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Elektrik und Elektronik: Fahrbetrieb

Umpolung (Fahrtrichtungsänderung)

Bei Modelleisenbahnen wird wohl kaum ein anderer Schalter so oft benötigt wie der Umpol–Schalter zum Wechsel der Fahrtrichtung. Ob die Lösung nun in einem Stelltransformator integriert ist oder ein externer Schalter, ist egal - ohne „vorwärts” und „rückwärts” macht das Spiel mit der Eisenbahn nur wenig Sinn.

Hinweis: Die Erklärungen auf dieser Seite betreffen nur analog gesteuerte und mit Gleichstrom betriebene Modelleisenbahnen. Bei digital betriebenen Anlagen wird die Fahrtrichtung für jedes Fahrzeug individuell eingestellt - über das Gleis kann sie nicht beeinflusst werden.

Es ist wichtig, dass die Polarität am Gleis auch von außen gewechselt werden kann. Ohne solche Maßnahmen ist beispielsweise keine wirklich gute Kehrschleifen–Schaltung zu bauen.

Im Bild dieses Abschnitts wird die einfachste Möglichkeit der Umpolung gezeigt: über einen zweipoligen Umschalter (Polwendeschalter). Die hilft allerdings nicht immer weiter.

Abschnitte dieser Seite:

 

Bedingungen

Die Kehrschleife (siehe Bild) ist einer der einleuchtendsten Gründe, warum die Wahl der Fahrtrichtung von außen wählbar sein sollte. Wäre darin nicht mindestens eine Trennstelle, würden an der Weiche Plus auf Minus und Minus auf Plus treffen - der perfekte Kurzschluss. Das gilt nur für Modellbahnen mit dem Zweischienen–Zweileiter–System, nicht jedoch für Gleissysteme mit Mittelleiter (wie beispielsweise Märklin H0).

Die von der Modellbahn–Industrie angebotenen „Kehrschleifen–Schaltungen” funktionieren wie folgt. Der isolierte Gleisabschnitt innerhalb der Kehrschleife wird über einen Gleichrichter mit Strom versorgt. Sie können also die Fahrtrichtung umpolen („mit einem beherzten Dreh am Stellknopf”), während sich ein Zug im isolierten Abschnitt befindet - er wird trotzdem in der selben Richtung weiter fahren.

Damit sind die Nachteile der Lösung auch schon aufgezählt: Der „schnelle Dreh” muss manuell ausgelöst werden. Der Zug wird zumindest zucken, wenn nicht mehr. Die Kehrschleife kann stets nur in einer Richtung durchfahren werden und Rangierfahrten im isolierten Abschnitt sind nicht möglich. Pfui, pfui! Die elegante Version wird auf einer eigenen Seite zur Kehrschleifenschaltung beschrieben.

Ein zweiter Grund für eine von außen auslösbare Fahrtrichtungs–Änderung ist, dass sie von Handreglern, einer Basisstation oder Automatiken (Pendelfahrt, Umsetz–Automatik) angesprochen werden kann (also von verschiedenen Punkten aus).

Es ist auch wünschenswert, dass die aktuell gewählte Fahrtrichtung in Form eines Signals gegen GND (Masse) anderen elektronischen Schaltungen als Argument zur Verfügung steht, zum Beispiel für Falschfahrt–Sicherungen.

 

Kontaktlose Umpolung

Wegen der Häufigkeit des Umpol–Vorgangs wäre eine kontaktlose - also vollelektronische - Ausführung wünschenswert. Zu Testzwecken wurde eine 1 Ampère (A)–Ausführung gebaut. Achtung: Für diese Schaltung dürfen an den Ausgängen keine NDAR– beziehungsweise PDAR–Transistoren mit Freilaufdioden verwendet werden!

Bei der Bemessung der Ausgangs–Transistoren ist der schaltbare Strom relevant (zum Beispiel 15 A). Die Watt–Leistung ergibt sich aus dem Spannungsabfall am Transistor (schlimmstenfalls 0,7 V) und dem fließenden Strom. Bei 7,5 A und 0,7 V wären dies 5,25 W - also nicht sehr viel. Wenn Sie - zum Beispiel für II(m)-Bahnen - etwa 24 V und 7,5 A transistoriert umpolen wollen, sollte das mit Transistoren wie 2N3055 / 2N2955 beziehungsweise TIP3055 / TIP2955 funktionieren.

Es wird angenommen, dass die Spannung über + geregelt wird. Die Schaltung soll über ein RSFlipflop angesteuert werden. An Punkt Ur liegt die geregelte Spannung.

Wird im gezeigten Schaltplan an Eingang 1 ein negatives Signal angelegt, werden die Transistoren Ts1 und Ts2 durchschalten, wodurch auch Ts3 leitet. Ts2 und Ts3 sind die eigentlichen Leistungs–Transistoren. Wird statt dessen (vom Flipflop, denn das muss exklusiv sein!) Eingang 2 angesteuert, schalten die Transistoren 4 bis 6 durch.

Es ist natürlich wichtig, dass niemals ein negatives Signal an beiden Eingängen liegt. Sicherheitshalber sollten Sie auch noch Pull up–Widerstände bei den PNP–Transistoren einsetzen, diese wurden hier aus Platzgründen nicht eingezeichnet.

