Weichenbedienung mit Schaltern

Wer mehrpolige Schalter zur Weichenbedienung einsetzt, kann mehrere Schaltfunktionen mit einem Handgriff auslösen. Da wird beispielsweise in Abhängigkeit vom gewählten Fahrweg ein Abstellgleis stromlos geschaltet, ein Herzstück polarisiert oder ein Signal bedient.

Leider ist diese Beschaltung für Weichenantriebe nicht gesund. Wenn sie keine Endabschaltung haben, werden sie nach kurzer Zeit durchbrennen. Das kann auch mit Endabschaltung passieren, wenn die Stellmechanik klemmt. Aus diesem Grund zeige ich hier fünf Möglichkeiten, den Strom mit Kondensatoren zu begrenzen. Als willkommener Nebeneffekt kann der Trafo teilweise entlastet werden. Für automatisierte Anwendungen denkt man sich den Schalter durch ein Relais ersetzt.

Die Schaltungen sind teils schon seit Jahren bekannt und können immer wieder im Netz oder in Zeitschriften gefunden werden. Leider ist mir von keiner bekannt, wer sie erfunden hat. Teilweise kann man auch davon ausgehen, dass sie unabhängig voneinander erdacht wurden.

Eine Übersicht über die verschiedenen Varianten gibt es meines Wissens auch nicht - bis jetzt. Ebensowenig fand man Sonderlösungen für Spezialanwendungen, wie zum Beispiel zwei Weichen, die synchron gestellt werden müssen, oder Dreiwegweichen. Auch für sie habe ich eigene Entwürfe beigefügt. Erprobt habe ich allerdings bislang nur die Grundschaltungen.

Geeignete Weichen

Einsetzbar sind die gezeigten Schaltungen bei allen Weichen ohne Endabschaltung. Dazu gehören auch solche, deren Endschalter überbrückt wurden. Beim M-Gleis muss die Weichenlaterne, falls vorhanden, eine separate Einspeisung erhalten.

Ersatzschaltbild einer M-Gleis-Weiche mit Antriebsspulen und Glühlampe.
Die markierte Verbindung zur Weichenlaterne muss getrennt werden.

Endabgeschaltete Weichen können nur mit den Varianten 1 und 3 verwendet werden. Die Endschalter mit einem Kondensator zu überbrücken, wie bei meinem verbesserten C-Gleis-Weichenantrieb, ist hier im besten Fall nutzlos. Es besteht sogar die Gefahr, dass die Endschalter durch sie schneller verschleißen. Auch der Einsatz von Freilaufdioden ist hier je nach Variante überflüssig oder schädlich

Statt Weichen könnten natürlich auch andere Magnetartikel mit Doppelspulenantrieben eingesetzt werden, wie Signale und manche Bahnübergänge. Ich habe mich bei meinen Tests aber auf Weichen des M-Gleises beschränkt.

Dimensionierung

Damit die Weiche sauber schaltet und nicht auf halbem Weg stehenbleibt, müssen die Betriebsspannung und die Kapazität der Kondensatoren richtig gewählt werden. Ich gehe davon aus, dass für gewöhnlich ein 16-V-Trafo verwendet wird.

16 V sind der Effektivwert. Der Spitzenwert ist um den Faktor 1,4 größer, und auf diesen Spitzenwert werden die Kondensatoren geladen. Dazu muss man noch eine Reserve rechnen, denn gerade ältere Trafos liefern bei schwacher Last eine deutlich höhere Spannung. Die Kondensatoren sollten auf eine Nennspannung von 35 V ausgelegt sein, damit sie nicht durch Überspannung zerstört werden.

Die Kapazität des Kondensators richtet sich nach der Weiche. Viel hilft viel, wenn es um schwergängige Weichenantriebe geht. Ich empfehle 1 mF (1000 µF), auch wenn es Weichen gibt, für die deutlich weniger reicht, denn Kondensatoren sind billig, und die Betriebssicherheit würde unter zu geringer Kapazität leiden.

