Abseits der Gleise lassen sich mit Lichteffekten Akzente setzen. Eine ampelgeregelte Kreuzung gehört dazu. Nachdem ich schon gezeigt habe, wie die Ansteuerung einer Ampel für Bahnübergänge aussieht, erweitere ich das Prinzip auf eine komplette Kreuzung.
Dies könnte eine Alternative sein für alle, deren Budget durch Fallers Ampelsteuerung 161655 etwas zu sehr strapaziert würde. Die Materialkosten liegen nämlich unter 5 €. Mir ging es aber nur darum, ein Beispiel für die Mächtigkeit von Operationsverstärker-Schaltungen zu liefern.
Geeignete Ampeln
Die Ampelschaltung reicht für die vier Ampeln einer gewöhnlichen Kreuzung aus. Gesonderte Ampeln für Linksabbieger oder ähnliches sind nicht vorgesehen, Fußgängerampeln sind eine Option, die ich beim Prototypen noch nicht umgesetzt habe.
Die Betriebsspannung beträgt 12 V. Die Leuchtkörper sind entweder Glühlampen oder LEDs mit gemeinsamer Anode. Vorwiderstände können dabei entweder für jede Farbe einzeln oder für alle Farben gemeinsam vorhanden sein; man sollte diese beiden Typen aber nicht mischen, da sonst die zulässige Sperrspannung einzelner LEDs überschritten wird.
Eine solche Ampel kann man beispielsweise bei Conrad als Bausatz erwerben und nach Wunsch verdrahten. Bei Kleinserienanbietern kann man sich die Ampel teilweise nach Vorgabe fertigen lassen. Wer eine filigrane Ampel nach Maß sucht, wird wahrscheinlich beim Modellbahnwerk fündig. Dies ist allerdings ein teures Vergnügen.
Die Helligkeit richtet sich nach den verwendeten LEDs und dem dazugehörigen Vorwiderstand. Niedriger als 2,2 kΩ sollte dieser nicht sein, da die Ampel sonst wie ein Scheinwerfer wirkt.
Die Betriebsspannung beträgt 12 V. Die Leuchtkörper sind entweder Glühlampen oder LEDs mit gemeinsamer Anode. Vorwiderstände können dabei entweder für jede Farbe einzeln oder für alle Farben gemeinsam vorhanden sein; man sollte diese beiden Typen aber nicht mischen, da sonst die zulässige Sperrspannung einzelner LEDs überschritten wird.
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| Schaltskizzen geeigneter Ampeln |
Eine solche Ampel kann man beispielsweise bei Conrad als Bausatz erwerben und nach Wunsch verdrahten. Bei Kleinserienanbietern kann man sich die Ampel teilweise nach Vorgabe fertigen lassen. Wer eine filigrane Ampel nach Maß sucht, wird wahrscheinlich beim Modellbahnwerk fündig. Dies ist allerdings ein teures Vergnügen.
Die Helligkeit richtet sich nach den verwendeten LEDs und dem dazugehörigen Vorwiderstand. Niedriger als 2,2 kΩ sollte dieser nicht sein, da die Ampel sonst wie ein Scheinwerfer wirkt.
Schaltzeiten
Als erstes muss die Sequenz und Dauer der einzelnen Phasen festgelegt werden. Ich habe mich für die folgenden Zeiten entschieden:
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| Schaltzeiten der Ampel. Die Grünphasen können verkürzt werden. |
Bei vielen Ampelsteuerungen, die ich im Netz gefunden habe, wird vernachlässigt, dass die zweite Phase (gelb-rot) kürzer ist als die vierte (gelb). Diesen Fehler habe ich vermieden. Ebenso ist die Länge der Grünphase in Abhängigkeit von der Verkehrsbelastung stark unterschiedlich. Daher habe ich eine Möglichkeit vorgesehen, sie nachträglich zu justieren. Auch der subjektive Eindruck kann davon profitieren, dass die Dauer der Grünphase, in der ja nichts geschieht, verringert wird.
Wer die Schaltzeiten ganz realistisch planen will, dem empfehle ich einen Besuch auf www.info-lsa.de.
