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Fahrregler / Änderungen und Zusatz Fahrtrichtungsumschaltung

Gleich am Anfang muss ich sagen:

Der von "Vilem" vorgestellte Fahrregler funktioniert wirchlich sehr gut!

Vilem hat eine Modellbahn aus Überraschungseiern aufgebaut und hat eine Menge elektronische Schaltungen zur Modellbahn zu bieten
Unter dem Punkt Fahrregler ... stellt er einen Fahrregler vor, der den Kommentar (einfach, gut, mein Tipp für Z!) hat. Den Regler benutze ich als Basis für H0-Bahnen.

Und er funktioniert auch für H0-Bahnen gut

In einem schon recht altem Buch von 1973; Gerhard Trost: Die Modelleisenbahn, Teil 2 stellt der Autor verschiedene Fahrregler vor. Hauptsächlich erfolgte die Regelung über Anschalten der entsprechenden Trafowicklung (Elektronik war noch minimal). Aber bei der Gleichrichtung der Spannung werden neben der üblichen Doppelweggleichrichtung verschiedene Varianten der Einweggleichrichtung und deren Vorteile für das Langsamfahren vom Autor beschrieben. Das wollte ich natürlich ausprobieren. Als Test wurde mit einer Einweggleichrichtung (mit kleiner Spannung und nur einer Diode) ein Fahrzeug betrieben - es knurrt zwar etwas, aber es fährt im Schneckentempo sehr ordentlich. Selbst an Weichen gibt es kaum Probleme, es fährt und ist dabei auch noch zugkräftig.
Das war natürlich der Anlass, die Schaltung von "Vilem" aufzubauen und zu probieren. Es funktioniert genauso gut und es ist im Gegensatz zur Einweggleichrichtung, wo viele Trafospannungen gebraucht werden oder ein Teil der Energie an Widerständen verbraten wird, nun leicht elektronisch regelbar! Ich konnte die gleichen Bilder am Oszi erzeugen.
Die Umschaltung der Fahrtrichtung muss nun aber über einen 2-poligen Umschalter (Polwendeschalter) erfolgen. "Vilem" schlägt als Umschalter ein Relais vor. Das ist gut, denn nun kann man eine kleine Elektronik davorsetzen, die das Umschalten der Fahrtrichtung nur bei Stillstand des Fahrzeuges zulässt. Da ohnehin schon 2 NAND-Gatter für die Realisierung des RS-Latch (Flip-Flop ist eigentlich falsch), um zwei stabile Zustände für das Relais zu erzeugen, gebraucht werden, bleiben auf dem IC 4011 zwei Gatter übrig. Dann braucht man nur noch zwei Transistoren und ein paar Widerstände und schon funktioniert es.

Und das ist nun mein Lösungsvorschlag für das "elektronische Relais":

Über R1 wird das Signal vom Fahrt-Regler dem Transistor T1 zugeführt. Steht der Regler am unteren Ende, so liegt an T1 die Spannung 0V, T1 sperrt (Emitter-Kollektor-Strecke ist hochohmig). Die Folge daraus ist, dass auf Grund der Spannungsteilerregel am Punkt 1 nahezu die Betriebsspannung anliegt, also eine 1. Um die Spannung nicht zu groß werden zu lassen, wird sie mit einer Zehner-Diode begrenzt (ist beliebig, das nächste Gatter sollte nur ordnungsgemäß schalten und nicht größer als 15V, kann auch entfallen, da bei 12V Betriebsspannung die 1 auch nur 12V werden kann). Das NAND-Gatter1 ist als Negator geschaltet und erzeugt nun eine 0. Diese 0 ist notwendig, da Gatter 2 und 3 als RS-Latch geschaltet sind und dieses in diesem Fall durch eine 0 geschaltet wird. Liegt an beiden Gattern eine 1, so speichert das Latch den eingestellten Zustand. Die Situation ist also, dass sofern der Regler auf Null steht (Fahrzeug fährt nicht) der Zustand des Latch und des nachfolgenden Relais verändert werden kann, also die Fahrtrichtung.
Notwendig sind die Widerstände R5 und R6, denn bei geöffnetem Schalter könnte der Eingang am folgenden Gatter undefiniert sein. Die Widerstände werden als Pull-up-Widerstände bezeichnet, denn sie legen den Eingang der Gatter auf 1. Wird nun ein Taster betätigt, so wird der Eingang an den Ausgang vom Gatter1 gelegt. Da der Ausgangswiderstand wesentlich niederomiger als der Pull-Up-Widerstand ist, wird entsprechend der Spannungsteilerregel etwa 0 (Masse) auf den Eingang gelegt, es gibt auch keinen Kurzschluss zwischen Masse (Ausgang IC) und Betriebsspannung, da der Pull-Up-Widerstand dazwisch liegt und groß genug ist.
Der Regler soll nun in Richtung + verändert werden, das Fahrzeug beginnt sich zu bewegen. An T1 entsteht eine positive Spannung. Ab einem bestimmten Wert (je größer die Verstärkung des Transistors ist, um so eher; man könnte auch einen weiteren Transistor entsprechend zuschalten, ist aber nicht notwendig, da die Fahrzeuge ohnehin erst bei etwa 3V anfahren) steuert der T1 durch, d.h. die Emitter-Kollektor-Strecke wird niederohmig, es liegt nun etwa 0 an Punkt1 und Punkt2, das Gatter1 stellt somit eine 1 bereit (Punkt3), damit kann das Latch nicht mehr verändert werden.
Das Ergebnis ist also, dass die Fahrtrichtung des Fahrzeuges nur bei Stillstand geändert werden kann, so soll es sein.
Die LED2 leuchtet sofern eine Umschaltung der Richtung erlaubt ist (Signal 0 muss durch Gatter4 entsprechend negiert werden oder die LED wird am Punkt2 über den Widerstand nach Plus geschaltet (Richtung LED tauschen)). Die LED's 3 und 4 zeigen die momentane Fahrtrichtung an.
Der Transistor T1 wirkt eigentlich auch nur als Negator, der Ersatz durch ein Gatter ist also möglich, jedoch wird eine wesentlich höhere Spannung, die als 1 erkannt wird, benötigt, das Fahrzeug fährt schon, damit ist der Effekt dann nicht erreicht!
Die Betriebsspannung für diesen Schaltungs-Teil wird durch ein IC 7812 aus der Betriebsspannung des Fahrreglers (über dem dicken Elko) erzeugt.

