Dieser Artikel erklärt grundlegende Elektronikschaltungen, wie sie vor allem bei herkömmlich (d. h. nicht digital) betriebenen Anlagen eingesetzt werden können. Dabei setzt er bereits Grundkenntnisse über elektronische Bauteile voraus (z. B. Widerstände, Dioden, Transistoren etc.). Die angegebenen Schaltpläne sind nicht für einen direkten Nachbau gedacht, sondern sollen lediglich das Prinzip demonstrieren und zum Nachvollziehen von Schaltplänen anregen, die in Zeitschriften, Büchern oder im Internet veröffentlicht sind. Es soll helfen, bei Modifikationen die notwendigen Dimensionierung z. B. für Belastbarkeit oder Kühlkörper abzuschätzen. Für einen Nachbau von konkreten Schaltungen wird auf entsprechende Webseiten verwiesen, die vollständige Schaltungen publiziert haben. Siehe hierzu jeweils die Links am Ende der Abschnitte. Eine Gewähr für die Funktionsfähigkeit der in den Links angegebenen Schaltungen kann nicht übernommen werden.

Sicherheitshinweis: Als Trafos zur Versorgung der Modellbahn und der Elektronik dürfen nur Modellbahntrafos verwendet werden, die gegen Überlastung geschützt sind und über eine entsprechende Isolierung gegenüber der Netzspannung verfügen! Die Benutzung anderer Trafos ist wegen der anliegenden Netzspannung lebensgefährlich und kann außerdem bei Kurzschlüssen zu Bränden führen. Bei der Elektroinstallation sind grundsätzlich die einschlägigen Normen (z. B. VDE 100) zu berücksichtigen.

Spannungsversorgung

Brückengleichrichtung

Spannung eines Trafos am Lichtausgang

Die Elektronik muß mit einer geeigneten Spannungsversorgung betrieben werden. Normale Modellbahntrafos sind hierfür ohne zusätzliche Maßnahmen im allgemeinen nicht geeignet. Elektronikschaltungen werden normalerweise mit Gleichspannung betrieben. Dazu ist die Ausgangsspannung des Modellbahntrafos (auch bei "Gleichstromtrafos") zunächst gleichzurichten, d. h. in Gleichspannung umzuwandeln. Dies geschieht mit Hilfe eines sogenannten Brückengleichrichters, der 4 Dioden enthält.

Schaltbild eines Brückengleichrichters

Bei der Auswahl des Brückengleichrichters ist auf den maximal zulässigen Strom und die zulässige Spannung zu achten. Ein B40C1500 ist z. B. für maximal 40 V Spannung bei 1,5 A Strom geeignet. Hinter dem Brückgleichrichter haben wir es nun mit einem pulsierenden Gleichstrom zu tun, der noch geglättet werden muß. Dazu schaltet man hinter den Gleichrichter einen Kondensator. Als Daumenregel soll er pro Ampere Strom ca. 2200 - 4700 µF Kapazität besitzen. Die Spannungsfestigkeit muß mindestens das 1,5fache der Eingangsspannung vor dem Brückengleichrichter besitzen. Die Spannung U_C, die am Kondensator anliegt, beträgt

Uc = U_Trafo * sqrt(2) - (2 * 0,7 V) 
   = U_Trafo * 1,41 - 1,4

Der Faktor sqrt(2) ist der Formfaktor für den Sinus und definiert das Verhältnis Effektiv- zu Spitzenspannung. Am Gleichrichtereingang steht also die Spitzenspannung an, erst dann wird die Diodendurchlassspannung subtrahiert.

In der Praxis dimensioniert man die Nennleistung des Transformators um den Faktor 1,2 - 2 höher als die geforderte Gleichstromleistung.

Zwischen dem Trafo und der Gleichspannung am Ausgang des Brückgleichrichters darf keine weitere Verbindung mehr hergestellt werden.