Wo der Ladestrom des Kondensators nicht durch den Weichenantrieb selbst begrenzt wird, ist ein zusätzlicher Widerstand nötig. Man teile die Scheinleistung S des Trafos (in VA) durch das Quadrat der Betriebsspannung U, um den minimalen Widerstandswert zu haben. So stellt man sicher, dass der Trafo stets höchstens seinen Nennstrom liefern muss. Beispiel:

R ≥ U_Trafo² / S_Trafo = (16 V)² / 16 VA = 16 Ω

Alle weiteren Komponenten (Schalter, Dioden, Gleichrichter) müssen nach Spannung und Strom bemessen werden. Man kann nun den Spulenwiderstand messen und den Maximalstrom errechnen, oder man geht davon aus, dass höchstens 1 A fließt. In der Praxis können höhere Ströme fließen, aber nur kurzzeitig. Viele Komponenten verzeihen dies, wenn sie nicht völlig unterdimensioniert sind. Eine geeignete Universaldiode ist die 1N4001. Wer den Spannungsverdoppler aus Variante 2 benutzt, sollte stattdessen die 1N4002 wählen.

Zusammenfassung

Kondensator: 35V, etwa 1 mF je nach Weiche
Dioden: 1N4001 oder ähnlich (Variante 2: 1N4002)
Trafo: ca. 14-20 V

Schalter: mindestens 1A, 30V DC
Ladewiderstand: R ≥ U_Trafo² / S_Trafo

Noch ein Sicherheitshinweis: Nach dem Abschalten des Trafos bleiben die Kondensatoren geladen. Bevor man an der Verdrahtung arbeitet, sollte man sie entladen, beispielsweise indem man jeden Schalter zweimal betätigt. Erst dann muss man keine ungewollten Spannungsüberschläge mehr befürchten. Bevor man ein Ohmmeter irgendwo ansetzt, sollte man die Spannungsfreiheit mit dem Voltmeter prüfen.

Schaltungen für Wechselspannung

Bei diesen Schaltungen wird die gesamte Energie für den Stellvorgang in einem Kondensator gespeichert. Sie eignen sich besonders dann, wenn mehrere Weichen auf einmal gestellt werden sollen. Der Trafo muss nämlich nur genug Strom liefern, um die Kondensatoren langsam aber stetig zu laden.

Variante 1

Zwei Elkos, ein Widerstand, ein Schalter und eine Diode bilden die erste Schaltung. Von den Elkos ist jeweils einer über R₁ und D₁ mit dem Trafo verbunden und wird geladen, der andere entlädt sich über eine Antriebsspule. Man beachte, dass zu keinem Augenblick der Trafo direkt mit dem Antrieb verbunden ist.

Grundschaltung 1 zur Weichenbedienung mit Kippschalter

Diese Schaltung wurde so ähnlichin der DiMo 02/15 vorgestellt. Ich habe sie ein wenig vereinfacht. Es wurde dort irrtümlich geschrieben, es sei wichtig, die Schaltung mit Gleichstrom zu betreiben. Das stimmt nicht, es ist bereits durch die Diode D₁ ein Einweggleichrichter integriert, man kann die Schaltung also direkt an den Trafo anschließen.

Falls die Schaltung für mehrere Weichen genutzt wird, ist der Widerstand R₁ nur einmal nötig. Man sollte bei jedem zweiten Antrieb Diode und Kondensatoren umpolen. So werden beide Halbwellen ausgenutzt und verhindert, dass der Trafo vormagnetisiert wird und schließlich sättigt. Dies hätte nämlich einen internen Kurzschluss und ein Auslösen des Kurzschlussschutzes zur Folge. Besonders beim Einschalten der Anlage, wenn die Hälfte aller Kondensatoren gleichzeitig geladen werden muss, besteht diese Gefahr.

Parallelschaltung mehrerer Einzelmodule an einem Trafo

Wichtig ist, dass man sowohl die Diode als auch die Kondensatoren umpolt. Andernfalls knallt's. Elektrolytkondensatoren verzeihen keine Falschpolung.

Variante 2

Wem die gewöhnliche Spannungserhöhung um den Faktor 1,4 nicht ausreicht, kann es mit einer Greinacher-Schaltung versuchen. Bei jeder negativen Halbwelle wird C₁ über D₂ auf die Trafo-Spitzenspannung aufgeladen. Bei der positiven Halbwelle addiert sich seine Spannung zu der des Trafos und C₂ oder C₃ werden auf die doppelte Spannung geladen. Das bedeutet natürlich, dass 35 V Nennspannung für C₂ und C₃ nicht mehr ausreichen. Mit 63 V ist man auf der sicheren Seite.

