Mechanické návestidlo do šachty 20x20 - Úvod

 Na obrázku nižšie, nákladný vlak páve prešiel cez odbočku Obora.

Pôvodne som na tento účel zakúpil návestidlá Viessmann, no počase sa mi viacej zapáčili návestidlá ČSD. Tie by sa dali síce ovládať elektromagnetmi Viessmann ale Harmi už mal dávnejšie rozpracovaný projekt na riadenie serva mikrokontrolérom Atmel. Ďalej som sa rozhodoval, akú šachtu pre návestidlo použiť. Dano v staršom článku Návestidlá na modulovke - prečo šachty popisuje FREMO šachtu s otvorom 30x20. Ja som si na stretnutiach všimol stále sa rozširujúce šachty 20x20mm, táto je už aj spomenutá v norme klubu ZABABOV sekcie TT-Provoz v bode 3.5. - Norma pro stavbu modulů. Tieto mi pripadajú šikovnejšie a ich aplikácia do modulu je aj jednoduchšia. Stačí na to hliníkový profil "jokel" 25x25x2mm, ktorý je lacný a dostupný.

Mne sa síce podarilo naposledy kúpiť len hrúbku 1,5mm, čím mi vznikol väčší otvor a tým aj vôľa ale to nevadí. Z profilu si odrežeme potrebnú dĺžku cca 6cm, tak aby neprečnieval cez spodnú časť modulu a kus vlepíme tavnou pištoľou do pripraveného otvoru v module. Drevo na obrázku je trocha opálené, pretože som lepidlo zahrieval plynovou spájkovačkou pre lepšie priľnutie lepidla. Jednoduchosť aplikácie dokazuje aj nasledujúce foto, kde dvaja majstri montujú šachtu do nového modulu počas stavby trate na stretnutí.

Keď už vieme kam návestidlo zasunieme, poďme sa venovať teraz jemu. Jedno-ramenné návestidlo už som zohnal hotové, je to výrobok DK-model . Ako som už vyššie spomenul, rameno návestidla bude ovládané modelárskym lineárnym servom.

S pákovým servom, aj keď sa už vyrábajú dosť malé by sme sa do šachty nezmestili. Servá sa dajú zohnať lacnejšie keď sú predávané v páre. Sú síce v ľavo a pravo stranom vyhotovení, ale v tomto prípade to nevadí.  Napr. na stránke www.DX.com stojí sada do 11,-€ a samostatné servo okolo 8,-€. Na riadenie serva je použitý osem pinový mikrokontrolér ATtiny45.

V nasledujúcich riadkoch uvediem text autora kódu do ATtiny:

Na generovanie impulzov pre servo som použil ATtiny45. Krajné hodnoty pohybu serva sú dané programom. Zdvih serva je viac než dostatočný, dokonca som ho musel znižovať pre Bocovu konštrukciu, lebo prvá verzia natáčala návestidlo v rozsahu asi 90°.

Pri návrhu som sa snažil o maximálnu univerzálnosť ovládania a teda okrem Zababov odporúčania dvojvstupového štandardu zvláda aj jednovodičové ovládanie. V súlade so Zababov odporúčaním je tu konektor RJ45 a pin6 na kladnom napájaní, pin5 ako vstup STOP, pin4 ako vstup VOĽNO a pin 3 ako záporný pól osvetlenia návestidla. Procesor je schopný fungovať v troch režimoch.

Prvým a asi najbežnejším je plná kompatibilita so Zababov odporúčaním. Toto znamená, že krátkodobý alebo trvalý impulz na vstupe STOP prestaví návestidlo so stavu STOP a obdobne krátkodobý alebo trvalý impulz na vstupe VOĽNO prestaví návestidlo so stavu VOĽNO. Návestidlo reaguje na prechod z logickej jednotky na logickú nulu, alebo presnejšie na spojenie pinu so zemou. Odpojenie pinu od zeme neurobí nič.

Druhý režim je jednovodičový a je vhodný napríklad pre rekonštrukciu návestenia tam, kde pôvodne boli len jednocievkové strojčeky, ktoré pod napätím ukazujú voľno a bez napätia stop. Aby návestidlo fungovalo v tomto režime, je nutné mať vstup STOP stále na zemi a ovládanie je pomocou jediného vstupu VOĽNO. Ak je vstup VOĽNO na zemi tiež, tak je návestidlo v stave VOĽNO (tento stav je napríklad pre elektromagnetický Viessmann neprípustný). Ak je vstup voľno od zeme odpojený, návestidlo je v stave STOP.

