Die Modellbahnsteuerung GROUPIE-MEB-Tron ist nun schon seit mehreren Jahren bei einigen Modellbahnern im Einsatz. Dabei wächst sie mit den Anlagen. Genau wie bei analog gesteuerter Technik wächst dann allerdings auch der "Kabelsalat" unter der Eisenbahn. Besonders bei transportablen Anlagen muss man der Verschaltung und deren Dokumentation viel Aufmerksamkeit widmen. Eine der letzten Ausstellungen hat beim Autor den Anstoß gegeben, hier etwas zu ändern. Ein Schattenbahnhof mit 14 Weichen und 9 Signalen erforderte neue Kabelbäume und Steckverbinder, also viel Arbeit.
Die Idee reifte, der Betriebsspannung einer Art von "Decoder", ähnlich wie bei digitalen Systemen, Informationen mit zu gegeben. Das Ganze muss natürlich für den Selbstbauer ohne Spezialteile realisiert werden und mit der bisherigen Technik kompatibel sein. Dies erforderte Kompromisse, das Ergebnis ist jedoch schon ganz ordentlich: für zum Beispiel 8 Signale sind nur noch 1 Kabel und die sowieso am Gleis vorhandene Masse zu verdrahten, statt 17 einzelner Adern. Das lohnt auch etwas elektronischen Aufwand. Wenn dann noch der Lichtwechsel gleitend, ähnlich wie beim Vorbild, vonstatten geht, ist auch die Gegenüberstellung der Kosten akzeptabel. Auch bei den Weichen ist der Gewinn deutlich. Zwar sind hier zwei Leitungen (plus Masse) nötig, die "Decoder" schalten aber mit Wechselspannung und taugen daher auch für motorische Antriebe. Zudem sind sie galvanisch von der Steuerung getrennt was die Störsicherheit verbessert.
Doch zunächst der Reihe nach, wie funktioniert so was? Wenn man mehrere Signale oder Informationen über nur eine Leitung senden will, muss man sie hintereinander, das heißt seriell, übertragen. Das kennt man vom Computer auch: die älteren Druckeranschlüsse haben für jedes einzelne Bit und weitere Steuerleitungen je eine Ader. Das führt zu relativ dicken Kabeln und Steckern mit vielen Kontakten, eben den Nachteilen der parallelen Datenübertragung. Modems und andere Geräte benutzen die COM- oder USB-Schnittstelle die nur wenige Verbindungen brauchen weil sie die verschiedenen Daten hintereinander über die gleiche Leitung senden.
Bei digitalen Modellbahnsystemen werden der Betriebsspannung höherfrequente Signale zur Verschlüsselung der Informationen mitgegeben. Dies hätte jedoch erheblichen Schaltungsaufwand erfordert wenn man ohne Spezialteile wie zum Beispiel Microcontroller auskommen will.
Einfacher ist es, wenn man durch mehr oder weniger lange Unterbrechungen der Betriebsspannung die Information überträgt. Im Empfängerbaustein für Signale kann ein Kondensator mit nachgeschalteter Spannungsstabilisierung die kurzen spannungslosen Zeiten überbrücken, die angeschlossenen Leuchtdioden leuchten dann flackerfrei. Trotzdem kann man die Informationen wieder gewinnen.
Das Bild 1 verdeutlicht das Verfahren: mehrmals pro Sekunde wird die Spannung, hier in Rot dargestellt, achtmal in schneller Folge unterbrochen. Eine kurze Pause bedeutet dabei "Signal Grün" und eine längere Pause "Signal Rot". Bei den Weichen heißt dies analog "Spule stromlos" oder "Spule eingeschaltet".
Im Bild ist also das erste Signal rot, Nummer 2 und 3 sind grün, 4 und 5 wieder rot und so weiter.
Im Empfänger wird bei Beginn einer jeden Pause ein Impuls erzeugt, im Bild ist er grün dargestellt. Er ist immer gleich lang, dabei aber länger als die kurzen Pausen und kürzer als die langen Unterbrechungen. Bei seinem Ende, im Bild zu den Zeitpunkten t1 bis t8, wird jedes Mal der Zustand des Eingangssignals ausgewertet. Ist die Spannung noch "aus" heißt dies, dass "Rot" übertragen werden sollte. Umgekehrt bedeutet "Spannung ein" dass das zugehörige Signal "Grün" anzeigen soll.
Schaltungstechnisch wird das Konzept auf der Sender- wie auf der Empfängerseite mit so genannten Schieberegistern als zentralem Element realisiert. Beim Verschlüsseln der Daten werden die Zustände der 8 Bits in ebenso viele Speicherzellen geschrieben. Mit jedem Impuls des Taktsignals werden dann die Bits "zum Ausgang hinausgeschoben", das heißt der Ausgang hat zunächst den Zustand der achten Speicherzelle, dann den der siebten und so weiter. Nach acht Takten ist die parallele Information in eine serielle umgewandelt.
