Allgemeines
Der aktive SX-Bus-Verstärker V03 dient zur Auffrischung der beiden Selectrix-Taktsignale T0 und T1 sowie zur erneuten Einspeisung der Busspannung B in einen nachfolgenden SX-Busabschnitt.
Bei größeren Modellbahnanlagen können lange Busleitungen, zahlreiche Steckverbindungen, Verteiler oder ungünstige Leitungsquerschnitte dazu führen, dass die Signalqualität und die Versorgungsspannung am Ende des SX-Busses abnehmen. In solchen Fällen kann es vorkommen, dass angeschlossene Selectrix-Module nicht mehr zuverlässig arbeiten.
Der SX-Bus-Verstärker wird an einer geeigneten Stelle in den Bus eingeschleift. Die eingehenden Signale T0 und T1 werden elektronisch aufbereitet und am Ausgang mit neu definierten Pegeln ausgegeben. Gleichzeitig wird die Versorgung des nachfolgenden Busabschnittes über eine separate externe Gleichspannungsquelle neu aufgebaut.
Der hier vorgestellte Verstärker ist eine eigene, für meine Selectrix-Elektronik entwickelte Ausführung. Die Version V03 stellt den finalen Entwicklungsstand dieser Leiterplatte dar. Gegenüber den vorherigen Versionen wurden Fehler korrigiert und insbesondere die RJ45-Anschlüsse überarbeitet. Im Schaltplan ist dieser Stand mit „V03: Bug Fix RJ45, final release“ dokumentiert.
Anwendungsszenario
Ein aktiver SX-Bus-Verstärker kann insbesondere bei größeren oder räumlich ausgedehnten Modellbahnanlagen sinnvoll sein. Typische Einsatzfälle sind:
- lange SX-Busleitungen,
- viele hintereinander angeordnete Steckverbinder und Verteiler,
- größere Entfernungen zwischen Zentrale und den angeschlossenen Modulen,
- erhöhter Strombedarf durch zahlreiche busversorgte Baugruppen,
- deutlicher Spannungsabfall der Busspannung B,
- unsichere Funktion einzelner Module am Ende eines Busstranges,
- Aufteilung der Anlage in mehrere separat versorgte Busabschnitte.
Der Verstärker wird zwischen zwei Abschnitten des SX-Busses eingesetzt:
SX-Zentrale beziehungsweise vorheriger Busabschnitt → SX-Verstärker → nachfolgender Busabschnitt
Die nach dem Verstärker angeschlossenen Module erhalten die neu aufgebauten Taktsignale T0 und T1. Die Busspannung B wird für diesen Abschnitt aus einer separaten Gleichspannungsquelle neu eingespeist.
Der Verstärker verändert keine SX-Adressen und wertet die übertragenen Daten nicht aus. Er benötigt deshalb weder einen Mikrocontroller noch eine Firmware oder eine eigene SX-Adresse.
Funktionen
Der aktive SX-Bus-Verstärker V03 bietet folgende Funktionen:
- Auffrischung des Taktsignals T0
- Auffrischung des Taktsignals T1
- Durchleitung der bidirektionalen Datenleitung D
- externe Neueinspeisung der Busspannung B
- Trennung der eingangs- und ausgangsseitigen Busspannung
- getrennte Massebereiche für den alten und den neuen Busabschnitt
- optionale Verbindung der beiden Massebereiche über JP1
- Verpolschutz der externen Spannungsversorgung durch einen Graetz-Brückengleichrichter
- separate Absicherung der Versorgung
- automatische Abschaltung der ausgangsseitigen Busspannung, wenn der eingangsseitige SX-Bus abgeschaltet wird
- Anschluss über fünfpolige DIN-Buchsen
- zusätzlicher Anschluss über RJ45-Buchsen
- Schraubklemme für die externe Versorgungsspannung
- Schraubklemme für zusätzliche Masseanschlüsse
- keine Programmierung oder Konfiguration erforderlich
- keine Firmware notwendig
Die Leiterplatte besitzt jeweils einen mit SX_IN und SX_OUT bezeichneten Anschlussbereich. Sowohl am Eingang als auch am Ausgang stehen eine fünfpolige DIN-Buchse und eine RJ45-Buchse zur Verfügung.
