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Schaltelemente/Schaltstellen auf den Modulen

Die Multiplexer (Demultiplexer gibt es nach Definition nicht!) auf dem Modul erkennen auf dem Bus welche Schaltstelle angesteuert werden soll und stellen je nach Baustein eine 0 oder 1 zur Verfügung. Und, da es ein Bussystem ist kann dieses Signal nur kurzzeitig zur Verfügung stehen, denn es muss der Bus wieder für weitere Signale freigemacht werden. Die Bus-Kontrolle kann zusammen in einem Multiplexer für maximal 16 Schaltstellen erfolgen, die Anpassung an die jeweilige Schaltstelle muss durch eine spezielle Elektronik für jede Schaltstelle erfolgen, d.h. die Funktion der Schaltstelle bestimmt die Elektronik (weitere Beschreibungen zum Bussystem sind unter
Elektrische Steuerung der Module nachzulesen).

Welche Funktionen können Schaltstellen haben?

Dazu sollte man zunächst analysieren, was auf einem Modul geschaltet werden muss:

Aus der Aufzählung sieht man, dass die Funktionen der Schaltstellen sicher recht unterschiedliche Elektronik brauchen.

Weichen

Auf Grund der Einwirkung einer mechanischen Kraft nehmen die Weichenzungen eine andere Lage ein. Das Erzeugen der Kräfte erfolgt durch Magnete oder durch Elektromotoren. In beiden Systemen gibt es meist einen Endlagenschalter, der durch Abschalten des Stromes den Vorgang automatisch beendet, es wird also nur kurzfristig Energie gebraucht. Es gibt auch Antriebe die keinen Endlagenschalter haben. Und die Weiche speichert in ihrer Position selbst den momentanen Zustand.
Beiden Systemen ist gemeinsam, dass für jede Richtung genau ein Leitungspaar bereit steht, d.h. es werden zwei Signale gebraucht, jede Richtung eine Schaltstelle. Als Anpassung wird nur ein Verstärker gebraucht, der in der Lage ist den notwendigen Strom der Schaltstelle zu steuern. Das kann ein Transistor und ein Relais oder nur ein Transistor sein. Muss Wechselspannung geschaltet werden, sind beide erforderlich, bei Gleichspannung reicht ein Leistungstransistor aus. Die Schaltspannungen müssen separat bereitgestellt werden.

    Diese Schaltung kann das realisieren
An dieser Stelle soll sie einmal kurz beschrieben werden.
Es handelt sich um einen npn-Transistor, der bei positiver Basisspannung durchgesteuert wird, der Widerstend der Emiter-Kollektorstrecke sehr klein wird und damit die "Masse" unten ans Relais legt. Da das Relais oben an der Betriebsspannung liegt, wird der Arbeitskontakt nun geschlossen.
Die Diode parallel zur Relaisspule sollte sein, denn beim Ausschalten des Relais wird auf Grund des zusammenfallenden Magnetfeldes in der Spule eine eventuell recht hohe Spannung erzeugt, die den Transistor zerstören kann. Da dieser Effekt eine Spannung mit genau entgegengesetzter Polung erzeugt, kann diese nun gut mit einer Diode kurzgeschlossen werden.

    Das zweite Bild zeigt, wie mittels Dioden zwei verschiedene Signale zur Steuerung genutzt werden können, z.B. ein Signal vom Multiplexer und ein Signal durch eine Taste auf dem Modul. Mit den Dioden wird eine ODER-Funktion realisiert (weitere Informationen dazu unter NAND/NOR DTL - TTL - MOSFET - CMOS (unter DTL)).

Hat die Weiche keine Endabschaltung, ist das nicht problematisch, da im Bussystem das Signal ohnehin nur kurzzeitig zur Verfügung steht.

    Eine weitere Variante besteht darin, dass das Relais nicht direkt den Weichenantrieb steuert, sondern einen großen aufgeladenen Kondensator auf die Spule der Weiche entläd. Damit steht kurzfristig ein großer Strom zur Verfügung.
Die Situation zeigt, der rechte Kondensator wird aufgeladen, der linke wurde über die eine Weichenspule entladen.
Durch Vergrößerung des Kondensators ist nicht ohne Probleme eine Verbesserung des Effektes zu erreichen, irgendwann ist der Strom so groß, das die Relaiskontakte "kleben" bleiben!

