09.02.2016



   

 Selbstbau Booster


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Bau eines eigenen Boosters

Für das Märklin Motorola, mfx und DCC Format

Hinweis:

Die hier vorgestellten Booster sind einsetzbar mit Central Unit 6021, Uhlenbrock Intellibox, TAMS Master Control, ESU ECoS, Märklin Central Station 1 und Central Station 2 und alle anderen Zentralen mit fünfpoligen Boosterschnittstellen.

Folgende Überlegungen führten zur Entwicklung und Bau eines eigenen Boosters:

bullet Die vom Systemhersteller angebotenen Geräte sind relativ teuer.
bullet Der maximale Ausgangsstrom dieser Geräte beträgt nur 2,5 bis 3 Ampere, je nach Hersteller.
bulletMan benötigt meistens mehrere Booster, weshalb sich der Eigenbau hier speziell lohnt.
bullet Die Freude am Entwickeln und Basteln.

Ein Selbstbau-Booster sollte jedoch hinsichtlich des Betriebs einem fertigen, käuflichen Booster in nichts nachstehen. Was ich insbesondere vermeiden wollte, waren:

bullet Über Relais geschalteter Hauptstrom.
bullet Reset- und Starttasten (nach jedem Kurzschluss unter den Tisch kriechen und die Booster resetten?).
bulletAufwändige oder unübersichtliche Verkabelung.

Der  Booster sollte demnach folgende Eigenschaften besitzen:

bullet Anschluss an einem handelsüblichen Modellbahn-Trafo (18V).
bullet Ausgangsstrom wahlweise von 3 bis 8 Ampere, somit auch für Spur 1 gerüstet. Jederzeit aufrüstbar.
bullet Anschluss am Boosterausgang der Märklin Control Unit (6021), der Uhlenbrock Intellibox, des Fleischmann Twin Centers und dem TAMS Easy Control.
bullet Stop / Go Funktion von der Control Unit mit entsprechender Anzeige (Anlage "Not-Aus", auch bei PC-Steuerung).
bullet Kurzschlussmeldung an die Control Unit (CU schaltet bei Kurzschluss im Boosterkreis aus!).
bullet Anschluss für weitere Booster.
bullet Pultgehäuse in bekanntem, passendem Design.
bullet Alles mit einfach zu beschaffenden Standard-Bauteilen gebaut.
bullet Einfach im Bau.
bulletWesentliche Kosteneinsparung gegenüber Fertiggeräten.
bullet Absolut zuverlässiger Betrieb.
bullet Märklin Motorola (MM und MM2) und DCC tauglich. Neu auch mfx.

Alle diese Punkte werden mit dem hier vorgestellten Booster vollumfänglich erfüllt.

Weitere Überlegungen

Viele käufliche Boosterbausätze werden nicht an den Boosterausgang der Control Unit angeschlossen, sondern am Bahnstrom (braun und rot). An diesen ist ja das gleiche Signal vorhanden, lediglich der Pegel (und natürlich der Ausgangsstrom) ist höher. Dieses Signal wird als Eingang des Boosters verwendet. Dieses System hat aber einen gravierenden Nachteil: Kommt es im Stromkreis der Control Unit zu einem kurzzeitigen Kurzschluss, ist in dieser Zeit auch das Signal für alle weiteren Booster unterbrochen. Die Folge: jeder noch so kleine Kurzschluss wirkt sich auf die gesamte Anlage aus. Dagegen wird das Digitalsignal an der Boosterschnittstelle der CU auch bei einem Kurzschluss geliefert, ja sogar wenn die Stop Taste der CU gedrückt wurde, liegt das Digitalsignal an Pin 1 dieses Steckers an. Ausserdem ist eine zuverlässige Rückmeldung des Boosters zur CU bei einem Kurzschluss nicht möglich.

Um dies zu verdeutlichen, hier die unterschiedlichen Ansätze schematisch dargestellt:

Oben die Version mit einem herkömmlichen Booster-Bausatz. Kommt es im Stromkreis 1 zu einem Kurzschluss (vielleicht nur kurz, ohne das eine Abschaltung erfolgt), bekommt der Booster und damit der Stromkreis 2 ebenfalls keine Daten. Störungen über die ganze Anlage sind die Folge.
Der hier vorgestellte Booster benutzt statt dessen den Boosteranschluss (Boosterschnittstelle) der CU 6021 oder der Intellibox. Resultat: Stromkreis 2 wird korrekt mit Daten versorgt, selbst wenn es im Stromkreis 1 zu kleinen Kurzschlüssen kommt. Die Verkabelung wird ebenfalls übersichtlicher und einfacher, da Daten- und Rückmeldeleitung über einen einzigen, 5-poligen Stecker/Kabel erfolgt.