Die umgekehrte Wandlung, das heißt von seriell nach parallel, erfolgt analog dazu. Das Signal wird einem Eingang eines Schieberegisters zugeführt und erscheint beim ersten Taktimpuls am ersten Ausgang, beim zweiten Takt am zweiten und so weiter. Nach acht Taktimpulsen liegen also die hintereinander gesendeten Daten an den acht Ausgängen wieder gleichzeitig an.
Da sich während des "Schiebens" die Signalausgänge ständig ändern, darf deren Signal in dieser Zeit nicht ausgewertet werden. Daher folgt einem Übertragungszyklus eine immer gleich lange Pause. Sie dient auch dazu, die Empfängerschaltung zeitlich mit dem Sender zu synchronisieren.
Die Gesamtschaltung der in den Bus der Steuerung einzusteckenden Karte ist zu umfangreich um sie hier in einem Bild abzudrucken. Daher gliedern wir sie in verschiedene Funktionsgruppen auf. Die zu übertragenden Daten müssen zwischengespeichert werden. Die Karte kann bis zu vier Empfängerplatinen für Signale oder 2 Empfänger für Weichen bedienen, daher muss sie auch 4 mal 8 Bit speichern können.
Bild 2 zeigt den Adressdecoder und die Zwischenspeicher. Der Schaltungsteil entspricht sehr weitgehend dem der Weichenkarte ( Modelleisenbahner Heft 10/2001 bzw. hier im Internet). Daher hier nur eine grobe Beschreibung: mit 6 Steckbrücken legt man die Basisadresse, also die kleinste Adresse, auf welche die Karte reagiert, fest. Wenn die Adressleitungen 2 bis 7 dieser Einstellung entsprechen und das "/Write"-Signal aktiv werden, gibt IC1 ein Signal an IC2 ab. Dieses aktiviert dann abhängig von den Adress-Bits 0 und 1 einen der vier Daten-Zwischenspeicher. In die vier Leitungen müssen noch Inverter geschaltet werden, diese sind in IC3 enthalten. Die auf dem Bus anliegenden Datenbits werden in einem der ICs 4 bis 7 gespeichert.
Als Takt für die Schieberegister dient das niedrigst wertige Bit des Fahrregler-Taktsignals. Es wird vom Bus abgegriffen. So können ein paar Bauteile gespart werden und mehrere Karten arbeiten mit dem gleichen Takt. Auf diese Weise erübrigen sich mehrere Abgleichpunkte.
Das Bild zeigt die komplette Adressierungs-Erkennung, die Datenspeicher und die Bauteile zur Takt-Erzeugung.
Außer dem 100Hz-Takt der Fahrregler werden jedoch noch weitere Signale benötigt. Die Frequenz wird mit dem den Binärzähler in IC8a durch 16 geteilt. Der vierte Ausgang wird logisch "1" wenn der Zählerstand 8 erreicht ist und bleibt bis 15 "High". Dadurch erhält man die oben erwähnte Pause in der nicht geschoben wird. Weiterhin erkennen die drei Oder-Gatter in IC 9 den Zählerstand "0", in diesem Augenblick müssen nämlich die Schieberegister mit den zu übertragenden Daten geladen werden. Schließlich wird die "/Reset"-Leitung zum Zurücksetzen der Schaltung angezapft.
In der ersten Version der Schaltung war Gatter IC9a noch nicht in die Leitung FR3 eingeschleift. In ungünstigen Konstellationen führte dies bei der Verwendung zum Schalten von Weichen zu gelegentlichen Störungen. Falls Sie eine Platinen-Version vor dem 18.01.2009 haben und das Problem auftritt können Sie an anderer Stelle nachlesen wie die Platine modifiziert werden kann.
Nun kommen wir zu den eigentlichen Herzstücken der Karte, den Schieberegistern in den IC's 10, 11, 12 und 13. Da sich die Beschaltung viermal wiederholt, ist in Bild 4 nur die erste Hälfte dargestellt, der Rest funktioniert analog dazu. Die Bauteile-Nummern in den weiteren Beschreibungen beziehen sich nur auf die erste der vier gleichen Teilschaltungen.
Die Register werden natürlich mit den zwischengespeicherten Daten "gefüttert". Weiterhin werden die oben erwähnten Signale benötigt. Wir erinnern uns noch an die oben erwähnte konstant lange Pause, diese wird mit dem ersten Monoflop in IC14 erzeugt. Es wird mit dem Taktsignal getriggert. Durch die Benutzung der zwei möglichen Trigger- Eingänge geschieht dies allerdings nur so lange der Zählerstand 0 bis 7 ist. Die Länge des Ausgangssignals wird durch das Produkt von Widerstand R1 und Kondensator C16 bestimmt. Dem Widerstand R1 wird die Serienschaltung aus D5 und R5 parallel geschaltet wenn das gerade zu übertragende Bit "1" ist. Falls eine "0" zu senden ist, so bestimmt einzig R1 die Monoflop- Zeit, diese ist dann länger als bei einer "1". Dadurch variiert die Dauer des Ausgangsimpuls mit dem zu übertragenden logischen Zustand.