Mittelpunktschaltung

Schaltbild eines Mittelpunktgleichrichters zur Erzeugung einer positiven und einer negativen Spannung aus einem Trafo

Die Brückengleichrichtung erzeugt aus einer Wechselspannung eine (positive) Gleichspannung. Wenn man jedoch zusätzlich auch eine negative Gleichspannung benötigt, kann man folgende Verfahren einsetzen:

Zweiter Trafo mit Brückengleichrichtung. Der positive Ausgang des 2. Gleichrichters wird mit dem 0 V-Ausgang des ersten verbunden. Am negativen Ausgang des 2. Gleichrichters kann man nun die negative Spannung abnehmen. Nachteil: es sind 2 Trafos bzw. 2 getrennte Trafowicklungen notwendig
Mittelpunktgleichrichtung. Bei der Mittelpunktschaltung werden die positven und die negativen Halbwellen getrennt verarbeitet.

Da der nachfolgende Kondensator dabei nur während der halben Zeit (im Vergleich zur Brückengleichrichtung) geladen wird, muß er größer dimensioniert werden. Die beiden Spannungen sind nur mit dem halben Ausgangsstrom des Trafos belastbar.

Stabilisierung

Die so gewonnene geglättete Gleichspannung ist allerdings noch unstabilisiert, d. h., sie kann sich mit der Belastung (Stromaufnahme) ändern. Häufig verträgt eine Elektronik jedoch nur Spannungsabweichungen von maximal 5 %. Die Spannung muß daher noch auf einen konstanten Wert geregelt werden. Dazu dienen integrierte Spannungsregler wie z. B. die Typen 78xx, wobei xx für den Spannungswert steht. Diese Typen sind für viele gängige Spannungen erhältlich. Diese Spannungsregler müssen noch um zwei Kondensatoren von je 100 nF am Ein- und Ausgang ergänzt werden, um kurze Lastschwankungen aufzufangen und die Schwingneigung zu unterdrücken. Die gesamte Schaltung sieht nun wie im nebenstehenden Bild aus.

Schaltbild der Spannungsversorgung

Die Spannungsregler müssen häufig gekühlt werden. Ihre Verlustleistung bestimmt sich aus der maximalen Differenz der Eingangs- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem maximalen Strom.

Beispiel:

Spannungsregler 7805 für 5 V Ausgangsspannung (Wärmewiderstand 0,7 K/W)
12 V Eingangsspannung
1 A Ausgangsstrom
30 °C Umgebungstemperatur

Hierfür muß der Kühlkörper mit einem maximalen Wärmewiderstand von

R_thk = (180 °C - 30 °C) / ( (12 V - 5 V ) * 1 A ) - 0,7 K/W
     = 150 K / 7 W - 0,7 K/W 
     = 20,7 K/W

ausgelegt werden. In der Praxis bleibt man ca. 20 % unterhalb dieses Wertes. Wir wählen daher einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von weniger als 16 K/W. Man findet diese Angabe in den Katalogen der Elektronikversender. Wenn man sicher ist, daß die angeschlossene Elektronik weniger als den Maximalstrom des Spannungsreglers benötigt, kann man natürlich auch mit einem entsprechend kleineren Wert rechnen. Es ist dann auch nur ein kleinerer Kühlkörper notwendig.

Geschwindigkeitssteuerungen

Allgemeines

Fahrspannung im Gleichstromsystem

Die Geschwindigkeit der Modellzüge wird über die am Motor anliegende Spannung beeinflußt. Bei kleinen Spannungen fahren die Züge langsam, bei großen Spannungen schnell. Im Gleichstromsystem beträgt die Fahrspannung zwischen 0 und 12 V. Die Fahrtrichtung wird durch die Polung bestimmt. Dabei ist die in Fahrtrichtung rechte Schiene positiv. Normale Fahrtrafos für das Gleichstromsystem geben eine pulsierende Gleichspannung ab.

Fahrspannung im Wechselstromsystem

Im Wechselstromsystem erfolgt die Fahrtrichtungswahl durch ein in der Lokomotive eingebautes Relais bzw. eine entsprechende Elektronik, die bei einem Spannungsimpuls von 24 V die Richtung umschaltet. Die normale Fahrspannung liegt hingegen zwischen 0 und 16 V. Da die Wechselstrommotoren von Märklin Allstrommotoren sind, können sie auch mit Gleichspannung betrieben werden.