Schaltplan
Analoge Schaltungen reagieren teilweise empfindlich auf Schwankungen der Betriebsspannung. Damit die vorgegebenen Schaltzeiten eingehalten werden, muss aus der Wechselspannung des Modellbahntrafos eine geglättete und stabilisierte Gleichspannung erzeugt werden. Die Kombination aus Gleichrichter, Elko und Linearregler ist die einfache und bewährte Lösung für dieses Problem.
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| Das Spannungsversorgungmodul. Es kann bis auf C2 entfallen, falls die Schaltung direkt mit 12 V gespeist wird. |
Die Kapazität von C1 sollte dabei mindestens 2 µF pro 1 mA Betriebsstrom betragen. Den Eigenbedarf der Schaltung kann man mit 6 mA ansetzen.
Mit einer so auf 12 V stabilisierten Spannung kann der Dreieck-Rechteck-Generator betrieben werden, den ich bereits vorgestellt habe. Für die Ampelsteuerung werden sowohl das Dreieck- als auch das Rechtecksignal benötigt. Die Operationsverstärker sind in einem LM324 enthalten. Mehr Infos sind am Artikelende verlinkt.
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| Dreieck-Rechteck-Generator mit einstellbarer Amplitude und Frequenz |
Der Integrierer OP2 liefert ein Dreiecksignal, das mit konstanter Steigung zwischen den beiden Schaltschwellen des Schmitt-Triggers OP1 hin- und herschwingt. Mit P1 werden diese Schaltschwellen beeinflusst. Je größer der Wert, desto größer wird die Amplitude. Die Periodendauer steigt proportional dazu. Die folgende Abbildung zeigt zwei beispielhafte Verläufe mit großer und kleiner Amplitude.
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| Spannungsverläufe des Dreieck-Rechteck-Generators UB = Betriebsspannung (12V), UOP,max/min = Aussteuergrenzen Ur = Mitte zwischen UOP,max und UOP,min (5,5V) Uo1, Uo2, Uu1, Uu2 = Schaltschwellen des Schmitt-Triggers |
Eine neue Ampelphase wird immer dann erreicht, wenn das Dreiecksignal bestimmte Schwellenwerte überschreitet. Wie man im Diagramm sieht, liegen die Gelbphasen und die gemeinsame Rotphase in der Mitte zwischen den Grünphasen. Wenn durch P1 die Amplitude vermindert wird, werden die Grünphasen verkürzt, während die anderen Phasen unverändert bleiben.
Das Auswerten der Spannung erfolgt mit Komparatoren. Dabei hält jede Farbe eine eigene Schwierigkeit bereit:
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| Zuordnung der Ampelphasen zu den Spannungsverläufen |
Das Auswerten der Spannung erfolgt mit Komparatoren. Dabei hält jede Farbe eine eigene Schwierigkeit bereit:
- Der Schwellenwert für Grün ist für steigende und sinkende Spannung unterschiedlich, damit die Gelbphase doppelt so lang dauert wie die Gelb-Rot-Phase.
- Gelb muss automatisch ausgeschaltet werden, sobald Grün eingeschaltet wird.
- Rot muss gemeinsam mit Gelb ausgeschaltet werden, aber erst eingeschaltet werden, wenn gelb erloschen ist.
Für jedes dieser Probleme gibt es eine Lösung, die leicht nachzuvollziehen ist, wenn man sich den Aufbau der Schaltung schrittweise verdeutlicht. Zunächst wird der bekannte Dreieck-Rechteck-Generator ergänzt um zwei Komparatoren, die auf den Ausgang für Gelb wirken. Zur Verstärkung - der LM324 kann nicht genug Strom für die Ampeln einer ganzen Kreuzung liefern - wird ein ULN2804A eingesetzt.
Mit dieser Schaltung allein würde Gelb auch während der Grünphase leuchten. Nun werden zwei weitere Komparatoren und ein weiterer Spannungsteiler hinzugefügt. Sie steuern die Ausgänge für Grün. Zusätzlich wird die Basis der Ausgänge für Gelb kurzgeschlossen. Ziel erreicht.
