku OFF lub przy wystąpieniu sytuacji awaryjnej: brak sygnału DCC na wejściu, przegrzanie układu mostka, zwarcie wyjść RAIL1 i RAIL2 lub zbyt duży pobór prądu z tych wyjść. Rezystor nastawny R25 ustala czas, po którym przy braku sygnału DCC na wejściu nastąpi przejście do stanu nieaktywnego. Sygnał DCC podawany jest ze sterownika, opisanego w poprzednim podpunkcie, na wejścia DCC IN + i DCC IN –. Wejście sygnału DCC jest separowane za pomocą optoizolatora i przystosowane do sterowania sygnałem o poziomach 0/5 V lub ±5 V. Wejście można dostosować do innej amplitudy U sygnału przez zmianę wartości rezystora R21 na (U – 1,4 V)/(10 mA). Aby wzmacniacz generował sygnał wyjściowy DCC zgodny z normami NMRA, zworka J21 powinna być ustawiona w pozycji 1–2, jak na rysunku. Ustawienie 2–3 jest eksperymentalne.
Trzeci moduł zawiera zabezpieczenie nadprądowe i układ wykrywania potwierdzenia (ang. acknowledgement). Rezystor nastawny R39 ustala wartość prądu wyjściowego (pobieranego z wyjść RAIL1 i RAIl2), po przekroczeniu którego nastąpi przejście wzmacniacza w stan nieaktywny. Aby wygenerować potwierdzenie, dekoder powinien wytworzyć w obwodzie torowym impuls prądu o czasie ok. 6 ms i amplitudzie min. 60 mA. Sygnał potwierdzenia zwiera wyjścia ACK OUT + i ACK OUT –, separowane za pomocą optoizolatora i podłączone do sterownika, który został opisany w poprzednim podpunkcie. Dyskryminacja czasu trwania impulsu potwierdzającego następuje programowo w sterowniku.
Zasadę działania ciągłej kontroli zajętości, wykorzystywaną w urządzeniach przekaźnikowych instalowanych niegdyś (a może wciąż jeszcze eksploatowanych) na liniach PKP, opisano w książce [M. Dąbrowa-Bajon, H. Karbowniak, K. Grochowski, Zasady projektowania systemów i urządzeń sterowania ruchem kolejowym, WKŁ, 1981].
Przerysowany poniżej schemat obwodu torowego został zamieszczony we wspomnianej książce na rys. 4.12. Obwód torowy jest zasilany przez transformator Tr, obniżający napięcie do wartości 24 lub 34 V. Tym napięciem, przez rezystor regulowany R o maksymalnej wartości od 11 do 40 Ω, bezpiecznik i transformator oddzielający 1:1, jest zasilany odcinek izolowany. Jeśli odcinek jest wolny, to napięcie międzyszynowe, przez transformator podwyższający 1:4, zasila cewkę przekaźnika indukcyjnego It, który zostaje wzbudzony. Jeśli odcinek jest zajęty, to koła pojazdu zwierają szyny i przekaźnik It przechodzi w stan bierny. Przejście w stan bierny może być również spowodowane awarią któregokolwiek z elementów obwodu torowego, np. przerwaniem kabla lub linki doprowadzającej zasilanie, pęknięciem szyny, brakiem zasilania cewki kontrolnej przekaźnika indukcyjnego itp.