Einfache Spannungssteuerung

Prinzipschaltplan eines einfachen Fahrreglers

Die einfachste Spannungssteuerung besteht aus einem Potentiometer und einem Leistungstransistor. Der Leistungstransistor wird in der sogenannten Kollektorschaltung betrieben. Diese Schaltung ist durch eine hohe Stromverstärkung und eine Spannungsverstärkung von knapp 1 gekennzeichnet. Die Spannung am Emitter folgt der Basisspannung, die mit dem Potentiometer eingestellt wird. Daher wird diese Schaltung auch Emitterfolger genannt. Da Leistungstransistoren oftmals nur relativ geringe Stromverstärkungsfaktoren besitzen, betreibt man sie häufig in der sogenannten Darlington-Schaltung. Dabei schaltet man vor die Basis des Leistungstransistors einen weiteren Transistor in Kollektorschaltung. Dieser verstärkt den Basisstrom und damit auch den Ausgangsstrom des Leistungstransistors. Bei sogenannten Darlingtontransistoren sind beide Transistoren bereits in einem Bauteil integriert. Die Ausgangsspannung solcher Darlingtonschaltungen liegt etwa 1,4 V unterhalb der Kollektorspannung, also der Versorgungsspannung.

Der Leistungstransistor muß mit einem Kühlkörper versehen werden, der für eine Verlustleistung entsprechend dem Produkt aus Versorgungsspannung und dem maximalen Ausgangsstrom ausgelegt ist. Beispiel:

BD677 als Darlingtonleistungstransistor (Wärmewiderstand 3,5 K/W)
30 °C Umgebungstemperatur
15 V Versorgungsspannung
1 A Ausgangsstrom

Damit beträgt die maximale Verlustleistung 15 V * 1 A = 15 W.

R_thk = (180 °C - 30 °C) / ( 15 V * 1 A ) - 3,5 K/W
     = 150 K / 15 W - 3,5 K/W 
     = 6,5 K/W

Abzüglich 20 % Sicherheit wählt man einen Kühlkörper mit maximal 5,2 K/W.

Bei einem Stromverstärkungsfaktor des Darlingtontransistors von ca. 1000 beträgt der Basisstrom bei 1 A Ausgangsstrom nur 0,001 A (1 mA). Der Querstrom durch das Potentiometer soll mindestens das 10fache des Basisstroms betragen, also größer sein als 10 mA. Nach dem Ohmschen Gesetz R = U / I ergibt sich als Maximalwert 15 V / 10 mA = 1,5 kOhm für das Potentiometer. Wir wählen also 1 kOhm, so daß sich ein Querstrom von I = U / R = 15 V / 1kOhm = 15 mA errechnet. Die Belastbarkeit des Potis muß mindestens 15 V * 15 mA = 225 mW = 0,225 W betragen. Typischerweise haben Standardpotis 0,25 W als zulässige Belastung.

Fahrregler mit Überstromschutz

Damit haben wir unseren ersten elektronischen Fahrregler im Prinzip komplett. In der Praxis muß man ihn aber mindestens noch um eine Überstromsicherung ergänzen, damit die Elektronik nicht bei einem Kurzschluß z. B. infolge einer Entgleisung beschädigt wird. Es empfiehlt sich, diese Sicherung elektronisch aufzubauen. Schmelzsicherung wären auf Dauer zu teuer. Solche elektronischen Überstromsicherungen messen den Ausgangsstrom, indem sie einen kleinen Widerstand in die Ausgangsleitung legen. An diesem Widerstand fällt nun gemäß des Ohmschen Gesetzes eine Spannung ab, die proportional zum Strom ist. Das heißt, daß die Spannung an diesem Meßwiderstand ein genaues Maß für den Strom ist. Überschreitet nun der Strom die festgelegte Maximalgrenze, überschreitet auch die Spannung am Meßwiderstand eine bestimmte Größe. Man wählt nun den Meßwiderstand im allgemeinen so, daß bei dem gewünschten Maximalstrom etwa 0,7 V an dem Meßwiderstand abfallen. Diese 0,7 V reichen aus, um einen Transistor T2 leitend zu machen, der die Ausgangsspannung und damit den Ausgangsstrom der Darlingtonstufe T1 reduziert. Dies geschieht, indem der Stromüberwachungstransistor T2 dem Leistungstransistor T1 die Basisspannung entzieht. Für die praktische Anwendung muß die Strombegrenzung noch mit Kondensatoren ergänzt werden, damit kurze Stromspitzen nicht zu einem Regeleingriff führen.