Greinacher-Schaltung für besonders schwergängige Weichen
C₁ = 10µF, 35V; C_2,3 = 1mF, 63V

Beim Einsatz eines solchen Spannungsverdopplers ist Vorsicht geboten. Antriebsspulen sind robust, aber im Falle eines Verdrahtungsfehlers können andere elektrische Bauelemente Schaden nehmen. Auf analogen Anlagen sind vor allem Glühbirnen gefährdet, die ja leicht zu ersetzen sind; ein durchgebrannter Digitaldecoder hingegen wäre ein großes Ärgernis. Und auch die Weichenmechanik kann Schaden nehmen, da die Stellkraft viermal so groß ist wie bei den anderen Varianten. Andererseits ist dies genau das richtige für schwergängige M-Gleis-DKWs.

Der Kondensator C₁ wurde mit Absicht klein gewählt. Er begrenzt den Ladestrom der anderen Kondensatoren. Bei einer Frequenz von 50 Hz wirkt er als ein Blindwiderstand von 318 Ω. Noch ein Nebeneffekt: C₁ eliminiert den Gleichanteil im Trafostrom. Es werden also stets beide Halbwellen gleichermaßen genutzt.

Es ist nicht empfehlenswert, die Schaltung unmodifiziert an der digitalen Gleisspanung zu betreiben. Deren steile Flanken würden nämlich zu Stromspitzen führen, die in verschiedenen Elementen zu Schäden führen können. Überhaupt kann man bei der Greinacher-Schaltung viel falsch machen. Aus akademischem Interesse finde ich sie zwar hochinteressant, in der Praxis würde ich sie aber nur in Ausnahmefällen einsetzen. Einen solchen Ausnahmefall fand ich auf Vilems Homepage. Dort wird eine ähnliche Schaltung genutzt, um die Spannung eines Spur-Z-Trafos anzuheben, der sonst nur 10 V liefert.

Schaltungen für Gleichspannung

Diese Schaltungen funktionieren ausschließlich mit Gleichspannung. Diese kann über ein Netzteil bereitgestellt werden oder mit einem Brückengleichrichter aus Wechselspannung erzeugt werden. Ein Kondensator C₀ hinter dem Gleichrichter hebt nicht nur die Spannung um den Faktor 1,4 an, sondern entlastet auch den Trafo. Ein Ladewiderstand R₀ ist hier in der Regel nicht nötig, da der Ladestrom von C₀ nicht übermäßig hoch ausfällt. Besser ist es, man wählt einen belastbaren Gleichrichter

Brückengleichrichter zur Versorgung mit Gleichspannung

Der Vorteil dieser Varianten ist ihr einfacher Aufbau. Sie kommen mit wenig Bauelementen aus, belegen zum Beispiel nur einen Schalterpol oder brauchen nur einen Kondensator. Allerdings kann das gleichzeitige Schalten mehrerer Weichen nun den Trafo an seine Grenzen bringen. Und falls der Trafo sich schon beim Einschalten wieder abschaltet, sind doch zuviele Weichen angeschlossen und es ist doch ein Ladewiderstand R₀ nötig.

Die LED D₀ dient als Kontrollleuchte. Sie zeigt nicht nur an, ob C₀ geladen ist, sondern sie entlädt ihn auch wieder nach Abschalten des Trafos. Damit muss man bei den Varianten 3 bis 5 nicht mehr jeden Kondensator einzeln entladen, ehe man an der Schaltung arbeitet. Der Vorwiderstand R_LED sollte je nach gewünschter Helligkeit zwischen 1,5 kΩ und und 12 kΩ liegen.

Variante 3

Aus dem Forum des Miniatur-Wunderlandes habe ich diese Schaltung. Die Kondensatoren werden erst während des Stellvorgangs geladen. Das bedeutet, alle Energie muss aus dem Trafo kommen. Wenn ein Kondensator vollständig geladen ist, sperrt er. Über seinen parallelen Widerstand wird er wieder entladen, sobald er über den Schalter keinen Kontakt mehr zum Pluspol hat.

