Signalsteuerung umfassend

mit CMOS-Logikbausteinen

Wenn ein ganzer Bahnhof komplett mit Haupt- und Vorsignalen ausgerüstet werden soll, werden die Weichenlage-Informationen zahlreiche Male benötigt. Hier bietet es sich an, die Weichenlage in eine Elektronik einzulesen und dann mit logischen Verknüpfungen (z.B. CMOS Gatter) die Fahrbegriffe zu bilden. Auch eine automatische Haltstellung nach Durchfahrt des Zuges kann so relativ einfach hinzugefügt werden.

Die CMOS Bausteine der Reihe 4000 haben den Vorteil, dass sie problemlos mit 12V= betrieben werden können, wenig Strom verbrauchen und ziemlich robust sind. Also genau das Richtige für die Zwecke der Modellbahn. Für die Verstärkung der Ausgänge verwende ich wie immer Operationsverstärker, weil sie kurzschlussfest und sehr robust sind. Wichtig ist, dass man sich zu jedem Baustein das Datenblatt besorgt, z.B. aus dem Internet (Google). Denn jeder Baustein ist ein integrierter Schaltkreis (IC) mit zahlreichen spezifischen Möglichkeiten und Begrenzungen, die es einzuhalten gilt.

1. Schritt: Weichenlagen einlesen

Weichenlage an Eingang der Elektronikkarte geben:
Von jeder Weiche wird ein freier Kontakt benötigt. Die Wurzel wird an +12V gelegt und eine Weichenlage (z.B. die Rechtslage) an den Eingang der Elektronikkarte gelegt.

Eingangsbeschaltung:
Die Eingangsbeschaltung wird im Logikplan vereinfacht dargestellt durch ein Quadrat mit einem Diagonalstrich. So wird ein "Signalwandler" dargestellt. Folgendes spielt sich da ab: Der Eingang ist mit einem 22k Widerstand mit Masse verbunden. Dieser "Pull-Down-Widerstand" ist wichtig. Er sorgt dafür, dass der Eingang schaltungsintern auf Null gezogen ist, wenn der Weichenkontakt am Eingang offen ist. Dadurch führen die Eingänge der CMOS-Bausteine und OP's immer ein definiertes Potential: 0V wenn der Eingang offen oder auf Masse ist, oder +12V wenn der Eingang geschlossen und an Spannung gelegt ist.

So funktionierts:

• Eingang geschlossen (+12V): Es fliesst ein kleiner Strom durch den Widerstand nach Masse.
  I = U / R = 12V / 22kOhm = 0.5mA
  Die ganze Spannung fällt über dem Widerstand ab, d.h. am Eingang liegt die volle Spannung von +12V an.

• Eingang offen: Es fliesst kein Strom durch den Widerstand. Somit kann über dem Widerstand keine Spannung abfallen (U = R * I). Somit ist auf beiden Seiten des Widerstands das gleiche Potential, nämlich Masse. Somit führt der Eingang schaltungsintern Masse, auch wenn der Eingang offen bzw. nicht angeschlossen ist.

• Eingang an Masse (0V): Beide Seiten des Widerstands führen Masse. Es fliesst kein Strom. Der Eingang liegt an Masse.

Ohne den Pull-Down-Widerstand "hängt" die Elektronik bei offenem Eingang in der Luft. Bei manchen Hochspannungsimpulsen (z.B. Abrissfunken eines Weichen-Magnetantriebs) kann die Schaltung durch die Luft beeinflusst werden, was zu unvorhersagbaren Ergebnissen führen kann. Damit wird klar, dass für sämtliche Eingänge je ein Pull-Down-Widerstand erforderlich ist, unabhängig von der Bedeutung des Eingangs.

Im Foto ist links eine lange Reihe Lötstützpunkte sichtbar. Dies sind die Ein- und Ausgänge. Sie sind alle an einer Seite der Platine angebracht (siehe auch Bild ganz oben), weil so alle Anschlussdrähte von einer Seite kommen werden. Die fertig eingebaute und angeschlossene Platine lässt sich dadurch auch im eingebauten (angeschlossenen) Zustand auf die Rückseite drehen, was die Fehlerbehebung sehr stark vereinfacht.