Signale

Signale werden in mechanische und Lichtsignale unterschieden.
Bei mechanischen Signalen erfolgt der Antrieb in gleicher Weise wie bei den Weichen. Geht man davon aus, dass diese Antriebe eine Endabschaltung haben, so reicht wieder eine Leistungsanpassung des Steuersignals an die Schaltstelle mittels Verstärker. Die Schaltstelle (Signal) speichert selbst den momentanen Zustand.
Aus anderen Gründen kann es jedoch auch sein, dass der Zustand für weitere Steuerungen gebraucht wird. Das geht, wenn der Antrieb eine Rückmeldung generiert, wenn nicht, man muss eine weitere Schaltung hinzufügen, die sich diesen Zustand merkt.
Genau das Problem gibt es bei Lichtsignalen.
Eigentlich braucht nur eine Lampe angesteuert zu werden (geht mit nur einem Transistor), aber dann müsste das Ansteuersignal ständig bereitstehen, was aber nach dem Busprinzip nicht möglich ist, also muss nun die Schaltstelle eine Erweiterung bezüglich der Speicherung des Zustandes erhalten.
Es soll nicht verschwiegen werden, dass es auch Lichtsignale mit Zugbeeinflussung gibt, dann gilt die oben getroffenen Aussage, denn meist ist dann ein mechanischer Antrieb vorhanden, der dann durch die Position den Zustand speichert und durch Schalter das Gleis von der Fahrspannung trennen kann und die Lampen im Signal ebenfalls ansteuert.
Die einfache Variante von Lichtsignalen kann das nicht, es bedarf eines Speichers, aus dessen Zustand, wie eben beschrieben, die Ansteuerung der Lampen im Signal abgeleitet wird.

Speicher in der Elektrotechnik lassen sich mit Latch oder Flip-Flops realisieren. Wir werden Latch verwenden, diese sind Zustandsgesteuert. Das entspricht der Situation, denn es ist egal wie lange ein Signal zur Steuerung vorhanden ist, es muss nur den entsprechenden Zustand einnehmen.

    Das ist das Symbol für ein RS-Latch.
Wird an S eine 1 (Betriebsspannung) angelegt und an R eine 0 (Masse), erscheint sofort am Ausgang Q eine 1 und bei Qn eine 0. Hier könnte man ein Relais mit ansteuern. Nimm man nun die 1 an S wieder weg, wird der Eingang auf 0 gelegt, die Schaltung speichert, d.h. der obere Ausgang bleibt weiter angesteuert. Da der untere Ausgang bei Ansteuerung des unteren Eingangs aktiv wird, kann dort wie auch oben schon eine LED angeschlossen werden. Damit könnten nun schon rot und grün eines Lichtsignals angesteuert werden.
Legt man an beiden Eingängen eine 1 tritt eine undefinierte Situation auf, muss man vermeiden (siehe RS-Flip-Flop)!
   

Wie werden nun solche Gebilde realisiert?

Solche Gebilde lassen sich mit NAND's oder NOR's aufbauen oder man verwendet spezielle Bausteine.

        Das linke Bild zeigt eine reale Schaltungsvariante mit dem IC 4011.
Sichtbar ist sofort, dass die Eingangssignale S und R negiert sind, es wird mit 0 geschaltet!
Diese Variante ist wenig aufwendig, kann auch in bestimmten Fällen sinnvol und völlig ausreichend sein.
Das rechte Bild zeigt eine reale Beschaltung der Anordnung. Folgende Dinge sind zu beachten:
  • Die Ausgänge des Schaltkreises können nicht ohne weiteres ein Relais steuern, es wird wieder ein Transistor gebraucht.
  • Die Eingänge eines IC's dürfen niemals unbeschaltet sein!
    Bei der wieder dargestellten ODER-Schaltung sind beide Eingänge offen. Damit da nun ein definiertes Signal vorhanden ist, werden an die Eingänge sogenannte Pull-Up-Widerstände geschaltet. Diese legen den Eingang bei geöffneten Schalter auf 1. Wird ein Schalter betätigt, so legt er den Eigang auf 0 (siehe Grundkurs Digitaltechnik).

        Diese Variante zeigt ein RS-Latch, was exakt der Theorie entspricht, es wird mit 1 geschaltet. Man erreicht dieses, indem vor die Eingänge ein Negator geschaltet wird.
Bei der realen Schaltung rechts muss man nun aber Pull-Down-Widerstände schalten (Eingänge auf 0 legen)!
Für die Realisierung braucht man nun einen kompletten Schaltkreis 4011.