Strombegrenzung durch in Reihe geschaltete Kondensatoren

Für R₁ und R₂ habe ich 1 kΩ gewählt. Damit ist die Verlustleistung schon recht hoch. Die Widerstände müssen bei 16 V auf mindestens 250 mW ausgelegt sein und können heiß werden. Dennoch braucht es etwa 5 s, bis die Weiche wieder zurückgestellt werden kann.

Also zusammengefasst: keine Trafoentlastung, ständige Stromverschwendung,  niedrige Schaltfrequenz - dies ist mit Sicherheit die am wenigsten elegante Lösung. Aber man kommt mit einem einpoligen Umschalter aus

Variante 4

Es geht auch mit nur einem Kondensator. Bei dieser Schaltung wird sowohl der Lade- als auch der Entladestrom zum Stellen der Weiche verwendet. Als angenehmer Nebeneffekt wird der Trafo nur bei der Hälfte aller Stellvorgänge belastet.

Simple Schaltung mit nur einem Kondensator

Mit weniger Bauteilen kommt man nicht aus. Und noch ein Vorteil: Dies ist die erste Schaltung, die zwei Stellvorgänge unmittelbar hintereinander erlaubt.  Bei den Schaltungen 1 bis 3 muss jeweils die Lade- oder Entladezeit mindestens eines Kondensators bedacht werden. Nicht so hier. Wo der Kondensatorstrom nur durch den Widerstand der Antriebsspulen begrenzt wird, sind die beteiligten Zeitkonstanten so klein, dass sie ganz vernachlässigt werden können.

Variante 5

Wenn ein einpoliger Umschalter reichen muss, stellen Dioden sicher, dass jeweils die richtige Spule vom Strom durchflossen wird.

Mit dieser Schaltung reichen ein einpoliger Schalter und ein Draht pro Weiche aus.

Wenn man den Kondensator in unmittelbarer Nähe der Weiche anbringt und einen gemeinsamen Rückleiter nutzt, dann kommt man für jede weitere Weiche mit nur einem Draht aus. So spart man sich riesige Kabelbäume.

Variante 5b mit zwei Antrieben

Manchmal möchte man zwei Magnetartikel stets gemeinsam stellen, beispielsweise Haupt- und Vorsignal; In diesem Fall ist es sinnvoll, die Schaltung so aufzubauen, dass ein Kondensator mit dem Pluspol und einer mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist. Dadurch muss der Trafo beim Schalten stets nur die Leistung für einen Antrieb liefern, während der andere aus einem Kondensator gespeist wird.

Schaltung um zwei Magnetartikel zugleich zu schalten

Wollte man die Dioden einsparen und dies mit Variante 4 versuchen, so wäre ein vierpoliger Schalter nötig.

Schaltung für die symmetrische Dreiwegweiche

Symmetrische Dreiwegweichen, wie sie beispielsweise bei Märklin und Piko üblich sind, sollte man nicht mit zwei separaten Kippschaltern schalten, denn wenn man versehentlich beide Weichen auf Abzweig stellt, gibt es Zungensalat und der Fahrweg ist nicht mehr eindeutig vorgegeben. Man sucht also besser einen Schalter mit drei Stellungen (ein/ein/ein).

Diese Schalter sind in mehrpoliger Ausführung teuer. Die zweipolige Variante ist hier eine Ausnahme. Sie besteht aus zwei einpoligen Schaltern, die zusammen drei Zustände erlauben.

Die drei Zustände des Ein-Ein-Ein-Schalters

Mit nur einem Schaltkontakt pro Weiche ist man in der Schaltungstopologie doch etwas eingeschränkt. Ich empfehle, von der Variante 5 auszugehen, da man so mit nur zwei Kondensatoren auskommt. Wie schon in Variante 5b kommt ein Kondensator an Plus, der andere an Minus, so dass der Trafo stets nur den Strom für eine Weiche zu liefern hat.

Dreiwegweichenschaltung

So bleibt natürlich kein Schalterkontakt mehr übrig für eventuelle Zusatzfunktionen. Doch dafür gibt es Relais. Der Nutzer kann sich zwischen verschiedenen Varianten entscheiden: Monostabil, einspulig bistabil und zweispulig bistabil. Besonders die einspulige, bistabile Bauart bietet sich hier an. Ein geeigneter Typ ist das AGQ2104H von Panasonic.

Dreiwegweichenschaltung, um zwei Relais AGQ2104H erweitert

Viel Spaß beim Nachbau!

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