Zusätzlich sind eine zweipolige Schraubklemme für die externe Spannungsversorgung und eine vierpolige Schraubklemme für Masseanschlüsse vorgesehen. Der Bestückungsplan zeigt außerdem zwei Sicherungen, das Relais, die beiden Logikbausteine und die Spannungsaufbereitung auf einer gemeinsamen Leiterplatte.
Auffrischung der Signale T0 und T1
Die beiden Taktsignale T0 und T1 werden jeweils mit einem eigenen 74HC244 aufbereitet. Der 74HC244 ist ein nicht invertierender Leitungstreiber mit mehreren getrennten Treiberstufen.
Beim SX-Verstärker werden mehrere Treiberstufen eines Bausteins parallel für dasselbe Bussignal verwendet. Die einzelnen Ausgänge sind jeweils über Widerstände von 220 Ω mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden. Dadurch wird das jeweilige Eingangssignal reproduziert und mit neu definierten 5-V-Logikpegeln am Ausgang bereitgestellt.
Für T0 und T1 sind zwei getrennte Leitungstreiber vorgesehen:
- U1: Auffrischung von T0
- U2: Auffrischung von T1
Die Versorgung der Logikschaltung erfolgt mit 5 V. Diese Spannung wird durch den Linearregler U3 vom Typ L7805 aus der eingangsseitigen Busversorgung erzeugt. Puffer- und Abblockkondensatoren stabilisieren die Versorgung der Logikbausteine.
Signal T0
Das am Eingang anliegende Signal T0_IN wird auf mehrere Eingänge von U1 geführt. Die entsprechenden Ausgänge des 74HC244 werden über mehrere 220-Ω-Widerstände zum Signal T0_OUT zusammengeführt.
Signal T1
Das Signal T1_IN wird auf die gleiche Weise durch U2 aufbereitet. Die Ausgangsstufen des zweiten 74HC244 arbeiten über die zugehörigen 220-Ω-Widerstände auf T1_OUT.
Durch diesen Aufbau werden die beiden Taktsignale nicht nur weitergeleitet, sondern aktiv neu erzeugt.
Datenleitung D
Die Datenleitung D wird nicht aktiv verstärkt, sondern zwischen Eingang und Ausgang direkt weitergeführt.
Dies ist erforderlich, da D im Selectrix-System bidirektional arbeitet. Die angeschlossenen Busteilnehmer können die Datenleitung beeinflussen und Informationen auf den Bus schreiben. Ein einseitig arbeitender Leitungstreiber, wie er für T0 und T1 verwendet wird, wäre für diese bidirektionale Funktion nicht geeignet.
Der SX-Verstärker arbeitet somit nicht als vollständige elektrische Trennung des gesamten SX-Busses. Während T0 und T1 aktiv neu aufgebaut werden, bleibt D als gemeinsame Datenleitung zwischen beiden Busabschnitten bestehen.
Neueinspeisung der Busspannung B
Die Busspannung B des nachfolgenden Busabschnittes wird nicht aus dem eingangsseitigen SX-Bus übernommen. Der SX-Verstärker ist grundsätzlich für den Betrieb mit einer separaten externen Spannungsversorgung ausgelegt.
Die externe Versorgungsspannung wird über die zweipolige Schraubklemme J2 eingespeist. Die Dioden D1, D2, D3 und D4 vom Typ B540C-13-F bilden einen Graetz-Brückengleichrichter. Dadurch kann die Versorgungsspannung an J2 in beliebiger Polarität angeschlossen werden. Unabhängig davon, welcher Anschluss von J2 mit Plus beziehungsweise Minus verbunden wird, liegt hinter dem Brückengleichrichter immer die richtige Polarität für die weitere Schaltung an.
