TrainPi osa 4: kuumat paikat

Digijärjestelmä vaatii vahvistimen. Sellaiseksi kelpaisi periaatteessa halpa Delta-keskusyksikkö. Kuitenkin se tahtoo kuumentua käsittämättömästi ja kuluttaa veturin verran virtaa yksinään. Mikä neuvoksi?

Delta-keskusyksikkö vahvistimena

Juttusarjan ensimmäisessä osassa kerrottiin, että tarvitaan vahvistin, jotta tietokoneen tuottama komentojono saadaan kiskoissa hyödynnettävään muotoon.

Järjestelmän periaatekuva

Järjestelmän periaatekuva

TrainPi-järjestelmää kehittäessäni olen käyttänyt vahvistimena Märklinin Delta-keskusyksikköä nro 6604. Se oli alunperin tarkoitettu neljän kiinteällä osoitteella varustetun junan ajamiseen (ns. Delta-osoitteet: höyryveturi merkitsee osoitetta 78, dieselveturi 72, moottorivaunu 60 ja sähköveturi 24), ja ohjaimena käytettiin perinteistä ajomuuntajaa. Lisäksi oli saatavissa yksinkertainen käsiajolaite, joka ohjasi viidettä veturia (osoite 80). Nykyisin koko Delta-järjestelmän on korvannut infrapuna-ajolaite, joka muistuttaa pientä kaukosäädintä. Keskusyksikkönä toimii ns. linssiraide.

Delta-keskusyksikkö

Delta-keskusyksikkö

Eräs Delta-keskusyksikön ominaisuus on, että nupin ollessa oikeanpuoleisessa STOP-asennossa laite toimii vahvistimena. Tällöin ajomuuntajan tilalle kytketään keskusyksikkö, tässä tapauksessa Raspberry Pi. Periaatteessa järjestelyn pitäisi toimia ilman kummempia ongelmia. Käytännössä kuitenkin laite rupeaa kuumenemaan voimakkaasti. Jossain vaiheessa lämpösuoja laukeaa ja laite mykistyy kunnes jäähtyy.

Kuumeneva osa on jäähdytyslevy, jossa ovat kiinni päätevahvistimena toimivat suuret transistorit. Kun transistorien alle on lisätty lämpöä johtavaa tahnaa, jäähdytyslevyn lämpötila asettuu kotelo avattuna noin 25 astetta yli huoneilman lämpötilan.

Missä vika? Ruvetaanpa tutkimaan. Jos haluat hypätä suoraan korjaukseen, siirry piirilevyn kuvien jälkeen ”Viilenee, viilenee…” -otsikkoon.

Delta-laitteen rakenne

Ensiksi täytyy sanoa että en suosittele 6604:n avaamista huvin vuoksi enkä ilman jonkinlaista kokemusta elektroniikan käsittelystä. Operaatio on nimittäin peruuttamaton, ja kun kuoret ovat auki, laitetta pitää käsitellä hyvin varovasti – esillä on kuumenevia ja jännitteisiä osia. Seuraava teksti sisältää teknistä erittelyä ja vianselvitystä ja sen ymmärtäminen edellyttää elektroniikan perusteiden tuntemista. Tiivistetysti kuumeneminen johtuu laitteen suunnittelusta. Alkuperäisessä käytössä ongelmaa ei ole, koska se on huomioitu laitteen sisäisessä ohjelmistossa. Vahvistinkäytössä taas näin ei pysty tekemään, joten on tyydyttävä parantamaan jäähdytystä.

Laite on sisälmyksiltään melko yksinkertainen. Kotelo on niitattu kiinni, ja niitit täytyy porata auki 3 mm terällä. Nuppi lähtee irti varovasti kampeamalla.

Piirilevyn yläpuoli.

Piirilevyn yläpuoli.

