THEMA: Fahrzeugdecoder, interener Aufbau der Funktionsausgänge

Hallo Struwelpeter,
in aller Kürze: Geschaltet werden die Funktionsausgänge immer einseitig gegen Masse (sog. Lowside-Treiber). D. h. Du hast Open Drain bzw. Open Collector Ausgänge. Die Ausgangstreiber für verstärkte Funktionsausgänge (also die "normalen" Funktionsausgänge für Lv, Lh, AUX1, ... sind heutzutage praktisch ausnahmslos mit MOSFETs (konkret N-Kanal Anreicherungstypen) realisiert.

Gründe:

MOSFETs gibt es mittlerweile in sehr kleiner Ausführung mit sehr niedrigen Durchlass-Widerstanden. Der FDMA2002NZ zum Beispiel, den Du bei einigen Tran und Zimo Decodern zum Treiben der Licht-Ausgänge findest, ist ein Doppeltransistor, der immerhin knapp 3A Dauerstrom und 10A Pulsstrom verträgt. Die bei den Decodern verbauten MOSFETs können mit Logikpegeln direkt vom Mikrocontroller aus angesteuert werden. Zwar brauchst Du diese Ströme für diese Anwendung nicht, im Kurzschlussfall (z. B. bei Verdrahtungsfehlern, verbogenen Lampenkontakten o. ä.) wird aber eher die Zentrale abschalten als dass der MOSFET durchbrennt.

Bei Bipolar-Transistoren findest Du da nichts Vergleichbares - hier würde man "ziemlich Dicke Eumel" (Baugröße) brauchen und müsste zusätzlich wegen der niedrigen Verstärkung der Leistungstransistoren eine zweistufige Verstärkerschaltung aufbauen (z. B. Darlington-Schaltung), um vergleichbare Ströme schalten zu können.

Bei den MOSFETs fließt außerdem statisch kein Strom durchs Gate, nur kurzzeitig beim Schalten (Umladen der Gate-Kapazität). Du brauchst also keinen Gate-/Basis-Vorwiderstand wie bei Bipolar-Transistoren, sparst also Bauteile. Es gibt zwar ein paar wenige Bipolar-Transistoren mit integrierten Vorwiderständen, die Auswahl ist da aber recht begrenzt.

Viele Decoder haben zusätzlich noch unverstärkte Ausgänge, die dann direkt vom Mikrocontroller kommen. Diese werden z. B. zur Realisierung der SUSI-Schnittstelle verwendet, können bei den meisten Decodern aber auch als Funktionsausgänge genutzt werden (alles eine Frage der Firmware). Diese sind dann üblicherweise als Gegentaktausgang konfiguriert. Der konkrete Pegel hängt dann vom Mikrocontroller ab, bei vielen Decodern sind es 5V.

Da heutige LEDs sehr effizient sind und für unsere Zwecke typisch mit Strömen <<1mA betrieben werden (so um die 100µA sind für viele Anwendungen ausreichend), kann man prinzipiell LEDs mit passendem Vorwiderstand auch ohne Verstärkerstufe an ungepufferten Ausgängen betreiben.

Was Deinen Link zum Stummiforum angeht: Hier handelt es sich um einen Sonderfall, wo die verstärkten Funktionsausgänge nochmal über einen Bipolar-Transistor geführt werden, um mit einem unverstärkten Ausgang eine Freigabe (in diesem Fall für das rote Schlusslicht) zu machen.

In dieser Form mittlerweile eigentlich mehr als umständlich, unflexibel (kein Wendezugbetrieb möglich) und damit überholt. Wo ich sowas mal gemacht habe war das Koppeln des Rangierlichts an die Hauptbeleuchtung, da es mit dem sehr eingeschränkten Mapping nach NMRA-Standard eben nur ODER-Verknüpfungen zwischen Funktionen gibt, um einen Ausgang zu schalten, aber keine UND-Verknüpfungen.

Bei Decodern mit moderner Firmware und stark erweitertem Funktions-Mapping brauchst Du solche Krücken nicht mehr. Mit einem Zimo könntest Du weiß und rot (jeweils vorne und hinten) einfach auf insgesamt vier Funktionsausgänge legen (bei unverstärkten Ausgängen in der Regel mit zusätzlichem Transistor zur Verstärkung) und die Verknüpfungen einfach über das erweiterte Mapping realisieren.