Da nun diese Funktion zwar durch einen Schaltkreis (4011) erfüllt werden kann, dessen vier Gatter aber erst entsprechend zusammengeschaltet werden müssen, ist zu ermitteln, ob nicht ein anderer Schaltkreis bereits diese Funktion erfüllt?
Einen Schaltkreis braucht man ohnehin und spart aber so eventuell die Beschaltung (die nur zu Fehlern führen kann).

Ich verwende die sehr rubusten Schaltkreise der Familie 4000. Das sind CMOS, die einen geringen Stromverbrauch haben und sehr flexibel mit einer Betriebsspannung von etwa 5V bis 15V betreibbar sind. Das ist günstig, da so auch Relais mit einer Spannung von 12V problemlos betrieben werden können. Das Sortiment bietet zu Latch/Flip-Flops folgende Schaltkreise an:

4027 BP HEF   2 JK-Flipflops
4043 BP HEF   4 RS-NOR-Flipflops m.
4044 BP HEF   4 RS-NAND-Flipflops m.
4095 BE HCF   JK-Master-Slave-Flipflop
(4027 Eing. J/K = E1 AND E2 AND E3)
4096 BE HCF   JK-Master-Slave-Flipflop (4027 Eing. J/K = E1 AND E2 AND NOT E3)

Bei allen Angeboten muss man immer das Datenblatt lesen, denn leider gibt es im amerikanischen und deutschen Sprachraum unterschiedliche Bezeichnungen für sog. Kippglieder. In der ins deutsche übersetzte Liste steht z.B. für den IC 4043/44 RS-NOR/NAND-Flipflop, im Datenblat aber:


also nun wieder Latch!
Wir wollen festlegen, dass Latch Zustand gesteuerte Kipglieder sind, Flip-Flops aber Flanken gesteuert!
Bei Betrachtung der Schaltung sind es dann tatsächlich Latchs, aber auch nicht komplette. Die NAND-Latch vom 4044 sind "einstufig", werden also mit 0 gesteuert!
Bei beiden fehlen auch die negierten Ausgänge.
Beim 4027 fehlt die Bezeichnung JK-Master-Slave, denn es ist auch ein JK Kippglied mit dem Master-Slave Prinzip - auf jeden Fall aber kein RS-Latch. Der 4095/96, schaut man in die Schaltung, entspricht vom Prinzip dem 4027.
Wir wollen dennoch einmal in die "Schalttabelle" schauen:

Wenn man Qn als den alten Zustand ausklammert, hat das Ding wohl 5 Eingänge. Bekannt ist uns die Spalte mit R und S und betrachtet man die letzten 4 Zeilen stellt man fest, dass die Ausgänge Q und Qn (jeweils immer Qn+1 - der sich einstellende Zustand) sich wie die uns bekannten verhalten:

S = 0 und R = 0 -> Q = Q / Qn = Qn (speichern bei abfallender Flanke; 4-letzte Zeile)
S = 1 und R = 0 -> Q =1 / Qn = 0 (set; 3-letzte Zeile)
S = 0 und R = 1 -> Q =0 / Qn = 1 (reset; 2-letzte Zeile)
S = 1 und R = 1 -> Q =1 / Qn = 1 (die Belegung ist unzulässig!; letzte Zeile))

das kann man nutzen.
In der Tabelle steht für C, J und K ein x und unten dazu: x = don't Care, soviel wie beliebig, in den letzten 3 Zeilen. In der viertletzten Zeile für C ein Zeichen, wir setzen C, J und K auf 0, dann sollte sich das Element wie ein RS-Flip-Flop verhalten, also so:

Gegenüber dem Aufbau eines RS-Latch mit dem IC 4011 sparen wir ein wenig Schaltaufwand und wir haben gleich zwei von diesen Gebilden auf einem Bauelement.
Wird von mehreren Stellen dieses Latch gesteuert, sind wieder Dioden an den Eingängen als ODER-Funktion notwendig. Auch für die Ansteuerung von Relais gelten die oben gemachten Aussagen, es ist ein Transistor zur Steuerung notwendig.
Das geht so, weil man nur den Slave vom Master-Slave-Flip-Flop benutzt (weiere Beschreibung bei Master-Slave-Flip-Flop)!
Die anderen noch genannten Schaltkreise wurden nicht weiter auf Eignung für diese Aufgabe untersucht.