Bei einem maximalen Ausgangsstrom von 1 A ergibt sich ein Widerstand von R = U / I = 0,7 V / 1 A = 0,7 Ohm als Meßwiderstand. Wir wählen 0,68 Ohm als nächsten Normwert aus. Dieser Widerstand muß mit P = U * I = 0,7 V * 1 A = 0,7 W belastbar sein, so daß wir zu einem 1 W-Widerstand greifen.

Fahrregler mit "elektronischem Schwungrad"

Die Geschwindigkeit der Züge ändert sich beim Einsatz des elektronischen Fahrreglers genauso abrupt wie bei der konventionellen Trafosteuerung. Der "Mehrwert" der Elektronik liegt nun darin, daß sich mit relativ einfachen Mitteln eine Massesimulation des Zuggewichtes realisieren läßt. Dabei wirken sich Änderungen der Potistellung nur verzögert bei der Lokgeschwindigkeit aus. Wie beim Vorbild kann man nun nicht mehr schlagartig einen Zug stoppen. Er rollt vielmehr langsam aus. Diese Charakteristik wird auch "elektronisches Schwungrad" genannt. Dazu wird die Potispannung über ein RC-Glied aus R6 und C1 an die Leistungsstufe weitergeleitet. Bei einer Änderung der Potistellung ändert sich die Spannung an dem Kondensator nur langsam. Die Änderungsgeschwindigkeit kann mit dem neuen Poti R6 eingestellt werden. R5 dient nur als Schutzwiderstand für R6, falls es sich in der niederohmigen Endstellung befindet.

Fahrregler mit aufgetrennter Spannungsversorgung zur Einspaung eines Kühlblechs für den 7815

Wenn wir nun den Fahrregler mit der oben beschriebenen Spannungsversorgung und -stabilisierung kombinieren, fällt auf, daß wir 2 relativ große Kühlkörper benötigen (einen für die Spannungsstabilisierung und einen für den Fahrregler). Durch Änderung der Elektronikspannungsversorgung kann der Kühlkörper für die Spannungsversorgung eingespart werden. Dazu versorgt man lediglich das Poti des Fahrreglers aus der stabilisierten Spannung (in der Praxis sind häufig noch andere Elektronikteile mit dieser Spannung zu versorgen). Der Leistungstransistor wird aus der unstabilisierten (aber geglätteten) Spannung versorgt. Dabei übernimmt der Leistungstransistor gleichzeitig die Stabilisierung der Fahrspannung. Der Kühlkörper für den Leistungstransistor muß nun allerdings für die höhere unstabilisierte Spannung ausgelegt werden (In diesem Beispiel mit weniger als 3,2 K/W). Der Kühlkörper für die Spannungsversorgung braucht dann lediglich für den Strom der Elektronik selbst dimensioniert zu werden, der sehr gering ist. Unter Umständen benötigt man dann keinen Kühlkörper für den 7815 mehr. (Anmerkung: in der Praxis würde man in diesem Beispiel anstelle des 7815 eine Z-Diode für 15 V mit Vorwiderstand zur Stabilisierung der Potispannung verwenden. Der 7815 veranschaulicht hier jedoch das Prinzip der getrennten Spannungsversorgung, wenn die Ansteuerelektronik für die Leistungsstufe umfangreicher wird.)

Ein Nachteil dieser Schaltung ist, daß sie nur positive Spannungen bereitstellen kann. Das bedeutet, daß Gleichstromloks nur in einer Richtung fahren können. Um in beiden Richtungen fahren zu können, kann man

Fahrregler mit Polwendeschalter

einen Polwendeschalter zwischen dem Fahrregler und dem Gleis einbauen. Dabei hat man am Gleis keinen festen Massebezug mehr. Außerdem müssen die Gleisabschnitte durch Trennungen beider Schienen voneinander isoliert werden. Diese Schaltung kann zu Problemen mit Gleisbesetztmeldern führen, die eine feste Masseverbindung benötigen. Es darf auch keine direkte Verbindung von der Spannungsversorgung (oder dem Trafo) zum Gleis geben.