Piirilevyn alapuoli

Piirilevyn alapuoli

Laitteen sisällä on kaksipuolinen piirilevy. Yläpuolella on kiertokytkin, johon nuppi kiinnittyy, muutama kondensaattori, tasasuuntaussilta, regulaattori, päätevahvistin, lämpökytkin sekä 8051-sarjan mikrokontrolleri. Alapuolella on joukko passiivisia pintaliitoskomponentteja sekä LM339-komparaattori, jota oletettavasti käytetään analogisen muuntajan jännitteen ja käsiohjaimen tilan tunnistamiseen. Johdot on liitetty juottamalla suoraan piirilevyn alapuolelle. Syöttöjohdoissa ei ole liittimiä, ainoastaan vedonpoistimena toimiva nippuside. Lähdöissä on perinteiset 2,6 mm holkkiliittimet, jotka on juotettu piirilevyltä lähteviin johtoihin ja asennettu erilliselle levylle, joka puolestaan asettuu kotelossa olevaan aukkoon. Piirilevy on kiinni kotelossa yhdellä ruuvilla ja metallisella tuella.

Jos nyt haluat siirtyä suoraan lämpenemisongelman korjaukseen, hyppää ”Viilenee, viilenee…” -otsikkoon.

Syöttöjohtoja on kolme: vaihe (keltainen), nolla (ruskea) ja säätöjännite (punainen). Keltaiseen johtoon syötetään ajomuuntajan keltaisesta L-lähdöstä 18 voltin vaihtojännitettä ja punaiseen muuntajan punaisesta B-liittimestä säädettävää vaihtojännitettä, tai tässä tapauksessa digisignaalia. Ruskea on molempien yhteinen nollajohdin. Lähtöjä on neljä: kiskoihin menevät vaihe ja nolla, joka on suoraan yhteydessä syöttöjohdon nollaan, sekä käsiohjaimen kaksi johtoa. Viimeksimainitut on tässä tapauksessa sillattava yhteen.

Tasasuuntaussilta on kytketty yhdessä kahden 2200 µF, 25 V kondensaattorin kanssa tuottamaan kaksipuolisen tasajännitteen, ±24 V. Jos laitetta rupeaa aukomaan kannattaa huomata, että virtapiirin tasavirtapuolella plus ja miinus ovat eri asia kuin nolla, ja plussan ja miinuksen ero on 48 volttia.

Kaksipuolinen jännitelähde

Kaksipuolinen jännitelähde

Delta-keskusyksikön sydän on kertaalleen ohjelmoitava eli tehtaalla ohjelmoitu 8051-sarjan mikrokontrolleri, jossa on 8 kilotavua muistia. Toisin sanoen ohjelmistopäivityksiä ei ole luvassa, niitä ei pysty asentamaan. 8051-sarja on teollisuusautomaatiossa hyvin yleinen ja hinnaltaan edullinen.

Kiertokytkin ohjaa muutamaa kontrollerin nastaa eli käytännössä kertoo mille veturille pitää tällä kertaa komentoja lähettää. Jos nuppi on oikeanpuoleisessa STOP-asennossa, päästetään punaisesta johdosta tuleva signaali päätevahvistimelle suoraan.

Mikrokontrolleri saa käyttöjännitteensä 7805-regulaattorilta, jolle ei ole asennettu jäähdytyslevyä. Se joutuu pudottamaan jännitettä melko paljon, muttei kuitenkaan käy kovinkaan kuumana – ilmeisesti kuormaa ei ole paljoakaan.

Päätetransistorit on asennettu 100 x 27 x 2 mm alumiininkappaleeseen, joka toimii jäähdytyslevynä. Ne ovat tyyppiä TIP141 (NPN) ja TIP145 (PNP). Virtaa niiden pitäisi periaatteessa kestää jopa 10 A, mutta heikoksi kohdaksi jää tasasuuntaussilta, joka on mitoitettu 1,5 A kuormalle. Käytännössä sillasta käytetään aina kahta diodia rinnakkain, jolloin päästään 3 A virrankestoon. Lisäksi liitosjohdot ovat hyvin ohuita.

