Strombegrenzung für Weichenantriebe

Prinzipiell kann man endabgeschaltete Weichenantriebe mit Schaltern statt Tastern ansteuern. Aber wenn der Antrieb aus irgendeinem Grund seine Endlage nicht erreicht, beispielsweise weil ein Schotterstein in die Mechanik geraten ist, fließt dauerhaft Strom und die Spule kann durchschmoren. Auch defekte Endschalter sind ein Ärgernis, wenn man sie nicht rechtzeitig entdeckt.

Die Schaltung, die ich heute vorstelle, verhindert die Zerstörung des Antriebs und zeigt automatisch an, ob und wo ein Problem vorliegt. Sie eignet sich besonders für Doppelspulenantriebe, kann aber auch für motorische Antriebe abgewandelt werden.

Grundschaltung

Ein Doppelspulenantrieb benötigt im Moment des Schaltens einen recht hohen Strom - 1,5 A sind beim C-Gleis normal. Diese Leistung würde ausreichen, um eine mittlere Lötstation zu betreiben. Kein Wunder, dass Endschalter nötig sind, um die Dauer des Stromflusses und damit die Wärmeentwicklung zu begrenzen.
Man kann jedoch die Energie, die im Antrieb freigesetzt wird, durch einen Kondensator C begrenzen. Wie im Schaltbild zu sehen, wird dieser über den Widerstand R₁ und eine Glühlampe geladen. Bei Betätigung eines Schalters steht dem Antrieb nur kurz die volle Betriebsspannung zur Verfügung. Das reicht, um die Weiche zu stellen. Der Endschalter öffnet sich dann, der Kondensator wird nachgeladen und der nächste Stellvorgang kann stattfinden.

Falls der Endschalter sich nicht öffnet, weil der Antrieb aus irgendeinem Grund blockiert ist, entlädt sich der Kondensator nahezu komplett über die Antriebsspulen. Danach wird der Strom durch Widerstand und Glühlampe auf ein ungefährliches Maß begrenzt. Ein Durchschmoren des Weichenantriebs ist damit ausgeschlossen. Der Anwender erkennt den Fehler daran, dass das Lämpchen dauerhaft leuchtet.
Nun kommt der Taster ins Spiel: Er ist im Normalbetrieb geschlossen. Wenn man ihn betätigt, trennt man die Verbindung des Kondensators zu den Antrieben und ermöglicht so den Nachladevorgang. Wenn man den Taster nun loslässt, wird der Antrieb ein zweites Mal bestromt. Falls auch dies nicht ausreicht, um die Weiche zu stellen, ist es Zeit, nach dem Fehler zu suchen.

Diese Schaltung wurde so bereits im Model Railway Constructor Annual von 1979 vorgestellt, damals mit folgender Dimensionierung:

Betriebsspannung: 24 V

R₁: 35 Ω
C: 10 mF, 36 V

Heute nimmt man statt der empfindlichen Glühlampen lieber eine Leuchtdiode D2. Diese braucht einen Vorwiderstand R₂ und, falls im Gleichstromkreis noch andere Verbraucher vorhanden sind, eine Freilaufdiode D₁. Ausnahmsweise gibt hier nicht die höhere Effizienz der Leuchtdiode den Ausschlag, sondern ihre lange Lebensdauer und Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen.

Für die Antriebe des C-Gleises können die Komponenten etwas kleiner ausgelegt werden. Gerade ein kleinerer Kondensator nimmt nicht nur weniger Platz weg, sondern ist auch schneller wieder geladen. Bei den Widerständen muss die Verlustleistung beachtet werden, sonst raucht's. In meinem Versuch reichte diese Dimensionierung völlig aus:

Betriebsspannung: 21 V (gleichgerichtete Wechselspannung)

R₁: 56 Ω, 5 W

R₂: 1100 Ω, 0,5 W

C: 2 mF, 35 V

D₁: 1N4001

Mit dieser Dimensionierung war es kein Problem, die C-Gleis-DKW zu betätigen. Einmal ließ ich einen Antrieb eine halbe Stunde lang in der falschen Stellung (d.h. ich legte einen Kippschalter um und blockierte gleichzeitig per Hand den Stellvorgang) und er wurde in dieser Zeit kaum handwarm.