Fahrregler für positive und negative Fahrspannungen

den Fahrregler für negative Spannungen quasi verdoppeln. Dabei bleibt ein Gleis (das linke) ständig mit der Masse (0 V) verbunden. Man beachte dabei, daß
- das Poti wegen der höheren Spannung von 30 V nun 1 W Verlustleistung vertragen können muß
- der Elektrolytkondensator C1 nun ungepolt sein muß

Im Wechselstromsystem kann man mit einem Umschalttaster 24 V anlegen. Der Fahrreglerausgang darf während des Umschaltimpulses keine Verbindung zum Gleis haben.

Pulsbreitenmodulation (PWM = pulse width modulation)

Stark vereinfacht ist das Drehmoment eines Lokmotors linear von dem Motorstrom abhängig, der durch ihn fließt. Bei niedrigen Fahrspannungen ist daher auch das Drehmoment und die Zugkraft gering. Feinfühliges Rangieren ist bei niedrigen Spannungen kaum möglich, weil der Motor die Lagerreibung im Getriebe überwinden muß. Dazu muß er zunächst ein sogenanntes Losbrechmoment überschreiten. Wenn sich die Lok in Bewegung gesetzt hat, verringern sich die Reibungskräfte und die Lok beschleunigt. Nun kann die Spannung am Fahrregler wieder reduziert werden. Diesen Effekt hat jeder Modellbahner wahrscheinlich bereits beobachtet.

Impulsbreitenmodulation

Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Motor stets mit der vollen Fahrspannung zu betreiben, so daß sich ein hoher Motorstrom und ein hohes Drehmoment ergeben. Diese Spannung liegt dann jedoch nicht wie bei den oben besprochenen Spannungssteuerungen die gesamte Zeit über an, sondern lediglich in kurzen Impulsen. Das ganze wiederholt sich so schnell, daß aufgrund der Massenträgheit von diesen Impulsen nichts zu merken ist. Je kürzer die Impulse im Verhältnis zur Pause sind, desto langsamer fährt die Lok; je länger sie sind, desto schneller fährt sie. Typischerweise verwendet man hierfür Frequenzen zwischen 50 Hz und einigen 100 Hz. In Digitaldekodern wird dieses Verfahren mit Frequenzen bis 10 kHz und mehr eingesetzt. (Anmerkung: Glockenankermotoren (z. B. von Faulhaber) quittieren diesen Impulsbetrieb ohne zusätzliche Maßnahmen mit einer stark verkürzten Lebensdauer.)

Ein weiterer Vorteil der Pulsbreitenmodulation besteht in der geringen Verlustleistung der Leistungstransistoren. Wie auch bei den einfachen Spannungssteuerungen müssen die Impulse, die von der Fahrreglersteuerung kommen, für den Betrieb von Lokomotiven mit Leistungstransistoren verstärkt werden. Dabei werden sie im Schalterbetrieb eingesetzt, der durch zwei Zustände gekennzeichnet ist:

aus: Die Spannung und der Strom sind 0
ein: Am Ausgang liegt die volle Betriebsspannung (abzüglich der Transistorrestspannung) bei maximalem Strom.

Die Verlustleistung des Leistungstransistors beträgt dabei P_Verlust = U_Rest * I. Die Restspannung beträgt entweder 1,4 V bei einem Darlingtontransistor in Kollektorschaltung oder 0,3 V bei einem Leistungstransistor in Emitterschaltung. Daraus resultiert eine sehr geringe Verlustleistung, so daß man häufig sogar ohne Kühlkörper auskommen kann. Vor allem aus diesem Grund wendet man die Pulsbreitenmodulation auch in Digitaldecodern an. Außerdem läßt sich die PWM leicht mit einem Microcontroller erzeugen. Durch die im Lokmotor in den Impulspausen entstehende Gegeninduktionsspannung lassen sich auch Lastregelungen einfach realisieren. Die Pulsbreitenmodulation hat durch die Verwendung in Digitaldecodern erhebliche Verbreitung gewonnen.

