Diodenmatrix

Diodenmatrix einfach

oder: Eine Taste pro Fahrstrasse

Die Diodenmatrix ist eine altbewährte, weit verbreitete Technik für die Fahrstrassensteuerung eines Bahnhofs. Sie eignet sich gut für kleine bis mittlere Bahnhöfe. Sie ermöglicht es, mehrere Weichen zu einer Fahrstrasse zusammenzufassen und mit einem einzigen Tastendruck in die gewünschte Lage zu steuern. Dadurch ergibt sich gegenüber der Einzelweichensteuerung eine grosse Verbesserung im Bedienungskomfort und in der Sicherheit.

Beginnen wir mit einem einfachen Beispiel. Der Gleisplan im Bild oben zeigt drei Gleise an einer einspurigen Strecke. Wir bauen für jedes der drei Gleise eine Steuertaste. Diese drei Steuerbefehle geben wir in die Diodenmatrix. Diese teilt dann die Steuerbefehle auf die erforderlichen Weichen zu, je nach dem, an welche Kreuzungen Dioden gesetzt sind (Typ 1N4001, rechts unten im Bild):

Senkrecht sind die Leitungen von den Fahrstrassentasten, waagrecht die Leitungen zu den Weichenantrieben. Die Dioden verknüpfen die beiden und verhindern unerwünschte Rückkopplungen, die zu falschen Weichenstellungen führen würden. (Ersetze in Gedanken die Dioden durch einfache Drahtbrücken und betrachte den Anschluss von W1R, dann wird klar, weshalb die Entkopplung durch die Dioden wichtig ist.)

Fahrstrassenausleuchtung

Nun möchtest du vielleicht eine Fahrstrassenausleuchtung, damit du siehst, welche Fahrstrasse eingestellt ist. Siehe separaten Artikel: Fahrstrassenausleuchtung.

Stromversorgung

Ein grosses Problem der Diodenmatrix ist, dass alle Weichen einer Fahrstrasse gleichzeitig angesteuert werden. Dadurch ist ein Stromstoss erforderlich, der die meisten Stromversorgungen in die Knie zwingt. Das bedeutet, die Weichen schalten infolge zu wenig Strom nicht richtig.

Die übliche Lösung besteht darin, dass der Wechselstrom, den wir vom Weichentrafo beziehen, gleichgerichtet wird (mit einem Brückengleichrichter für 1-2A) und mit einem oder mehreren Elektrolyt-Kondensatoren geglättet wird (Bild oben). Die Kondensatoren bewirken zweierlei: Einerseits heben sie, physikalisch bedingt, die Spannung auf 21V geglätteten Gleichstrom. Dadurch erhöht sich der Strom im Weichenantrieb um den Faktor 21/16 = 1.3 wodurch sich die Leistung im Weichenantrieb um den Faktor 1.3^2 = 1.7 vergrössert. Das bedeutet, die Weichenantriebe sind (genügend Strom vorausgesetzt) nun 1.7 mal so stark wie mit 16V~. Das erhöht die Zuverlässigkeit der Weichenantriebe. Infolge der kurzen Einschaltdauer wird dennoch nur eine ungefährliche Energiemenge zum Weichenantrieb transportiert, so dass dieser nicht beschädigt werden kann. Zum anderen sind die Kondensatoren Energiespeicher - sie wirken wie kleine Batterien. Der gesamte Stromstoss wird schliesslich durch die Kondensatoren geliefert. Anschliessend kann der eher kleine Trafo die Kondensatoren in aller Ruhe wieder aufladen. Das dauert dennoch nur einen Augenblick.

Für die Dimensionierung der Kondensatoren hat sich 1000uF pro Weiche, multipliziert mit der max. Anzahl Weichen pro Fahrstrasse, plus ca. 1000uF Reserve (aufrunden) als brauchbar erwiesen. Für die Schaltung oben würden wir also 1x 4700uF oder 2x 2200uF verwenden.

Für die andere Seite des Bahnhofs (nicht dargestellt) wird eine zweite Diodenmatrix benötigt.

Hinweis 1: Natürlich müssen die Fahrstrassentaster und die Kabel den maximalen Summenstrom verkraften können. Im obigen Beispiel werden maximal zwei Weichen gleichzeitig geschaltet. Das heisst, Taster und Kabel müssen den zweifachen Weichenstellstrom verkraften können. Taster und Kabel also unbedingt ausreichend dimensionieren! Sonst besteht die Gefahr des Verschweissens der Tasterkontakte bzw. der Spannungsabfall im Kabel wird zu gross!

