Nachdem sich die Gleisdreieck-Automatik als praktisch erwies, entwarf ich eine verkleinerte Variante, die sich direkt ins Gleisbett einfügen lässt wie ein Decoder. Statt des klobigen Relais kam wieder eine Schaltung mit Operationsverstärkern zum Einsatz.
Zu den Vorteilen gehört, dass auf die teuren Schaltgleise nun doch verzichtet werden kann. Kontaktgleise reichen zum Ansteuern, doch wer Schaltgleise vorzieht, kann auch diese verwenden. Der Diodentrick wurde ebenfalls berücksichtigt. Die benötigten Dioden sind auf der Platine untergebracht.
Alles perfekt? Nicht ganz. Mit ein paar Kinderkrankheiten hat die Schaltung noch zu kämpfen. Dennoch stelle ich hier schon einmal die bisherigen Ergebnisse vor.
Schaltung
Wieder einmal muss die Gleisspannung zunächst gleichgerichtet werden. Aus Platzgründen kann zur Glättung nur ein sehr kleiner Kondensator von 10 µF eingesetzt werden. Wer analog fährt, sollte eine separate Gleichspannungsversorgung vorsehen, da 10 µF nicht reichen, um die Zeit zwischen zwei Halbwellen der Wechselspannung zu überbrücken. 1 mF wären da eher angebracht.
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| Spannungsversorgung |
Als Treiber für de Ausgang wird ein ULN2002 eingesetzt. Dieser entspricht dem vom WeichEi bekannten ULN2003, verträgt jedoch eine höhere Eingangsspannung. Die Spulen des Weichenantriebs werden mit den Klemmen A1 und A2 verbunden.
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| Vereinfachtes Schaltbild von Weichenantrieb und Treiber (Anklicken zum Vergrößern) |
Die Ansteuerung ist sowohl über Schalt- als auch Kontaktgleise möglich, da gegen Masse geschaltet wird. Ein Anschluss an die herkömmlichen Stellpulte (Märklin 72720 o. ä.) ist zusätzlich möglich. So kann die Weiche auch weiterhin fernbedient werden.
Als Eingänge der Schaltung wurden E0, E1 und E2 festgelegt. Wenn ein Fahrzeug in das Gleisdreieck einfährt, schließt es zunächst den Konkakt E1 oder E2, und die Weiche wird so gestellt, dass sie nicht aufgefahren werden muss. Die Richtung, aus der das Fahrzeug kommt, wird gespeichert. Sobald es das Stumpfgleis erreicht hat und den Kontakt E0 schließt, wird die Weiche in die andere Richtung gestellt.
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| Anschluss der Automatik mit Kontaktgleisen und optionalem Stellpult 72720 (Anklicken zum Vergrößern) |
Zwei Komparatoren bilden nachtriggerbare Monoflops, wie im Artikel zu Operationsverstärkern schon beschrieben. Sobald die Kontakte E1 oder E2 geschlossen werden, wird einer der Kondensatoren entladen und damit ein Ausgang eingeschaltet. Da es etwa 0,7 s dauert, bis er wieder entladen ist, bleibt der Ausgang durchgehend ein, selbst wenn das Eingangssignal nicht kontinuierlich ist. Das ist wichtig, da nur eine Halbwelle der Gleisspannung zur Ansteuerung dient. Die andere kann durch den Diodentrick zur Versorgung der Fahrzeuge genutzt werden.
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| Zeitglieder zur Erzeugung eines kontinuierlichen Stellbefehls aus einer Halbwelle (Anklicken zum Vergrößern) |
Das Gedächtnis der Schaltung bildet ein dritter Operationsverstärker. Dieser ist als Schmitt-Trigger beschaltet, so dass er seinen Zustand beibehält, falls kein Signal von außen eintrifft. Über D4 wird er eingeschaltet, er merkt sich also, dass zuletzt an E2 ein Signal anlag. Wenn nun E0 geschlossen wird, verhindert er, dass C2 entladen wird.
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| Schmitt-Trigger, um den letzten Befehl zu speichern (Anklicken zum Vergrößern) |
Für den zweiten Ausgang muss eine ähnliche Schaltung geschaffen werden. Allerdings ist hier kein zweiter Schmitt-Trigger nötig. Es reicht, wenn der Zustand des ersten invertiert wird. Dazu reicht ein Komparator.
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| Vollsändige Ansteuerung des Treibers (Anklicken zum Vergrößern) |
Damit ist die Schaltung komplett. Wer Kontaktgleise einsetzt und den Diodentrick anwenden will, verbindet nun noch die drei Eingänge jeweils über eine Diode mit Masse. (Kathode an Eingang, Anode an Masse.)