Tasasuuntaussiltaan liittyviä kondensaattoreita käytetään lähellä nimellisjännitettään, joka on 25 V. Se tarkoittaa että laite ei kestä yhtään suurempaa tulojännitettä kuin 18 V. Lisäksi elektrolyyttikondensaattoreiden sijoittelu lähelle kuumenevia osia ei yleensä ole hyvä idea. Tosin kotelo on umpinainen, joten sisätilassa ei taida viileitä paikkoja juuri olla.

Lähdetään etsimään!

Varsinainen kysymys on mikä laitteessa kuumenee, miten paljon ja miksi.

Kuumenemista arvioitiin mittaamalla päätetransistoreiden jäähdytyslevyn lämpötilaa, sillä se oli näppituntumalta kuumin kohta. Ilman jäähdytyslevyä toimiva regulaattori kuumenee myös, muttei läheskään samassa määrin.

Mittaus tapahtui LM335-anturilla, jonka antama jännite millivoltteina vastaa lämpötilaa kelvinin kymmenesosina. Eli 3,106 V = 3106 mV = 310,6 K. Tästä vähennetään 273,15 ja saadaan lämpötila celsiusasteina eli 310,6 K – 273,15 = 37,45. Luku pyöristetään mittauksen tarkkuuteen, jolloin tulos on 37,5°C.

51°C

Lämpöanturi mittaa jäähdytyslevyn lämpötilaa. Mittari näyttää lukemaa niin että voltit ovat satoja kelvineitä. Lämpötila on 324,1 K eli 50,9°C vapaassa huoneilmassa.

Ilman transistorien ja jäähdytyslevyn väliin lisättyä lämpöä johtavaa piitahnaa mittausta ei ollut mielekästä suorittaa, sillä ilman sitä ja kotelon ollessa suljettuna pluspuolen päätetransistori kuumenee niin paljon että lämpökytkin laukeaa. Syynä on osittain säteilylämpö, osittain kotelon sisäilman lämpeneminen. Jäähdytyslevy ei kuitenkaan lämpene yhtä paljon kuin piitahnan kanssa, sillä siihen ei ehdi siirtyä lämpöä riittävällä nopeudella.

Testausohjelmistona oli Raspberry Pi -tietokoneeseen asennettu srcpd sekä SpDrS60. Testiratana oli kuvan mukainen kokonaisuus, josta ainoastaan yksi vaihde oli kytketty dekooderiin. Muiden laitteiden komennot kyllä lähtivät, mutta niitä vastaavia laitteita ei ollut asennettu.

Koerata SpDrS60-asetinlaitesimulaattorissa. Ainoastaan yksi vaihde oli kytketty dekooderiin.

Koerata SpDrS60-asetinlaitesimulaattorissa. Ainoastaan vaihde nro 5 oli kytketty dekooderiin.

 

Lämpeneminen on voimakasta. Vapaassa tilassa ilman puhallusta jäähdytyslevy lämpenee tyhjäkäynnillä noin 25°C yli huoneilman lämpötilan. Suljetun kotelon sisällä lämmönjohtotahnan kanssa laitetta ei voinut käyttää: lämpökytkin ei enää lauennut, mutta jokin rupesi savuamaan – luultavasti se tahna…

Kotelo toimii muutenkin tehokkaana eristeenä. Materiaali on paksua valkoista muovia, jäähdytysaukkoja ei ole, ja päällä on vielä ohut pelti, johon on painettu valmistajan ja järjestelmän logot sekä kiertokytkimen asentojen symbolit.

Lämpenee, lämpenee…

Varsinaisen vahvistustyön tekee siis pääteaste. Käytännössä se koostuu kahdesta transistorista, jotka on asennettu ns. push-pull-kytkentään.  Mitään lämmönsiirtotahnaa ei ole tehtaalla käytetty, ja transistorit on kiinnitetty jousikiinnikkeillä alumiinilevyyn, jonka mitat ovat n. 100 x 27 x 2 mm. Levyn pinta on karkea, joten lämpöä siirtävää pinta-alaa ei juuri ole.