Tretí režim je automatický a je voliteľný pomocou spákovacích plôšok (ak pin SJ1-3 je na zemi). V ňom je návestidlo v stave VOĽNO vždy len 10 alebo 20 sekúnd bez ohľadu na to, či vstup voľno ostane v nule trvale alebo len krátkodobo. Čiže obsluha stanice môže nechať prepínač v stave voľno aj polhodinu, ale návestidlo ukáže VOĽNO len počas 10-20 sekúnd od zapnutia stavu voľno a potom padne do stavu STOP.Je to režim pre zábudlivú obsluhu stanice. Vstup voľno musí byť odpojený od zeme aspoň pol sekundy, aby sa po jeho ďalšom spojení so zemou znova návestidlo začalo dvíhať. Pre tento režim je vstup STOP úplne irelevantný.

Existujú dve verzie kódu, jedna je smerom hore od ozubeného kolieska, druhá ide opačne. Súvisí to s umiestnením serva pri konkrétnom návestidle, pretože Boco návestidlo montoval opačne než som začal vyvíjať SW pre Atmel.

Program pomocou lineárneho serva posúva rameno smerom hore v dvoch fázach so zákmitom, simulujúcim prechytenie ovládania obsluhou. Chod smerom dole je už bez medzizastávky a v dolnej časti dokonca o niečo málo rýchlejší než na začiatku. Rýchlosť pohybu je možný v dvoch rýchlostiach, spojenie SJ1-1 so zemou pomocou spákovacej plôšky, spomalí pohyb ramena asi na 60% predvolenej rýchlosti.

Servo po pripojení napájania vykoná dve posunutia hore a dole, aby sa overila jeho funkcia a následne čaká na signál na vstupoch.

Elektronika

Zapojenie nepotrebuje vlastný zdroj a je napájané z ovládania. Kladný pól je spoločný a na zemi je vždy jeden zo vstupných signálov alebo vstup pre osvetlenie. Zem je vytváraná cez tri diódy, prívod kladného pólu je chránený vratnou poistkou a napájanie je upravené pomocou DC-DC meniča VMP3202-5V, ktorý môže mať vstupné napätie v rozsahu 5V až 24V=. Spomenutý menič som objavil na stránke www.dx.com. Ten je ale momentálne už nedostupný, ako náhrada by sa dal použiť menší typ VMP3201-5V.

DC menič má výhodu oproti bežnému stabilizátoru, že pri napájaní napr. 15V má zariadenie menší odber prúdu, univerzálnosti napájania, menej sa zahrieva a nevýhodu vyššej ceny. Dajú sa zohnať aj na európskych webshopoch ale tam sú dosť drahé. Použité lineárne servo pracuje oficiálne v rozmedzí napájania 3.7-4.2V, pri servách ktoré sa predávajú v páre je dokonca uvedená hodnota 3,7-5V. Odber serva je asi 10mA. Pri pohybe vybehne odber krátkodobo asi do 80mA. Elektrolyty majú podržať napájanie procesora a serva počas prepínania stavov Voľno/Stop, najmä pri Zababov odporúčanom režime bez zapnutého osvetlenia, kedy je na nule vždy len jeden vstupný pin a počas krátkeho intervalu medzi prehodením prepínača na nule nie je nič. Preto aj prepínanie medzi stavmi by malo trvať krátko a prepínač by mal mať krátku „mŕtvu“ dráhu. Aby sa šetrila energia v kondenzátore, pohyb serva sa začne až 300ms po prehodení prepínača, kedy je už celkom isté, že prepínač je v stabilnej polohe a teda aj zdroj napájania je dostatočný pre zvýšený odber počas pohybu serva, toto oneskorenie je zároveň robí aj ochranu vstupov proti zákmitom kontaktov, "debounce".

Ak sa bude návestidlo permanentne používať v jednovodičovom režime, dostatočne veľká kapacita kondenzátorov už nie je tak dôležitá. Farby vodičov serva sú červená kladné napájanie (2), čierna zem napájania (3) a biely je vstup impulzov (1). Výstup 4 a 5 slúži na napájanie LED podsvietenia návestidla. Zapojenie vstupného konektora RJ45 podľa odporučenia klubu Zababov.