Integration ins Gleisbett
Die Platine bildet die Form der Einbau-Weichendecoder von Märklin nach. Die Automatik wird wie ein solcher eingesetzt und verdrahtet. Die Rückseite ist eine durchgehende Massefläche, so dass sie nich isoliert zu werden braucht. Die einzige Ausnahme ist eine Leiterbahn (im Bild verzinnt), die vorsichtshalber mit einem Streifen Isolierband abgeklebt werden sollte.
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| Rückseite der Gleisdreieckautomatik. |
Das Testexemplar geriet leider etwas zu klein, was wohl auf eine falsche Einstellung des Druckers zurückzuführen ist. Kurzerhand klebte ich den Decoder ein. Dies wird in Zukunft nicht mehr nötig sein.
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| Vollständig verdrahtete Weiche mit eingeklebtem Decoder |
Testbetrieb
Bei Versuchen stellte ich fest, dass die Automatik im Trockenversuch (Test mit Gleichspannung, Glühlampen als Last) zwar funktionierte, im Betrieb aber zu häufigen Störungen neigte. Die Automatik ist also noch nicht ausgereift und muss überarbeitet werden. Die Probleme im einzelnen:
Der Schmitt-Trigger schaltete teilweise unkontrolliert hin und her. So konnte es passieren, dass der Fahrweg nicht korrekt gespeichert wurde oder gar, falls gerade E0 geschlossen war, beide Antriebsspulen gleichzeitig bestromt wurden. Als Ursache wurden ungeeignete Dioden ausfindig gemacht. PN-Dioden führen beim Übergang in den Sperrbetrieb einen Rückwärtserholstrom, der zu Störungen führen kann. Ich werde sie durch Schottky-Dioden ersetzen.
Der Kondensator C1 ist zu klein, um den Weichenantrieb zu versorgen, falls auf der Anlage gerade die kleinste Stromunterbrechung eintritt. Durch so einen Spannungseinbruch kann der Schmitt-Trigger seinen Zustand ungewollt ändern. Daher wird in der nächsten Version die Stromversorgung von Leistungs- und Steuerelektronik durch eine zusätzliche Diode getrennt. Außerdem wird der ULN2002 durch Mosfets ersetzt, zu deren Ansteuerung weit weniger Energie benötigt wird.
Im Störfall kann es bislang noch dazu kommen, dass der Weichenantrieb Dauerstrom führt, beispielsweise wenn er seine Endlage nicht erreicht. Daher werden in Zukunft nicht-nachtriggerbare Monoflops verwendet, deren Impulsdauer beschränkt ist. Vielleicht lässt sich auch eine Sperre integrieren, die verhindert, dass beide Monoflops gleichzeitig ausgelöst werden.
Der erhöhte Schaltungsaufwand wird sich hoffentlich in höherer Zuverlässigkeit niederschlagen.Sobald die überarbeitete Variante fertig ist, werde ich sie natürlich hier vorstellen.
Der Schmitt-Trigger schaltete teilweise unkontrolliert hin und her. So konnte es passieren, dass der Fahrweg nicht korrekt gespeichert wurde oder gar, falls gerade E0 geschlossen war, beide Antriebsspulen gleichzeitig bestromt wurden. Als Ursache wurden ungeeignete Dioden ausfindig gemacht. PN-Dioden führen beim Übergang in den Sperrbetrieb einen Rückwärtserholstrom, der zu Störungen führen kann. Ich werde sie durch Schottky-Dioden ersetzen.
Der Kondensator C1 ist zu klein, um den Weichenantrieb zu versorgen, falls auf der Anlage gerade die kleinste Stromunterbrechung eintritt. Durch so einen Spannungseinbruch kann der Schmitt-Trigger seinen Zustand ungewollt ändern. Daher wird in der nächsten Version die Stromversorgung von Leistungs- und Steuerelektronik durch eine zusätzliche Diode getrennt. Außerdem wird der ULN2002 durch Mosfets ersetzt, zu deren Ansteuerung weit weniger Energie benötigt wird.
Im Störfall kann es bislang noch dazu kommen, dass der Weichenantrieb Dauerstrom führt, beispielsweise wenn er seine Endlage nicht erreicht. Daher werden in Zukunft nicht-nachtriggerbare Monoflops verwendet, deren Impulsdauer beschränkt ist. Vielleicht lässt sich auch eine Sperre integrieren, die verhindert, dass beide Monoflops gleichzeitig ausgelöst werden.
Der erhöhte Schaltungsaufwand wird sich hoffentlich in höherer Zuverlässigkeit niederschlagen.Sobald die überarbeitete Variante fertig ist, werde ich sie natürlich hier vorstellen.
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Der Operationsverstärker 1: Grundlagen, Komparator, Monoflop
Der Operationsverstärker 2: Mitkopplung, Schmitt-Trigger, Oszillator, Bü-Ampel
Gleisdreieck-Automatik: Gleispläne, Relaisschaltung
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