Zu- und Abschalten von Fahrspannung von Gleisen

Das ist nun kein Problem mehr, denn die Situation entspricht genau der der Lichtsignale ohne mechanische Steuerung.
Die Schaltung muss ein Relais benutzen ,denn es muss die Fahrspannung geschaltet werden, das kann am besten ein ausreichend dimensioniertes Relais, denn es können da schon Ströme von mehr als 1 Ampere auftreten (hängt von der Lok ab).
Eine Rückmeldung vom abgeschalteten Gleis ist möglich, bereitet jedoch aus der Sicht der Bus-Problematik etwas Probleme. Auf das Thema soll später bzw. in einem anderen Teil noch eingegangen werden. So ist es zur Zeit nur möglich auf dem Modul selbst eine Anzeige zu installieren (eine LED am Ausgang Qn würde das Abschalten des Gleises signalisieren; mit Q wird das Relais gesteuert).

Die gleichen Aussagen gelten nun auch für alle anderen Schaltstellen auf dem Modul, so dass es keiner weiteren Beschreibung bedarf.

An- und Abschaltung von Lampen

Eigentlich ist das kein Problem mehr, denn prinzipiell funktioniert das wie bei der Zu- und Abschaltung von Gleisen, es werden zwei Adressen gebraucht. Letztere Aussage ist Grundlage für weitere Überlegungen, denn es braucht eigentlich nur in den jeweils anderen Zustand umgeschaltet zu werden. Eine Rückmeldung ist nicht notwendig, denn das Leuchten der Lampen auf dem Modul ist bereits die Rückmeldung. Dieses Hin- und Herschalten kann man mit einer Kippschaltung realisieren und braucht dann nur eine Adresse. Man nennt diese Kippschaltung auch Torgl-FF.
Eine Kippschaltung lässt sich mit einem JK-Flip-Flop wie folgt aufbauen ( ½ IC 4027):

    Nach der oben genannten Schalttabelle, Zeile 5, stellt sich bei Beschaltung der Eingänge J und K mit 1 ein Kippverhalten ein, d.h. mit ansteigender Flanke kippt die Schaltung immer in den entgegengesetzten Zustand um. Da das Zuschalten einer 1 auf den Takteingang ja immer mit einer ansteigenden Flanke verbunden ist, schaltet das Flip-Flop um.
R und S werden so beschaltet, dass über eine zentrale Adresse die Schaltung in einen definierten Anfangszustand (reset) gebracht werden kann.

Der Vorteil der Schaltung ist, dass man mit einer Adresse auskommt. Eine Rückmeldung braucht man ohnehin nicht, man sieht ja den Erfolg.
Es gibt aber auch Nachteile, denn prellt der Schalter (was eigentlich die Regel ist), schaltet das Gebilde gleich wieder aus - es funktioniert unzuverlässig. Man muss dann doch die erste Schaltung nutzen. Eine Vereinfachung dabei könnte dann aber sein, dass alle Lampen mit einer gemeinsamen Adresse ausgeschaltet (reset) werden. Auf dem ersten Multiplexer sind dafür noch Adressen frei!

Weitere Informationenen zu Latch und Flip-Flops kann man finden unter:

Praktische Realisierung der Schaltstellen

    Für das Halbmodul "Kiesgrube" (siehe Kiesgrube), auf dem eine Weiche, drei Gleisabschaltungen, ein Fahrspannungsumschalter und drei Lichtschalter zu realisieren waren, wurde zur Realisierung der Schaltelemente eine Universalleiterplatte genutzt.
Man muss aber dazu auch sagen, dass die Schaltelemente auch von Schaltern des Moduls bedienbar sind, eine Reihe von Anzeigen installiert wurden, eine eigene Fahrspannungsversorgung auf dem Modul vorhanden ist und die elektrische Verbindung aller dieser Elemente erfolgt auch auf dieser Leiterplatte (Buchse oben - Verbindung zu den Schaltelementen auf dem Modul, links - Verbindung zu den Schaltern und Anzeigen auf dem Modul, unten - eigene Fahrspannung auf dem Modul, rechts - Leitungen von Dekoderplatine des Moduls) - das ist sehr viel! Das linke Bild zeigt, dass es ein heftiges "Wirrwarr" an Leitungen auf der Platte wurde!

