Weichenantrieb mit Nitinoldraht

Der meistgelesene Artikel meines Blogs ist der über den verbesserten C-Gleis-Weichenantrieb - und das, obwohl sich die erwartete höhere Lebensdauer im Versuch nicht nachweisen ließ. Das zeigt mir, dass ein gesteigertes Interesse an Weichenantrieben besteht.

Heute stelle ich daher einen Eigenbau vor. Er ist leise und langsam, wie man im Video erkennen kann. Nitinoldrähte ersetzen die Magneten herkömmlicher Antriebe.

Eigenschaften von Nitinoldrähten

Nitinol ist eine Legierung aus Nickel und Titan. Sie verfügt über ein Formgedächtnis: Wenn ein Bauteil aus Nitinol erwärmt wird, "erinnert" es sich an seine frühere Form, die es im erwärmten Zustand hatte. Eine Spielerei sind Büroklammern aus diesem Material. Wenn man sie verbiegt und danach in heißes Wasser wirft, nehmen sie wieder die klassische Büroklammergestalt an.

Für die Modellbahn interessant sind Memorydrähte. Sie ziehen sich bei Erwärmung zusammen. Nutzbar sind ca. 4% der Gesamtlänge, höhere Werte setzen die Zyklenzahl zu sehr herab. Am einfachsten erwärmt man die Drähte mit Strom. Zum Zurückstellen ist eine Feder, ein Gegengewicht oder ein anderer Nitinoldraht nötig.

Übermäßige Erwärmung zerstört den Draht. Im Extremfall reißt er einfach. Durch zu hohe Zugkräfte, besonders im erwärmten Zustand, verliert er darüber hinaus sein Formgedächtnis. Auch die Hitze eines Lötkolbens kann schon schädlich sein - aber Nitinol lässt sich ohnehin nicht löten.

Wer sich genauer für die Materie interessiert, dem empfehle ich das Buch Erfolgreich experimentieren mit Nitinol-Mini-Robotern von Fred Wagenknecht.

Mechanik

Der Stellmechanismus einer C-Gleis-Weiche ist unter einer Abdeckung verborgen. Unter ihr findet man eine Umlenkscheibe mit Totpunktfeder. Letztere hält die Weiche nach dem Stellvorgang in ihrer Endlage fest. An der Scheibe kann nicht nur der herkömmliche Weichenantrieb ansetzen; wenn man zwei Löcher hineinbohrt, kann sie auch die Zugkraft von zwei Nitinoldrähten aufnehmen.

Stellmechanismus mit Nitinoldrähten.

Der Draht hat einen Durchmesser von 0,1mm. Er entwickelt bei einem Strom von 180mA eine Zugkraft von 150g. Genug, um die Weiche zu stellen. Die Montage ist allerdings etwas fummelig. Man benötigt ein Stück Messingrohr von 1mm Außendurchmesser. Dort fädelt man den Draht hindurch und macht einen Knoten in sein Ende. Dann schiebt man das Rohr über den Knoten und drückt es mit einer Flachzange zusammen. Damit hält es nicht nur mechanisch, sondern dient zu gleich als Lötpunkt für die Stromzufuhr, die mit biegsamen Drähten realisiert wird.

Am anderen Ende hält diese kleine Vorrichtung mit zwei Schaltschieberfedern den Draht gespannt. Obwohl sie sich bewährt hat, würde ich sie so nicht mehr bauen. In Zukunft werde ich die Drähte in Kunststoffrohren unterbringen. So ist auch sichergestellt, dass sie nicht heraushängen oder sich verheddern können. Allerdings muss ich dann auch einen geringeren Betriebsstrom wählen, da sich in den Rohren die Hitze stauen wird.

Spannvorrichtung der Stelldrähte

Vor den Federn sind zwei Stücke Ösen aus Messing plaziert, durch die der Draht geführt wurde. Der Antrieb kann neu justiert werden, indem man diese Ösen verschiebt. Wenn ein Draht kontrahiert, stützt er sich mit dem Messingrohr an seinem Ende an dieser Öse ab. Das Ende des anderen Drahtes muss zu diesem Zeitpunkt noch ein wenig Abstand haben, andernfalls arbeiten beide Drähte gegeneinander. Zu viel Abstand ist aber auch nicht gut, denn damit würde man Arbeitsweg verschenken.

Komplett in eine schlanke Weiche eingebaut sieht der Antrieb so aus:

Fertig umgebaute Weiche

Wie man sieht, ist der Mittelleiter mit Papier abgeklebt. Ein Kurzschluss des Drahtes mit anderen stromführenden Teilen muss unbedingt vermieden werden, da sowohl Decoder als auch Nitinoldraht dadurch Schaden nehmen könnten.

Decoder

Als Decoder dient der altbekannte WeichEi. In der Firmware kann man einstellen, wie lang ein Stellimpuls dauern soll. Dazu sind der Hex Manipulator und ein PICkit oder Programmer erforderlich. Die neue Stellzeit sollte etwa 3s betragen.

Stromregelung

Für den Antrieb ist ein Strom von etwa 180mA nötig. Zunächst stellte ich diesen mit einem Vorwiderstand ein. Dieser bewährte sich jedoch nicht, da Schwankungen der Betriebsspannung nicht ausgeregelt wurden. Mal floss zuviel Strom und die Weiche schaltete mit einem Ruck um, dann floss zuwenig und sie schaltete gar nicht. Zeit also für ein wenig Elektronik:

Stabilisierung des Betriebsstroms mit einem LM317

Der Linearregler LM317 wurde hier als Konstantstromquelle eingesetzt. Er ist bestrebt, die Spannung zwischen dem Ausgang und dem Groundpin auf 1,25V zu halten. Der Widerstand R1 hat einen Wert von 6,66Ω also fließen 187mA. (Natürlich kann man auch den Standardwert 6,8Ω wählen.)

Da eine erhebliche Verlustleistung anfällt, sollte man ein TO-220-Gehäuse wählen.

Ausblick

Seit dem Einbau der Linearregler arbeiten meine beiden Nitinol-Weichenantriebe sehr zuverlässig. Anders als bei Doppelspulenantrieben gibt es aber noch keine Möglichkeit, die Endlagen zu überwachen. Ich werde künftig etwas mit Lichtschranken oder Reedkontakten experimentieren, um eine Rückmeldung zu verwirklichen.