 

Umpolung über Relais

Für die Umpolung über Relais benötigen Sie zunächst ein Flipflop mit drei Steuereingängen: Set, Reset und Toggle (umschalten in den jeweils anderen Zustand). Die ersten beiden werden benutzt, um definierte Zustände herbei zu führen, der letzte, um erkannte falsche Polaritäten (egal welcher Art) umzuschalten. Solche Flipflops werden auf der Seite mit den Speicherschaltungen vorgestellt.

Ferner benötigen Sie ein Relais mit zwei Umschaltkontakten und genug Schalt–Kapazität. Achtung: Relais sind oft für bestimmte Schaltspannungen ausgelegt. 16A Schaltstrom bei 110 VDC sind daher keine relevante Aussage. Sie brauchen eine genauere Aussage in Watt oder für eine passendere Spannung.

Tipp für II(m)–Bahner: Conrad führt mit der Nummer 50 50 13 50 53 76 ein auch für höhere Schaltströme bei niedrigen Spannungen geeignetes Motor–Umpol–Relais (20 A bei 14 VDC).

Die Bohr– und Anschlusspläne von Relais werden in der Regel von der Bestückungsseite her, also von oben, gezeichnet und gedruckt.

Wenn Sie der bei „Spannungsregler: Mindestspannung anlegen” erklärten Technik folgen, benötigen Sie zwei solche Relais: eines für den Fahrstrom und eines für den 6 Volt–Stromkreis, die stets gleichzeitig umgepolt werden müssen.

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Fahrtrichtungs–Signal

Wie schon mehrfach erwähnt, sollte auf der gesamten Anlage - und nicht nur bei den Schaltungen bei der Basisstation - ein Signal zur Verfügung stehen, das Auskunft über die aktuelle Fahrtrichtung gibt.

Das Signal kommt von einem der Ausgänge des Flipflops, das die Fahrtrichtungsänderung auslöst. Es sollte - über eine Transistorstufe verstärkt - über die gesamte Anlage geführt werden.

Im Bedarfsfall ist es leicht, das invertierte Signal zu erhalten. Die Schaltung hier zeigt, wie das gehen kann, wobei der GND–Leitung nur Steuer–Signale entnommen werden sollten. Daher wird es ein BC547 als Transistor tun. Lasten sollten nur über Verstärker an den Ausgängen der jeweiligen Logik geschaltet werden.

Wer die Ohm'schen Gesetze im Kopf hat, kommt schnell darauf, dass es nichts ausmacht, wenn das GND–Signal durch etliche 10 k–Widerstände Richtung Versorgungsspannung (Uv) gezogen wird: Schon die Parallelschaltung zweier davon ergibt auf der GND–Leitung gegen Uv einen Gesamt–Widerstand von 50 k, bei drei davon sind es schon 333 k.

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Schutz–Automatiken

Ihr Zug rast mit hoher Geschwindigkeit, es fließt ein hoher Strom. Aus irgendwelchen Gründen meint eine Schutzschaltung, die Fahrtrichtung ändern zu müssen; oder Ihre Tochter möchte einmal den kleinen weißen Taster am WAC ausprobieren.

Oops! Das ist keine gute Idee. Denn das Schalten unter Last - egal ob über Relais oder Transistoren - erfordert mehr Festigkeit als das Halten.

Daher sollte der Umpol–Vorgang noch ein wenig verfeinert werden, auch, damit ein Triebfahrzeug nach einer erfolgten Fahrtrichtungsänderung nicht plötzlich wieder los schießt.

Dank des bisher gewonnenen Know–Hows ist das jedoch kein Problem. Das Programm sieht aus wie folgt: Bei einer gewünschten Fahrtrichtungs–Änderung wird zunächst die Fahrspannung herunter gezogen und über ein Monoflop für eine Zeit t1 niedrig gehalten (Drehknopf–Steuerung!). Dann erst wird das Änderungs–Flipflop getriggert. Zu guter Letzt wird - wenn die Drehknopf–Steuerung am WAC oder der Station gewählt ist - über ein weiteres Monoflop für eine zweite Zeit t2 ein Vorwiderstand vor den Ladeeleko der Geschwindigkeits–Steuerung eingeschliffen, der in Gegenrichtung mit einer Diode überbrückt ist (siehe Schaltbild). Das Fahrzeug wird also nur allmählich wieder bis zur Spannung am Mittelabgriff des Drehknopfes beschleunigen, jedenfalls nicht abrupt.

Für den Ablauf dieses „Programms” benötigen Sie drei Monoflops, von denen das erste das zweite und das zweite das dritte triggert. Das erste zieht den Fahrstrom herunter (kalkulieren Sie etwa 0,5 s ein), das zweite triggert das Flipflop (etwa 20 ms) und das dritte schleift während der Impulsdauer den Vorwiderstand Rv ein (wobei es natürlich elegant wäre, die Impulsdauer von der Spannung am Drehknopf–Abgriff abhängig zu machen). Das dritte Monoflop sollte über eine AND–Logik nur getriggert werden, wenn die Drehknopf–Steuerung gewählt ist.

 
 
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