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Fahrzeug–Erkennung

Vernünftig eingesetzt, können Automatisierungs–Schaltungen bei der Modellbahn nicht nur Unfälle vermeiden, sondern auch Aufgaben erledigen, die Ihnen mehr Zeit für - und Konzentration auf - Wichtigeres lassen.

Die wohl wichtigste Informationsquelle für solche Schaltungen ist eine Fahrzeug–Erkennung. Trifft ein Fahrzeug an einem gegebenen Punkt ein, wird (eventuell in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrtrichtung) ein Impuls ausgelöst. Diese Aufgabe wird nachfolgend besprochen.

Abschnitte dieser Seite:

 

Grundlagen (1)

Ein Signal kann lang anhalten - beispielsweise, weil ein Flipflop im „Set”–Zustand ist - oder kurz - wenn eine Lichtschranke durch ein vorbei fahrendes Fahrzeug unterbrochen wird. Normalerweise werden für Automatisierungsaufgaben entweder Dauersignale oder Impulse einer definierten Länge benötigt.

Das Signal, dass ein Triebfahrzeug einen Punkt x erreicht hat, wird kaum gebraucht. Viel wichtiger ist die Information „irgend ein Fahrzeug hat Punkt x erreicht”, weil dadurch auch bei geschobenen Zügen und frei rollenden Wagen etwas ausgelöst wird.

Es gibt etliche Möglichkeiten, ein solches Signal zu erzeugen. Eine davon sind mechanische Kontakte, die durch das Gewicht eines Fahrzeugs ausgelöst werden. Diese sind nur schlecht unterzubringen, optisch unschön und Fehler–anfällig. Damit scheiden sie aus.

Es gibt auch die Möglichkeit, bei Stromverbrauchern über einen Spannungsabfall zu erkennen, dass sich ein solcher auf einem isolierten Gleisabschnitt befindet. Diese Lösung ist allenfalls für Gleisbesetzt–Meldungen geeignet, wenn mindestens ein Fahrzeug Strom verbraucht, und kann bei hohen Strömen problematisch werden. Fazit: ungeeignet, ab damit in den Papierkorb.

Zuletzt bleiben noch die Forderungen, dass sowohl jedes beliebige Fahrzeug erkannt werden soll - auch nicht stromführende oder völlig aus Kunststoff bestehende Wagen (wodurch Induktionsschleifen ausscheiden), dass die Fahrzeuge möglichst nicht modifiziert werden müssen (wodurch Reflex–Lichtschranken ausscheiden), und die, dass Triebfahrzeuge gesondert als solche erkannt werden sollen.

 

Grundlagen (2)

Diese Forderungen lassen sich eigentlich nur mit Hilfe von Infrarot–Lichtschranken und Kombinationen aus Permanent–Magneten und Schutzgasrohr–Kontakten (SRK, englisch ReedRelais) bei Triebfahrzeugen erfüllen.

Dazu kommt noch ein sehr wichtiger Punkt. Es gibt bei Automatisierungs– und Schutzschaltungen nämlich fast immer eine logische Abhängigkeit zur Fahrtrichtung. Beispiel: Prellbock–Schutzschaltung. Diese Aufgabe wurde theoretisch schon ausführlich bei Logik: Programmierung besprochen. Wenn Sie diesen Abschnitt noch nicht gelesen haben, sollten Sie es jetzt nachholen. Zusätzlich zum Fahrzeug–Signal wird daher noch eine Information über die aktuelle Fahrtrichtung benötigt, damit beide logisch mit einander verknüpft werden können. Das gilt nur für den analogen Betrieb.

Wenn dieses Signal nicht sowieso von einem Flipflop zur Fahrtrichtungs–Änderung zur Verfügung steht, kann es auch nachträglich lokal gewonnen werden (zum Beispiel über einen Fahrtrichtungs–Detektor). Der wird deshalb auf der folgenden Seite beschrieben.

