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Mit der Fahrspannung schalten

Mit der Fahrspannung schalten

Veröffentlicht am 28.10.2022

Zwei altbewährte Systeme greifen zur Positionsermittlung des Zuges direkt auf die Fahrspannung zu.

Der Pilzkontakt

Bild PilzkontaktBild PilzkontaktFleisch­mann stattete seine H0-Triebfahrzeuge mit so genannten Pilzkontakten aus, das sind kleine, federnd gelagerte Metallschleifer unter dem Fahrzeug. Heute kann man diese Technik im Fachhandel noch als Zurüstmaterial erwerben. Diese Pilze sind nicht zu verwechseln mit den Stromabnehmer-Schleifern des Märklin-H0-Systems. Pilzkontakte sind nicht mittig angeordnet, sondern etwas seitlich versetzt und mit den stromabnehmenden Rädern dieser Fahrzeugseite elektrisch verbunden.

Als zweite Komponente gehört dazu ein spezielles »Schaltgleis« mit einer im Gleisbett eingelassene Schiene, die beim Überfahren vom Pilzkontakt berührt wird. Ein Anschlussdraht von dieser Schaltschiene leitet nun das Signal weiter, um eine Meldung oder Aktion auszulösen.

Der Schienenkontakt

Ohne besondere Ausstattung der Lokomotiven und ohne Schaltschiene funktioniert der Schienenkontakt. Das ist ein kurzes Schienenstück, nur wenige Millimeter lang, das gegenüber dem restlichen Gleis isoliert wird. Diese Methode ist jederzeit ohne große Montagearbeiten auch noch nachträglich einzufügen.

GleiskontaktGleiskontaktAllerdings müssen Sie dafür sorgen, dass hinter dem zweiten Schnitt wieder Fahrspannung in die Schiene eingespeist wird, sonst bleiben Ihre Züge dort stehen! Die beiden Schnitte fallen kaum auf, erfüllen also auch die modellbauerischen Ansprüche.

Jedes Rad, das diese Trennstelle überfährt, gibt zwei Impulse ab, denn jeweils beim Überfahren des ersten und des zweiten Schnitts wird das isolierte Schienenstück mit dem Restgleis verbunden. Diese Impulse kann man mit einem an das getrennte Schienenstück angelöteten Kabel abgreifen und zum Schalten benutzen.

Beim Schalten mit Fahrspannung ist bei den Gleichspannungssystemen auch eine Fahrtrichtungsunterscheidung gegeben, weil je nach Fahrtrichtung ein positives oder ein negatives Signal über diese Kontakte abgegeben wird. 

Welche Schiene auftrennen?

Zwar soll gem. NEM nie die Rückleiter-Schiene aufgetrennt werden, jedoch erleichtert gerade dort ein Schienenkontakt die Verschaltung ungemein, wenn Sie mit einer Versorgung mit zwei Ausgangsspannungen arbeiten.

Die vom Fahrgerät an die rechte Schiene gelieferte Spannung ist nicht konstant, sondern bestimmt die Geschwindigkeit. Dazu wird von üblichen Fahrgeräten die Höhe der Fahrspannung beeinflusst. Bei der für Modellbahnelektronik empfohlenen Versorgung mit zwei Ausgangsspannungen steht aber sowohl für den Rückleiter der linken Schiene als auch für die elektronischen Komponenten ein gemeinsames Bezugspotential zur Verfügung, das für den Elektronik-Ausgang des Versorgungsteils konstante 12 V beträgt. Deshalb ist es sinnvoller, die Rückleiterschiene aufzutrennen, also mit Minus- bzw. Nullpotential zu schalten.

 

Bild Schaltpotential vom RückleiterBild Schaltpotential vom Rückleiter

Aus bei Verwendung der positiven Schiene kann das abgegriffene Potential nicht direkt weiterverwendet werden. Benutzen Sie zum Beispiel einen solchen fahrspannungsabhängigen Kontakt zur Steuerung eines Signals mit Doppelspulenantrieb, können Sie nicht sicher sein, ob diese auch wirklich umschaltet. Bei einem langsam fahrenden Zug reicht die Fahrspannung häufig nicht aus, die das Signal umzustellen. Der Doppelspulenantrieb »saugt« aber dem Triebfahrzeug die Fahrspannung ab, woraufhin das womöglich auf dem Kontakt stehen bleibt.

Ein Relais kommt nicht in Betracht, denn bei geringer Fahrspannung schaltet es ebenfalls nicht sicher durch. Ein Transistor wäre als Bestandteil desselben Systems auch keine Lösung. Die Lösung bietet potentialfreies Schalten oder das Zwischenschalten von Elektronik beim Schalten mit Nullpotential.

