Weichen und Signale
Antrieb und Ansteuerung
Im Gegensatz zum Straßenverkehr findet der auf der Schiene nicht autonom statt.
Über den Weg, den Züge einschlagen, entscheidet die Stellung der Weichen auf der
Strecke, und die Anweisungen für Fahrt bis Halt werden dem Lokführer durch Signale übermittelt.
Auf der Modelleisenbahn wird es oft erwünscht oder gar nötig sein, die Weichen „ferngesteuert”
zu stellen. Hier ist die Rede vom dafür nötigen Weichenantrieb (und dem mechanischer Signale) sowie von deren
Ansteuerung (Weichenschaltung) und der Rückmeldung des Zustands.
Abschnitte dieser Seite:
- Antriebs– und Beschaltungsarten (Weichenschaltung)
- Exkurs: positive und negative Spannungen
- Verbesserte Ansteuerung des LGB®–Antriebs 12010
- Ansteuerung von Doppelspul–Antrieben
- Stellen über Transistoren
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Motorischer Weichenantrieb von Hoffmann.
Antriebs– und Beschaltungsarten (Weichenschaltung)
Es gibt im Wesentlichen vier Arten, die Zungen einer Weiche im Modell zu bewegen: ortsgestellt (handbedient), über motorische Antriebe, meist mit
Schnecken– / Stirnrad–Kombinationen,
über elektromagnetische Spulenantriebe oder über Heizdrähte mit einem großen Ausdehnungs–Koeffizienten.
Stellstangen und Bowden–Züge gehören nicht zu den Antrieben -
sie sind nur eine Variante der Übertragung bei handgestellten Weichen.
Die gebräuchlichsten Antriebe - Doppelspulen - werden über zwei Signal–Leitungen und einen
gemeinsamen Pol an der Mittelanzapfung angesteuert, die an eine Ringleitung angeschlossen
werden kann. Es werden also Zahl der Weichen × 2 Leitungen + 1 Leitung
benötigt. Dadurch können - besonders bei Anlagen mit etlichen Weichen - einige Meter Kabel zusammen kommen.
Bei motorischen Antrieben erfolgt die Ansteuerung zumeist über die Umpolung der Versorgungsspannung.
In den Endlagen werden die Antriebe über Ausschalter und Standard–Dioden abgeschaltet.
Sie erfordern - zunächst einmal - auch zwei Leitungen je Antrieb. Das ließe sich natürlich
einfach über ein Umpol–Relais ändern. Benötigt würde nur noch eine Leitung je Weiche zuzüglich der zwei Ringleitungen für
die Versorgungsspannung. Diese Lösung ist aber, wie sich noch zeigen wird, nicht die Beste.
Eine bedeutende Vereinfachung bei solchen Antrieben - nicht im Hinblick auf die Zahl der Kabel,
sondern betreffs der aufsetzenden Schaltungen - ensteht durch die Verwendung einer positiven und negativen Spannung.
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Schaltbild für einen Doppelspulen–Antrieb mit Mittelanzapfung.
Exkurs: positive und negative Spannungen
Wird innerhalb einer Schaltung ein bestimmter Punkt betrachtet, können sich gegenüber
diesem Punkt positive und negative Spannungen ergeben. Ein einleuchtendes Beispiel ist ein
Spannungsteiler aus zwei Widerständen: Am Punkt A zwischen den
elektrischen Widerständen liegt gegenüber der Versorgungsspannung Uv
eine positive Spannung an (A ist der negative Pol) und gegenüber GND
(Minus) eine negative Spannung (A ist positiver als GND). Ein weiteres Beispiel ist
Wechselspannung. Die einen Halbwellen sind positiv gegenüber dem Durchgang, die anderen negativ.
Diese Situation lässt sich auch mit zwei Gleichspannungen nachbilden. Durch den Zusammenschluss
jeweils einen Pols zu einer gemeinsamen 0–Leitung bildet sich von der einen zur Masse ein
positives und bei der anderen eine negatives Potenzial. Das kann - gegenüber
Wechselstrom–Schaltungen - den Vorteil bieten, dass nun Verbraucher gegen die Masse
(GND) geschaltet werden können. Wenn das über Transistoren geschieht,
ist es natürlich nicht egal, wie sich die Spannung zur 0 verhält.
Bei Kollektor–Grundschaltungen muss für die positive Spannung ein PNP–Transistor,
für die negative ein NPN–Transistor verwendet werden. Der Witz dabei ist, dass die
Basis beider Transistoren dabei über die Masse angesteuert werden kann. Wenn diese Masse zugleich auch
noch mit der System–Masse zusammen geschaltet ist, können über Umpolung angesteuerte Antriebe
(beispielsweise die von LGB®) über von der
Elektronik–Hilfsspeisung versorgte Schaltungen gegen GND in beide Positionen gebracht werden.
Gemäß den Schaltungs–Vorschlägen von LGB®
werden die Antriebe über die Halbwellen aus 18 Volt Wechselspannung angesteuert, von denen jeweils eine über Dioden ausgekoppelt wird.
