Diese Woche zeige ich eine einfache Blinkschaltung für Bahnübergänge. Sie ist kompakt, kostengünstig und sie blendet sanft auf und ab. Darüber hinaus kann sie mit geringem Aufwand so modifiziert werden, dass zunächst beide LEDs gemeinsam aufleuchten, ehe das abwechselnde Blinken beginnt.
Meine Schaltung basiert auf Operationsverstärkern. Im ersten Teil stelle ich die einfachste Variante vor und erläutere, wie sie funktioniert. Im zweiten zeige ich die Variante mit dem gemeinsamen Aufleuchten.
Um Kosten zu sparen, entsteht die Schaltung auf einem Stück Lochrasterplatine. Dies ist mit einfachen Mitteln umzusetzen. Auch für den Einbau ist kein Spezialwerkzeug nötig, mit Ausnahme eines Dremels mit Trennscheibe.
Schaltplan
Die Schaltung erzeugt an beiden Ausgängen eine Spannung, die wechselweise zwischen ca. 18 V und 0 V schwankt. Als einziges aktives Bauelement wird der LM324 benötigt. Er enthält vier Operationsverstärker, die zu den vielseitigsten Bauelementen überhaupt gehören. Aber die Funktionsweise ist ein wenig komplex. Wer etwas tiefer in die Materie einsteigen will, findet weiter unten eine ausführliche Beschreibung.
Ergänzung vom 17.08.15: Mittlerweile ist eine Artikelserie zu den Grundlagen des Operationsverstärkers erschienen: Teil 1, Teil 2, Teil 3.
Die Dreiecke sind Operationsverstärker. Nicht dargestellt sind ihre Versorgungseingänge, die beim LM324 alle zusammengefasst sind. Der Anschluss B/L kommt im Digitalbetrieb an den Mittelleiter, im Analogbetrieb an den Lichtausgang des Trafos. 0 kommt vorerst an Masse.
Die LEDs außerhalb des gestrichelten Kastens gehören zum Set Andreaskreuze von Viessmann, Art.-Nr. 5058. Bei Conrad gibt es das Set auch als Bausatz.
Alternative Stückliste
Um die Beschaffung der Einzelteile zu vereinfachen, habe ich hier eine alternative Stückliste.
IC: LM324, Conrad 155592, 0,16€
D1: SB140, Conrad 556808, 0,07€
C1: 35V, 100 µF, Conrad 445216, 0,08€
C2-4: 100 nF, Conrad 531855, je 0,10€
R1,2,4: 3,3 MΩ
R3: 1 MΩ
R5,6: 1,8 MΩ
Um die Blinkfrequenz anzupassen, kann man R4 variieren. Je größer er ist, desto langsamer das Blinken. Wenn steilere Signalflanken gewünscht sind, also der Übergang zwischen hell und dunkel schneller gehen soll, müssen R5 und R6 verkleinert werden. Zum Ausprobieren kann man diese Widerstände auch gegen Potis von 10MΩ ersetzen.
Der Zusammenbau
Zunächst brauchen wir eine Lochrasterplatine mit neun Streifen zu je zwölf Löchern. Sie wurde bewusst klein gewählt, damit die ganze Schaltung später im Gleisbett verschwinden kann. Daher ist es aber auch nötig, alle Bauelemente so unterzubringen, dass die Gesamthöhe nicht die 6 mm überschreitet, die unter dem Gleis zur Verfügung stehen.
An der gezeigten Stelle werden die Leiterbahnen mit dem Teppichmesser getrennt. Dieser Schnitt sitzt später genau unter dem LM324. Weitere Schnitte sind nicht nötig.
Nun sind an den gezeigten Stellen Drahtbrücken und der LM 324 selbst anzubringen. Er darf nicht verdreht werden. Eine Kerbe zeigt an, wo die Oberseite ist.
Hier sehen wir die komplette Schaltung. Weiß ist der Minuspol, der auch als Rückleiter für die LEDs dient. Wenn die Schaltung so weit gelötet ist, sollte noch eine kurze Sichtprobe stattfinden, ob alle Elemente richtig sitzen und ob auf der Rückseite kein Kurzschluss aufgetreten ist, dann kann sie schon mal angeschlossen werden.
Der erste Funktionstest braucht nicht mit den fertigen Andreaskreuzen zu erfolgen. Eine Lüsterklemmenreihe und vier LEDs tun's auch.
Die Funktionsweise
Die Schaltung gliedert sich in fünf funktionale Elemente: Gleichrichter, Oszillator, Invertierer, Tiefpässe, Endstufe. Alle fünf werden ich hier erläutern.
Der Gleichrichter
Ob analoger Lichtstrom oder hochfrequentes Digitalsignal vom Gleis, sie wechseln ständig die Polarität. Die Blinkschaltung würde das nicht vertragen, deswegen wurde eine Diode eingebaut, die den Strom nur in der gewünschten Richtung durchlässt. Die SB140 ist robust, billig und dennoch schnell.
Ein Elektrolytkondensator überbrückt die Zeitspanne zwischen zwei Spannungspulsen. Das Ergebnis ist eine leicht wellige Gleichspannung, die für diese einfache Anwendung gut genug ist.
Die Tiefpässe
Aus einem Widerstand und einem Kondensator entsteht ein sogenannter RC-Tiefpass. Seinen Namen trägt er, weil er hohe Frequenzen dämpft und niedrige durchlässt, doch das ist Nachrichtentechnik. Für uns ist wichtig, dass er auf Schwankungen seiner Eingangsspannung träge reagiert.