Bei Analogbetrieb mit PWM lassen sich zu schnelle Loks relativ einfach in der Geschwindigkeit drosseln. Dazu baut man in der Lok antiparallele Diodenketten ein. Jede Diode reduziert die Motorspannung um ca. 0,7 V. Dadurch lassen sich auch unterschiedliche Geschwindigkeiten für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt (z. B. bei Schlepptenderloks) realisieren.

Phasenanschnittssteuerungen

Phasenangeschnittener Wechselstrom

Eine weitere Möglichkeit zur Geschwindigkeitssteuerung besteht darin, von den Sinuswellen des Wechselstroms nur Teile zu verwenden. Diese sogenannte Phasenanschnittssteuerung ist sehr einfach aufzubauen. Sie findet u. a. auch in Lichtdimmern und Bohrmaschinen Anwendung.

Phasenangeschnittener pulsierender Gleichstrom

Wie wir schon gesehen haben, besteht der Fahrstrom herkömmlicher Gleichstromtrafos aus einem pulsierenden Gleichstrom. Auch diese Spannung läßt den Einsatz von Phasenanschnittssteuerungen zu. Aufgrund der einfachen Bauform wird sie häufig als "elektronisches Getriebe" in Loks eingebaut, um eine dauerhafte Geschwindigkeitsreduzierung der Lok ohne Getriebeumbau zu ermöglichen. Solche "elektronischen Getriebe" funktionieren jedoch nicht zusammen mit PWM oder den oben vorgestellten Spannungsreglern, die geglätteten Gleichstrom abgeben.

Links zu Geschwindigkeitssteuerungen

Links zu Geschwindigkeitssteuerungen
Link	Informationen	Hinweis(e)
Analoger Fahrtregler	Einfacher Halbwellenfahrregler
http://www.mec-krefeld.de/elektronik.html	Anspruchsvoller, mikrocontrollergesteuerter Fahrregler mit integrierter Blocksteuerung.
Link	Informationen	Hinweis(e)

Gleisbesetztmelder

Anforderungen

Bei einem (teil-)automatischen Betrieb einer Modellbahn ist es notwendig, daß die Steuerung weiß, welche Gleisabschnitte besetzt und welche frei sind. Da die Funktionstüchtigkeit einer Automatik im wesentlichen von der zuverlässigen Gleisbesetztmeldung abhängt, werden an die Melder folgende Anforderungen gestellt:

Der Gleisbesetztmelder soll auch bei abgeschalteter Fahrspannung arbeiten
Es darf keinen undefinierten Meldezustand geben ("ein bißchen besetzt").
Kurze Kontaktstörungen müssen toleriert werden.

Neben der Einbindung der Gleisbesetztmelder in ein Steuerungssystem können sie auch zur Anzeige der besetzten Gleise in einem Gleisbildstellpult verwendet werden. Die Aussagen treffen auch für den Einsatz von Gleisbesetztmeldern in Digitalsystemen zu. Dabei ist darauf zu achten, daß sie

für positive und negative Fahrspannungen geeignet sein müssen
für einen ausreichend großen Spannungsbereich (bis 20 V und mehr) geeignet sein müssen
symmetrisch bezüglich der Fahrspannung aufgebaut sind, damit sie auch zusammen mit den neuen asymmetrischen Digitalerweiterungen eingesetzt werden können (Spannungsreduzierung der positiven Digitalspannung für Bremsbausteine)

Prinzip

Man unterscheidet folgende grundsätzliche Funktionsprinzipien:

Kontaktstrecken: Dieses System kann im Dreileitersystem (Märklin) angewendet werden. Dazu isoliert man die beiden - normalerweise elektrisch miteinander verbundenen - Schienen eines Gleises voneinander. Eine Schiene dient dann zur Rückführung des Fahrstroms (Masseschiene), während die andere als Kontaktschiene dient. Die nicht gegeneinander isolierten Räder legen bei besetztem Gleis Massepotential an die Kontaktschiene. Dieses Massepotential kann für eine Besetztmeldung direkt verwendet werden.
Stromfühler: Beim Zweileitersystem liegt an beiden Schienen die Fahrpannung an. Wenn eine Lok auf dem Gleis steht, fließt bei anliegender Fahrspannung ein Strom, der detektiert werden kann. Wenn die Fahrspannung abgeschaltet ist, stellt eine hochohmige Hilfsspannung die Erkennung sicher, ohne daß Loks damit anfahren können. Mit dieser Methode lassen sich nur Fahrzeuge mit Verbraucher (Loks mit Motoren, beleuchtete Waggons) melden. Unbeleuchtete Wagen werden mit Leitachsen versehen, bei denen ein Hilfswiderstand (ca. 10-20 kOhm) einen Verbraucher simuliert.
Schienenkontakte oder Lichtschranken: Bei dieser Methode löst der Zug einen Schienenkontakt oder eine Lichtschranke aus, wenn er in einen Abschnitt hineinfährt. Der entstehende Impuls wird mit einem elektronischen Speicher (FlipFlop) oder einem bistabilen Relais gespeichert. Bei der Ausfahrt des Zuges aus dem Abschnitt wird der Speicher wieder gelöscht. Diese Form kann manuelle Eingriffe (z. B. Entfernen eines Zuges von der Anlage) oder verlorene Wagen nicht erkennen.
Achszähler: Wie beim Vorbild werden die in einen Abschnitt hinein- und hinausfahrenden Achsen gezählt. Aufgrund des hohen Aufwands und der unsicheren Achserkennung konnte sich dieses Verfahren im Modell nicht durchsetzen.

Im folgenden werden die Gleisbesetztmelder des Stromfühler-Prinzips näher vorgestellt.

Optokoppler-Methode

Besetztmelder mit Optokoppler

Wenn über eine (Silizium-)Diode Nennstrom fließt, fällt an der Diode eine Spannung von ca. 0,7 V ab. Schaltet man 4 Dioden hintereinander, ergibt sich ein Spannungsabfall von 2,8 V, der zum Betreiben der Sende-LED eines Optokopplers ausreicht. Für den Zweirichtungsbetrieb verwendet man dieselbe Schaltung antiparallel. Die Optokopplerausgänge können dann direkt parallel geschaltet werden (wired OR).

Der Vorteil dieser Methode liegt in der galvanischen Trennung des Meldeausgangs vom Fahrstrom. Nachteilig ist der hohe Spannungsabfall. Die Besetztmeldung fällt allerdings aus, wenn weniger als 2,8 V vom Fahrregler eingeprägt werden. Bei der Abschaltung der Fahrspannung hingegen übernimmt ein Hilfswiderstand die Einspeisung.

Spannungsteilermethode

Besetztmelder nach der Spannungsteilermethode

Bei der Spannungsteilermethode bildet ein hochohmiger Meßwiderstand an einer Hilfsspannung, die oberhalb der maximalen Fahrspannung liegt, einen Spannungsteiler. Bei leerem Gleis ist der Lastwiderstand nicht vorhanden und die Meßspannung entspricht der Hilfsspannung, weil an dem Meßwiderstand keine Spannung abfällt, da der Strom 0 ist. Wenn das Gleis besetzt ist, fließt durch den Meßwiderstand und den Lastwiderstand ein Strom, so daß die Meßspannung bis auf die angelegte Fahrspannung zusammenbricht. Dieser Spannungseinbruch kann mit einem Komparator erkannt werden. Diese Meßmethode ist nur für Strecken realisierbar, die mit einer festen Polarität bzw. Fahrtrichtung betrieben werden.

Differenzverstärkermethode

Besetztmelder nach der Differenzverstärkermethode

An einem antiparallelen Diodenpaar, das in der Fahrstromzuleitung liegt, fallen bei besetztem Gleis +/- 0,7 V ab. Ein Differenzverstärker detektiert diese Spannung und verstärkt sie auf z. B. +/-10 V. Mittels eines Gleichrichters und nachfolgendem Komparators läßt sich der Besetztmeldezustand detektieren. Bei leerem Gleis erzeugt der Differenzverstärker eine Ausgangsspannung von 0 V.

Es gibt auch Varianten, bei denen das Diodenpaar in die Masseleitung eingeschliffen wird. Diese Schaltung ist deutlich weniger aufwendig, weil die zu verstärkende Meßspannung nicht von der Fahrspannung abhängt.

