Richtungsabhängige Kontaktstrecke, Teil 2

Relais sind großartig: belastbar, leicht zu verstehen, vielseitig in der Anwendung. Sie sind aber auch klobig und teuer. Meine Relaisschaltung zur richtungsabhängigen Kontaktstrecke ist so groß, dass sie in einem Gebäude neben dem Gleis versteckt werden muss. Daher arbeite ich an einer verkleinerten Alternative.

Wie schon so oft dachte ich, dass man hier mit Logikgattern ganz einfach zu einer brauchbaren Schaltung käme; und wie so oft kam am Ende etwas mit Operationsverstärkern heraus. Der LM324 erwies sich erneut als vielseitig einsetzbar.

Schaltplan

Neben einem LM324 benötigt man zwei Kondensatoren, vier Dioden und zwölf Widerstände. Die LED D₅ und der Widerstand R₁₃ dienen nur zur Prüfung der Funktion. Hier würde man später die Schaltung zur technischen Sicherung des Bahnübergangs (Wechselblinker, Ampeln, Schranken) anschließen.

Nicht dargestellt ist die Versorgung der Schaltung. Die erfolgt über Brückengleichrichter und Kondensator entweder aus der digitalen Fahrspannung oder im Analogbetrieb vom Lichtausgang des Trafos.

Wirkungsweise

Wer sich mit Operationsverstärkern noch nicht auskennt, dem empfehle ich meine Einführung zu diesem Thema. Der Komparator und Monoflop werden in Teil 1 vorgestellt, der invertierende Schmitt-Trigger in Teil 2.

Wie schon bei der richtungsabhängigen Kontaktstrecke vom September wird das Gleis in drei Abschnitte eingeteilt: A₁,  A₂ und  A₃. Das Ziel ist es nun, die technische Sicherung nur zu aktivieren, solange sich ein Zug dem Bahnübergang nähert oder sich auf diesem befindet.

Die Gleisbelegtmeldung über die Achsen gibt nur einen unsicheren Kontakt. Außerdem wird, um den Diodentrick nutzen zu können, nur eine Halbwelle zur Auswertung herangezogen. Um dennoch ein prellfreies, kontinuierliches Signal zu erhalten, hat die Schaltung am Eingang zwei Monoflops: OP₁ und OP₂.

Die Ausgänge sind über den Spannungsteiler R₆-R₇ mit einem invertierenden Schmitt-Trigger verbunden.

OP1	OP2	OP3
0	0	1
0	1	vorheriger Zustand wird beibehalten
1	0	vorheriger Zustand wird beibehalten
1	1	0

Die meiste Zeit über ist unser Schmitt-Trigger also eingeschaltet. Erst wenn beide Eingänge eingeschaltet sind, d.h. wenn ein Zug den mittleren Kontaktstreckenabschnitt erreicht hat, schaltet er aus.

Die Widerstände R₁₁ und R₁₂ bilden einen weiteren Spannungsteiler. Durch ihn wird der Mittelwert φ1 der Ausgangsspannungen von OP₁ bis OP₃ gebildet und durch OP₄ mit dem Referenzwert φ2 verglichen. Sehen wir uns den Verlauf dieses Mittelwertes an:

Jede Zugfahrt auf dem Bahnübergang gliedert sich in die gleichen Phasen:

1. Kein Zug ist auf der Kontaktstrecke; der Bahnübergang ist also frei. φ₁ > φ₂.
2. Der Zug fährt in Abschnitt A₁ ein. Nun muss der Bahnübergang für den Straßenverkehr gesperrt werden. OP₁ schaltet aus. φ₁ < φ₂.
3. Der Zug erreicht den Bahnübergang. OP₂ schaltet aus, OP₃ schaltet folglich ein. Unverändert gilt: φ₁ < φ₂.
4. Der Zug verlässt den Bahnübergang; dieser ist nun wieder frei für Straßenverkehr. OP₁ schaltet mit kurzer Verzögerung ein. Da der Schmitt-Trigger noch aus ist, gilt: φ₁ > φ₂.
5. Sobald der Zug auch den Abschnitt A₃ verlassen hat, ist der Ausgangszustand wieder hergestellt. φ₁ > φ₂.

Wir sehen, dass φ₁ nur solange kleiner ist als φ₂, wie der Bahnübergang gesperrt sein muss. Durch den symmetrischen Aufbau der Schaltung gilt es auch, wenn der Zug aus der Gegenrichtung kommt, also OP₂ zuerst einschaltet. Stets wird der Bahnübergang bei Annäherung des Zuges gesperrt und wird sofort geöffnet, wenn der Zug ihn verlassen hat.

Ausblick

Mein nächstes Ziel ist es, die Blinkschaltung oder Ampelsteuerung eines Bahnübergangs mit ihrer richtungsabhängigen Ansteuerung auf einer Platine zu vereinen, die von unten einfach ins C-Gleis eingesteckt werden kann. Mit SMDs ist dies möglich.

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