Kann man Schienenkontakte auch beim Digitalbetrieb verwenden?

Schienenkontakte bei digitaler Fahrspannung arbeiten sicherer als in der Analogsteuerung, weil die Fahrspannung immer auf voller Höhe ist.

Dennoch sollten Sie nicht auf die Idee kommen, damit direkt Magnetartikel zu steuern, denn bei deren Rücksetzen kann die Induktionsspannung das Digitalsignal stören. Sehen Sie deshalb auf jeden Fall eine galvanische Trennung vor.

Wenn zwei unterschiedliche Stromkreise sich gegenseitig beeinflussen, lautet die Fachbezeichnung dafür potentialfreies Schalten. Steuerstromkreis und der geschalteter Stromkreis sind arbeiten völlig absolut unabhängig voneinander, kein Potential vom einen gelangt in den anderen Kreis. Eine solche galvanische Trennung ist immer dann angesagt, wenn eine der beiden Spannungen der anderen Seite Schaden zufügen oder für Fehlschaltungen sorgen könnte.

Relais sind nicht dafür geeignet, denn sie brauchen eine gewisse Mindestspannung zum Schalten. Das Fahrspannungssignal erst fürs Relais aufzubereiten, wäre müßig, es gibt bessere Techniken.

Optokoppler

In einem Optokoppler sind eine Leuchtdiode und ein Fototransistor lichtdicht verpackt. Leuchtet die LED im Gehäuse, schaltet der lichtempfindliche Transistor durch.

Optokoppler begegnen uns meist in IC-Gehäusen der Bauformen DIL4 oder DIL6, die Anschlussbelegung variiert. Da man häufig mehrere Optokoppler benötigt, gibt es auch „Kombipackungen“, die zwei oder vier Optokoppler in einem DIP8 oder DIP16 vereinigen.

Symbol OptokopplerSymbol OptokopplerEine Stromversorgung entfällt, denn beide integrierten Bauteile erhalten ihre Versorgungsspannung von der Außenbeschaltung. Einer der verbreitetsten Optokoppler hat die Bezeichnung CNY 17. Von den Kenndaten seines Transistor her kann dieser Optokoppler an Stelle eines Kleinleistungstransistors eingesetzt werden kann.

Der zusätzliche Basisanschluss kann zur Regulierung der Empfindlichkeit des Fototransistors benutzt werden. Ein anderer Verwendungszweck ist das Anlegen negativen Sperrpotentials an Pin 6, mit dem der Optokoppler abgeschaltet wird.

Schalplan StabilisatorSchalplan Stabilisator

Statt einfacher Transistoren als Empfänger enthalten einige Optokoppler auch Leistungstransistoren, die eine nachzuschaltende Verstärkerstufe für höhere Schaltleistungen ersparen.

Nun ist es mit dem einfachen Dazwi­schen­hängen eines Optokopplers leider noch nicht getan, denn wenn die Fahrspannung Auslöser sein soll, müssen wir Sorge dafür tragen, dass die Leuchtdiode im Optokoppler
1. bei geringer Fahrspannung leuchtet, aber
2. bei hoher Fahrspannung keinen Schaden nimmt.

Das garantiert ein Stromstabilisator (Bild rechts), der wie ein kybernetisches System für einen konstanten Stromfluss unabhängig von der Eingangsspannung sorgt. Eine ähnliche Schaltung kommt auch bei der Waggonbeleuchtung zum Einsatz. 

Übertrager

Auch die Induktion kann zur potentialfreien Schaltung genutzt werden. Ein Übertrager arbeitet nach demselben Prinzip wie ein Transformator, aber sein primärer Zweck ist nicht die Veränderung der Spannung, sondern das Weitergeben von Schwingungen oder Schaltimpulsen.

Induktion findet immer dann statt, wenn sich ein elektrischer Strom verändert – dazu zählt auch das Ein- und Ausschalten. Schließen wir nun die Eingangsspule des Übertragers an den Schienenkontakt und die rückleitende Schiene an, erhalten wir an der Ausgangsspule immer dann einen induzierten Impuls, wenn der Schienenkontakt ausgelöst wird.

Auch hier gibt es allerdings wieder Vor- und Nachteile: So liefert der Übertrager per se nur kurze Schaltimpulse, die wir nicht dynamisieren müssen, aber andererseits gibt es einen Impuls beim Verbinden und auch beim Lösen des Gleiskontakts. Da der induzierte Strom beim Schließen und beim Lösen unterschiedliche Polarität hat, mussdurch eine in Reihe geschaltete Diode der unerwünschte Impuls abgefangen werden.

Größter Nachteil ist der Preis: Übertrager sind im Vergleich zu anderen elektronischen Lösungen sehr teuer.

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