DCC Decoder v3: Schaltregler

Als Nachfolger zu meinem Post über den Digitaldecoder präsentiere ich jetzt die neueste Version des Decoders. Sie sieht weitestgehend gleich aus, aber es gibt auch wichtige Unterschiede:

Ein Foto einer elektrischen Schaltung

Der Rahmen drumherum ist keiner dieser Unterschiede, so wird die Platine einfach geliefert und ich lasse ihn zum Löten dran; bei den Bildern vom anderen Decoder habe ich ihn nur abgemacht. Es hat sich aber durchaus einiges geändert, auch wenn er funktional genau gleich ist und genau die gleiche Software darauf läuft.

Zuerst mal kurz die Änderungen an der oberen Kante:

Ein Ausschnitt aus dem letzten Foto, mit drei Bereichen markiert und mit Nummern 1-3 versehen.

  1. Die Gleichrichterdioden sind anders angeordnet, um weniger Platz zu brauchen.
  2. Der Transistor und Widerstand zur Kommunikation mit der Zentrale durch Erhöhen des Stromverbrauchs sind etwas gewandert. Außerdem ist der Wert des Widerstandes jetzt auf 220 Ohm gestiegen ist, weil er jetzt nicht mehr von 5 Volt, sondern von der internen 15-bis-25 Volt Schiene arbeitet, direkt vom Gleichrichter weg. Ich bin mir ehrlich gesagt nicht mehr sicher, wieso ich es bei der vorherigen Version überhaupt anders gemacht habe. Aber jetzt funktioniert es definitiv nur so, wegen der neuen Art, wie die 5 Volt erzeugt werden.
  3. Wie angekündigt ist die Zener-Diode weg; es gibt nur noch einen 22 kOhm Widerstand hier.

Und damit kommen wir zum Hauptteil: Die Art, wie aus den 15 bis 24 Volt Gleichstrom nur noch 5 Volt Gleichstrom gemacht werden, ist komplett anders.

Ein Ausschnitt aus dem letzten Foto. Hervorgehoben ist ein Chip mit sechs Beinen.

Der grundlegende Kern des ganzen ist ein Spannungsregler vom Typ Rohm BD9G102G. Er ist klein, im Prinzip ist das eine sechspolige Version des Gehäuses in dem die Dioden und der Transistor ist, aber er kann viel. Gleichzeitig erfordert er aber auch noch viele andere Komponenten um richtig zu arbeiten.

(Detail am Rande: Rohm nennt das Gehäuse SSOP6, aber es hat genau die gleichen Abmessungen wie ein SOT23-6, die offizielle sechspolige Version des SOT23 Gehäusestandards, den die Dioden und der Transistor verwenden. Ich habe keine Ahnung, wieso Rohm da einen anderen Namen verwendet. SSOP6 und SOT23-6 sind übrigens beide 0,3mm dicker als das reine SOT23.)

Das Grundprinzip von diesem Schaltregler ist komplett anders, als der lineare Spannungsregler aus dem vorigen Design. Wie dort erwähnt ist ein linearer Spannungsregler mehr oder weniger ein sich selbst regelnder Widerstand, der sich immer genau so hinregelt, dass bei gegebenem Strom genau so viel Spannung abfällt, dass hinten 5 Volt rauskommt. Das ist ziemlich ineffizient, denn die Spannungsdifferenz mal dem Strom fällt da als Wärme ab.

Im Gegensatz dazu ist der Regler hier, wie der Name schon sagt, erst mal ein Schalter und eine Logik um ihn an und auszuschalten. Er ist immer zwingend Teil von einem Schaltkreis mit einer Diode, einer Spule und einem Kondensator. Das funktioniert so:

Ein Schaltplan. Links ist eine Stromversorgung. Oben auf den Plus-Pol folgt ein Schalter. Daran angeschlossen ist die Kathode einer Diode (ihre Anode ist an den Minuspol der Stromversorgung angeschlossen) und eine Spule. Am Ausgang der Spule ist ein Kondensator angeschlossen, der andere Ende ist wieder an den Minuspol der Schaltung angeschlossen. Am Ende ist ein Widerstand als Beispiel einer Last dargestellt.