Delta-keskusyksikössä käytetty push-pull-kytkentä

Delta-keskusyksikössä käytetty push-pull-kytkentä

Piirroksessa on käytetty erinumeroisia transistoreita, koska juuri oikeaa tyyppiä ei sattunut olemaan piirilevysuunnitteluohjelman kirjastossa, mutta tärkeintä on että piirrosmerkit ovat oikein. Oikeat tyypit ovat Q1: TIP141 ja Q2: TIP145. Kaavio keskittyy vahvistimeen, eli ohjaukseen liittyvät komponentit on jätetty näyttämättä, samoin joukko apukomponentteja.

Kytkentä toimii seuraavasti: transistorit ovat ns. Darlington-pareja, eli kaksi transistoria yhdessä kotelossa: yksi transistori ohjaa toisen kantavirtaa. Darlington-parin vahvistus (gain) on suuri, mikä tekee siitä tällaiseen käyttöön sopivan. Transistoria käytetään tässä laitteessa kytkimenä, niin että se joko johtaa täysin tai ei johda lainkaan.

Push-pull-kytkennän idea on, että aina yksi transistori (ts. darlington-pari) johtaa kerrallaan, jolloin rataan pääsee joko plus- tai miinusmerkkistä jännitettä. Ohjaamalla transistorit johtamaan sopivan pitkiksi ajoiksi saadaan sitten digisignaalia, jonka puhti riittää syöttämään vetureita ja vaihteita.

Tässä aletaankin tulla ongelman ytimeen. Mitä tapahtuisi jos molemmat transistorit johtaisivat yhtäaikaa? Muistetaan että virta kulkee aina nuolen suuntaan.

Tapahtuisi aika monta asiaa.

  • Kondensaattorit tyhjenisivät – eli niiden varaukset tasoittuisivat – hyvin nopeasti transistorien kautta.
  • Tästä syntyisi voimakas virta, joka tuottaisi lämpöä päätetransistoreissa.
  • Virta kulkisi niin kauan kuin kondensaattoreissa riittäisi varausta. Sen purkauduttua vaihtovirta pääsisi keltaisesta johdosta suoraan rataan.

Oikosulkutilanne syntyisi siis, jos molemmat transistorit ohjattaisiin johtamaan yhtäaikaa. Miten tällainen tilanne voisi syntyä?

Polttaa, polttaa…

Lepotilassa molemmat päätetransistorit ovat sammuksissa. Normaalisti kontrolleri päättää kumpi niistä on johtavana. Nyt kuitenkin pulssijono pääsee suoraan ohjaamaan pääteastetta. Tosin kontrolleri ilmeisesti jollakin tavoin valvoo sisään tulevan signaalin laatua, sillä se ei kytke pääteastetta johtavaksi pelkästään punaisen johdon nollaan tai plusmerkkiseen jännitteeseen kytkemällä.

Kun laitetta käytetään Delta-ohjaimena, prosessori voi (ilmeisesti, ohjelmiston yksityiskohdista ei ole selkoa) ohjata pääteasteen kumpaakin puolta erikseen johtavaan tai johtamattomaan tilaan. Käytännössä se voi varmistaa että toinen transistori ehtii johtamattomaan tilaan ennen kuin toinen alkaa johtaa. Toisaalta kun transistorien ohjaus tulee suoraan punaisesta johdosta, kytkentä on sellainen, että transistorien pitäisi periaatteessa johtaa vuorotellen. Eli samalla hetkellä kun pluspuoli kytkee, miinuspuoli katkaisee, ja päinvastoin.

Käytännössä kuitenkin transistoria kytkettäessä on aina jonkinlainen viive. Transistori ei ala johtaa samalla hetkellä kun siihen kytketään jännite, eikä myöskään sammu samalla hetkellä kun jännite poistetaan. Toisaalta myöskään syötteen pulssi ei nouse eikä laske välittömästi. Siirtyessään nollasta täyteen jännitteeseen tai päinvastoin ohjausjännite kulkee sellaisen alueen poikki, jossa molemmat transistorit johtavat. Näistä tekijöistä syntyy pieni hetki, jolloin transistorit ovat yhtäaikaa johtavina. Tästä hetkestä tulee piikki virrankulutukseen.