Die gleichgerichtete externe Versorgung wird anschließend über das zweipolige Relais K1 auf B_OUT geschaltet und versorgt damit den nachfolgenden SX-Busabschnitt.
Das Relais wird vom eingangsseitigen SX-Bus angesteuert. Dadurch ist die Busspannung am Ausgang nur eingeschaltet, solange auch am Eingang des Verstärkers die ursprüngliche SX-Busspannung vorhanden ist.
Wird die SX-Zentrale oder der vorgelagerte Busabschnitt abgeschaltet, fällt das Relais ab und trennt die externe Versorgung vom Ausgang. Die hinter dem Verstärker angeschlossenen Module werden somit gemeinsam mit dem übrigen SX-System abgeschaltet.
Der Verstärker verhindert dadurch, dass der neu versorgte Busabschnitt eingeschaltet bleibt, obwohl die zugehörige SX-Zentrale bereits abgeschaltet wurde.
Externe Spannungsversorgung
Der Betrieb des SX-Verstärkers ist nur mit einer externen Spannungsversorgung für den ausgangsseitigen Busabschnitt vorgesehen.
Die externe Versorgung übernimmt zwei Aufgaben:
- Versorgung der hinter dem Verstärker angeschlossenen SX-Module
- erneuter Aufbau der Busspannung B am Ausgang
Die Versorgungsspannung und die Strombelastbarkeit des verwendeten Netzteils müssen zu den angeschlossenen SX-Modulen passen. Dabei sind insbesondere folgende Punkte zu berücksichtigen:
- zulässige Busspannung der angeschlossenen Baugruppen,
- Gesamtstromaufnahme des nachfolgenden Busabschnittes,
- Spannungsabfall auf den Leitungen,
- Dimensionierung der Sicherungen,
- ausreichende Reserven des Netzteils.
Durch den Graetz-Brückengleichrichter aus D1 bis D4 muss die Polarität an J2 nicht beachtet werden. Zu berücksichtigen ist jedoch der Spannungsabfall über die jeweils zwei leitenden Schottky-Dioden des Brückengleichrichters.
Es darf nicht versucht werden, die ausgangsseitige Busspannung allein aus der eingangsseitigen Busspannung zu versorgen. Eine Betriebsart ohne externe Einspeisung ist bei dieser Schaltung nicht vorgesehen.
Die Massebereiche GNDA und GND
Die Schaltung unterscheidet zwischen zwei Massebereichen:
- GNDA: Masse des alten beziehungsweise eingangsseitigen SX-Busses
- GND: Masse des neuen beziehungsweise ausgangsseitigen SX-Busses
GNDA gehört somit zum Busabschnitt vor dem Verstärker. GND gehört zum neu versorgten Busabschnitt hinter dem Verstärker.
Diese Unterscheidung ist insbesondere deshalb wichtig, weil die Busspannung B am Ausgang nicht vom Eingang übernommen, sondern durch eine externe Spannungsquelle neu eingespeist wird.
Funktion von JP1
Die Lötbrücke JP1 verbindet nicht die Busspannung B, sondern die beiden Massebereiche:
GNDA ↔ GND
JP1 bestimmt somit ausschließlich, ob die Masse des alten SX-Busabschnittes mit der Masse des neuen SX-Busabschnittes verbunden wird.
Bei geöffnetem JP1 bleiben GNDA und GND an dieser Stelle voneinander getrennt. Bei geschlossenem JP1 werden beide Massebereiche direkt miteinander verbunden.
Die Stellung beziehungsweise Ausführung von JP1 muss entsprechend der vorgesehenen Anlagenverdrahtung gewählt werden. Sie ändert jedoch nichts daran, dass die Busspannung B_OUT immer aus der externen Spannungsversorgung erzeugt wird.
JP1 ermöglicht daher keine Betriebsart ohne externe Einspeisung.
