Für Modelleisenbahn gibt es von den verschiedensten Herstellern Booster, um digitale Protokolle auf die Schiene zu bringen. Ich möchte in diesen Beitrag darauf eingehen, wie man sich möglichst klein und günstig einen eigenen Booster aufbauen kann, der natürlich vom Funktionsumfang sich stark zu komplexen Boostern unterscheidet.
Hierzu ist es wichtig zu wissen, dass es verschiedenste Protokolle für Digitalbahnen auf dem Markt gibt, die aber eigentlich alle proprietär und nicht offen gelegt sind. Es gibt jedoch ein nach NMRA Standard normiertes und dokumentiertes Protokoll (DCC), welches von vielen Digitalteilnehmern unterstützt wird. Eines haben dabei eigentlich alle digitalen Protokolle gemeinsam: Ein Zweidraht Leitersystem, bei dem eine Art Wechselstrom von fest 14-16V Amplitude moduliert wird. Um dieses zu generieren, kann im einfachsten Fall eine Motorbrücke oder auch H-Brücke verwendet werden, die beide Leiter differenziell betreibt. Dabei muss sichergestellt werden, dass bei einem Kurzschluss oder auch falls kein Signal mehr übertragen wird und die Motorbrücke somit einen Gleichstrom generieren würde, diese deaktiviert wird.
In dem folgendem Aufbau wird ein Breakout-Board von Pololu verwendet (2961) mit einer MAX14870 Motorbrücke. Diese findet man z.B. bei exp-tech.de oder bei eckstein-shop.de für etwa 6€. Die restlichen Komponenten bekommt man für unter einen Euro, sodass die Gesamtlösung bei etwa 7€ liegt. Wenn nur ein DDL Signal generiert wird, z.B. mit einem Raspberry PI über ein UART TX Pin und einem SRCPD Server, kann die folgende simple Schaltung verwendet werden, um an DCC1 und DCC2 das Schienensignal zu erzeugen.
Das DDL Signal wird dabei einfach in das “DIR” Signal der Brücke eingespeist und der “PWM” Eingang auf High gezogen. Die Motorbrücke wird automatisch eingeschaltet, sobald ein Signal generiert wird. Dabei schaltet eine Diode, die zwischen Richtungs-Änderungs-Pin “DIR” und “EN” geschaltet wird, die Brücke immer bei Low-Pegel ein. Da eine UART im Ruhezustand einen High Pegel generiert, wird durch eine Übertragung das Enable Signal (Active Low) aktiviert. Dieses wird über einen Kondensator mit 10uF für eine kurze Zeit auf Low gehalten, bis sich der Kondensator über einen Pull-Up Widerstand wieder aufgeladen hat. Wird für eine längere Zeit kein Signal mehr übertragen, werden die beiden DCC Leitungen dadurch auch wieder automatisch abgeschaltet. Eine Kurzschluss-Sicherung wird gewährleistet indem FAULT auf Low gezogen wird. Im Userguide von Pololu 2961 wird beschrieben, wie der maximal Strom angepasst werden kann. Das absolute Maximum ist aber bei 1.7A mit 2.5A Spitze.
Falls man die Brücke z.B. mit einer SPI antreiben möchte, bei der Ruhe-Spannung-Pegel Low ist, muss man zwischen “DIR” und Diode noch einen Hochpass-Filter hängen, der den Widerstand jedoch zur Versorgungsspannung hat und nicht zu Ground. Das ganze würde dann so in abgeänderter Variante aussehen:
Ein Beispiel bei der man auf eine SPI zurückgreift, wäre z.B. auf siggsoftware.ch zu finden, wobei das SRCPD Server Projekt speziell für Raspberry PI um MFX und ein paar andere Raffinessen erweitert wurde. Siehe auch http://siggsoftware.ch/wordpress/category/modellbahn/
Der Anschluss an das Raspberry PI erfolgt dann:
Für UART:
DIR -> Pin 8
FAULT -> Pin 3
GND -> Pin 9
3,3V -> Pin 1
Für SPI:
DIR -> Pin 19
FAULT -> Pin 3
GND -> Pin 9
3,3V -> Pin 1
Die 15V kommen von einem externen Netzteil, das z.B. mit einem 15V zu 5V Wandler auch das Raspberry PI speisen kann.