Zuerst schließt der Schalter. Damit liegen die vollen 15 bis 25 Volt (der Regler hier kann bis 42 Volt) an dem Eingang der Spule an, während die Diode sperrt. Es kann jetzt ein Strom fließen. Durch die Induktivität der Spule steigt die Spannung am anderen Ende nur langsam. Gleichzeitig wird auch der Ausgangskondensator geladen.

Wenn jetzt die Spannung am Ausgang der Spule die Zielspannung übersteigt (sagen wir mal hier 5,05 Volt), dann schaltet der Schalter ab. Jetzt versorgen Spule und Kondensator die Schaltung weiter mit der elektrischen Energie, die in ihnen gespeichert ist, und die Diode leitet, um den Stromkreis zu schließen. Die Spannung sinkt dabei natürlich. Wenn sie stark genug gesunken ist, dann schließt der Schalter wieder. Das geschieht sehr oft. Wie oft genau hängt vom genauen Regler ab; der hier hat eine Schaltfrequenz von einem Megahertz.

Der Vorteil dieses Designs ist, dass hinten mehr Strom rauskommt, als vorne (im Durschnitt) reinfließt. Das Prinzip ist hier nicht, überschüssige elektrische Energie in Wärme umzuwandeln. In der Praxis ist das natürlich nicht ganz so, etwas Wärme ist unvermeidbar, aber der Regler kann trotzdem einen Gesamtwirkungsgrad von über 90% erreichen, zumindest unter guten Bedingungen. Bei mir konkret gemessen heißt das, der gesamte Decoder braucht nur noch halb so viel Strom wie vorher.

Daher werden so viele Teile gebraucht. Hier ist der gesamte Überblick:

Ein größerer Ausschnitt aus dem letzten Foto. Er zeigt den selben Chip mit sechs Beinen, aber mit mehr Umgebung. Verschiedene Komponenten sind markiert und mit Nummern 1 bis 7 durchnummeriert.

Der Konverter ist hier die Nummer 1, und die Zentrale des Ganzen. Wichtige Pins sind Eingang (unten mitte), Schalterausgang (unten rechts), Masse bzw. - (oben Mitte) und der Feedback zum Messen der Spannung am Ende der Schaltung (oben links). Oben rechts ist Boost, was auch immer das ist, und unten links ist “Enable”, über den ich den Konverter abschalten könnte wenn ich wollte, z.B. wenn er in einem Design einen Teil der Schaltung versorgt, der nicht immer gebraucht wird.

Die beiden Kondensatoren am Eingang (Nummer 2) stellen sicher, dass immer genügend Strom da ist, um durch den Schalter zu fließen, und für die eigene Versorgung der Logik des Reglers. Hier hätte auch einer gereicht laut Datenblatt, aber weil im Digitalbetrieb immer mal wieder die Spannung aussetzen kann, habe ich lieber zwei genommen.

Daneben ist die Diode (Nummer 3), die den Stromkreis schließt, wenn der Schalter sperrt. Wiederum daneben ist die Spule (Nummer 4), das Teil mit der am Besten lesbaren Beschriftung von allen (in echt, nicht hier unter dem starken Licht zum Fotografieren), obwohl sie schwarz auf grau ist.

Aber selbst die Beschriftung hat einen Trick: Die letzte Ziffer gehört nicht zur Zahl, sie ist der Zehnerexponent (oder grob gesagt wie viele Nullen man anhängen muss). 220 heißt also nicht 220 µH Induktivität, sondern 22. Dass es überhaupt µH und Induktivität heißt steht übrigens nirgendwo, das muss man einfach auswendig lernen. Andere beschriftete Bauteile nutzen ähnliche Logik, hier zum Beispiel die Widerstände: 123 heißt 123 Kiloohm, und 2200 heißt 220 Ohm. Im Gegensatz dazu sind die ganzen Kondensatoren einfach überhaupt nicht beschriftet, was im Vergleich schon fast erfrischend ehrlich wirkt.

Unter der Spule sind die Ausgangskondensatoren (Nummer 5), die die Spannung stabilisieren, besonders falls die Spule alle ist. Auch hier habe ich vermutlich wieder etwas übertrieben; theoretisch reicht einer, aber sicher ist sicher.

