Decoderhardware

Der DCC-Decoder hat gerade einmal die Abmessungen von 14mm x 9mm bei einer Höhe von 3,4mm. Das Basismaterial ist hier noch 1mm dick. Beim Einsatz von FR4 0,5mm käme die Höhe dann auf 2,9mm, es könnten sogar noch 0,2mm dünner werden, wird FR4 0,3mm eigesetzt. Die Anschlüsse sind Lötpads, so können entweder 0,4mm - Drahstifte für den NMRA-651 Steckverbinder in der Lokomotive oder 0,5mm Litze angelötet werden.

 

Bestückungsseitig ist ein Gleichrichter, ein kleiner Low-Drop Festspannungsregeler auf 5V ein paar High-Cap Vielschichtkondensatoren zur Glättung und der Mikroprozessor bestückt. Äußerlich unterscheiden sich die ATTiny 15 nicht vom 45er bzw. 85er, lediglich in der Beschaltung von Port B2 und Port B3. Diese Ports sind zwischen dem ATTiny 15 und dem 45 bzw.85 vertauscht. In der Schaltung macht das aber keinen Unterschied, da die Vertauschung durch die Software rückgängig gemacht wird. Bei den Fahrdecodern mit ATTiny 45 oder 85 ist noch R7 vorhanden, der mit 2 Stück 10KOhm-Widerständen ( Leiterseite ) einen Spannungsteiler bildet, um die Generatorspannung des Motors für die Lastregelung zu messen. Damit gemessen werden kann muß einer der N-Kanal Mosfets von T1 oder T2 durchgesteuert worden sein, damit an R5 oder R6 Massepotential anliegt. Beide P-Kanal Mosfets sind nicht leitend, so dass der Motor in den Dynamobetrieb übergeht und selbst eine Spannung proportional zu seiner Drehzahl erzeugt. Diese Spannung wird über den jeweils anderen Widerstand R6 oder R5 auf den Spannungsteiler mit R7 gegeben und kann an Port B5 des Mikrokontrollers zum Analog-Digital-Wander geführt werden. R7 ist so gewählt, dass sich eine maximale Spannung von 2,4V bei voller Drehzahl des Motors ergibt. Gerne kann dieser Wert auch auf bis zu 1,1V verkleinert werden, es gibt die Möglichkeit, die Referenzspannung für den ADC nicht nur auf 2,56V, sondern auch 1,1V einzustellen. Das Ergebnis des digitalisierten Signals ist dann trotzdem etwa gleich. Für die Lastregelung wird der Motor bei bis zu 3 verschiedenen Geschwindigkeiten durch Kommandos an den Decoder ausgemessen und in einer speziellen Fahrtabelle abgelegt. Dazu aber später im Softwareteil.

 

Auf der Leiterseite befinden sich je nach Anwendungsfall eine H-Brücke, die mit zwei kombinierten P- und N-Kanal Power-Trench Mosfets realisiert sind. 4 weitere doppelte N-Kanal Power-Trench Mosfets dienen zu Schaltzwecken für Licht und andere Verbraucher bzw. zur Ansteuerung der H-Brücke. Wagendecoder brauchen in der Regel keine H-Brücken, meistens sind Wagenlicht und Zugschlußbeleuchtung zu schalten, vielleicht auch die eine oder andere Sonderfunktion wie Kupplung, Türenöffnung oder das Einschalten einer Kamera in einem Kamerawagen. Bei mehrteiligen Triebfahrzeugen wird das andere Zugende meist nicht über den Decoder des Motorwagens versorgt, dazu kann ein zweiter Decoder eingebaut werden, der die Stirnbeleuchtung entsprechend der Fahrtrichtung umschaltet. Dieser Decoder erhält zwar seine eigene Adresse, wird jedoch über CV's angewiesen auf die Adresse des Motorwagens zu hören und somit auch Fahrtrichtungsänderungen richtig an der Stirnseite anzeigen.

 

Die H-Brücke

Die H-Brücke besteht aus 2 Mosfetarrays FDC6333, T1 und T2. Das Array hat je einen P-Kanal (/1) und einen N-Kanal (/2) Typ. Der FDC6561 T3/1 bzw. T3/2 stellt die positive Gatespannung für den P-Kanal Typ T1/2 bzw. T2/2 über R2 bzw. R3 bereit. R5 und R6 bilden einen Spannungsteiler für die Lastregelung. Jeweils einer der beiden Widerstände R5 oder R6 liegt über T1/1 bzw. T2/1 an Masse der andere Widerstand am Motor. Wenn die H-Brücke mit T1/1 bzw. T2/1 gesperrt wird, geht der Motor auf Grund seiner Drehzahl in den Dynamobetrieb über und erzeugt eine Spannung, die über R5 und R6 zunächst halbiert wird. Diese Spannung wird nochmals über R7 geteilt ( R7 liegt elektrisch parallel zum Widerstand R5 oder R6 gegen Masse ) und dem Mikrocontroller zur Analog-Digital-Wandlung zugeführt. R7 hat typisch einen Wert zwischen 2 und 4 KOhm und muß entsprechend der Einstellung der Referenzspannung für den ADC im Mikrocontroller angepaßt werden. Die zu messende Spannung darf dabei nicht über die Referenzspannung steigen, sonst sind die Meßwerte nicht zu gebrauchen.