Wie schnell das genau geht, hängt zu gleichen Teilen vom Kondensator und vom Widerstand ab. Ein großer Widerstand lässt weniger Strom durch, ein großer Kondensator braucht mehr Strom, um geladen zu werden. Wir multiplizieren also die Werte R und C und erhalten so die Zeitkonstante τ (tau). Sie wird in Sekunden angegeben. Als Faustregel gilt, dass der Kondensator nach 5τ vollständig geladen ist.
Wer die beiden Stücklisten miteinander vergleicht wird feststellen, dass die Werte von R4 und C2 sich zwar stark unterscheiden, die Zeitkonstante jedoch annähernd gleich bleibt.
Wer die beiden Stücklisten miteinander vergleicht wird feststellen, dass die Werte von R4 und C2 sich zwar stark unterscheiden, die Zeitkonstante jedoch annähernd gleich bleibt.
In dieser Schaltung erfüllen die Tiefpässe zwei Funktionen: Einer ist Teil des Oszillators, der den Takt vorgibt, die anderen beiden sorgen dafür, dass die Leuchten sanft auf- und abblenden.
Der Oszillator
Hier finden wir den ersten Operationsverstärker, kurz OPV. Für sich betrachtet ist er ein ganz einfaches Element: Er hat zwei Eingänge, den invertierenden und den nichtinvertierenden. Tut mir leid, diese Wortungetüme habe ich mir nicht ausgedacht. In diese Eingänge fließt kein nennenswerter Strom, doch der OPV vergleicht ständig die anliegenden Eingangsspannungen und steuert seine Ausgangsspannung dementsprechend.
Ganz einfach zu merken ist: Ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang höher, steigt die Ausgangsspannung, ist sie niedriger, sinkt sie. Die Grenzen dafür sind von der Betriebsspannung abhängig. Wir nehmen hier vereinfachend an, dass sie bei 0 V und 18 V liegen.
Der Oszillator besteht aus einem Tiefpass (R4, C2), einem Spannungsteiler (R1, R2), dem Widerstand R3 und dem OPV selbst. Zwischen R1 und R2 liegt normalerweise die halbe Betriebsspannung, also 9 V. Über den Widerstand R3 wird dieser Wert auf 4 V oder 14 V verschoben, je nachdem ob der OPV niedrig oder hoch ausgesteuert ist, und das ist von der Spannung an C2 abhängig.
Am Anfang liegen an C2 0 V an. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ist in jedem Fall höher. Der OPV wird positiv ausgesteuert und langsam wird C2 geladen. Erst wenn an C2 14 V anliegen, ist die Spannung am invertierenden Eingang höher. Nun springt die Ausgangsspannung auf 0 V.
Am nichtinvertierenden Eingang hingegen liegen ab sofort 4 V an, die Kondensatorspannung kann jedoch nur langsam folgen. Erst wenn sie unter 4 V fällt, springt die Ausgangsspannung von OP1 wieder auf 18 V. Und dieser Zyklus setzt sich ab jetzt endlos fort.
Der Invertierer
Damit beide Leuchten versetzt blinken, muss das Signal unseres Oszillators ins Gegenteil verkehrt werden. Dabei hilft uns, dass es ständig zwischen zwei Extremen pendelt: 18 V und 0 V. Dieses Signal kommt an den invertierenden Eingang.
Nun brauchen wir einen Wert am nichtinvertierenden Eingang, das sich ständig in der Mitte zwischen den Extremen aufhält. Das finden wir an unserem Spannungsteiler. Es schwankt zwar, jedoch ist es der Mitte stets näher als das Ausgangssignal des Oszillators.
Die Endstufe
Wenn wir die Leuchten direkt an die Ausgänge der ersten beiden OPVs anschlössen, bekämen wir bereits eine Wechselblinker, doch er würde ohne Übergang zwischen hell und dunkel wechseln. Die Trägheit eines Glühfadens, der sich langsam aufheizt und auskühlt, simulieren wir mit zwei Tiefpässen.
An ihrem Ausgang liegt zwar die gewünschte Spannung an, doch hier können wir die Leuchten nicht direkt anschließen. Ihr Stromverbrauch ist viel zu hoch, durch unsere Widerstände kann gar nicht soviel Strom fließen. Außerdem würden die Kondensatoren nicht nur über den Widerstand sondern auch über die Leuchten entladen. So kann das nicht funktionieren.
Also lernen wir eine weitere Beschaltung des Operationsverstärkers kennen: Die Gegenkopplung. Dabei führen wir den Ausgang auf den invertierenden Eingang zurück. In diesem einfachsten Fall ist das eine direkte Verbindung über eine Drahtbrücke. Die Ausgangsspannung wird sich nun so einregeln, dass die Spannung an beiden Eingängen gleich hoch ist. Das bedeutet, sie wird der Ausgangsspannung des Tiefpasses folgen.
Weil in die Eingänge des OPV nur ein vernachlässigbarer Strom fließt, sieht er aus Sicht des Tiefpasses wie ein sehr großer Widerstand aus. Aus Sicht der Leuchten wirkt er hingegen wie eine Spannungsquelle mit geringem Innenwiderstand, denn die Spannung schwankt nicht mit der Belastung. Daher nennt man diese Schaltung auch Impedanzwandler, vom Wort Impedanz für Widerstand.
Fazit
Ich hoffe, ich konnte dem einen oder anderen interessierten Laien ein paar Grundlagen der Schaltungstechnik vermitteln. Nächste Woche werde ich noch den Trick verraten, mit dem ich beide Leuchten unmittelbar nach dem Einschalten zum simultanen Aufleuchten bringe. Doch dann wird der Schwerpunkt wieder näher an der eigentlichen Modellbahntechnik liegen. Am Ende dieser Artikelreihe soll schließlich ein funktionsfähiger Bahnübergang stehen.
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Teil 2 - Blinkschaltung mit synchronem Aufblenden
Teil 3 - Einbau ins Gleis
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