Käytännössä ylimääräinen virrankulutus näkyy niin, että välittömästi digisignaalin kytkeydyttyä jäähdytyslevyn lämpötila alkaa nousta. Virrankulutus on tilanteesta riippuen 200-300 mA. Se vaikuttaa nousevan lievästi lämpötilan mukana, mikä vastaisi lievää nousu- ja laskuaikojen pitenemistä lämpötilan noustessa. Tämä olisi voitu välttää suunnittelemalla pääteaste hieman toisin, mutta nykyiseen rakenteeseen voi kyllä olla hyväkin syy.

Muitakin lämpenemiseen vaikuttavia tekijöitä on. Korkeahkolla taajuudella kytkeminen lämmittää transistoria jo sinänsä. Testisovelluksessa ei ollut kuormaa paljoakaan, ainoastaan satunnaisia vaihteen kääntöjä silloin tällöin, mutta muuten kuormitus tietysti lämmittää vielä lisää.

Näppituntumalta vaikuttaa siltä että suurin lämpenemisen syy on pohjimmiltaan laitteen rakenne. Sitä ei siis voi korjata, joten se pitää kiertää. Miten?

Viilenee, viilenee…

Jos lämpenemisen perussyyhyn, eli laitteen rakenteeseen, ei voi vaikuttaa, niin lämpöä voi ainakin johtaa pois. Ensimmäinen konsti oli jo aiemmin tehtykin: transistorien kosketusta jäähdytyslevyyn oli parannettu lisäämällä väliin tietokoneisiin tarkoitettua lämpöä johtavaa piitahnaa, jota ei tehtaan jäljiltä ollut. Jäähdytyslevyn kiinnikkeet lähtevät irti ruuvimeisselillä kampeamalla ja ne saa takaisin painamalla. Tässä on varottava katkomasta transistorien jalkoja.

Seuraavaksi koetettiin lisätä jäähdytyslevyn pinta-alaa. Yksinkertaisimmillaan se tarkoittaa jäähdytyslevyn toisen puolen karhentamista hiekkapaperilla. Parempi keino olisi ollut vaihtaa tilalle rivallinen jäähdytyslevy – mieluiten musta, joka säteilee lämpöä tehokkaammin – mutta sellaista ei ollut sopivaa käytettävissä.

Karhennettu jäähdytyslevy

Karhennettu jäähdytyslevy ja lämpöanturi

Mittaus kuitenkin osoitti ettei karhentaminen pudottanut lämpöä kuin asteen tai pari. Lisäksi ongelmana on se, että lämpö ei oikein pääse kotelon sisältä mihinkään. Auttaisiko puhallus?

Alustavan kokeen perusteella pienikin puhallus auttaa. Toisin sanoen kuumaa ilmaa pitää auttaa poistumaan jäähdytyslevyn ja transistorien läheltä. Näin ainakin vapaassa tilassa.

Alustava koe puhallinjäähdytyksellä

Alustava koe puhallinjäähdytyksellä

Puhallukseen riitti tavallinen 12 voltin tietokonetuuletin, jota käytettiin 5 voltin jännitteellä. Tämä on sikäli lupaavaa, että piirilevyllä on saatavissa tasavirtaa 5, 24 ja 48 volttia, mutta 12 V olisi tehtävä erikseen. Lisäksi näin matalalla jännitteellä tuuletin on hiljainen ja lähes ikuinen.

Alustavan kokeen annettua lupaavia tuloksia piti kehittää pysyvämpi asennus. Sivusuunnassa läpi puhaltaminen olisi ollut tyylikäs ratkaisu, mutta pieninkin miljoonalaatikosta löytynyt tuuletin oli tällaiseen asennukseen liian suuri.