Powyższą zasadę można łatwo zaadaptować w makietach kolejowych wykorzystujących trakcję DC. Nie można, co prawda, wykrywać zwarcia szyn, ale można wykrywać pobór prądu przez tabor. Każdy pojazd powinien pobierać pewien minimalny prąd, choćby do oświetlenia. Można też wykorzystać, dostępne na rynku, zestawy kołowe z wbudowanymi rezystorami lub wykonać samodzielnie przewodzący zestaw kołowy, zamalowując izolację między kołami farbą grafitową służącą do naprawiania klawiatur gumowych. Ut jest stałym lub pulsującym napięciem trakcyjym, a obwody przekaźników torowych są zasilane stałym napięciem Up. Odcinek pierwszy jest wolny. Prąd płynie od dodatniego bieguna Up przez rezystor Rp1 i przekaźnik It1 do ujemnego bieguna Up. Przekaźnik It1 jest wzbudzony. Dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo. Na odcinku drugim znajduje się pojazd. Prąd płynie od dodatniego bieguna Up przez rezystor Rp2, koła pojazdu, do ujemnego bieguna Ut. Napięcie na rezystorze Rp2 rośnie do wartości większej niż napięcie Up, co powoduje spolaryzowanie diody D2 w kierunku przewodzenia – pojazd znajdujący się na odcinku drugim jest zasilany napięciem trakcyjnym Ut. Napiecie na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia jest za małe, aby przekaźnik mógł być wzbudzony i przekaźnik It2 zostaje wyłączony, sygnalizując stan zajęcia odcinka drugiego. W celu zrealizowania samoczynnej blokady liniowej, przekaźnik It2 steruje stykiem odłączającym napięcie trakcyjne od odcinka zatrzymania, który znajduje się przed wjazdem na odcinek drugi. Odcinek zatrzymania jest fragmentem odcinka pierwszego i powinien być ochraniany przekaźnikiem It1. Żeby po zatrzymaniu lokomotywy na odcinku zatrzymania nie doszło do wzbudzenia przekaźnika It1, styk przekaźnika It2 jest zbocznikowany rezystorem Rt1, którego wartość musi być tak dobrana, aby każda lokomotywa zatrzymała się i nie „buczała”, a jednocześnie przekaźnik It1 pozostawał w stanie biernym.
Opisane rozwiązanie ma niestety spore wady. Układ jest mało czuły. Do wyłączenie przekaźnika It potrzeba, aby rezystancja między szynami spadła do ok. (Ut·Rp)/Up. Rezystancja ta, dla prawidłowego działania układu, powinna wynosić co najmniej kilkaset omów, a lepiej kilka – kilkanaście kiloomów. Z drugiej strony, wzbudzenie przekaźnika It wymaga odpowiednio dużego napięcia Up i niezbyt dużej wartości rezystancji Rp. To powoduje, że trudno jest znaleźć kompromisowe wartości Up, Rp i Rt. Ponadto nawet krótki brak kontaktu kół z szynami powoduje wzbudzenie przekaźnika It i fałszywą sygnalizację zwolnienia odcinka. Rozwiązaniem jest zastosowanie elektronicznego przekaźnika torowego.
Elektroniczny przekaźnik torowy jest bardzo czuły – dla jego zadziałania wystarczy zwarcie szyn palcami. Aby nie dochodziło do fałszywego zwalniania odcinka, układ posiada histerezę i opóźnienie zwalniania. Diody BYP401 można zastąpić dowolnymi diodami prostowniczymi. Zamiast diody BAP812 można zastosować 2 lub 3 połączone szeregowo diody krzemowe lub diodę świecącą. Tranzystory BC556B można zastąpić dowolnymi tranzystorami pnp o podobnym współczynniku wzmocnienia i dopuszczalnym prądzie przewodzenia wystarczającym do włączenia przekaźnika. Napięcie zasilające Up i wartość rezystorów Rp powinny być dobrane do zastosowanych przekaźników. W stanie wzbudzenia przekaźnika It napięcie na rezystorze Rp powinno wynosić ok. Up/2. Rezystory Rt powinny mieć wartość co najmniej 360 Ω i moc 0,5 lub 1 W.