Die Zusammenschaltung mit der Schaltung von "Vilem" sieht dann wie folgt aus:

Noch ein paar Gedanken zum Regler.
Ich habe die Anzahl der Bauelemente noch etwas reduziert. Ob das gut ist und allen eventuellen Anforderungen entspricht, vermag ich nicht einzuschätzen.
Als Potentiometer P1 habe ich einen logarithmischen 10K Schieberegler verwendet. Damit ergibt sich beim Anfahren ein großer Regelbereich, ich spare also die Spreizung des Regelbereiches durch einen weiteren Widerstand.
Die Zehner-Diode habe ich weggelassen!
Als Transistoren T4 und T5, die als Darlinton-Stufe betrieben werden, nutze ich gleich einen Darlinton-Transistor (Typ: BD 679), der erfüllt genau den Zweck, denn er kann bereits einen Strom von 4A steuern mit einem Basis-Strom von 0,1A.
Die Kurzschlußsteuerung bleibt gleich, lediglich die Anzeige wird nur mit einem Transistor realisiert. Ob das so gut ist? Wird der Regler schnell aufgezogen, leuchtet kurz die rote LED (etwas schwacher als im Kurzschlussfall) und auch wenn nur eine kleine Geschwindigkeit eingestellt ist und man das Fahrzeug festhält (große Last), leuchtet die LED zunehmend. Das ist sicher so richtig, denn der Strom steigt ja auch an. Kann man damit nicht leben, muss eine entsprechende Trigger-Schaltung aufgebaut werden (Nutzung des Originals).

Die Zusammenschaltung beider Schaltungen sieht dann wie folgt aus:

   

Beide Schaltungen wurden zusammen auf einer Universalleiterplatte aufgebaut (etwa 5 x 9cm), der Darlinton-Transistor muss auf einen Kühlkörper geschraubt werden.
(die Leiterplatte wird von der Bestückungsseite aus betrachtet, muss also insbesondere beim Durchtrennen der Leiterbahnen gespiegelt werden!;
die Bezeichnung der Bauelemente erfolgt aufgrund der vorgegebenen Reglerschaltung jeweils getrennt nach Regler und Umschalter!)
Das rechte Bild zeigt einen Vorschlag zur Gestaltung der Platte.
Bei den Transistoren T2 und T3 wurde nur aus Darstellungsgründen der Basisanschluss auf das gleiche Loch auf der Leiterplatte wie die Widerstände R8 und R9 gelegt, diese können natürlich unter den Transistoren eingelötet werden!
Außer dem Darlington-Transistor stammen alle Bauelemente aus der Bastelkiste.

Hier noch eine Schaltungsvariante auf einer speziell für den Regler erarbeiteten Leiterplatte (Bestückungsseite - wurde noch nicht auf Fehler geprüft).