Die Lötstützpunkte sind durchnummeriert (ganz links, schwach sichtbar). Von den Lötstützpunkten der Eingänge führen Kupferlackdrähte zu den Logikbausteinen. Die Pull-Down-Widerstände sind direkt vom Lötstützpunkt zu einer Masse-Sammelleitung geführt.

Inverter:
Das letzte Element im Schema im Bild oben ist ein Inverter. Es genügt, wenn wir eine Weichenlage (z.B. die Rechtslage) an die Elektronik einlesen. Die andere Weichenlage (hier: Linkslage) kann durch Invertieren erzeugt werden. Ich verwende dazu z.B. den CMOS IC 4049 (Hex Inverter Buffer).

2. Schritt: Fahrbegriffe bilden

Nun erstellen wir eine Liste nach dem Motto "Fahrbegriff 1 sei, wenn dies und das erfüllt ist" (siehe links oben im Bild). Dann erstellen wir gemäss der Liste einen Logikplan (rechts im Bild).

Die wichtigsten CMOS Bausteine sind:
4081 Quad 2-Input AND
4073 Triple 3-Input AND
4082 Dual 4-Input AND
4071 Quad 2-Input OR
4070 Quad 2-Input EXOR
4049 Hex Inverter Buffer
4013 Dual D Flipflop
Damit kann man sich eigentlich alles zusammenbasteln. Weitere Bausteine gibt es in den einschlägigen Katalogen.

Wenn wir die Pin-Nummern der CMOS Bausteine gleich zu den Gattern im Logikplan hinzuschreiben, können wir die Verdrahtung direkt gemäss dem Logikplan erstellen. Für die Verdrahtung verwende ich Kupferlackdraht 0.09mm2 (d=0.3mm). Damit ist auch eine komplexe Verdrahtung mit wenig Platzbedarf möglich, und der 0.3mm-Draht hat noch eine genügende Robustheit im Hinblick auf Berührung mit der Hand.

Kupferlackdraht löten ist sehr einfach: Draht in die Bohrung auf der Printplatte stecken, Lötkolben mit Lötzinn hinhalten, "braten" bis der Lack verbrannt ist (ca. 10s) und fertig. Den richtigen Moment erkennt man daran, dass der Lack braun "brutzelt" und dass das Lot schön um den nun blanken Kupferdraht fliesst.
Tipp: Zuerst die Verdrahtung komplett erstellen, erst nachher die temperaturempfindlichen Bauteile einlöten...

3. Schritt: Fahrrichtung aufbereiten

Bei der einfachen Signalsteuerung haben wir einen Kippschalter oder den Fahrrichtungsdetektor ohne weiteres Zugemüse verwendet. Hier basteln wir eine automatische Haltstellung nach Durchfahrt des Zuges hinzu:

• Zu Beginn stellen wir die Fahrrichtung ein (Kippschalter oder, bei Fahrrichtungsdetektor, Drehen am Regelknopf). Damit liegt ein Signal von +12V am entsprechenden Eingang FRL bzw. FRR.

• In Grundstellung ist der Flipflop zurückgesetzt, d.h. A-Nicht ist gleich 1 (+12V). Somit sind beide Eingänge des UND-Gatters auf 1 und der Ausgang FRA bzw. FRB (für das Einfahrsignal A bzw. das Ausfahrsignal B) hat ebenfalls 1. Das Signal zeigt Fahrt.

• Zwischen den Signalen A und B, am spitzen Ende der Weichenstrasse, bauen wir eine Lichtschranke (Reflexlichttaster) ins Gleis. Dieser setzt den Flipflop. Dadurch geht der Ausgang A-Nicht auf 0. Nun ist nur noch ein Eingang des UND-Gatters auf 1; dessen Ausgang (FRA bzw. FRB) geht auf 0. Das Signal fällt auf Halt.

• Wenn der Zug an sein Ziel gekommen ist, stellen wir den Fahrregler auf Null (oder den Kippschalter in die Mitte). Dadurch sind beide Eingänge FRL und FRR auf 0. Damit kommt am Ende des NICHT-EXOR ein 1 heraus - der Flipflop wird zurückgesetzt. Der Zyklus kann von neuem beginnen.

Die Verdrahtung erfolgt genau gleich wie bei der Verknüpfung der Weichen.