Číslovanie pinov konektora

Dĺžka ovládacej časti je závislá hlavne od veľkosti dosky plošného spoja ( "DPS"). Tá v tomto prípade vyšla dosť dlhá a pri stavbe ďalšieho návestidla budem túto dĺžku optimalizovať.

DPS som vyrobil fotocestou. Niektoré súčiastky sú typu SMD. Pri návrhu DPS som omylom prehodil logiku ovládania medzi vstupnými pinmi 2, 3 a pri odbrusovaní prispájkovaných vývodov som odbrúsil aj SMD odpor 2K2, ktorý som musel potom vymeniť 

Konštrukcia

Na nasledujúcom obrázku už vidíme všetky potrebné diely na zostrojenie návestidla a osadenú DPS.

Nosnú časť tvorí hliníkový U-profil 20x20x1,5mm do ktorého som si pripravil otvory na uchytenie DPS skrutkami M2. Navrch príde imitácia betónového podstavca, ktorý som si vyrobil z odlievacej živice a následne natrel svetlo sivou farbou. Do podstavca som potom vyvŕtal otvor na uchytenie návestidla a dieru 0,5 mm na prevlečenie tiahla z gitarovej struny 0,3mm. Na hornú časť tiahla ešte prispájkujeme mosadznú trubičku, ako imitáciu závažia a natrieme sivou farbou. Ako podložky pod servo som z bielej info tabuľky hrúbky 1,6mm odstrihol dva pásiky 20x3mm a prilepil päť minútovým epoxidom k profilu.

A po vytvrdnutí lepidla som servo prilepil k podložkám gélovým sekundovým lepidlom.

Po vytvrdnutí lepidla som pripojil vodiče serva k DPS a odskúšal funkčnosť pripojením napájania 15V= na konektor RJ45, plus pól na pin 6 a mínus pól striedavo na piny 4 a 5. Servo som nechal v polohe STOJ, t.j. v hornej polohe, aby som mohol presne nastaviť tiahlo návestidla. Návestidlo som prilepil sekundovým lepidlom do podstavca, tiahlo som prevliekol cez podstavec a upevnil na rameno. Na spodnej časti som na tiahle vytvaroval "hada".

Následne som podstavec vlepil tavným lepidlom do profilu. Neskôr som zistil, že tavné lepidlo nie je až tak vhodné a je lepšie použiť epoxidové lepidlo. Tiahlo som prevliekol cez rameno serva vytvarovaním tiahla a nastavil som správnu výšku ramena pomocou „hada“.

Tým je návestidlo hotové a pripravené na použitie. Ja som použil tieto návestidlá na odbočke Obora na modulovom stretnutí v Bernolákove 2015. Tieto pracovali počas celého stretnutia bez problémov, boli napájané spolu s prestavníkmi Tortoise 12 voltovým nestabilizovaným trafo adaptérom. Odbočka bola ovládaná pomocou ovládacej skrinky prepojenou klasickým PC sieťovým 8 žilovým káblom. Ako návestidlo pracuje je možné vidieť na videjku nižšie. Na zelenej LED je možné si všimnúť pokles napätia pri prepnutí prepínača, tento pokles vyrovnajú elektrolytické kondezátory tak aby sa mikrokontrolér nedostal do resetu.

Kvôli lepšej prehľadnosti, predsa rameno je dosť drobné a z diaľky zle viditeľné, som na boky modulu odbočky doplnil tzv. opakovače návestidla. Sú to dve 12mm LEDky, červená a zelená z každej stany modulu a ku každému návestidlu. Tým strojvodca už z diaľky vidí stav návestidla.

Pohľad na trat v Bernolákove 2015 je na následujúcom obrázku

Záver

Návestidlo tejto konštrukcie na stretnutí pracovalo spoľahlivo, isté rezervy sú v dľžke DPS a tým aj celého hliníkového profilu ovládania návestidla. Najbližšie sa budem zaoberať ovládaním predzvestí, uvidíme či dráha serva bude postačujúca aj na toto ovládanie.

Boco

Aktualizované:  Keďže časom došlo k úprave zapojenia konektora vzhľadom na kompatibilitu svetelných a mechanických návestidiel, nové zapojenie konektora RJ12 sa nachádza v následujúcom článku o návestidlách.