Erstaunlich ist, dass die Leiterplatte mit den Maßen 9cm mal 8cm doch noch relativ groß ist, größer als der Aufbau auf einer Universalleiterplatte!
Wahrscheinlich ist die Art der Schaltung (ich sage einmal "linear", alles schön nacheinander von links nach rechts), ideal für so eine streifenartige Universalleiterplatte.
Allerdings wurde hier ein relativ großes Relais mit auf der Platte untergebracht und für alle ElKo's viel Platz gelassen. Die Leiterplatte kann noch etwas kleiner werden, wenn man die Bauelemente, insbesondere die Widerstände, etwas dichter anordnet.
Die Leiterplatte wurde mit einem einfachen Grafik-System gestaltet, kein spezielles System für den Leiterplattenentwurf. Es ist auch nicht schwierig aus dieser Anordnung ein Layout für die Leiterplattenherstellung zu erzeugen (Bauelemente und Beschriftung weg, alle Leiterbahnen weiß, den grauen Untergrund schwarz, alles gruppieren und dann horizontal kippen - fertig).

Mit dem Regler werden H0-Fahrzeuge gesteuert.

Aufbau der Schaltung
Zum Test wurden bereits auf der Platte LED's untergebracht, die dann später aber wieder entfernt wurden. Die Anschlüsse fürs Relais muss man entsprechend dem Relais selbst gestalten, Platz ist genug.
Der mechanische Aufbau des gesamten Gerätes wurde als Einschub in ein Pult konzipiert. Als Fahrtrichtungsumschalter wurden Mikrotaster gefunden, die bereits zwei LED's enthielten. Als Schaltbereischaft leuchten in jedem Schalter etwas schwächer eine LED, heller hingegen die momentane Richtung (linke Bild zeigt Schaltbereitschaft; Fahrt z.Z nach rechts). Bei Fahrt leuchtet nur noch für die Richtung die LED in einem Schalter. Weiterhin sind schon weitere Schalter auf der Frontplatte für unterschiedliche Pfeifsignale und Lokgeräusche (und Sonstiges) vorgesehen.

   

Der Gesamtaufbau (Bild rechts) zeigt weiterhin die Frontplatte eines Netzgerätes. Dieses war defekt und somit Schrott. Ein Bastler glaubt das nicht. Ein Blick hinein zeigte aber, dass die Anzeigen für Strom und Spannung völlig autonom in der Frontplatte jeweils mit einem klenen Prozessor und eigener Stromversorgung betrieben werden, heißt, man braucht nur zwei Wechselspannungen, etwa 12V für die Stromversorgung und muss die Fahrspannung durch diesen Teil hindurchführen, dann hat man eine gute digitale Anzeige. Problem war nur, dass die Stromanzeige nur für eine Polarität funktioniert, für die andere Richtung einen Kurzschluss generiert. Das ist nun ja nicht so schlimm, denn wir haben vor dem Polwendeschalter ohnehin nur eine Polarität, also muss das Ding da zwischen!

Testbericht

Es funktioniert großartig!

   
Hängt natürlich von dem Motor der Lok ab, aber so eine kleine Kö-Lok fährt exakt bei etwa 3,2V, braucht dann etwa für einen Zentimeter eine Sekunde. Aber sie fährt auch noch bei 2,4V, da schafft sie dann in 5sec einen Zentimeter, das ist beachtlich! Das sind etwa 0,63km/h in der Natur.

Hier kann man ein Video zur langsamen Fahrt sehen (mit Digitalkammera und Weitwinkel aufgenommen):

Die kleine Lok schiebt ohne Probleme 4 Wagen!

Problem bei langsamer Fahrt ist, dass die Schwungmasse am Motor (bei anderen Loks) nicht mehr wirksam ist, d.h. die Lok braucht immer guten Kontakt mit den Schienen und da sind zweiachsige Antriebe mit Haftreifen gegenüber der Kö im Nachteil, denn die hat immer zwei Achsen für die Stromabnahme.

Da gibt es dann aber andere Probleme, denn nun rollen die Wagen wie sie wollen, hängt wohl vom Rollwiderstand ab oder auch von Schienenunebenheiten, es ruckelt ständig alles hin und her, aber die Lok fährt so langsam, das man schon zweimal hinsehen muss und sie fährt auch mit dem Tempo an! Sollte es mal zu viel (zu schwer) für die kleine Lok werden, dann drehen die Räder auch mit der kleinen Geschwindigkeit durch (Haftreifen sind nicht vorhanden), der Motor bleibt nicht stehen.
Die Spannungsangaben sind sicher etwas kritisch, denn zum Gleichanteil kommt immer die Spitze der Einweggleichrichtung hinzu, das ist so nicht bei den Meßgeräten vorgesehen, muss man berücksichtigen.
Die Schienen müssen nun aber topp sauber sein, es ist nun mal eine kleine Spannung.