 

Decoderschaltung

Die vollständige Schaltung des Decoders ist im Bild oben dargestellt. Zwar ist hier der ATTiny 15 noch angegeben, Port B3 und Port B4 liegen auf Pin 3 bzw. 2. Bei den ATTiny's 45 und 85 sind diese Ports gegenüber dem ATTiny 15 vertauscht, also Port B3 liegt an Pin 2 und Port B4 an Pin 3. Die Software des ATTiny 45 bzw. 85 berücksichtigt dies. Der Decoder kann direkt in den NEM 651 Steckplatz eingesteckt werden. ( Siehe die Liste der NEM651-Anschlußpins im Schaltplan mit dem nach NEM651 vorgegebenen Farbcodierungen.) Die Richtungsangaben beziehen sich auf die Fahrtrichtung "vorwärts", wobei die Lokomotive "vorwärts" aufgegleist sein sollte. ( Beachte hier die Beschriftung der Lokomotive, Führerstand 1 ist vorwärts.) Die mit n.c. gekennzeichneten Anschlüsse können für zusätzliche Schaltaufgaben benutzt werden und müssen separat verdrahtet werden, da NEM651 diese Anschlüsse nicht vorsieht. T4/1 stellt den Ausgang für F1 bereit, T6/1 hat für sein Gate ein Testpad "TP2", das mit einem beliebigen (Logik-) Signal beschaltet werden kann, um zusätzliche Funktionen zu schalten. Dies kann sinnvoll sein, wenn nur ein Wagendecoder benötigt und die H-Brücke nicht bestückt wird.

 

Durch die Radschleifer gelangt das DCC Signal an den Gleichrichter, die Fahrspannung wird zum Einen der H-Brücke zur Verfügung gestellt und zum Anderen auf 5V für die Logik herabgeregelt. R1 koppelt das DCC-Signal noch vor dem Gleichrichter aus und gibt es an Port B2 des Mikrocontrollers weiter. Negative Spannungen werden durch die interne Schutzdiode eliminiert. Port B2 erzeugt einen Interrupt zur Signaldecodierung im Prozessor.

 

Lokdecoder:

 

Port B0 ist für die Richtungsumschaltung zuständig. T4/2 schaltet entweder T1/2 der H-Brücke auf Masse und sperrt T2/1 über T3/2 oder im Gegenpol T2/2 auf Masse und sperrt T1/1 über T3/1. Die Motorspannung wird über Port B1 geschaltet. Dazu befindet sich dieser Port im Mode als Ausgang des Timers 1 in PWM-Mode. T4/2 legt im leitenden Zustand auch die Masse für das Vorwärtslicht (T5/2) fest. T6/2 gibt das Massepotential für das Rückwärtslicht auf T5/1 weiter. Das Licht wird mit Port B3 eingeschaltet, die Ableitung zur Masse ist abhängig von der Richtung. Port B4 schaltet z.B. eine Funktion "F1" mit T4/1. Dieses Verhalten kann jedoch auch "gemappt", also auch mit CV's anders zugeordnet werden, dazu aber mehr in der Software Beschreibung. Wenn die Lastregelung ( R5, R6, R7, C3 ) bestückt wurden, ist R4 nicht zu bestücken. R4 dient hauptsächlich dazu, einen definierten Pegel am Reset-Eingang für den ATTiny 15 zu erhalten.

 

Wagendecoder:

 

T1, T2 und T3 sowie R2, R3, R5, R6, R7 und C3 werden nicht bestückt, Port B1 kann mit TP2 verbunden werden, um einen zusätzlichen Schaltausgang zu erhalten. Somit kann ein Wagendecoder nicht nur das Stirnlicht / Schlußlicht in Abhängigkeit von der Fahrtrichtung schalten, sondern auch die Innenbeleuchtung und eine weitere Zusatzfunktion.

 

Leiterplatte

 

Die Leiterplatte hat die Abmessungen 9mm x 14mm. Meine Prototypserie ist auf FR4 1mm Dicke gefertigt worden und hat eine Aufbauhöhe von 3,4 mm.

 

Es wäre natürlich möglich, die Leiterplatte auch auf FR4 0,5 oder 0,3mm fertigen zu lassen, somit würde sich die Aufbauhöhe auf 2,9mm bzw. 2,7mm verringern. Mit der derzeitigen Aufbauhöhe habe ich bislang aber noch keine Probleme beim Einbau in diverse N-Lokomotiven bekommen.

 

Die Bestückungsseite enthält also die H-Brücke und die Schaltmosfets und wird je nach Anforderung unterschiedlich bestückt. Das Löten dieser Seite gestaltet sich doch etwas schwierig, zumal nicht nur winzig kleine Pads für die sehr kleinen Bauteile existieren, sondern der Aufbau auch sehr gedrängt ist.

 

Zur Lieferung der Leiterplatten gehörte auch ein sogenannter "Stencil". Mit diesem Lasergeschnittenen 0,15mm dicken Blech kann Lötpaste auf die Lötpads aufgerakelt werden. In diese Pastenklekse werden dann die Bauteile eingelegt und mit einem Reflowofen verlötet.