Die anstehenden Aufgaben lassen sich in zwei Hauptbereiche einteilen:

  • Erzeugung eines Signals.
  • Aufbereiten des Signals, damit es eine definierte Länge und Qualität hat und mit anderen Bedingungen logisch verknüpft werden kann, um in Abhängigkeit davon eine Funktion auszulösen.

Dabei sollten möglichst wenige Standard–Schaltungen verwendet werden und alle Signale massekompatibel sein, also gegen GND (Minus) geschaltet.

Die Lösungen werden hier für eine Modelleisenbahn in Nenngröße II(m) vorgestellt, lassen sich aber teils auch auf andere Baugrößen übertragen.

 

ReedRelais (Schutzgasrohrkontakte)

Zeichnung: Schutzgas–Rohr–Kontakt.

Ein Schutzgasrohrkontakt (SRK, englisch ReedRelais / ReedRy) besteht aus einem Glasröhrchen, welches mit einem Schutzgas gegen Kontaktabbrand und Korrosion gefüllt ist. In dem Röhrchen befindet sich ein Ein–Schalter, Aus–Schalter oder Umschalter. Der Schaltkontakt ist so gebaut, dass er auf magnetische Felder reagiert. Wird am SRK links ein Magnet oben vorbei geführt, wird der Kontakt umschalten. Die Einbau–Lage eines SRK ist also wichtig.

An Triebfahrzeugen werden nun an der Unterseite - möglichst weit weg vom Motor! - ein oder mehrere Permanent–Magnete angebracht. Diese werden angeschliffen (das geht) und unter dem oder am Fahrwerk an einer möglichst unauffälligen Stelle eingeklebt. Die erste Abbildung zeigt, wie an Stelle der Platten–Magnete von LGB® Magnete mit 8 mm Durchmesser und 5 mm Höhe eingesetzt werden können, wie sie zum Beispiel Conrad in einer besonders starken Ausführung anbietet.

Auf der Skizze ist gleichzeitig eine günstige Anbringungslage für das ReedRelais zu erkennen (hellblauer Punkt). Verschiedene Typen kommen in Frage, die natürlich möglichst klein und damit unauffällig sein sollten. Für den Maßstab 1:22,5 bietet sich Conrad 50 37 03 an (1 × um, 16 mm lang, 3 mm Durchmesser), für kleinere Baugrößen 50 20 11 (5,3 mm lang, nur 1,4 mm Durchmesser).

Mit Hilfe einer Platine mit eingeritzten Fugen nach dem Muster rechts unten können Sie mit einer einzigen selbstschneidenden Schraube ein Reed Relais Conrad 50 37 03 an LGB®–Gleisen anbringen. Die beiden unteren Anschlüsse werden über eine Draht– oder eine Litze miteinander verbunden, damit alle drei Anschlüsse an einer Stelle unter das Gleis geführt werden können. Die Aussparung unten umfaßt genau eine Schienenaufspann–Platte auf den Schwellen, was für die nötige Geradführung sorgt.

 

Infrarot–Lichtschranken

Infrarotlicht hat einen besonderen Vorteil: Das menschliche Auge kann es nicht sehen. Eine IR–Sendediode im Betrieb ist auch bei völliger Dunkelheit nicht zu erkennen, was sich leicht vorne an der Fernbedienung des eigenen Fernsehers prüfen lässt. Das Licht, das sie aussendet, kann jedoch über einen Foto–Transistor Strom fließen lassen.

In Baugröße II(m) ist die unauffälligste Möglichkeit zur Unterbringung von Sendedioden und Foto–Transistoren mit 3 mm Durchmesser die in der Zeichnung des Abschnitts unten gezeigte. Dabei wird ein Loch mit nur 1 bis 2 Millimeter Durchmesser quer durch den Schienenkopf gebohrt (Mittelpunkt höchstens 2 mm Abstand von der Schienenoberkante). An den Außenkanten der Schienen werden zwei Stückchen Messing–Rohr 4 × 3 mm angelötet. Darin können die die Bauteile geschützt vor Licht und äußeren Einflüssen eingesetzt werden.