Toinen vaihtoehto olisi asentaa tuuletin kotelon kanteen ja porata reikiä kylkiin. Tuuletin voisi joko puhaltaa ilmaa sisään tai imeä sitä ulos. Puhalluksessa olisi se etu, että kuuma ilma ei kiertäisi kotelon sisällä. Nupin joutuisi jättämään pois, mutta sitä ei vahvistinkäytössä tarvita muutenkaan – itse asiassa koko kiertokytkimen voisi irrottaa piirilevyltä ja ohittaa johdolla, mutta sitä en ole toistaiseksi ruvennut tekemään.

Ensin piti irrottaa peltilevy, johon on painettu tekstit ja symbolit. Se on kiinni neljällä niitillä, jotka lähtevät esimerkiksi terävällä mattoveitsellä kampeamalla.

Kotelon kansipelti ja kolme neljästä niitistä, joilla se oli kiinni (neljäs lensi kynien sekaan)

Kotelon kansipelti ja kolme neljästä niitistä, joilla se oli kiinni (neljäs lensi kynien sekaan)

Tämän jälkeen voitiin porata reiät kotelon kanteen ja kylkiin. Kylkireikien paikat valittiin jäähdytyslevyn etupuolelta, jotta niistä ei pääse vahingossa sisään mitään mikä vahingoittaisi piirilevyllä olevia komponentteja. Kanteen tehtiin reiät tuulettimen ruuveille sekä suuri aukko, josta ilma pääsee sisään.

Kannen reikä tehdään tuulettimen ääriviivoja noudatellen

Kannen reikä tehdään tuulettimen ääriviivoja noudatellen

Kun kotelo oli rei’itetty, voitiin testata tuuletinta kanteen asennettuna. Vaikutus oli huomattava. Jäähdytyslevy pysyi n. 37-asteisena myös kotelon ollessa kiinni.

Jäähdytyskoe kotelon kanteen asennetulla puhaltimella

Jäähdytyskoe kotelon kanteen asennetulla puhaltimella

Tämän jälkeen asennus voitiin viimeistellä. Tuuletin kiinnitettiin ruuveilla kotelon kanteen, ja sen johdot juotettiin piirilevyn alapintaan 7805-regulaattorin +5 V lähtö- ja maanastoihin. Piirilevyn alapuolen kuvassa regulaattorin +5 V lähtönasta näkyy DELTA-tekstin D-kirjaimen ja maanasta E-kirjaimen kohdalla. Kolmas nasta L-kirjaimen kohdalla on tulonasta, joka on liitetty +24 V vetoon. Piirilevyn versioissa voi olla eroja, joten kannattaa tarkistaa jännite yleismittarilla.

Tuuletin kotelon kannessa

Tuuletin kotelon kannessa

Samalla juotettiin käsiohjaimen liittimeen tulevat johdot yhteen kotelon sisällä. Näin päästiin eroon ulkopuolisesta hyppylangasta. Tuuletin saa nyt sähkönsä laitteen sisältä. Se puhaltaa ilmaa jäähdytyslevyn molemmille puolille. Ilman ulostuloreiät ovat jäähdytyslevyn ja liittimien välissä.

Valmis laite

Valmis laite

Laitteen sijoittelussa on huomioitava ettei tuulettimeen pääse roskaa tai vieraita esineitä. Jonkinlainen verkko voisi olla hyvä asentaa suojaksi. Jos olisi ollut käytettävissä pienempi tuuletin, sen olisi voinut asentaa laitteen sivuun, jolloin myös nupin olisi voinut säilyttää paikallaan.

Linkkejä

Toinen toteutus on esitelty saksalaisella Drehscheibe-Online-foorumilla: http://www.drehscheibe-online.de/foren/read.php?10,7235039,7235039

Selitys miksi pääteaste menee hetkellisesti oikosulkuun (väliotsikko PUSH PULL): http://www.talkingelectronics.com/projects/MOSFET/MOSFET.html

Merkitty: , , , ,