Verbesserte Ansteuerung des LGB®–Antriebs 12010
Eine deutliche Verbesserung der Ansteuerung der LGB®–Antriebe
(offiziell: „EPL®–Antriebe”)
bringt die im ersten Bild gezeigte kleine Schaltung. Die Glättungskondensatoren erfüllen zwei Aufgaben:
Zum einen erhöhen sie die effektiv verfügbare Spannung ein wenig, zum anderen puffern sie
Spannungseinbrüche beim gleichzeitigen Schalten mehrerer Antriebe.
Die grün gestrichelte Linie markiert den Übergang vom Stellpult zur Anlage, die schwarz–weiß
punktierte die 0, die gelbe die Beleuchtungs–Leitung, und orangefarben sind die Verbindungen zu den einzelnen Weichenantrieben eingezeichnet.
Zusätzlich ist noch eingezeichnet, wie Sie Weichenlaternen gleich mitversorgen können (was eine
Leitung einspart). Achtung: Der von LGB®
vorgeschlagene Kleintransformator (Stecker–Netzteil) mit maximal 500 mA
Strom ist dafür natürlich nicht mehr geeignet. Er ist überhaupt kaum zu empfehlen (außer bei Kleinstanlagen).
9 Volt Halbwellen–Effektivspannung genügen, um die Antriebsmotoren anzusteuern.
Für ganz konventionelle Anlagen mit Stellpulten für die Weichenansteuerungen mag diese
Schaltung genügen. Es ist jedoch besser, wenn die Weichenstellungen über ein Signal gegen
GND gesteuert werden können (wobei es das Allerbeste ist, wenn die eigentliche
Leistung erst lokal, also in Nähe der Weiche, erbracht werden muss - diese Forderung wird
sich allerdings nicht immer ohne Weiteres erfüllen lassen).
Ansteuerung von Doppelspul–Antrieben
Bei Doppelspulen–Antrieben befindet sich innerhalb der hintereinander angeordneten Spulen
ein Weicheisenkern, der über Stellstangen und Umlenkhebel die Weichenzungen bewegt.
Fließt ein Strom durch eine der beiden Spulen (wobei es egal ist, ob es sich um Gleich–
oder Wechselspannung handelt!), wird der Kern zur Mitte dieser Spule hin gezogen.
Die Ansteuerung solcher Antriebe gestaltet sich dem entsprechend einfach: Die Mittelanzapfung
wird mit einer Ringleitung des einen Pols der Schaltspannung verbunden, die äußeren
Enden der Spulen werden nach Bedarf mit dem anderen Pol verbunden. Insofern unterscheidet sich
die Beschaltung vom Prinzip her nur wenig von einer, die umzupolende Antriebe über positive
und negative Spannungen und Transistoren schaltet, oder sie lässt sich leicht daran anpassen.
Die nachfolgenden Tipps und Lösungen lassen sich auf Doppelspulantriebe übertragen, wenn diese wie
rechts gezeigt über zwei Standarddioden 1N4001 angeschlossen werden.
Diese Lösung hat unter anderem den Vorteil, dass Sie motorische und Doppelspul–Antriebe
beliebig mischen und über die selbe Logik umstellen können.
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Ansteuerung von Doppelspulantrieben mit positiven und negativen Spannungen beziehungsweise Halbwellen.
Stellen über Transistoren
Hier wird ist (etwas gedrängt, damit's in die Spalte passt) eine komplette Musterschaltung
abgebildet, mit der Sie (auch) die Link zum Glossar
EPL®–Antriebe
von LGB® ansteuern können.
Aus zwei Transformatoren oder einem Doppeltrafo werden eine gegenüber GND
positive Spannung (W1) und eine negative (W2) erzeugt. Zwischen
W1 und W2 ist eine Differenz von 24 Volt, zwischen W1 und GND 12 Volt, zwischen
GND und W2 ebenfalls, wobei W2 negativer ist als
GND. Die Glühlampen dienen als Sicherung
und begrenzen den Strom je Leitung auf etwa 1,5 bis 1,75 Ampère.
Beim Zusammenschalten der Transformator–Sekundärwicklungen müssen die Phasen passen. Wenn sie
also zwischen W1 und W2 nicht 24 V haben,
müssen Sie die Anschlüsse von einem Trafo vertauschen. Der Deutlichkeit halber sind die Ausgänge rechts farbig gezeichnet.
Wird nun an der Basis eines der Transistoren ein Impuls gegen GND angelegt, wird
er durchschalten und den Antrieb mit dem betreffenden Potenzial versorgen. Auch die Basis des
NPN–Transistors wird über GND angesteuert, weil GND
ja positiver ist als W2. Diese Schaltung benötigt (theoretisch) nur eine Leistungsleitung
zum Antrieb, es kann jedoch sinnvoller sein, beide Steuerleitungen zur Weiche zu führen und erst dort die Transistoren einzusetzen.
Es sollte nicht passieren, dass beide Transistoren gleichzeitig
durchschalten, da dann trotz der Lastglühlampen ein unzulässig hoher Strom
fließt. Wenn Sie nicht allzu viele Weichenantriebe haben, können Sie in eine der
Kollektor–Leitungen (also einmal je Transistor–Paar) noch eine Glühlampe
12 V mit 10 W einschleifen. Der
höchstmögliche Strom wird auf dadurch auf etwa 800 mA
begrenzt, der Spannungsabfall im kalten Zustand ist minimal. Das macht die Hauptsicherung keinesfalls entbehrlich!
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Weichenantriebs–Schaltung mit Transistoren.