KBooster

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KBooster

PREMESSA

Prima di progettare il KBooster ho voluto farmi un’idea di ciò che i booster commerciali e non pubblicati in rete fossero capaci di fare e di quale tecnica di amplificazione venisse da loro usata, ultima ma non trascurabile cosa, il costo per realizzare o comperare uno di questi.
Ovviamente per quanto concerne le prestazioni, dai manuali e le recensioni, ho capito che le potenze spaziavano da 1,5 A a 10 A, quasi tutti prevedevano una sezione di potenza/programmazione separate e pochi (solo i booster commerciali più cari ed alcuni più completi tra quelli “faidate”) il segnale di ritorno per la lettura delle VC o segnale di Acknoledge per gli addetti.
Altro passo la tecnica di amplificazione. Per i booster commerciali, ho capito ben poco data la quasi assenza di fotografie degl’interni o di schemi, solo due prodotti di due tra i più famosi produttori di elettroniche DCC mi hanno fatto capire a grandi linee il principio di funzionamento. Discorso differente per i booster “faidate”, qui schemi e foto abbondavano!
Il risultato è stato quasi unanime in tutte le due categorie, sistema a ponte “H” o H Bridge Circuit (per i non addetti consiglio un buon motore di ricerca e come parole da trovare scrivere H Bridge Circuits).
Solo due progetti usavano una tecnica differente ma erano circuiti rudimentali e poco sviluppati; tale tecnica è quella del mezzo ponte H o Half H Bridge Circuit.
La differenza fondamentale tra in due sistemi è la necessità di quattro elementi di potenza per il H Bridge perché sfrutta una tensione singola (es. 15 V dc) mentre solo due elementi di potenza per il Half H Bridge perché sfrutta una tensione duale con massa centrale,(es 15+15 V dc).
Al termine delle ricerche ho valutato approssimativamente i costi, per i booster commerciali… due parole…no comment! Per i booster faidate dai 10 € ai 40 € in base alle caratteristiche.

ANALISI PROGETTUALE

KBooster fa parte del progetto KDCC ed in quanto tale deve soddisfare la prima e la più importante regola: MODULARITA’.
In pratica, KBooster deve essere interscambiabile e replicabile n volte senza mai cambiarne lo schema ed il principio di funzionamento, ragione per cui, il pcb dove essere il più semplice possibile e capace di adattarsi sia per realizzare la parte di potenza, sia per quella di programmazione, in pratica due pcb uguali ma con funzioni differenti!
Altra cosa importante pcb ad una faccia e minor numero possibile di ponticelli (odio quei pcb con decine di ponticelli segno di una cattiva sbrogliatura) per evitare brutte emicranie nel seguire una pista.
Costo non superiore ai 30€ trasformatore escluso.

L’UOVO DI COLOMBO

Come detto sopra, sembra che la fantasia dei progettisti si sia fermata alla prima idea cioè al H Bridge Circuit per l’amplificazione in corrente, ad aggravare le cose anche la parte di amplificazione in tensione ha avuto stessa misera fine…
In pratica un booster commerciale o no è quasi sempre costituito da uno stadio di amplificazione in tensione che sfrutta un comparatore di tensione (il più gettonato è il LM339 che contiene 4 comparatori LM311) uno stadio sfasatore che sfasa il segnale amplificato di 180° e lo stadio di amplificazione in corrente realizzato dal H Bridge Circuit in cui gli elementi di potenza vengono pilotati in coppie da due (nel caso dei transistor un NPN ed un PNP) in modo tale che la corrente fluisca in un senso attraverso il ponte e poi subito dopo rifluisca nel senso opposto sempre attraverso il ponte. In questo modo sull’uscita (il tratto centrale dell’H) si avrà una tensione alternata con una frequenza di circa 8-10 KHz cioè il segnale DCC.
Stesso discorso per le soluzioni integrate tipo LMD 18200 o simili, ottimi IC per un booster-giocattolo ma molto limitati in prestazioni per un’amplificazione “seria”.
Un circuito simile ha il grosso vantaggio di richiedere una tensione singola ma ha anche tre grossi svantaggi: uno schema complicato (per le soluzioni integrate no), una sezione di alimentazione separata per la regolazione dell’ampiezza del segnale in uscita ed un circuito aggiuntivo di consenso che disabiliti l’uscita del booster in assenza di segnale DCC onde evitare di trovare una tensione continua di 15-20 Volt sulle rotaie con conseguente “partenza a razzo” di tutti i convogli!(Per questo tutti i circuiti H Bridge hanno l’Enable).
La mia conclusione è stata la piena bocciatura del H Bridge Circuit.
Dopo un’attenta valutazione di schemi vari si è risvegliato in me l’audiofilo patito di mega amplificatori audio di un tempo è con esso è arrivato “l’uovo di Colombo”.
Perché non realizzare un booster per il DCC derivandolo da un finale audio?
Ora, non sto vaneggiando, ho solo fatto 2+2. Mi spiego.
Analizzando il segnale DCC all’oscilloscopio, ho notato che non è altro che un’onda quadra a frequenza variabile che ciclicamente passa dalla parte positiva a quella negativa proprio come un segnale audio (in realtà i segnali audio sono sinusoidali ma non è la forma d’onda che interessa ma l’alternanza tra positivo e negativo).
Tutti gli amplificatori audio per giunta devono avere una banda audio che copra lo spettro sonoro udibile dall’uomo cioè da 20 Hz a 20 KHz (cioè da 20 herz a 20000 herz tenendo conto che 1 Hz è la variazione che un segnale compie nel passare da un livello ad un altro in un secondo). Il segnale DCC invece è mooolto più parco in banda, va da circa 7,5 KHz a circa 12 KHz, in pratica con piccole accortezze, un qualsiasi amplificatore audio di casa vostra da circa 60 W su 4 ohm può essere un booster per il DCC!!! Ammettetelo che avete la salivazione azzerata e gli occhi increduli!
Ebbene sì, KBooster è un finale audio modificato (poco) per amplificare il segnale DCC.