Es ist wichtig, dass das Loch nur einen kleinen Durchmesser hat, weil die Spurkränze von LGB®, Märklin oder anderen Anbietern die Lichtschranke sonst nicht lang genug oder ausreichend verdunkeln - sie sind teilweise nur 1,8 Millimeter hoch.

Als Sendediode bietet sich der Typ SFH409 und als Foto–Transistor SFH309 an. SFH409 kann 100 mA Strom aufnehmen und benötigt daher bei 12 V einen Vorwiderstand von etwa 120 . Rechts ist auch zu erkennen, dass die längeren Anschlussdrähte die Anode beziehungsweise der Emitter sind.

Beim Einbau des Foto–Transistors müssen Sie darauf achten, dass er gut vor Umgebungslicht geschützt ist (durch ein innen matt schwarz lackiertes Röhrchen), und besonders bei größeren Entfernungen zwischen Diode und Transistor muss auch die Ausrichtung genau stimmen (prüfen Sie das mit einer Taschenlampe und einem Rohr).

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Auswertungs–Schaltung

Die Impulse von den ReedRelais (SRK) oder IR–Lichtschranken sind von relativ unbestimmter Dauer und können sogar unangenehm pulsieren. Das ist beides natürlich nicht erwünscht. Daher müssen sie zunächst aufbereitet werden, damit ein Signal von bestimmter Dauer und guter Qualität abgegeben wird.

Es werden aber noch drei Forderungen an die Auswerte–Schaltung gestellt: Es soll egal sein, wo der massekompatible Impuls her kommt, und am Ausgang soll es auch Ausgänge mit Fahrtrichtungs–Differenzierung geben. Alle Ausgänge müssen wieder gegen GND (Masse) geschaltet sein.

Diese Schaltung wird unter Umständen schon bei kleinen Anlagen häufig benötigt (alleine viermal zur Sicherung einer Doppelkreuzungsweiche gegen Falschfahrten und Kurzschlüsse am Herzstück), daher lohnt es sich, ein wenig länger darüber nachzudenken.

Wegen der Vielzahl möglicher Kombinationen mit anderen Bedingungen sollten die gemeinsamen Bestandteile von Verknüpfungen - und damit auch die GND–Quelle - am Anfang liegen. Das sind in diesem Fall das durch ein Fahrzeug ausgelöste Signal, dann folgen die zwei AND–Gatter für die Fahrtrichtungs–Differenzierung.

Hier sind als Schaltbilder zwei weitere Möglichkeiten wieder gegeben, wie Sie weitere AND–Gatter mit Masse–kompatiblen Eingängen aufbauen können (oben in Kollektorschaltung mit Potenzial–Wechsel über einen PNP–Transistor, unten mit einem PNP–Transistor als Spannungsregler). In beiden Fällen wird ein GND–Signal von unteren zum oberen rechten Anschluss durchgeführt, wenn am Eingang ein negatives Potenzial anliegt.

 

Anschluss des Foto–Transistors

Ein Foto–Transistor verhält sich bei Lichteinfall auf die „Basis” etwa so wie ein gewöhnlicher (hier: NPN–) Transistor: Er wird leitend. Ähnlich wie bei einem Foto–Widerstand wird der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter umso kleiner, je mehr Licht einfällt. Foto–Transistoren sind aber durch die Stromverstärkung lichtempfindlicher als Foto–Widerstände und die damit gebauten Lichtschranken in weiteren Bereichen einstellbar.