Diodenmatrix kompliziert

oder: Bedienung mit Start- und Zieltasten

Ist der Bahnhof umfangreicher oder gibt es eine Doppelspurstrecke, wird es komplizierter. Zum einen, weil es mehr Weichen gibt, zum anderen, weil mehrere Zulaufstrecken, die in den selben Bahnhof münden (Doppelspur!), mit einer einzigen Fahrstrassentaste pro Zielgleis nicht mehr eindeutig zugeordnet werden können. Betrachten wir mal folgenden Gleisplan von Julien Wurtz (veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung):

Damit der Bahnhof vernünftig bedient werden kann, brauchen wir Start- und Zieltasten. Wir bauen also pro Zufahrt (Start) und pro Bahnhofgleis (Ziel) je eine Taste. Diese verknüpfen wir durch einfache Serieschaltung zu den gewünschten Fahrstrassen. Dann können wir die Diodenmatrix ansteuern.

Wenn wir das Schaltschema oben etwas genauer betrachten, bemerken wir, dass die meisten Zieltasten mehr als einmal verwendet wurden. Wie machen wir das? Taster mit mehr als einem Schliesskontakt sind eher selten. Ich bevorzuge eine indirekte Lösung: Mit den Tasten GU, G1-G5 schalten wir zunächst ein oder mehrere Relais 2x um an, je nach dem, wieviele Kontakte benötigt werden.

Nun können wir die Arbeitskontakte der Relais für die Anschaltung der Diodenmatrix verwenden.

Hinweis: Von den Streckentasten E2, A1, T (zuoberst im Schema) wird nur je ein Kontakt benötigt. Daher muss von den Streckentasten zuoberst im Schema kein Tastenrelais gebaut werden. Es können direkt die Kontakte der Tasten E2, A1, T verwendet werden.

Nun haben wir erst die Weichensteuerung.
Weitere Themen sind in separaten Artikeln behandelt:
• Fahrstrassenausleuchtung
• Versorgung der Gleise mit Fahrspannung
• Signalsteuerung

Alles keine Hexerei, im Grunde Fleissarbeit. Und die Aufteilung in mehrere in sich abgeschlossene Themengebiete erleichtert Verständnis, Übersichtlichkeit und die spätere Fehlersuche.

Aber mach dir nichts vor: Es ist viel Aufwand. Und dennoch... Wenn du jetzt beim Bau viel Aufwand treibst, hast du es später beim Betrieb umso leichter. Die Schwierigkeit ist, je nach Bahnhofgrösse dein persönliches Optimum aus Aufwand und Ertrag zu finden.

Die Grenzen der Diodenmatrix
Mit dem oben gezeigten Bahnhof mit 13 verschiedenen Fahrstrassen pro Bahnhofshälfte sind wir schon nahe an der Leistungsgrenze der Diodenmatrix, weil du als Erbauer das ganze Trumm ja jederzeit beherrschen können musst - auch und gerade dann, wenn es mal rumzickt.

Es gibt aber viele Modellbahn-Bahnhöfe, deren Weichenfelder noch wesentlich aufwendiger sind. Für solche Projekte brauchen wir eine andere Lösung mit mehr Systematik... oder vielleicht wirklich eine Computersteuerung.

Physischer Aufbau

Eine Diodenmatrix wird praktischerweise auf einer Lochrasterplatine aufgebaut. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Bahnen können dann einfach mit den Dioden erstellt werden (Aufbau für Variante "einfach" siehe Bild unten). Vorteilhaft ist es, wenn alle Anschlüsse auf der selben Seite sind (z.B. links) - die Platine kann dann auch im eingebauten (angeschlossenen) Zustand noch gewendet werden. Das ist wichtig, wenn später Änderungen gelötet werden sollen.

 
Kritisch ist der Querschnitt der Leiterbahnen auf der Lochrasterplatine, insbesondere in den Bahnen, die an die Taster angeschlossen werden. Hier empfiehlt es sich, den Querschnitt durch "Aufzinnen" zu vergrössern.

Und Weichen mit Motorantrieb?

Die Diodenmatrix kann systembedingt nur Plus an die Weichen geben. Motorantriebe benötigen Plus und Minus. Damit Weichen mit Motorantrieb mit der Diodenmatrix betrieben werden können, müssen wir in die Trickkiste greifen:
Motorantriebe kompatibel zu Doppelspulenantrieben

Zusammenfassung:

Vorteile der Diodenmatrix
+ grosse Verbesserung gegenüber Einzelweichensteuerung
+ Einfach und kostengünstig aufzubauen bei kleinen Projekten
+ Einfach zu verstehen
+ Bewährte, weit verbreitete Technik

Nachteile der Diodenmatrix
- Nachträglich schwierig zu ändern
- Mit zunehmendem Umfang wird's unübersichtlich und komplex
- Zum Umsteuern der Weichen ist ein grosser Stromstoss erforderlich
- Zweitastenbedienung (Start- und Zieltaste) erfordert Zusatzaufwand
- Nur Weichensteuerung; Fahrstromlenkung und Signalsteuerung muss separat gelöst werden

nach oben