LO SCHEMA

Come si vede dallo schema KBooster è piuttosto semplice concettualmente; il segnale DCC, dal connettore SV1 entra nel potenziometro P1 che è l’incaricato di regolare l’ampiezza finale del segnale amplificato, ruotandolo si regola finemente la tensione in uscita tra 0 e circa la tensione di alimentazione (che può arrivare anche a 40+40 V dc ma consiglio di non eccedere i 22+22 V dc), il segnale così modificato viene applicato al condensatore C12 che provvede a traslarlo a valor medio nullo (cioè il segnale DCC che normalmente è di ampiezza +5V dc diventa +\- 2,5 V ac).
Il segnale restituito viene applicato all’operazionale IC4A che, in unione ai transistor T1 e T3, provvede all’amplificazione in tensione. Infine il segnale amplificato viene applicato alle basi di T2 e T3 che provvedono ad amplificarlo in corrente.
Fine.
KBooster è per sua natura molto potente, T2 e T3 sono dei transistor DARLINGTON da 15 A continui , se usato male può provocare veri disastri su di un plastico, per evitare di vedere fumare lo scambio da 40 € o la locomotiva da 400 €, ho protetto l’uscita con un relè pilotato da un circuito di protezione extrarapido che svolge due funzioni, protezione da corto, e limitatore d’assorbimento.
Lo schema è semplice ma efficace; nel punto d’unione delle resistenze R9 R10 R12 e R13 si ha il segnale DCC pronto per le rotaie, tale flusso può anche toccare i 30 A di picco, quindi ho frapposto un relè che solo sotto tensione permette che i contatti si chiudano e quindi vengano alimentate le rotaie. Tale relè viene pilotato dal transistor T5 che amplifica in corrente il segnale di IC4B vero centro di comando della protezione, IC4B è un comparatore che scatta appena la tensione sul piedino 6 è maggiore di quella impostata dal partitore formato da R20 e P2. Quindi, con P2 si regola la soglia d’interveto della protezione in caso di corto e di riflesso anche la corrente massima erogabile.
Questa protezione, in sede di progetto l’ho resa ripristinabile manualmente o automaticamente, se si vuole più controllo al posto del ponticello JP1 si può collegare un pulsante il quale, dopo un corto, finché non verrà premuto, la protezione rimarrà attiva. Se si lascia il ponticello, sarà IC4B a disattivare la protezione dopo alcuni secondi.

COSTRUZIONE E TARATURA

Qui c’è poco da dire, KBooster è quasi Plug&Play (termine informatico che dice METTI e VAI o INSERISCI e GIOCA), per iniziare, prevedendo una tensione continua di alimentazione di circa 21+21 V, ruotare in senso orario P1 a circa metà della corsa per avere circa 18 VDCC e P2 anche a metà della corsa per una corrente di circa 2 A. Per chi volesse spingere con le prestazioni consiglio un buon dissipatore (diciamo che fino a 2 A basta un lamierino da 10x 5 cm spesso 2 mm) ed almeno un multimetro per tensioni alternate e continue con amperometro da almeno 10 A fondoscala.
Per l’alimentazione, consiglio di non eccedere i 21+21 V continui, per ottenere ciò, basta un trasformatore ad 15+15 V alternati ed un ponte raddrizzatore da almeno 10 A.