Direkt neben dem Regler ist der Boost-Kondensator (Nummer 6). Ich habe keine Ahnung was der macht. Im Datenblatt steht, dass da ein Boost-Kondensator sein muss, der 100 Nanofarad haben soll, also habe ich so einen eingebaut. Er verbindet den Ausgang des Schalters mit einem dafür vorgesehenen Eingangspin.

Oben und rechts davon sind zwei Widerstände (Nummer 7), die einen Spannungsteiler bilden. Im Gegensatz zum Linearregler vom letzten Mal ist dieser Regler anpassbar und kann jede beliebige Spannung ausgeben; man muss dafür mit einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen dafür sorgen, dass am Feedback-Pin des Reglers genau 0,75 Volt anliegen, wenn die gewünschte Spannung am Ende der Spule ist. Es wäre auch möglich die Spannung hier mit einem Potentiometer einstellbar zu machen.

Diese Flexibilität klingt wie ein Vorteil, aber für mich ist es eigentlich nervig. Feste Regler sind (egal von welchem Typ) eigentlich auch nur einstellbare Regler, die einfach diese Widerstände schon eingebaut haben und damit weniger Komponenten brauchen. Leider gibt es diesen Regler hier nicht in einer fixen Version. (Nebenbei: Jeder “feste” Regler kann mit so einem Spannungsteiler auch dazu gebracht werden, eine andere Spannung auszugeben, aber es gibt meistens keinen guten Grund dafür.)

Ich hätte ganz ehrlich gesagt lieber einen Regler genommen, der keine zusätzlichen Widerstände braucht, und vielleicht sogar die Diode schon eingebaut hat. So etwas gibt es zum Beispiel mit dem LMR50410 von Texas Instruments, der mit weniger Komponenten mehr Strom erzeugen kann, und den es in einer 5 Volt Variante gibt. Das Problem mit dem Baustein ist, dass es ihn nicht gibt. Wenn ich jetzt bestelle kriege ich ihn frühestens Mitte März. Das gilt gerade für viele Bauteile, besonders neuere. Der große Vorteil des Rohm BD9G102G ist nicht so sehr was er kann, denn das können andere auch; es ist, dass er verfügbar ist. Oder zumindest war er das, als ich ihn bestellt habe. Jetzt hat ihn gerade kein Händler ihn auf Lager. Wenn ich neue bräuchte würde ich ihn aber immerhin schon im Oktober kriegen. Gut, dass ich vor zwei Wochen schon genug davon bestellt habe. Die Chip-Krise gibt es wirklich.

Das ist letztlich alles, was dazu gehört. Reicht ja auch, wenn man berücksichtigt dass der Mikrocontroller mit Stecker auf nur drei Teile kommt. Hier ist noch mal der komplette Schaltplan dazu:

Ein detaillierter Schaltplan mit all den Teilen, die oben erklärt sind.

Was bei all diesen Reglern zu beachten ist, ist, dass es sich um wesentlich empfindlichere Teile und vor allem wesentlich empfindlichere Schaltungen handelt, als bei den linearen Reglern. Ein Schaltregler hat im Datenblatt immer sehr genaue Anleitungen, wie die Platine auszusehen hat, damit kein Teil unbeabsichtigt eine Antenne wird. Da er mit hohen Frequenzen arbeitet können sonst Störungen an der Schaltung und im schlimmsten Fall auch an anderen elektrischen Geräten in der Umgebung auftreten (z.B. schlechter Radioempfang). Die ganzen Leitungen und Kondensatoren können auch unter Umständen komische unerwünschte Schwingkreise ergeben, die neue Probleme machen können. Daher ist das richtige Platinendesign und die Frage der richtigen Kondensatoren, Dioden und so weiter eine Wissenschaft für sich. Meine etwas übertriebenen Kondensatoren am Eingang und Ausgang sind Sachen, bei denen ich mir schon nicht so sicher war. Letztlich ist das wichtigste, dass man dem Datenblatt folgt, dann sollte es schon gut gehen und tat es auch hier. Aber ich bin doch sehr erleichtert, dass das hier direkt auf Anhieb funktioniert.

Geschrieben am 22. September 2021 um 07:38

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