Beim Aufbau eines weiteren Moduls, bei dem eine Abzweigung vorhanden ist, was dem abgehenden Gleis auf dem "Kiesmodul" entspricht, Änlichkeiten zu diesem entstehen.
Es ist eine Weiche zu bedienen, ist werden sicher 2 Abschaltungen von Gleisen existieren und eventuell Umschalter (Zuordnung) von Fahspannungen. Licht muss ebenfalls geschaltet werden.
Es bietet sich also an, eine anpassbare Leiterplatte zu entwerfen. Das folgende Bild zeigt den Entwurf (Bestückungsseite):

Auffällig ist, dass die Anordnung der Bauelemente im groben der auf der Universalleiterplatte entspricht.
Auf der Leiterplatte ist Platz für vier 4027 (schon etwas vorverdrahtet) und zwei weiteren 16-beinigen Schaltkreisen (außer der Betriebsspannung völlig frei nutzbar).
Der obere und untere Platz ist weiterhin in der Verdrahtung auf eine Schaltung als RS-Latch vorgesehen, wärend in der Mitte Zwei Kippglieder geschaltet sind. Bei den Latch sind jeweils zwei Plätze für Relais integriert.
Links befinden sich die beiden Universalplätze füe IC's.
RS-FF RS-FF T-FF IC LP groß







JK-T-FF (Torgl-FF)

                     

    (Ausschnitt aus der LP)
Das JK-Flip-Flop 4027 wird durch Belegung von J und K mit 1 (+Ub) als Torgl-FF geschaltet. Die Schaltung dient zur Ansteuerung von LED-Lampen durch eine Adresse. Für den Einbau der Bauelemente sind entsprechende Plätze auf der Platine vorgesehen. Für die Zuleitung der LED-Lampen sind entsprechende Lötaugen mit oder ohne Vorwiderstände vorhanden. Auch für die Ausgänge des FF (Q und Q negiert) sind Lötaugen vorhanden.
Alle Eingänge sind mit Pull-Down-Widerständen vorgesehen.
Die Schaltung ist 4 mal auf der Platine vorhanden.






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RS-FF (RS-Latch)

           

    (Ausschnitt aus der LP)
Das JK-FF 4027 wird nur als RS-Latch genutzt. Dazu wird der Takteingang und J und K auf 0 (Masse) gelegt. Die Eigänge R und S sind mit Pull-Down-Widerständen ebenfals an Masse gelegt. Die Ansteuerung dieser Eingänge erfolgt über Dioden, die eine ODER-Funktion realisieren (mehrere Schalter sind so möglich; man muss jedoch beachten, dass die Diode die Schalt-Spannung um etwa 0,7V reduziert. Sollte die Spannung nun zu klein sein, muss man die ODER-Fft mittels entsprechenden IC's und Schaltverstärkern realisieren - ist aber ein Mehraufwand). Es sind jeweils 2 bis 3 Eingangssignale vorgesehen.
Der Ausgang Q steuert über einen Transistor ein Relais. Als Relais werden "finder"-Relais (z.B. 30.22S) verwendet, jedoch ist der Platz mit vielen Lötaugen ausgestattet um auch andere Relais einbauen zu können (Leiterzug unter Relais kann auch getrennt werden, muss dann durch Drahtbrücke ersetzt werden (Lötaugen vorhanden)). Die Ausgänge sind generell nur durch Lötaugen realisiert, müssen noch entsprechend verdrahtet werden.
Die Schaltung ist 4 mal auf der Platine vorhanden.






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IC (14- oder 16-polig)

 

           

   
   
    (Ausschnitt aus der LP)
Es gibt nur Lötaugen, man muss alles noch durch Drahtbrücken beschalten. Lediglich Ub und Masse sind schon verdrahtet, was durchaus nicht immer ausreichend ist, denn z.B. hat der 4011 ein Beinpaar weniger als der 4027, hier muss eine Drahtbrücke eingelötet werden.
Natürlich passen hier auch andere entsprechende Schaltkreise, wie beispielsweise ein NE555 (8-polig) oder auch NE556 (14-polig), es müssen dann entsprechende Drahtbrücken eingefügt werden.
Es könnte der Platz auch für ein "finder"-Relais genutzt werden.
Die Schaltung ist 2 mal auf der Platine vorhanden.





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Es sind weiterhin noch mehrere Lötaugenfelder vorhanden, die auch den Aufbau von Transistoren ermöglichen, somit könnten auch weitere oben beschriebene Schaltungen realisiert werden.