Die Anschlüsse am Boosterausgang der CU 6021 sind wie folgt:

bullet Pin 1
Data Digitalsignal
bullet Pin 2
Go / Stop Funktion der Tasten Go und Stop der CU.
bullet Pin 3
DC Ausgang Dieser Ausgang wird bei der CU nicht verwendet.
bullet Pin 4
Masse Elektronik Masse (GND).
bullet Pin 5
Short Kurzschlussmeldung der Booster zur CU.

 

Ansicht auf die Rückseite der Control Unit 6021. Der Boosteranschluss ist die 5-polige Buchse auf der Rechten Seite. Pin 1 ist ganz rechts.

Um die Kompatibilität zu gewährleisten müssen diese Funktionen also in unserem Booster nachgebaut werden.

Auf eine Stabilisierung der Ausgangsspannung wurde, nach intensiven Tests und Messungen, verzichtet. Wieso? Um eine Ausgangsspannung zu stabilisieren, muss die Eingangsspannung höher sein. Auf unsere Anwendung übertragen bedeutet dies, dass die Eingangsspannung grösser als 18V sein müsste, nämlich mindestens ca. 20V. Damit fallen aber alle Standard Modellbahntrafos weg. Die Alternative dazu ist, die Ausgangsspannung zu verkleinern. Dies hat natürlich andere negative Auswirkungen, wie vermehrte Kontaktprobleme, generelle Unterspannung für Decoder und Magnetartikel etc.
Meiner Meinung nach ist der bessere Ansatz eine grosszügige Dimensionierung der Trafo- und Boosterleistung sowie – sehr wichtig – ausreichende Querschnitte der Verkabelung.

Verschiedene Testaufbauten waren nötig, bis die Schaltung vollständig war. Dabei wurden alle Teilschaltungen gemessen und mit dem Oszilloskop kontrolliert. Tests wurden natürlich auch unter Praxis-Bedingungen mit verschiedenen Lokdecoder durchgeführt.
Hier im Bild ist der Aufbau der Endstufe auf einer Lochrasterplatte zu sehen. Diese Schaltung wurde praktisch ohne Änderung im Enddesign übernommen, da alle Messresultate und Praxiserprobungen zur vollsten Zufriedenheit überzeugen konnten.

Schaltung

Die Endstufe

Für die Endstufe habe ich Darlington Transistoren hoher Leistung ausgewählt, nämlich TIP140 (T6, NPN) und TIP145 (T5, PNP). Ich habe eine Anordnung gewählt, welche die direkte Montage beider Transistoren auf einen Kühlkörper ohne Isolation ermöglichen. Um dies zu erreichen sind die beiden Kollektoren Schaltungstechnisch verbunden.

Die Ansteuerung der Endstufe geschieht mit den beiden Transistoren T1 und T2. Zur Strombegrenzung am Ausgang dienen die Transistoren T3 und T4. Diese erhalten die Basis-Spannung von den Widerständen R7 bzw. R8. Übersteigt diese einen Wert von ungefähr 0,6V werden diese leitend und nehmen den Endtransistoren quasi das Eingangssignal weg. Durch ändern der Widerstandwerte von R7 und R8 kann also der maximale Ausgangsstrom eingestellt werden:

Ausgangsstrom

R7 bzw. R8

C1 bzw. C2

C1' bzw. C2'

Q1

Trafo

3.3A

0.18Ω

4'700μF

-

B80C3000

60VA

4A

0.15Ω

10'000μF

-

B80C5000

72VA

5A

0.12Ω

10'000μF

4'700μF

B80C5000

90VA

6A

0.10Ω

10'000μF

10'000μF

B80C5000

108VA

  Tabelle1: Bauteile abhängig des gewünschten Ausgangsstromes. Schema siehe Betriebsanleitung.

Die Stromversorgung

Als Stromversorgung dient der 18V AC Ausgang eines handelsüblichen Modellbahntrafos. Dieser muss den gewünschten Ausgangsstrom liefern können. Für den maximalen Strom von 6 Ampere ist ein Trafo von mindestens 108VA nötig. Bei geringerer Leistung müssen die beiden Widerstände R7 und R8 entsprechend der Tabelle 1 angepasst werden.

Die Spannung wird mit Q1 gleichgerichtet, wobei es sich um eine einfache Einweggleichrichtung handelt. Es wird also die positive Halbwelle für die Plusspannung, die negative Halbwelle für die Minusspannung verwendet. Diese Methode hat den Vorteil, dass lediglich eine Sekundärwicklung (ein Trafo) benötigt wird. Allerdings wird der Aufwand für die Glättung höher als bei einer Vollweggleichrichtung. Deshalb ist die Schaltung für Kapazitäten bis zu 20'000 μF je DC Spannung ausgelegt (total also 40'000 μF !).

Ansteuerung

Der Rest der Schaltung ist für die Ansteuerung, Ein- und Ausgänge etc. Eine sichere Auswertung der Signale wird durch den Einsatz von Komparatoren (Q3) gewährleistet.