Das invertierte Ausgangssignal des Monoflops öffnet dann während der Dauer des Impulses den Transistor T1. Folglich wird dann auch T5 gesperrt, es liegt dann keine Spannung am Ausgang.
Die abgebildeten Pläne stellen, wie schon erwähnt, nicht die gesamte Schaltung dar. Wer den kompletten Plan sehen möchte kann sich die Projekt-Datei herunterladen und mit der Target-Software anschauen.
Für den Nachbau empfiehlt sich die Verwendung einer vorgefertigten Platine die ebenfalls beim Autor zum Selbstkostenpreis erhältlich ist. Zum Aufbau der Schaltung gilt das, was in früheren Beschreibungen auch schon stand: besorgen Sie sich zunächst die richtigen Bauteile gemäß der Stückliste. Dabei kann man zwischen verschiedenen Alternativen für den Anschluss der Decoder wählen. Man kann 6,3mm Flachstecker, wie sie in der KFZ-Elektrik üblich sind, einbauen. Die (isolierten!) Steckschuhe können dann einzeln pro Decoder aufgesteckt werden. Der Klemmblock in der Stückliste erlaubt, ohne weitere Stecker, den Anschluss eines Kabels. Die Kontaktfedern lassen sich mit einem kleinen Schraubenzieher leicht öffnen. Auf den freien Raum der Schmalseite der Platine können aber auch andere Buchsen montiert und frei verdrahtet werden.
Zur Vorbereitung der Bestückung sortieren Sie die Bauteile zunächst gemäß Stückliste. Dann beginnt man mit den niedrigsten Bauteilen, also den Widerständen und Dioden. Dann folgen die Kondensatoren und IC-Sockel. Dabei gibt es noch etwas zu beachten: die Kondensatoren C9 bis 13 haben ein Rastermaß von 7,5mm. Zwischen den benachbarten Datenspeichern in den IC's 4-7 und den Schieberegistern in IC10-13 waren nämlich die 8 Leiterbahnen für die Datenbits zu verlegen. Dies erforderte etwas mehr Platz der mit dem größeren Abstand der Pins leicht zu gewinnen war. Die Anschlussdrähte der empfohlenen Typen kann man leicht so verbiegen, dass sie dem Platinenmaß entsprechen.
Das Widerstands-Netzwerk in RN1 muss in der richtigen Richtung bestückt werden. Es trägt an einem Ende einen kleinen Punkt, dieser muss in Richtung IC3 zeigen. Auch bei den Transistoren T5 - 8 ist die richtige Einbau wichtig: die Kühlfläche muss auf der Seite der im Bestückungsplan dicker gezeichneten Linie sein. Die Halbleiter brauchen keine Kühlung, an ihnen fällt nur eine geringe Leistung ab. Sie sperren entweder komplett oder sind durchgeschaltet.
Die 64-polige Messerleiste K1 sollte man unbedingt vor dem Löten mit zwei Schrauben befestigen sonst ist ein gerader Sitz nicht gewährleistet. Auch können sonst mechanische Spannungen an den Anschlüssen zu Problemen führen. Vor der Inbetriebnahme sollte eine sorgfältige Kontrolle auf richtige Bestückung und vollständige Verlötung aller Bauteile erfolgen.
An dieser Stelle noch ein Tipp: falls Sie einmal ein nicht gesockeltes Bauteil austauschen müssen, führt der Versuch, es auszulöten, meist zur Zerstörung der Platine. Besser ist es, die Anschlussbeinchen zu durchtrennen und dann einzeln mit einer Entlöt-Pumpe aus der Platinen zu entfernen. Auch dem Autor ist es nämlich schon passiert dass er beim Herausziehen des Bauteils die Durchkontaktierung mit entfernt hat und hinterher eine Stunde eine Fehlfunktion gesucht hat.
Ein echter Test kann natürlich nur mit einem angeschlossenen Signal- oder Weichen-Empfänger erfolgen, die beiden Typen werden demnächst beschrieben.
Ein Problem, das beim Autor erstmals mit Einsatz dieser Karte aufgetreten ist, soll jedoch nicht verschwiegen werden. Der Taktgeber auf der Netzteilkarte ist relativ einfach aufgebaut und führt manchmal zu Schwierigkeiten. Wegen der steilen Schaltflanken der Signale kann es zu Störungen kommen. Auch ist seine Frequenz wichtig, die dort angegebenen Hertz-Zahlen sind wenigstens ungefähr einzuhalten.
Die Taktgeber-Schaltung muss also unter Umständen umgebaut oder sogar ersetzt werden. Zur Vermeidung von Störungen können, ähnlich wie bei den Daten- und Adress- Leitungen auf der Interfacekarte, Widerstände von 47Ohm in den Verbindungen zum Bus Abhilfe schaffen. Ein Kondensator von 5- 10myF, der mit möglichst kurzen Verbindungen an die Betriebsspannungsanschlüsse von IC2 gelötet wird, hilft nach allen bisherigen Beobachtungen. Das Foto zeigt die Erweiterung auf der Taktgeberkarte des Autors.
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