W książce [S. Karaś, M. Doliński, Urządzenia sterowania ruchem kolejowym i łączności, WKŁ, 1988] opisano skrótowo zasady działania punktowej kontroli zajętości, wykorzystywane w urządzeniach instalowanych niegdyś, a może wciąż jeszcze eksploatowanych, na liniach PKP. Pierwsza metoda polega na obustronnym odizolowaniu odcinka szyny o długości większej niż największy odstęp między kolejnymi osiami pociągu (21 do 30 m). Pociąg, najeżdżając na taki odcinek toru, zwiera obie szyny zestawami kołowymi. Odcinek zostaje zwarty przez pierwszą oś pociągu i pozostaje zwarty do momentu, gdy ostatnia oś opuści ten odcinek. Drugim rozwiązaniem jest umieszczenie czujnika nacisku pod odcinkiem szyny. Osie przejeżdżającego pociągu naciskają szynę, powodując jej ugięcie i zadziałanie przycisku. Podobnie jak poprzednio, przycisk zostaje naciśnięty przez pierwszą oś pociągu i pozostaje naciśnięty do momentu, gdy przejedzie ostatnia oś pociągu. Trzecim rozwiązaniem jest elektroniczny obwód nakładany (EON). W środkowej części nieizolowanego odcinka oddziaływania długości ok. 35 m do szyn podłączony jest nadajnik, a na końcach tego odcinka umieszczone są dwa odbiorniki. Odcinek nie musi być izolowany, wymagane jest tylko, aby rezystancja między szynami nie była zbyt mała. Układ włącza się po najechaniu pierwszej osi pociągu na odcinek, a zwalnia się po zjechaniu z niego ostatniej osi. Zaletą EON jest możliwość wykrywania kierunku przejechania pociągu przez nadzorowany odcinek.
Adaptacja pierwszej z wyżej opisanych metod w modelarstwie kolejowym została opisana dawno temu w dwuczęściowym artykule [Jan Łyżwiński, „Automatyzacja makiet kolejowych”, Młody Technik, 8/1975 i 9/1975].
Prototypowe rozwiązanie, bazujące na trzeciej metodzie, widoczne jest na poniższym zdjęciu i schemacie. Na zewnątrz toru, możliwie blisko szyny i nieco poniżej jej górnej krawędzi umieszczone są, przesunięte względem siebie o 5 mm, dwa czujniki odbiciowe na podczerwień typu KTIR0711S. Pod lokomotywami i wagonami należy przykleić po obu stronach (np. na wózkach) paski folii aluminiowej lub miedzianej o szerokości 3…4 mm i długości 10…18 mm w taki sposób, aby pasek ten znalazł się tuż nad czujnikami, gdy pojazd przejeżdża nad nimi. Czujniki generują dwa impulsy przesunięte w czasie, ale nakładające się częściowo na siebie. Ich czas trwania i przesunięcie zależą od prędkości pojazdu. Kolejność impulsów zależy od kierunku poruszania się pojazdu. Przyjmując dla skali H0 maksymalną prędkość modeli 0,25 m/s (co odpowiada w oryginale 120 km/h – dla uzyskania realistycznego ruchu modeli ich prędkość powinna być mniejsza niż wynikałoby to ze skali, gdyż na makiecie nie ma możliwości zaprojektowania odcinków torowych z zachowaniem skali), otrzymujemy impulsy o czasie trwania co najmniej 40 ms, przsunięte względem siebie o co najmniej 20 ms. Spadek napięcia na dwóch połączonych szeregowo diodach wynosi 2,3…2,4 V przy prądzie przewodzenia 7…10 mA. Dobór właściwego prądu umożliwiają włączone szeregowo rezystory. Przy zasilaniu 3,3 V należy użyć rezystora 100 Ω, dla 4 V – 160 Ω, a dla 5 V – obu.
 |
 |
TODO: zdjęcie wagonu |
Zaletami proponowanego rozwiązania są: możliwość zastosowania w dowolnym systemie zasilania trakcji (AC, DC, DCC), możliwość wykrywania kierunku jazdy taboru, możliwość zliczania „osi”, brak konieczności cięcia i izolowania szyn. Wadą jest zakłócanie pracy czujników przez źródła emitujące promieniowanie podczerwone – nie można oświetlać makiety żarówkami.
W PRZYGOTOWANIU!
W PRZYGOTOWANIU!