Im ersten Bild des Abschnitts ist eine Beschaltung zu sehen, wie sie sich für die Infrarot–Lichtschranke eignet. Es handelt sich dabei um einen Inverter: Fällt Licht auf den Foto–Transistor, wird der NPN–Transistor sperren, weil ihm der Basisstrom entzogen wird. Wird der Foto–Transistor verdunkelt, schaltet der NPN–Transistor durch. Mit dem Potentiometer kann der Schaltpunkt eingestellt werden. Die Dioden erfüllen zwei Zwecke: Sie entkoppeln die zwei Eingänge (von der Lichtschranke oder einer anderen Signalquelle an Punkt T) und sorgen dafür, dass ein eintreffendes Signal noch einmal um 0,6V vermindert wird. Diese Schaltung ist als Eingangs–Stufe für die Auswerteschaltung gut geeignet.

Exkurs: Unten rechts ist eine vollständige Schaltung für Dauer–Signale zu sehen, die sich die Link zum Glossar Hysterese des IC NE555 zu Nutze macht. Diese Schaltung ist unter Anderem geeignet, um kontaktlose Schalter herzustellen, zum Beispiel bei Weichenantrieben. Dort bietet sie auch den Vorteil, dass der Weichenantrieb keine zusätzliche Kraft für mechanische Kontakte aufbringen muss. Der mechanische Aufbau ist meist einfach: Der Unterflur–Weichenantrieb schiebt in einer der Stellungen eine Blende zwischen Sendediode und Foto–Transistor. Beim Übergang von hell auf dunkel entsteht eine negative Flanke, die das IC über den Steuereingang an Pin 2 zum Durchschalten bringt.

 

Das Monoflop der Auswertungsschaltung

An das Monoflop der Auswertungsschaltung werden folgende Anforderungen gestellt:

  • Es darf beim Anlegen von Uv (Versorgungsspannung) keinen Startzyklus haben.
  • Ein Zyklus muss auch auslaufen, wenn der Eingang noch geschlossen ist, beispielsweise durch einen Wagen, der genau in der Lichtschranke, oder den Magneten einer Lok, der genau über dem ReedRelais stehen geblieben ist.
  • Es muss relativ unempfindlich gegen Störimpulse am Eingang sein.

Diese Bedingungen werden von dem Monoflop erfüllt, das schon bei den Zeitschaltungen mit NE555 vorgestellt wurde. Es ist hier noch einmal abgebildet. Mit einem Wert von 100 k für das Potentiometer R und 47 µF für den Elko C wird sicher eine geeignete Impulsdauer einzustellen sein.

An Stelle des Potis können Sie natürlich auch einen Festwiderstand einlöten und so Geld sparen, wenn Sie erst einmal einen geeigneten Wert ermittelt haben.

Am Steuereingang an Pin 2 (über den Kondensator) wird bei der Auswertungsschaltung mit der Lichtschranke der Zusammenschluss der Eingangs–Dioden aus der vorletzten Schaltbild angeschlossen, bei Verwendung eines Reed Relais einer seiner Kontakte, der gegen GND schaltet. Den Eingang sollten Sie bei Verwendung eines SRK prophylaktisch mit einem Widerstand von etwa 10 k mit Uv verbinden.

 

Differenzierender Ausgang

Auf dem Schaltplan dieses Abschnitts ist die dem Ausgangs–Transistor des Monoflop nachgeschaltete Differenzierungs–Schaltung zu sehen. Auf der Leitung unten liegt bei einer von zwei möglichen Fahrtrichtungen GND.

Dieses Signal stellt über einen PNP–Transistor ein positives Potenzial bereit, das den linken NPN–Transistor direkt ansteuert und dem rechten am Ausgang über einen Inverter den Basisstrom entzieht.

Die Ausgänge werden - über Dioden entkoppelt - so zusammen geschlossen, dass auch die Information ohne Fahrtrichtungs–Differenzierung bereit steht.

Wenn Sie die Emitter der Ausgangs–Transistoren offen lassen, erhalten Sie einen differenzierenden Teil eines massekompatiblen AND–Gatters.

Bei den Downloads finden Sie ein Archiv mit dem gesamten Schaltplan, Layout–Entwurf für eine gedruckte Schaltung und Bestückungsplan.

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