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Elektrik und Elektronik: Fahrtregelung

Handregler (WAC)

Auf die äußere Gestaltung eines „Walk Around Control”, also tragbaren Steuergeräts für die Modelleisenbahn, wurde schon eingegangen.

Hier soll die Rede von den „inneren Werten” eines WAC sein, das über ein Kabel und eine Stecker–/Buchsen–Kombination mit dem Steuergerät verbunden wird. Dies sind die Bedienungselemente für die Steuerungen, die auf den voran gegangenen Seiten beschrieben wurde.

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Erkennung und Abschaltung

Die vorher gezeigten Fahrtregelungen haben alle den Vorteil, dass sich am letzten Zustand nur wenig ändert, wenn die Steuereingang offen ist, und zwar solange nicht, bis sich der Speicher–Elko selbst oder über die Basis des Eingangs–Transistors der Endstufe entladen hat. Die Spannung am Ausgang - beziehungsweise die Impulsdauer bei der Link zum Glossar PWM - wird also nur allmählich kleiner werden.

Ein Versuch mit der Gleichspannungs–Steuerung der vorherigen Seite erbrachte, dass bei einer Startspannung von etwa 20 Volt und 4,25 Ampère Last etwa fünf Minuten vergehen, bis die Spannung merkbar abfällt. Das heißt, Sie haben mindestens diese Zeit, um einen Handregler abzuziehen und an einer anderen Anschlussstelle wieder einzustöpseln („hot plug”).

Nun wäre es aber wünschenswert, wenn a) automatisch erkannt werden könnte, ob ein Regler angeschlossen ist oder nicht, und b), dass dieser sozusagen über einen „Master”–Schalter abgeschaltet werden kann. Das macht zum Beispiel Sinn, wenn Ihr Kind eine kritische Situation nicht erkennt, die Sie vom Stellpult aus noch auffangen können.

Wie sich gleich zeigen wird, benötigt das WAC die Elektronik–Hilfsspeisung. Daher kann ein angeschlossenes WAC mit der Schaltung rechts erkannt werden. Die Spannungs–Verminderung auf 10,8 V durch die zwei Dioden tut nicht weiter weh, genügt aber, den PNP–Transistor durchzusteuern (wenn ein Stromkreis zustande kommt), da seine Basis dann um eben 1,2 V negativer wird als sein Emitter. Dieser Transistor (Ts) schaltet nun ein Relais, das den Steuereingang entweder mit dem Regler oder mit den stationären Bedienungs–Elemente verbindet.

Unten links im Bild ist der Master–Schalter zu sehen: Er trennt den Regler, wodurch automatisch auf die Station umgeschaltet wird. Sie können nun in Ruhe die Nothalt–Taste drücken, bevor der Filius Ihr Supermodell am Prellbock zerschellen lässt.

 

Kabel, Stecker und Buchse

Das Kabel des WAC sollte relativ robust sein. Eine achtpolige Leitung (inklusive oder zusätzlich mit Abschirmung) wird genügen, um alle Aufgaben zu erledigen. Das Kabel muss am Regler mit einer Zugentlastung befestigt werden. Geeignet ist zum Beispiel die abgeschirmte Steuerleitung LiYCY, 8 × 0,14 mm², 5,4 mm Durchmesser (Conrad 60 87 93).

Als Stecker–/Buchsen–Kombination bieten sich DIN–Steckverbinder an. Es gibt sie in mehreren Ausführungen. Geeignet sind die Typen 7 bis 9 mit 7 beziehungsweise 8 Polen (zuzüglich Abschirmung). Da die Masse sowieso zum WAC geführt werden muss, wird hierfür die Schirmung benutzt.

Am WAC–Kabel wird der Stecker angebracht. Eine gerade Ausführung ist besser, weil sie bei Versehen leichter abgezogen werden kann als eine abgewinkelte. Entlang Ihrer Anlage können Sie nun in regelmäßigen Abständen Anschluss–Buchsen anbringen. Welche Leitungen hierfür durchlaufen müssen, wird weiter unten aufgezählt.

Das WAC–Gehäuse sollte robust, idealerweise sogar trittfest sein.

 

Drehknopf– und Tastensteuerung

Die rechts gezeigte Schaltung ist sowohl für ein WAC als auch für stationäre Bedienungselemente geeignet.

An Fs liegt bei Gleichspannungs–Regelung die volle Fahrspannung, bei einer Impulsbreitenmodulation Versorgungsspannung (Uv, 12 VDC). Mit dem optionalen Poti 4k7 kann die Höchstgeschwindigkeit eingestellt werden.

Ein zweipoliger Umschalter dient dazu, den Steuereingang U der Regelung wahlweise mit dem Drehknopf–Poti 10 k oder mit den Tastern zu verbinden. Über den Anschluss D wird an die Station zurückgemeldet, ob der Drehknopf gewählt ist. Das ist deswegen wichtig, weil nach einem programmatischen Nothalt die Spannung über einen aufgedrehten Drehknopf sofort wieder ansteigen würde - was zu vermeiden ist. Das ist auch an der Nothalt–Taste NH zu erkennen: Sobald sie losgelassen wird, kann die Spannung an U wieder steigen.

Für die Drehknopf–Steuerung sind die Brems– und Beschleunigungs–Verzögerungen (hier) gleich, bei den Tastern individuell einstellbar.

Durch gleichzeitiges Drücken des Beschleunigungs–Tasters Be und des Brems–Tasters Br würde bei abgedrehten Verzögerungs–Potis ein Kurzschluss entstehen, der mit den beiden 470 –Widerständen aufgefangen wird. Genauso beziehungsweise besser tut's natürlich ein einpoliger On–Off–On–Wippentaster.