Links zu Gleisbesetztmeldern

Links zu Gleisbesetztmeldern
Link	Informationen	Hinweis(e)
http://www.mec-krefeld.de/elektronik.html	8fach Gleisbesetztmelder nach der Spannungsteilermethode für Einrichtungsbetrieb; 8fach Gleisbesetztmelder für Zweirichtungsbetrieb nach Differenzverstärkermethode auf Anfrage
http://www.railway-lauf.de	16fach Gleisbesetztmelder nach dem Optokopplerprinzip mit S88-Ausgang. Microcontroller nur programmiert zu beziehen.	Auf der Webseite unter Hardware-Module. Dort unter Gleisbesetztmelder.
Link	Informationen	Hinweis(e)

Mechanischer Aufbau

Platinen

Der einfachste Weg zum Aufbau einer Schaltung besteht auf Steckbrettern. Diese Systeme sind allerdings recht teuer und daher nur für Test- und Prototypaufbauten sinnvoll. Ansonsten verwendet man Lochraster- oder Lochstreifenplatinen. Auf der Platinenunterseite werden die Bauteilanschlüsse mit dünnem Draht miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und fehleranfällig. Für Schaltungen, die man nur in wenigen Exemplaren benötigt, eignet es sich dennoch.

Platinenoberseite mit Bauteilen

Wenn man eine Elektronikschaltung häufiger aufbauen muß, lohnt sich die Anfertigung einer sogenannten gedruckten Schaltung. Darunter versteht man eine geätzte (oder gefräste) Platine, die alle notwendigen Verbindungen der Bauteile bereits enthält. Nach dem Ätzen und Bohren werden die Bauteile einfach verlötet. Während die Bestückung relativ schnell erledigt ist, steckt der Aufwand in der Erstellung der Platinenvorlage (Layout).

Platinenunterseite mit Leiterbahnen

Für die Layouterstellung gibt es spezielle CAD-Programme, die das Layouten aus einem vorgegebenen Schaltplan unterstützen. Die Hersteller bieten abgespeckte Versionen z. T. kostenlos an oder preisgünste Versionen mit reduziertem Umfang für den hobbymäßigen Gebrauch.

Programme zur Leiterplattenherstellung
Link	Informationen	Hinweis(e)
http://www.cadsoft.de	EAGLE: Freeware für Platinen bis 80 x 100 mm; Non-Profit-Version für Platinen bis 100 x 160 mm für 125 EUR
http://www.ibfriedrich.com/	Target 3001: für private Anwendung kostenlos, auf 100 Pins/Pads sowie auf zwei Kupferlagen beschränkt.
Link	Informationen	Hinweis(e)

Frontplatten

Besonders bei Bausteinen wie einem Fahrregler, der ständig im Blickwinkel liegt, macht sich eine professionell aussehende Frontplatte gut. Hierzu kann man mit dem PC eine Vorlage erstellen und ausdrucken (ggf. mit durchsichtiger Folie als Schutz überkleben). Eine Alternative ist eine professionell erstellte Frontplatte und/oder Rückwand. Diesen Service bieten einige Firmen wie z.B. Schaeffer AG, als besonderer Service kann hier ein eigenes Programm zum Entwurf der Frontplatte heruntergeladen werden, mit dem auch die Kosten errechenbar sind.

Racks

Zwei 19 Zoll Baugruppenträger mit gesteckten Europaplatinen

Sinnvollerweise führt man die Elektronikplatinen steckbar aus, damit man sie bei einem Defekt leicht austauschen und ersetzen kann. Hierfür eigenen sich sogenannte 19-Zoll-Einbaurahmen (Racks), die es von verschiedenen Herstellern gibt. Die Platinen, die in diese Racks eingeschoben werden, haben üblicherweise das Maß 100 x 160 mm (Höhe x Tiefe), das Europa-Format. Für Modellbahnzwecke haben sich die 31poligen Steckverbinder nach DIN 41617 bewährt, um die Verbindung zwischen der Steckkarte und dem Rack, das fest mit der Anlage verdrahtet ist, herzustellen.

Analogelektronik

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