Aufbau

Für die Schaltung habe ich eine Leiterplatte mit den Abmessungen 160 x 100 mm entwickelt, also Euro-Format. Diese sind als Fotolack beschichtete, einseitig Kupferkaschierte GFK Platten bestens erhältlich. Sämtliche Bauteile sind auf diesem Print untergebracht. Auf den Einsatz von SMD Bauteilen wurde ganz bewusst verzichtet. Dadurch wird der Eigenbau erheblich erleichtert.

So sah die fertige Leiterplatte für den ersten Prototypen aus.

Die Leiterplatte passt in ein Pultgehäuse, welches von der Firma Conrad angeboten wird.

Der erste Prototyp des Boosters, hier zu Messzwecken nur mit zwei Elkos (je 10'000µF) bestückt.
Das Layout der Leiterplatte wurde anschliessend noch etwas verfeinert.
Mit einigem bastlerischen Geschick kann der Booster in so einem Pultgehäuse eingebaut werden. Allerdings kann der Kühlkörper dann nicht direkt an der Leiterplatte befestigt werden. Es sind ausserdem gewisse Modifikationen am Gehäuse notwendig. Das Gehäuse ist genau eineinhalb mal so breit wie ein Märklin Booster 6017.
Es ist von der Firma Conrad unter der Artikelnummer 211990 erhältlich.
Mit so einem Trafo hat man genug Reserven. Die Nennleistung beträgt 150VA! Der Vorteil liegt auf der Hand: Selbst unter Last sinkt die Ausgangsspannung nicht all zu stark. Der Schalter ist zugleich Überlastsicherung. Ausserdem kann die Ausgangsspannung von 18V auf 15V umgeschaltet werden.
Bei der Verwendung solch leistungsstarker Trafos muss aber unbedingt auf grosse Querschnitte bei der Verkabelung geachtet werden (1mm2 oder mehr)!

Die beiden Endtransistoren werden auf einen möglichst grossen Aluminium Kühlkörper geschraubt. Dabei gilt folgendes zu beachten: Aus technischer Sicht besteht keine Notwendigkeit, die Transistoren isoliert zu montieren, da der Kollektor an der Metallplatte ist und beide Kollektoren miteinander verbunden sind. Allerdings liegt in diesem Fall der Bahnstrom, also der Ausgang des Boosters, am ganzen Kühlkörper. Der Kühlkörper darf dann natürlich auf keinen Fall Kontakt zu Masse oder andere Spannungsführende Teile haben! Sicherer ist deshalb die isolierte Montage der Transistoren.

Schema und Stückliste

Für diesen Booster steht eine Betriebsanleitung im PDF Format mit Schema, Stückliste und Anschlussplan zur Verfügung:
Betriebsanleitung Booster, deutsch
Booster Operating Manual, english

Die Schaltung sieht auf den ersten Blick komplizierter aus, als sie ist. Viele Bauteile dienen der Ansteuerung und Rückmeldung zur Control Unit 6021 bzw. der Intellibox. Der Booster kann zu Recht als Plug-and-Play Gerät bezeichnet werden. Wenn Lötkenntnisse vorhanden sind, ist der Bau dieses Boosters ein Kinderspiel.

Oszilloskop-Bilder des Ausgangssignals

Das Ausgangssignal wurde unter Praxis nahen Bedingungen gemessen und mit dem Ausgang eines 6021 verglichen. Klicken sie hier um die Ergebnisse zu sehen.

Anschluss des Boosters

Der Booster wird mit einem 5-poligen Kabel (Adern 1:1 verbunden) direkt an die Boosterschnittstelle der Control Unit 6021, der Intellibox, des Fleischmann TwinCenters oder dem TAMS Easy Control angeschlossen. Die Booster, welche Sie hier im Shop beziehen können, werden mit einem entsprechenden, 36cm langen Kabel geliefert.

Die Klemmen braun und gelb werden am Trafo angeschlossen, braun und rot werden mit den Gleisen verbunden (braun = Masse).

Hinweis zum Betrieb an der Intellibox oder des TwinCenters

Wenn Sie die Intellibox mit angeschlossenen Booster auch im DCC Modus betreiben wollen, dann muss zusätzlich die Sonderoption 901 auf 3 eingestellt werden, sonst wird durch die Booster eine Kurzschlussmeldung ausgegeben. Dies ist keine Besonderheit des hier vorgestellten Booster, sondern muss auch bei anderen Booster (z.B. 6015 und 6017) so eingestellt werden.

Betrieb mit der Märklin Central Station 1 und 2

Dieser Booster läuft auch problemlos mit den neueren Zentralen zusammen. Mehr dazu auf dieser Seite.

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Letzte Änderung:

26.08.2003
09.02.2016

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