Man beachte die Verbindung zum Rechtecksignal durch R12. Sie bewirkt die Anpassung der Schaltschwellen je nach steigender oder fallender Flanke des Dreiecksignals
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| Signalgenerator, Treiber, Gelblicht. (Anklicken zum Vergrößern) |
Mit dieser Schaltung allein würde Gelb auch während der Grünphase leuchten. Nun werden zwei weitere Komparatoren und ein weiterer Spannungsteiler hinzugefügt. Sie steuern die Ausgänge für Grün. Zusätzlich wird die Basis der Ausgänge für Gelb kurzgeschlossen. Ziel erreicht.
Man beachte die Verbindung zum Rechtecksignal durch R12. Sie bewirkt die Anpassung der Schaltschwellen je nach steigender oder fallender Flanke des Dreiecksignals
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| Wie oben, aber mit Grünlicht (Anklicken zum Vergrößern) |
Für Rot nutze ich eine Variante des Präzisions-Schmitt-Triggers. Um die Anzahl der benötigten Widerstände zu verringern, teilen sie sich ihren Spannungsteiler. Dieser Trick ist nur möglich, weil stets mindestens einer der Operationsverstärker nach unten ausgesteuert ist. Zum Ausgleich hat R20 nur 470 kΩ statt 1 MΩ.
Damit ist die Ampelsteuerung fertig. Durch den ULN2804A ist jeder Ausgang mit 500 mA belastbar. Ich rechne pro LED mit höchstens 5 mA. Natürlich muss auch der Linearregler dieser Last angepasst sein.
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| Vollständiger Schaltplan (Anklicken zum Vergrößern) |
Damit ist die Ampelsteuerung fertig. Durch den ULN2804A ist jeder Ausgang mit 500 mA belastbar. Ich rechne pro LED mit höchstens 5 mA. Natürlich muss auch der Linearregler dieser Last angepasst sein.
Stückliste
Spannungsversorgung
1x Brückengleichrichter
1x Elko 220 µF
1x Linearregler 7812
1x Kondensator 100 nF
Ampelsteuerung
1x Keramikkondensator 10 µF
2x LM324
1x Lochstreifenplatine, 39 Streifen zu 20 Löchern
1x Poti 100 kΩ
1x Schraubklemme zweipolig, RM 2,54 mm
1x Schraubklemme siebenpolig, RM 2,54 mm
1x ULN2804A
2x Widerstand 10 kΩ
3x Widerstand 68 kΩ
1x Widerstand 150 kΩ
2x Widerstand 180 kΩ
1x Widerstand 390 kΩ
3x Widerstand 470 kΩ
1x Widerstand 560 kΩ
7x Widerstand 1 MΩ
1x Widerstand 1,2 MΩ
1x Widerstand 2,7 MΩ
Video
Ein Video vom Test der Schaltung findet man hier: http://youtu.be/UM5t6a7kE6Y
Fußgängerampel
Eine Fußgängerampel lässt sich auf verschiedene Weise hinzufügen, beispielsweise indem man einen weiteren Spannungsteiler und Komparatoren einsetzt. Wenn man auch diesen Spannungsteiler mit dem Rechtecksignal beeinflusst, kann man die Fußgängerampel der Autofahrerampel voreilen lassen, wie es oft beim Vorbild zu beobachten ist. Das Problem sehe ich vor allem darin, überhaupt ein bezahlbares Modell einer Fußgängerampel zu finden.
Fahrzeugbeeinflussung
Mit Fahrzeugbeeinflussung habe ich mich noch nicht befasst, da ich kein Car System betreibe. Prinzipiell ist es aber möglich, parallel zu den Ampeln weitere Lasten zu schalten. Dies können Spulen von Stopstellen des Car Systems sein oder auch Relais. Freilaufdioden sind im ULN2804 enthalten. Denkbar ist auch die Ansteuerung eines Servos über eine Hilfsschaltung. Wichtig ist, dass der Strom von 0,5 A pro Ausgang nicht überschritten wird. Auch der Linearregler muss dem hohen Strom angepasst sein. Ich gehe davon aus, dass jeder Anwender sein System besser kennt als ich und leicht den optimalen Weg finden kann.
Verwandte Artikel
Der Operationsverstärker 1: Grundlagen, Komparator, Monoflop
Der Operationsverstärker 2: Mitkopplung, Schmitt-Trigger, Oszillator, Bü-Ampel
Der Operationsverstärker 3: Gegenkopplung, Integrierer, Dreieck-Rechteck-Generator, etc.
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