Gleichrichtung, Schutzbeschaltung und Absicherung
D1 bis D4 – Graetz-Brückengleichrichter
Die vier Schottky-Dioden D1, D2, D3 und D4 vom Typ B540C-13-F bilden am Versorgungseingang J2 einen Graetz-Brückengleichrichter.
Damit kann die externe Versorgungsspannung in beliebiger Polarität angeschlossen werden. Eine Verpolung des zweipoligen Versorgungseingangs ist dadurch praktisch ausgeschlossen.
Je nach Polarität der eingespeisten Spannung leiten jeweils zwei der vier Dioden. Hinter der Brückengleichrichtung steht damit immer eine Versorgungsspannung mit definierter Polarität zur Verfügung.
Da Schottky-Dioden eingesetzt werden, fällt die Durchlassspannung gegenüber normalen Siliziumdioden vergleichsweise gering aus. Dennoch muss bei der Auswahl der externen Versorgungsspannung der Spannungsabfall über zwei in Reihe liegende Dioden berücksichtigt werden.
D5 – Schutzdiode des Spannungsreglers
Die Schottky-Diode D5, ebenfalls vom Typ B540C-13-F, gehört nicht zum Brückengleichrichter.
D5 dient als Schutzdiode für den nachfolgenden Spannungsregler U3 vom Typ L7805.
Der L7805 erzeugt die interne 5-V-Versorgung für die Logikschaltung und damit insbesondere für die beiden 74HC244.
Sicherungen
Die beiden Sicherungen schützen die beteiligten Versorgungszweige. Dadurch können Fehlerströme bei Kurzschlüssen oder Verdrahtungsfehlern begrenzt werden.
Die konkrete Dimensionierung der Sicherungen muss sich nach folgenden Kriterien richten:
- Belastbarkeit der Leiterplatte,
- zulässiger Strom der Steckverbinder,
- Strombedarf der angeschlossenen SX-Module,
- Leistungsfähigkeit des externen Netzteils,
- erforderlicher Schutz der Anschlussleitungen.
Eine Sicherung darf nicht allein danach ausgewählt werden, welchen maximalen Strom das Netzteil liefern kann. Sie muss auch die Leiterbahnen, Steckverbinder und angeschlossenen Leitungen ausreichend schützen.
Automatische Abschaltung des Ausgangs
Ein wichtiges Merkmal des Verstärkers ist die automatische Abschaltung der extern eingespeisten Busspannung.
Das Relais K1 wird durch die eingangsseitige Busversorgung angesteuert. Solange am Eingang eine Busspannung vorhanden ist, zieht das Relais an und verbindet die externe Versorgung mit B_OUT.
Beim Abschalten der Zentrale geschieht Folgendes:
- Die eingangsseitige Busspannung B_IN fällt aus.
- Die Relaisspule wird nicht mehr versorgt.
- Das Relais fällt ab.
- Die externe Versorgung wird von B_OUT getrennt.
- Der nachfolgende SX-Busabschnitt wird abgeschaltet.
Damit folgt der neue Busabschnitt dem Ein- und Ausschaltzustand des ursprünglichen SX-Busses, obwohl er über ein separates Netzteil versorgt wird.
Anschlüsse
SX_IN
Der Anschluss SX_IN wird mit der SX-Zentrale oder dem vorherigen Busabschnitt verbunden.
Zur Verfügung stehen:
- fünfpolige DIN-Buchse X1
- RJ45-Buchse J1
Über SX_IN gelangen folgende Signale zur Schaltung:
- B_IN
- T0_IN
- T1_IN
- D
- GNDA
Die DIN- und RJ45-Anschlüsse des Eingangs sind elektrisch parallelgeschaltet. Es sollte jeweils der Anschluss verwendet werden, der zur vorhandenen Anlagenverkabelung passt.
SX_OUT
Der Anschluss SX_OUT führt zum nachfolgenden SX-Busabschnitt.
Zur Verfügung stehen:
- fünfpolige DIN-Buchse X2
- RJ45-Buchse J3
Am Ausgang stehen folgende Signale zur Verfügung:
- B_OUT
- T0_OUT
- T1_OUT
- D
- GND
Auch am Ausgang sind DIN- und RJ45-Anschluss elektrisch parallelgeschaltet.
