Mit diesem Schaltungsteil wird einerseits der Strom für die Lokomotiven bereitgestellt und andererseits informieren Gleisbesetztmelder den steuernden PC über den Standort von Zügen.
Die im Eisenbahnmodellbau verwendeten Motoren laufen ausnahmslos alle mit einer Gleichspannung auch wenn sie von Haus aus mit Wechselstrom betrieben werden. Einzig bei Glockenankermotoren gibt es das Problem, dass sie sich mit der angewandten Methode nicht in der Geschwindigkeit regeln lassen. Die unterschiedliche Geschwindigkeit der Loks wird nämlich nicht durch eine in der Höhe variierende Spannung erreicht. Vielmehr wird immer die Nennspannung angelegt, zur Langsamfahrt allerdings z. B. nur 10% der Zeit, während der restlichen 90% ist die Lok stromlos. Dies führt in aller Regel zu den besten Langsamfahreigenschaften, die man aus den Modellen herausholen kann. Die modernen Fahrgeräte der Industrie arbeiten mehr oder weniger nach dem gleichen Prinzip.
Die Gleisbesetztmelder erkennen selbst einen stehenden Zug, sie untersuchen lediglich ob ein Stromverbraucher auf den Schienen steht.
Die gesamte Schaltung kann man leicht in einzelne Teile aufgliedern. Mit IC1 ist der Adreßdecoder aufgebaut, im Gegensatz zur Weichenkarte werden hier jedoch alle 8 Bit ausgewertet, d. h. die Karte belegt genau eine Adresse.
Die am Datenbus anliegenden Informationen werden in IC3 gespeichert wenn zusätzlich zur richtigen Adresse das Signal '/Write' aktiv, d. h. '0' wird. Diese Verknüpfung erfolgt mit einem Nicht-Oder-Gatter aus IC 5. Dessen Ausgang (Pin 5) führt zu Pin 11 von IC3, wenn dort der Pegel von '0' nach '1' geht, werden die an den Eingängen anliegenden Daten in die Speicher geschrieben.
Je vier Bit der 8 Speicherzellen gehen zu einem der beiden Vergleicher-Bausteine in IC 2 bzw. 4. Dort wird deren binärer Wert mit dem Taktsignal der Fahrregler (von der Netzteilkarte, siehe auch dort) verglichen. Nur wenn der Wert der eingespeicherten Bits größer ist als der Wert des Taktsignals ist der Ausgang (jeweils Pin 5) '1'. Wenn also binär 0 in die Fahrreglerkarte programmiert wurde, ist diese Zahl nie größer als das Taktsignal, das ständig von 0 bis 15 durchzählt. Bei dem Wert 1 ist diese Bedingung immerhin 1/16 der Zeit erfüllt. Mit steigenden Wert der durch die vier Bits dargestellten Zahl wird der Zeitraum, in dem der Wert größer ist als das Taktsignal immer länger. Beim Maximalwert 15 ist die Fahrspannung also 15/16 der Zeit eingeschaltet. Die Loks bekommen also nie 100% der Zeit Strom. Das Gatter IC5b bzw. der Transistor T9 invertieren das Signal noch einmal.
Die Ausgangsstufe gleicht einer Netzteil-Schaltung, anhand der oberen Hälfte wollen wir deren Funktionsweise erläutern. Der Endtransistor T1 erhält über R4 eine Basisspannung die durch die Zenerdiode D1 in ihrer Höhe begrenzt wird. Dadurch stellt sich am Emitter des Darlington-Transistors eine um ca. 1 Volt niedrigere Spannung als die der Zenerdiode ein. Da bei einer Modellbahn ein Kurzschluss aber nie ausgeschlossen werden darf, ist mit R1 Vorsorge getroffen. Wenn der Strom unzulässig hohe Werte erreicht, steigt die Spannung über dem Widerstand an und die Transistoren T2 und 3 beginnen zu leiten. T3 schaltet lediglich eine Leuchtdiode ein, T2 leitet jedoch den Basisstrom des Ausgangstransistors ab, so wird der Strom soweit begrenzt, dass 0,7 Volt über R1 nicht überschritten werden.
In die Zuleitung zu den beiden Leuchtdioden, die einen Kurzschluss anzeigen, wird ein Optokoppler eingeschleift. Wenn eine der beiden LED’s leuchtet, fließt der Strom auch durch die LED in IC8 und der Transistor im Ausgang wird leitend. Alle Optokoppler sind mit der Leitung 12C des Busses verbunden und damit auch mit der Interfacekarte. Dort hält ein Widerstand dieses Signal normalerweise auf etwa 5Volt. Wenn jedoch irgendwo ein Kurzschluss auftritt, so wird das Signal auf fast 0Volt gebracht. Dies wird dann der Software mitgeteilt die wiederum das im Rhythmus der Fahrspannung unterbrochene Signal mindestens 3 Sekunden lang anzeigt. Der Störfall ist dann am Bildschirm erkennbar, welcher Fahrregler allerdings überlastet ist, muss durch einen Blick auf die LED’s geklärt werden. Als Optokoppler eignen sich nach den Erfahrungen des Autors auch die Typen 4N25, IL74 und SU25.