Optional: Kleine Komplikation für Hochmotivierte...
In Nebenwil habe ich Tasten für die Fahrt- und Haltstellung eingebaut, die wahlweise anstelle von Fahrrichtunsdetektor und Reflexlichttaster genutzt werden können: Handbedienung der Signale oder Automatik. Die Fahrrichtungsinformation muss jedoch bis zur Haltstellung dauernd vorhanden sein. Das Bild zeigt eine Selbsthaltung für die Tasten. Denn ohne Selbsthaltung der Tasten zeigt das Signal nur Fahrt, solange die Taste gedrückt wird...

Diese Spezialschaltung ist natürlich nur erforderlich, wenn man mit Tastern arbeitet. Es geht durchaus auch ohne Taster...

4. Schritt: Fahrrichtung und Fahrbegriff verknüpfen

Nachdem die Fahrrichtung fertig aufbereitet ist, können wir sie mir den vorher ermittelten Fahrbegriffen verknüpfen. Dazu verwenden wir einige 2-Input AND Gatter. Die Verdrahtung erfolgt wieder wie gewohnt mit Kupferlackdraht. Wir sind nun fast fertig.

5. Schritt: Resultat aufbereiten (verstärken)

Nun muss das Resultat nur noch verstärkt werden. Denn die Ausgänge der CMOS Logikbausteine liefern eigentlich nur eine Spannung: logisch 0 = 0V; logisch 1 = 12V. Der Strom, den die CMOS Bausteine liefern, ist zu klein für unsere Zwecke.

Wir helfen uns mal wieder mit Operationsverstärkern (OP's): Sie haben sehr hochohmige Eingänge, während die Ausgänge bis zu 40mA liefern und kurzschlussfest sind. Wir verwenden hier LM324 (4-fach OP) oder LM358 (2-fach OP), weil diese eine aktive Stromquelle besitzen.

So funktionierts:

• Mit zwei Widerständen von min. 22kOhm bauen wir einen Spannungsteiler. Gemäss dem Ohm'schen Gesetz U = R * I liegt zwischen den beiden Widerständen die halbe Speisespannung an.

• Diese halbe Spannung legen wir an den Minuseingang aller OP's.

• Das Resultat unserer CMOS-Logikschaltung legen wir an den Plus-Eingang eines OP's.
  Logisch 0 = 0V am +Eingang des OP -> Ausgang hat 0V
  Logisch 1 = 12V am +Eingang des OP -> Ausgang hat 12V/40mA

Den Ausgang des OP geben wir nun auf den Eingang des Signalbausteins, wie bei der einfachen Signalsteuerung. Je nach Erfordernis können wir auch direkt eine LED (5-20mA) oder ein DIL-Relais (12mA) anschliessen. Bei der LED den Vorwiderstand nicht vergessen! Beim Relais die Freilaufdiode nicht vergessen!

Beispiel: Nebenwil

Damit alle Teilschritte der Signalsteuerung im Zusammenhang erkennbar werden und als konkretes Beispiel habe ich die komplette Signalschaltung von Nebenwil als pdf (500kB) zusammengestellt. Nebenwil ist eine Mischform: Die Fahrbegriffe werden nach der einfachen Methode ermittelt, dann aber in die CMOS-Schaltung eingelesen und mehrfach verwendet. Ich hoffe, es hilft, die Signalsteuerung mit und ohne CMOS noch etwas klarer zu erklären.

Nachwort

Es ist durchaus möglich, dass die Elektronik auch vereinfacht werden kann. Jedoch funktioniert diese Schaltung - und ich hatte keine Lust mehr, sie zu vereinfachen, nachdem sie endlich funktioniert hat ;-)

Ein anderer Ansatz ist, die Systematik und Modularisierung weiter zu treiben. Dies führt zu leistungsfähigen, komplexen Baugruppen, die aber als "Black Box" betrachtet werden könnten. Insgesamt wird die Handhabung dann einfacher, trotz der grösseren Leistungsfähigkeit. Diesen Weg gehe ich mit Domino 160 light.

Hinweis: Diese Signalsteuerung steuert nur die Signallampen. Die Signale sind somit "nur" Anzeigeelemente. Wenn eine Zugbeeinflussung gewünscht wird, muss diese separat gebaut werden, z.B. mit Weichenlagekontakten von Handweichen oder Elektroweichen!

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