Externe Versorgung J2
Die externe Versorgungsspannung wird an der zweipoligen Schraubklemme J2 angeschlossen.
Durch den Graetz-Brückengleichrichter aus D1 bis D4 kann die Spannung in beliebiger Polarität angeschlossen werden.
Vor dem Einschalten müssen dennoch kontrolliert werden:
- richtige Versorgungsspannung,
- ausreichende Strombelastbarkeit,
- korrekte Absicherung.
Masseanschlüsse J4
Die vierpolige Schraubklemme J4 stellt zusätzliche Masseanschlüsse zur Verfügung. Diese können zur Einbindung des Verstärkers in die vorhandene Anlagenverdrahtung genutzt werden.
Dabei ist zu beachten, welchem Massebereich die Anschlüsse zugeordnet sind. Die bewusste Trennung zwischen GNDA und GND darf nicht unbeabsichtigt durch eine externe Verdrahtung aufgehoben werden.
Aufbau der Leiterplatte
Der SX-Verstärker ist ohne Mikrocontroller aufgebaut. Ein programmierter Baustein wird nicht benötigt.
Die wesentlichen Baugruppen sind:
- zwei Leitungstreiber 74HC244 für T0 und T1,
- ein 5-V-Spannungsregler L7805,
- ein zweipoliges Relais für die Busspannung B_OUT,
- vier Schottky-Dioden D1 bis D4 als Graetz-Brückengleichrichter,
- eine Schottky-Diode D5 als Schutzdiode des Spannungsreglers,
- Schottky-Diode D6 im Bereich der Versorgungsschaltung,
- zwei Sicherungen,
- Puffer- und Abblockkondensatoren,
- fünfpolige DIN-Buchsen,
- RJ45-Buchsen,
- Schraubklemmen,
- Lötbrücke JP1,
- vier Montagebohrungen.
Die Bauteile sind auf der Leiterplatte funktional angeordnet. Der Eingangsbereich SX_IN befindet sich auf der linken Seite, der Ausgangsbereich SX_OUT auf der rechten Seite.
Die beiden 74HC244 sind im mittleren Bereich der Leiterplatte untergebracht. Der Spannungsregler und seine zugehörigen Kondensatoren befinden sich oberhalb der Leitungstreiber. Das Relais ist in der Nähe des Ausgangs angeordnet.
Im unteren Bereich befinden sich die Sicherungen, die Schraubklemmen und die größeren Pufferkondensatoren. Vier Montagebohrungen ermöglichen die Befestigung der Leiterplatte in einem Gehäuse oder direkt unter der Modellbahnanlage.
Bestückung und Inbetriebnahme
Da die Baugruppe keine Firmware enthält, beschränkt sich die Inbetriebnahme auf die Kontrolle der Hardware und der Verdrahtung.
Vor dem ersten Einschalten sollten insbesondere folgende Punkte geprüft werden:
- Bestückungsrichtung der Schottky-Dioden,
- Einbaurichtung der Elektrolytkondensatoren,
- Ausrichtung der beiden 74HC244,
- Ausrichtung des Spannungsreglers,
- richtige Bestückung des Relais,
- richtige Sicherungswerte,
- saubere Lötstellen,
- keine Lötbrücken zwischen benachbarten Anschlüssen,
- korrekte Belegung der DIN-Buchsen,
- korrekte Belegung der RJ45-Buchsen,
- Zuordnung von SX_IN und SX_OUT,
- richtige externe Versorgungsspannung,
- gewünschter Zustand von JP1,
- keine unbeabsichtigte externe Verbindung zwischen GNDA und GND.
Die Polarität der Versorgungsspannung an J2 muss dank des Graetz-Brückengleichrichters nicht beachtet werden.
Vor dem Anschluss von SX-Modulen empfiehlt sich eine schrittweise Prüfung.