Die Ausgangsspannung läßt sich natürlich leicht abschalten, wenn man die Zenerdiode kurzschließt, dies tut abhängig vom Ausgang des Vergleichers in IC2 der Transistor T8.
Die Wärmemenge, die die Endtransistoren produzieren können, ergibt sich aus der Leistung, die sie aufnehmen müssen. Diese hängt vom Strom und von der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ab. Die Leistung in Watt ist das Produkt aus dem Strom in Ampere und der Spannung am Transistor in Volt. Im Kurzschlussfall ist die Ausgangsspannung nahezu 0 und daher die Leistung am größten.
Nun wirkt man der Überhitzung mit einem Kühlkörper entgegen. Er wird thermisch mit dem Halbleiter gekoppelt und leitet die Wärme an die Umgebungsluft weiter. Wegen der Baugröße kann man aber Kühlkörper nicht immer so dimensionieren, dass sie auch in extremen Situationen die Temperatur des Transistors ausreichend niedrig halten. Dies ist dann kein Problem, wenn man den Problemfall rechtzeitig erkennt und Abhilfe schaffen kann.
Bei der Modellbahnsteuerung ist allein der Bediener für das Erkennen einer bedrohlichen Situation zuständig. Er erhält jedoch Unterstützung in der Weise, dass das Auftreten eines Kurzschlusses oder eine drohende Überhitzung am Bildschirm angezeigt werden.
Zunächst muss man als Temperaturfühler einen NTC (R23) in Kontakt mit dem Kühlkörper bringen. Der spezielle Widerstand verringert mit steigender Temperatur seinen Widerstand. Schaltet man ihn mit einem zweiten Widerstand (R22) zu einem Spannungsteiler zusammen, so kann man an ihrem Verbindunspunkt eine zur Temperatur umgekehrt proportionale Spannung messen. Da wir pro Fahrregler einen Messpunkt überwachen möchten ergeben sich mehrere solcher Spannungsteiler die elektrisch zu verbinden sind. Dabei erfolgt die Kopplung derart, dass der heißeste NTC das Ausgangssignal bestimmt und nicht etwa ein Durchschnittswert gebildet wird. Diese Verbindung erfolgt durch die Diode D37.
Die Gleisbesetztmelder arbeiten nach einem einfachen Verfahren, dass auch bei abgeschalteter Fahrspannung funktioniert. Über einen der Widerstände in RN2, R13 und D21 wird der zum Gleis führende Knoten an +5Volt gelegt. Wenn nun ein Stromverbraucher, d. h. eine Lok oder ein beleuchteter Wagen auf den Schienen steht, bildet dieser mit den vorgenannten Bauteilen einen Spannungsteiler. An den Eingängen von IC7, einem 8-fach Inverter, stellt sich also bei leerem Gleis eine Spannung von +5Volt ein, bei belegten Gleis je nach Widerstand der Lok eine Spannung von weniger als +2Volt. In diesem Fall geht aber der Ausgang von IC7 auf '1' und lädt über D5 den Kondensator C14 auf. C14 kann sich nur langsam wieder über RN1 entladen. Wenn also immer wieder während auch nur kurzer Zeit an der Schiene 0Volt anliegen, bleibt C14 ständig geladen. Jetzt ist auch verständlich, warum die Fahrregler nicht 100% der Zeit eingeschaltet sein dürfen. Die Kondensatoren C15 bis 22 und die Dioden D13 bis 20 dienen nur dem Schutz der Eingänge des angeschlossenen IC's.
Der Gleisbesetzt-Zustand, repräsentiert durch den Pegel an C7 bis 14, kann dann über IC6 an den Datenbus angelegt werden. Dies darf aber nicht ständig geschehen, sondern nur wenn die Karte adressiert ist und das Lese-Signal, hier '/Read' genannt, aktiviert ist. IC5d verknüft also den Ausgang des Adreßdecoders mit dem '/Read'-Signal, IC5C invertiert das Ganze nochmals und steuert so diesen Vorgang. Die Pins 1 und 19 von IC6 werden also nur '0' wenn der PC den Gleisbesetzt-Zustand lesen will, dann schaltet nämlich IC6 den Pegel an seinen Eingängen auf den Bus.
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