 

Fahrtrichtungs–Anzeige

Ein grundsätzlicher Hinweis zum Verständnis des Begriffs „Fahrtrichtung”: Ein Zug fährt nur zufällig nach rechts oder links, denn das hängt vom Betrachtungs–Standpunkt ab. Eine Lokomotive wird jedoch stets vorwärts (Schlot oder Führerstand 1 vorne) oder rückwarts fahren. Das gilt auch noch dann, wenn das Fahrzeug eine Kehrschleife durchfahren hat, was ein schönes Beispiel ist. Denn die Lok fährt nun statt von rechts nach links von links nach rechts (oder umgedreht), hat aber ihre Fahrtrichtung (vorwärts beziehungsweise rückwärts) nicht geändert.

Wie gleich noch bei der Fahrtrichtungs–Umpolung zu sehen sein wird, gibt es ein Signal, wie die Fahrtrichtung ist, oder es kann erzeugt werden. Angenommen sei, dass auf der Anlage bei einer von zwei Fahrtrichtungen ein Signal gegen GND (Minus) bereit steht.

Diese Leitung muss auch mit dem WAC verbunden werden, da ja die Fahrtrichtung mehr oder minder von überall geändert werden kann: durch Kehrschleifen–Schaltungen, Umsetzautomatiken, Pendelschaltungen, von Hand an der Station oder am WAC.

Das WAC ist über den Detektor von oben mit der Elektronik–Hilfsspeisung Uv abzüglich 1,2 V verbunden. Auf der Fahrtrichtungs–Signalleitung liegt GND oder nichts. Mit der Kombination aus beiden können - wie rechts gezeigt - zwei Leuchtdioden (LED) alternierend angesteuert werden.

Liegt GND an L, wird dem NPN–Transistor der Basisstrom entzogen. Er sperrt, die linke LED wird nicht leuchten. Die Rechte aber wohl, weil sie in Durchlass–Richtung betrieben wird. Liegt GND nicht an, wird der Transistor durchschalten, die linke LED leuchten, die rechte aber nicht.

 

Impulse aus dem WAC

Einen Taster benötigen Sie mindestens noch am WAC: den zum Wechsel der Fahrtrichtung. Wer bis hierher mitgezählt hat: Ein Pol einer achtpoligen Leitung wäre nun noch frei.

Daran kommt ein zweiter Taster, der ebenfalls einen Impuls gegen GND bereit stellen kann, zum Beispiel zum Auslösen der Dampflok–Pfeife.

An dieser Stelle sei noch einmal eine kleiner Ausflug in die Digital–Technik erlaubt. Mit diesen zwei Tastern lassen sich - zunächst einleuchtend - drei Zustände herstellen: kein Taster gedrückt, Taster 1 gedrückt, Taster 2 gedrückt. Binär - also im Dualsystem (0 | 1):

0 und 0, 0 und 1, 1 und 0.

Es gibt aber auch noch einen vierten Zustand: beide Taster gedrückt (1 und 1). Diese Situation kann ausgenutzt werden, um etwas anderes als „Fahrtrichtung ändern und gleichzeitig Pfeifen” auszulösen, weil sie sich von den anderen unterscheidet, und damit können auf drei Leitungen (GND, F und P) vier Zustände erzeugt werden (00, 01, 10 und 11). Im Binär–System sind das die 0, 1, 2 und 3. Durch die Schutzdioden in der Schaltung rechts kann ein GND–Signal nicht von obersten zum mittleren Taster oder anders herum fließen.

Diese Konstruktion wird Multiplexer genannt. Es ist die Technik, auf n Leitungen (n hoch n) - 1 positive Informationen zu übertragen. Bei vier Leitungen ergeben sich zum Beispiel 15 Möglichkeiten (zuzüglich der 0 auf allen Leitungen).

 

2:3–Demultiplexer

Normalerweise werden die Bit–Muster auf gemultiplexten Leitungen durch spezielle Chips, „Demultiplexer” (kurz „Demuxer”), und/oder simple Logik–Schaltungen decodiert. Dadurch wird die richtige - und nur die richtige - Information weitergeleitet.

Um die grundsätzliche Funktion eines Demultiplexers aufzuzeigen, wird hier am einfachen 2:3–Beispiel (zwei Leitungen, drei positive Informations–Typen) eine transitorisierte Eigenbau–Lösung vorgestellt.

Die Eingänge führen entweder GND oder nichts. Führt ein Eingang GND, schaltet er einen PNP–Transistor durch, der das Signal in ein positives umwandelt. Jedes dieser positiven Signale treibt zwei NPN–Transistoren. Die mittleren davon sind zu einer Torschaltung (AND–Logik) gegen GND zusammen gesetzt. Erscheint am Ausgang des Gatters GND, wird beiden äußeren Transistoren (deren Basen über Dioden entkoppelt verbunden sind) der Basisstrom entzogen.

Die Torschaltungs–Transistoren werden eher durchschalten als die anderen, weil sie mit 8k2 höhere Basisströme bekommen als die Einzel–Transistoren mit 4k7.

Auf relativ einfache Weise wurde hier eine Leitung eingespart - und zwar nicht etwa nur vom WAC zur Anschlussbuchse, sondern über die gesamte Anlage. Das kann durchaus dem Gegenwert von sechs Transistoren, zehn Widerständen und zwei Dioden entsprechen.

Beim Empfänger der Funkfernsteuerung wird ein 4 zu 1:16–Demultiplexer mit einem 4067–CMOSIC vorgestellt.

 
 
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