Zunächst sollte kontrolliert werden, ob der 5-V-Regler korrekt arbeitet. Danach können die Signalpegel von T0_OUT und T1_OUT gemessen werden. Abschließend sollte geprüft werden, ob das Relais die externe Busspannung beim Ein- und Ausschalten des eingangsseitigen SX-Busses zuverlässig schaltet.
Wichtige Hinweise
Der SX-Verstärker darf nicht dazu verwendet werden, zwei unabhängig arbeitende SX-Zentralen oder zwei unterschiedliche SX-Busse miteinander zu verbinden.
Der Verstärker erzeugt keine eigenen Selectrix-Taktsignale. Am Eingang müssen gültige Signale T0 und T1 vorhanden sein, damit diese am Ausgang aufbereitet bereitgestellt werden können.
Die Datenleitung D wird direkt zwischen beiden Busabschnitten geführt. Der Verstärker stellt daher keine vollständige galvanische Trennung des SX-Busses dar.
Vor dem Anschluss sollten insbesondere folgende Punkte geprüft werden:
- richtige Zuordnung von SX_IN und SX_OUT,
- korrekte Belegung der DIN- und RJ45-Leitungen,
- passende externe Versorgungsspannung,
- ausreichende Strombelastbarkeit des Netzteils,
- richtige Dimensionierung der Sicherungen,
- gewünschter Zustand der Lötbrücke JP1,
- richtige Behandlung der Massebereiche GNDA und GND,
- keine ungewollte Verbindung verschiedener Stromversorgungen,
- keine unbeabsichtigte Masseverbindung außerhalb der Leiterplatte.
Der SX-Verstärker kann schlechte Steckverbindungen oder beschädigte Busleitungen nicht ersetzen. Bei Busproblemen sollten zunächst Kabel, Stecker, Verteiler und Übergangswiderstände überprüft werden.
Der Verstärker ist vor allem zur Segmentierung längerer Busleitungen, zur Verbesserung der Signalqualität von T0 und T1 sowie zur Neuversorgung nachfolgender SX-Module vorgesehen.
Technische Daten
| Merkmal | Ausführung |
|---|---|
| Bussystem | Selectrix SX0 oder SX1 |
| Aufgefrischte Signale | T0 und T1 |
| Datenleitung D | direkt durchgeleitet |
| Busspannung B_IN | nur eingangsseitiger Busabschnitt |
| Busspannung B_OUT | ausschließlich externe Neueinspeisung |
| Betrieb ohne externe Einspeisung | nicht vorgesehen |
| Externe Versorgung J2 | Polarität beliebig |
| Gleichrichtung J2 | Graetz-Brückengleichrichter aus D1 bis D4 |
| D1 bis D4 | B540C-13-F |
| D5 | Schutzdiode für U3 / L7805 |
| Eingangsseitige Masse | GNDA |
| Ausgangsseitige Masse | GND |
| Verbindung der Massebereiche | optional über JP1 |
| Funktion von JP1 | Verbindung GNDA mit GND |
| Logikbausteine | 2 × 74HC244 |
| Logikversorgung | 5 V über L7805 |
| Abschaltung von B_OUT | zweipoliges Relais |
| SX-Anschlüsse | fünfpolige DIN-Buchsen und RJ45 |
| Externe Versorgung | zweipolige Schraubklemme |
| Zusätzliche Masseanschlüsse | vierpolige Schraubklemme |
| Absicherung | 2 Sicherungen |
| Prozessor | nicht vorhanden |
| Firmware | nicht erforderlich |
| Hardwarestand | V03 |
Projektstatus
Die Hardwareversion V03 ist als finale Version des aktiven SX-Verstärkers vorgesehen.
Der Schaltplan dokumentiert folgende Entwicklungsstände:
- V01: Initiale Version
- V02: Fehlerkorrektur
- V03: Fehlerkorrektur der RJ45-Anschlüsse und finale Version
Downloads
Für den Nachbau und zur weiteren Information stehen folgende Unterlagen zur Verfügung:
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