Das Durchschmoren der Weichenantriebe wird also zuverlässig verhindert. Allerdings hat die Schaltung zwei Nachteile: Erstens zeigt sie im Fehlerfall nicht an, welcher Antrieb das Problem verursacht; zweitens gibt sie bei losen Kabeln oder defekten Endschaltern keine Fehlermeldung. Die folgende Variante löst beide Probleme.

Rückmeldung

Mit zweipoligen Schaltern kann eine Rückmeldung verwirklicht werden. Dabei wird ausgenutzt, dass an der Spule, die für den gerade nicht eingestellten Fahrweg zuständig ist, der Endschalter geschlossen ist. Die Rückmelde-LEDs dürfen nicht in die Strombegrenzung eingebunden werden, damit sie auch im Fehlerfall noch leuchten, aber sie können problemlos aus dem gleichen Trafo versorgt werden wie der Rest der Schaltung.

Für die meisten Anwendungen ist eine LED pro Weiche völlig ausreichend, da der Fahrweg durch den Kippschalter eindeutig angezeigt wird. Wer eine konventionelle Rückmeldung mit zwei LEDs schätzt, der kann auch für jeden Fahrweg eine eigene LED verwenden. Das dürfte gerade für Gleisbildstellpulte oder Automatikbetrieb (mit Relais statt Schaltern) sinnvoll sein.

Es können auch zweifarbeige LEDs mit gemeinsamer Anode verwendet werden.

Freilaufdioden

Wer die Endschalter seiner Weichen mit Freilaufdioden schützt, wie z.B. bei meinem verbesserten C-Gleis-Weichenantrieb, muss die Polarität aller Bauelemente beachten. Die Anode muss zum Pluspol zeigen, die Kathode zum Minuspol. Falls die Rückmeldung verwendet wird, sollte auch auf die Kondensatoren über dem Endschalter verzichtet werden.

Variante für motorische Weichenantriebe

Prinzipiell kann die Schaltung auch für Gleichstrommotoren verwendet werden. Der zweipolige Kippschalter wird dann zur Polwendeschaltung. Eine Rückmeldung wie im obigen Schaltplan ist damit nicht mehr möglich.

Leider konnte ich diese Schaltung noch nicht ausprobieren, da ich keine motorischen Weichenantrieb verwende. Mit dem Aufkommen von Servos dürfte diese Antriebsart auch stark an Verbreitung verloren haben.

Weitere Möglichkeiten

• Für Automatikbetrieb kann jeder Kippschalter durch ein Relais ersetzt werden. Ich empfehle die bistabile Bauart, denn monostabile Relais würden beim Abschalten der Anlage oder bei kurzen Stromunterbrechungen abfallen und somit sehr viele Weichen auf einmal stellen. Da der Kondensator dafür nicht genug Energie liefern kann, wäre die Weichensteuerung erstmal lahmgelegt.
• Mit mehrpoligen Schaltern lassen sich zusätzliche Funktionen auslösen. Beispielsweise kann man sie zur Weichenpolarisierung oder Zugbeeinflussung einsetzen. Gerade Analogbahner dürften von diesen Möglichkeiten profitieren.
• Statt die Schalter, wie im Titelbild gezeigt, in Reihen anzuordnen, kann man auch ein Gleisbildstellpult bauen.

Eine Kleinserie?

Ein Stellpult, wie oben gezeigt, ließe sich leicht als Bausatz anbieten. Die Holzteile könnte ich selbst herstellen, eine Platine könnte man professionell herstellen lassen. Leider ist letzteres als Einzelanfertigung ziemlich teuer. Mit einer Sammelbestellung ließen sich die Kosten für einen kompletten Bausatz (Platine, elektrische Bauteile, Holzgehäuse) bei zehn Exemplaren auf etwa 25 € drücken. Wer Interesse an einem solchen Bausatz hat, möge sich bitte per E-Mail (siehe Impressum) an mich wenden.

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