Bei ESU geht das schon seit langem extrem flexibel (das ist aber keine Empfehlung, da die ESU-Decoder bekannt für ihre Empfindlichkeit gegen Spannungseinbrüche und für nicht nicht gerade gute Motorregelung sind), bei Zimo, seitdem das sog. "Schweizer Mapping" für fast alle Decoder verfügbar ist.

Mit dem getrennten Verdrahten der Lampen kann man dann leicht einseitige Beleuchtung (F0 -> Licht rot/weiß an FS1, F1 -> Licht rot/weiß an FS2) realisieren und auch das Rangierlicht schalten (z. B. F3 weiß/weiß mit Abschaltung von rot, aber NUR, wenn mindestens auf einer Seite überhaupt das Licht geschaltet ist, also F0 oder F1 aktiv).

Mit reinem NMRA-Mapping ist das absolut nicht ohne Hilfsschaltungen realisierbar.

Mir ist nicht klar, was Du mit Deiner Frage meinst. Wo geht irgendwas schief?


Viele Grüße,
Torsten

Hallo,

@Struwwelpeter: Genormt ist gar nichts.

Es hat sich als Industriestandard etabliert, dass die so genannten "verstärkten" Ausgänge mit einem NPN oder N-Kanal MOSFET gegen GND (interne Decodermasse, nicht zu verwechseln mit dem "blauen Draht") schalten. Es gibt aber Sonderlösungen wo das nicht so ist, z.B. der LF100XF von Lenz, der hat auf den Ausgängen A+B eine Brückenschaltung zur Ansteuerung von antiparallel geschalteten LEDs bzw. Duo-LEDs mit 2 Pins.

Die sog. "unverstärkten" Ausgänge sind einfach die heraus geführten I/O Pins des verwendeten Mikrocontrollers, wenn möglich mit einem Widerstand gegen Überlastung oder Rückspeisung geschützt. Die Pegel entsprechen den Spezifikationen des Prozessorherstellers in Bezug auf die Decoder interne Versorgungsspannung (VCC). Diese ist meist 5 V oder bei neueren Designs auch 3,3 V. Im Analogbetrieb können dieser Werte auch unterschritten werden, da moderne MCUs bis 1,8 V runter lauffähig sind. Je nach verwendetem Prozessor und Programmierung können diese Pins als Push-Pull (Gegentakt) Ausgänge oder Open Drain oder Weak High (wenn man nur mit dem WPU wedelt) arbeiten, meist sind sie - genau wie die anderen Ausgänge intern auch - als normale Push-Pull Output konfiguriert, so dass man direkt einen NPN oder NMOS anschließen kann.

@Torsten:


Ganz so ist es auch nicht. Sieh die mal die BISS Transistoren von NXP an.

Grüße, Peter W.

Meine Rede. Und das Ende der Fahnenstange ist da noch lange nicht erreicht! Übrigens heißt unsere Sparte nun nicht mehr NXP, sondern seit Februar Nexperia. Rest-NXP wird dann Ende des Jahres in Qualcomm aufgehen. Verrückte Zeiten...

Das, was in Hobbylöterkreisen als Bipolartransistor bekannt ist (BC547, BD139, 2N3055 &Co), sind Uralt-Kristalle z.T. noch aus den 60er Jahren. Sie haben mit den aktuellen Typen technologisch nicht mehr viel zu tun. Aktuelle Bipolar-Transistoren mit VCEsat-Werten <50 mV zeigen bereits hFE-Werte >1000. Darlingtons sind deshalb auch in der bipolaren Welt kaum noch gefragt und ein Relikt vergangener Zeiten.

Grüße, Jürgen

Wobei Du gerade den Bipolar-Transistor niemals direkt anschließen darfst, sondern nur mit Vorwiderstand zur Strombegrenzung.

Gruß,
Torsten

Hallo,

naja wenn die MCU ein AVR ist geht das zerstörungsfrei - der Chip heizt zwar, aber der PMOS am Ausgang geht ins Limit bei ca. 80 mA und regelt sich mit der V(BE) des angeschlossenen NPN ein. Unfreiwillig getestet :) Bei einem PIC oder ARM würde ich es vielleicht besser nicht machen, dafür gibt's ja die BCR (oder wie sie bei der jeweiligen Firma heißen).

Grüße, Peter w.