STADIO RETIFICATORE E TERMOCONDUTTIVI

Viste le numerose richieste d'aiuto durante la costruzione del KBooster sullo stadio retificatore che lo alimenta e sul sistema di fissaggio dei finali di potenza al dissipatore, ho preparato due immagini che (spero) dissipino ogni dubbio:

I TEST EFFETTUATI

Prima di pubblicare KBooster, ho compiuto parecchi test e stresstest, per evitare di divulgare una ciofeca. Obbiettivi delle prove:

- Precisione
- Robustezza

Per precisione, intendo quella della forma d’onda restituita dall’amplificazione; l’analisi all’oscilloscopio, non ha fatto che confermare la natura audiofila del KBooster cioè, pulizia del segnale e velocità in risposta. Sul campo (ovale con due locomotive dotate di decoder) nulla da segnalare tutto è filato liscio.

Per robustezza, intendo quanto il KBooster sia resistente a carichi molto bassi o cortocircuiti prolungati. Per le prove, ho alimentato il KBooster con un trasformatore toroidale da 15+15 Vac da 120 VA pari a 4 A per ramo (totale 8 A) come ponte raddrizzatore ho usato un ponte blindato da 25 A montato su dissipatore. Il primo test effettuato è stato quello sul carico basso; per far ciò, ho collegato il KBooster ad un pacco di 4 resistenze da 47 ohm poste in parallelo per un valore finale di 11,75 ohm 50 W, in tale configurazione il Kboostre1000 ha erogato 1,48 A per 8 ore senza interruzione con un semplice lamierino spesso 2mm. Guasti nessuno.
Altro test i cortocircuiti, per questo test mi sono divertito a mandare in corto volutamente l’uscita ad intervalli casuali per circa un’ora, poi ho letteralmente attorcigliato i cavi d’uscita tra l’oro ed ho lasciato la protezione in ripristino automatico per 2 ore. Risultato, la protezione è talmente rapida che non si verificano scintille nel momento del corto, i transistor di potenza rimango freddi anche dopo 2 ore di corto continuo, il relè non surriscalda i contatti, la parte logica (KDCC) sebbene alimentata dal Kboostre, non si resetta per colpa del corto.
Ultimo test, max potenza, ho collegato al KBooster carichi via via sempre più bassi fino ad arrivare alla massima potenza erogabile dal trasformatore, l’ultimo valore letto per 30 minuti prima che saltassero i fusibili del trasformatore è stato 3,98 A (tutta la corrente del trasformatore in pratica). Al termine i transistor di potenza erano arrivati a 46,23 C°…..

CONCLUSIONI

Mi ritengo soddisfatto!
Per la parte del booster per la programmazione CV con segnale di Acknoledge, a breve pubblicherò le indicazioni necessarie per realizzarlo usando lo stesso pcb della parte di potenza.

DATI DI TARGA

- Tensione di uscita regolabile entro i valori ammessi dalla NMRA.

- Corrente di uscita regolabile fino a 10 A.

- Protezione da corto e limitazione della corrente massima.

- Distrosione di crossover o zero-crossing sul segnale DCC amplificato di circa +/-0,2 V, inferiore alle specifiche elettriche ammesse dalla norma S 9.1 (+/-2 V)

ELENCO COMPONENTI

C1: 2200 uF 35V eletr.
C2: 2200 uF 35V eletr.
C3: 100 nF 100V poliestere
C4: 2200 uF 35V eletr.
C5: 2200 uF 35V eletr.
C6: 100 nF 100V poliestere
C7: 100 uF 25V eletr.
C8: 100 uF 25V eletr.
C9: 2200 uF 35V eletr.
C10: 100 uF 25V eletr.
C11: 100 nF 100V poliestere
C12: 1    uF 63V poliestere
C13: 1    nF 100V poliestere
C14: 3,3 nF 100V poliestere
C15: 100 nF 100V poliestere
C16: 22   uF 25V eletr.

R1: 56   Kohm 1/4W
R2: 1    Kohm 1/4W
R3: 5,6 Kohm 1/4W
R4: 680 ohm 1/4W
R5: 680 ohm 1/4W
R6: 390 ohm 1/4W
R7: 470 ohm 1/4W
R8: 470 ohm 2W
R11: 470 ohm 2W
R14: 470 ohm 1/4W
R15: 390 ohm 1/4W
R16: 680 ohm 1/4W
R17: 0,33 ohm 2W
R18: 0,33 ohm 2W
R19: 560K ohm 1/4W
R20: 100K ohm 1/4W
P1: 10   Kohm un giro
P2: 22   Kohm un giro

D1: 1N4148
D2: 1N4148
D3: 1N5408
D4: 1N5408

IC1: LM7812
IC2: LM7912
IC3: LM7812
IC4: TL082

T1: BC337
T2: BDV64
T3: BC327
T4: BDV65
T5: BC337

X1: Connettore con serraggio a vite 3 posti
X2: Connettore con serraggio a vite 2 posti
SV1: Connettore maschio 3 vie
SV2: Connettore maschio 3 vie
JP1: Connettore maschio 2 vie

K1: relè bipolare 12V 5A in contenitore DIL
     (es. FINDER op OMRON op simili)