DBA-A200

Caratteristiche generali

Il circuito DBA-A200 e' un accumulatore di carica (Power Backup System) che permette di sopperire alle mancanze di alimentazione dai binari. Il circuito di base e' compatibile con un singolo condensatore oppure, per avere piu' tempo di corsa senza contatto con i binari, con il doppio condensatore. Le dimensioni dei due sistemi sono:

DBA-A200 a singolo condensatore: 11 x 11 x 21 mm con condensatori da 8mm di diametro  (9 x 11 x 21 mm con condensatori da 6 mm di diametro)

DBA-A200 a doppio condensatore: 11 x 16 x 21 mm con condensatori da 8mm di diametro (9 x 13 x 21 mm con condensatori da 6 mm di diametro)

Di seguito il dettaglio sul funzionamento del circuito:

• Circuito di carica del condensatore (o dei condensatori): Il circuito e' compatibile con un singolo condensatore (fornendo una tensione sul condensatore di 2.7V) oppure (chiudendo un ponticello SMD con il saldatore) con due condensatori (fornendo una tensione sulla coppia di condensatori di 5.4V). Questo circuito e' basato su un DC/DC step-down che carica il condensatore ad una corrente massima di 1 Ampere: grazie all'efficienza del DC/DC converter la corrente assorbita dai binari e' inversamente proporzionale al rapporto tra la tensione DCC (alimentatore della centrale) e la tensione del condensatore (2.7V oppure 5.4V). Quindi la corrente di spunto (durante la carica del condensatore) nel caso di DCC di ampiezza 15V e singolo condensatore sara' 2.7/15 = 200mA mentre per il doppio condensatore 5.4/15 = 400mA. Questa corrente puo' essere ridotta modulando (PWM) l'ingresso INHIBIT (terzo filo). L'ingresso INHIBIT se posto a GND abilita la carica del condensatore di backup, se posto a VCC (o lasciato disconnesso) inibisce la carica del condensatore. La connessione di questo ingresso (se usato) e' ad un'uscita funzione di un decoder in modo che se l'uscita non e' attivata il sistema di backup funziona regolarmente mentre se e' attivata il sistema di backup e' disattivato.

• Super-condensatori: Si possono montare (compatibilmente con lo spazio dentro il rotabile) condensatori da 2.7V di tensione di lavoro e con una capacita' fino a 3F. Nel caso si acquistino separatamente i condensatori porre attenzione a sceglierne con bassa ESR possibilmente minore di 200mOhm.

• Circuito di inibizione alla carica del condensatore: questo circuito permette di disattivare la carica del condensatore quando l'ingresso INHIBIT e' disconnesso e l'unita' sta fornendo energia al decoder, in modo da migliorare l'efficienza del sistema.

• Circuito di scarica del condensatore: e' un DC/DC converter step-up con una tensione di uscita di 10V che interviene nel momento che il segnale dai binari vada sotto la soglia di 10V. Tutti i DC/DC converter a bordo del sistema di backup hanno una frequenza di switching vicina ai 2MHz per poter operare con magnetici miniaturizzati.

Prezzi

Circuito assemblato e testato senza condensatori: 12€

Super-condensatore da 1F, 2.7V (cadauno): 2€ (opzionale)

N.B. Il circuito può essere fornito senza il/i condensatore/i assemblato/i per permetterne il posizionamento più opportuno all'interno del rotabile.

Connessione al sistema

In figura sono riportate le connessioni verso:

• Decoder (V+ e GND, opzionale il filo INHIBIT: Se non usato, l'ingresso INHIBIT va connesso alla piazzola GND vicina)

• Super-condensatori (sia singolo che doppio)

• Selezione della modalità singolo/doppio condensatore 

Di seguito la connessione completa al decoder trazione DTT-A103: 

Considerazioni sulla durata del power backup

La durata del power backup dipende da due fattori:

• quantità di carica immagazzinata nel condensatore 

• Tensione e Corrente fornite al carico (la velocità con cui si eroga la carica immagazzinata)

Questo tipo di considerazioni sono applicabili a tutti i power backup systems, non solo al DBA-A200, essendo considerazioni energetiche e di erogazione della potenza che dipendono dalla fisica dei circuiti e non da una loro specifica implementazione. Ovviamente l'efficienza del circuito dipende anche dall'efficienza dei circuiti elettronici utilizzati e soprattutto dalla resistenza interna (ESR) del super-condensatore.

La quantità di carica "usabile" immagazzinata nel (o nei) condensatori e' data dal prodotto della tensione sul condensatore (massima - minima) per la capacità. La tensione massima del condensatore singolo e' 2.7V mentre quella del doppio condensatore e' 5.4V. La tensione minima dipende dal DC/DC converter che alimenta l'uscita e che smette di funzionare a 2V. Quindi:

Q(1) = (2.7V - 2.0V) * 1F = 0.7 C per il singolo condensatore

Q(2) = (5.4V - 2.0V) * 0.5F = 1.7 C per il doppio condensatore

La durata dell'azione del power backup system dipende dalla tensione di uscita (fissata a 10V) e dalla corrente (variabile a seconda del carico, ad esempio I(out) = 100mA per considerare una motrice che sta circolando senza convoglio). Quindi la corrente in uscita dal condensatore:

I(C) = I(out) * V (out) / V (cond) (senza considerare l'efficienza del DC/DC converter)

V(cond) varia durante l'erogazione della potenza, ma in prima approssimazione possiamo pensare che rimanga al suo valore medio (massimo + minimo) / 2, quindi:

V(1) = (2.7V + 2.0V) / 2 = 2.35V per il singolo condensatore

V(2) = (5.4V + 2.0V) / 2 = 3.70V per il doppio condensatore

Quindi la corrente in uscita dal condensatore:

I(1) = 0.1A * 10V / 2.7V = 0.37A per il singolo condensatore

I(2) = 0.1A * 10V / 3.7V = 0.27A per il doppio condensatore

 Dall'equazione di scarica del condensatore:

Q = I(C) * Tempo abbiamo che il Tempo = Q / I(C)

Tempo (1) =  0.7C / 0.37A = 1.8 secondi per il singolo condensatore

Tempo (1) =  1.7C / 0.27A = 6.3 secondi per il doppio condensatore

Questi tempi sono teorici perche' non tengono conto di

• Efficienza del DC/DC converter dell'uscita (tra 85 e 90%)

• ESR del super-condensatore (tra 100 e 200mOhm, doppia con il doppio condensatore)

• Caduta sul diodo di uscita del power backup system (0.5V)

Quelli reali sono ricavati dal test diretto, come da figure di seguito.

Il tempo di backup per il singolo condensatore e' misurato in 1.44 secondi (1.44 secondi / 1.8 secondi = 0.8) quindi si puo' dedurre che l'efficienza complessiva del sistema e' dell' 80%

per il doppio condensatore il tempo di backup e' di 4.88 secondi (4.88 secondi / 6.3 secondi = 0.77) quindi si puo' dedurre che in questo caso  l'efficienza complessiva e' del 77%