Modellbahn-Elektrotechnik
Weichen- und Signalantriebe
Die übliche Vorrichtung zum Bewegen der Weichenzungen und Formsignalen besteht aus zwei linear hintereinander angeordneten Spulen. In den Spulen kann sich ein Weicheisenkern, der Anker, frei bewegen. Er ist mechanisch mit den beweglichen Teilen der Weiche verbunden. Dieselbe Technik bewegt auch Formsignale.
Auf dieser Seite gibt es Tipps zur Ansteuerung und zur Rückmeldung der Weichenstellung.
Doppelspulenantrieb oder Motor?
Puristen unter den Modellbahnern rümpfen natürlich die Nase über Doppelspulen-Antriebe zum Stellen von Weichen und Signalen. Hier gehört nach deren Meinung ein motorischer Antrieb hin, der die Bewegungen schön langsam, eben vorbildgerecht ablaufen lässt. Zugegeben, bei Formsignalen sieht es schon etwas eigenwillig aus, wenn der Flügel oder die Scheibe ruckartig umgestellt werden. Aber bei Weichen, deren Zungen jedenfalls in den kleineren Baugrößen nur einen ganz geringen Weg zurückzulegen haben, fällt es doch kaum auf, dass diese Bewegung mal eben so „Klack!“ erfolgt. Die Weichenlaterne dreht auch sehr schnell – ja, das ist schon auffälliger, aber noch hinnehmbar. Deshalb ist meiner unmaßgeblichen Meinung nach gegen Doppelspulenantriebe im Weicheneinsatz überhaupt nichts zu sagen.
Der Doppelspulenantrieb
Der Doppelspulenantrieb besteht aus zwei gegenüberliegenden Spulen mit gemeinsamem verkürzten Eisenkern. Wird jene Spule von Strom durchflossen, in der der Eisenkern gerade nicht steckt, zieht sie ihn aus der anderen Spule heraus und in sich hinein. Damit stellt der Eisenkern die Weiche um. Es reicht ein kurzer Stromstoß, um die Weiche umzustellen, denn die Weiche wird durch Federkraft in dieser Stellung gehalten. Wird anschließend die andere Spule von Strom durchflossen, rutscht der Eisenkern wieder in diese Spule und stellt die Weiche zurück. Auch hierfür reicht ein kurzer Stromstoß aus.
Die Tatsache, dass ein kurzer Stromstoß völlig ausreichend ist, nutzen die Hersteller zur Überwindung eines Handicaps aus. Die Federkraft der Weichenzunge muss überwunden werden, die die beweglichen Teile der Weiche in der aktuellen Stellung beharren lässt, und dann sind da noch die Masse des Eisenkerns und die Reibung der Umstellmechanik. Um das alles zu überwinden, wird schon ein kräftiges Magnetfeld – sprich ein kräftiger Stromfluss – benötigt. Aber hohe Ströme bedingen größere Leitungsquerschnitte, die den Weichenantrieb vergrößern würden, was nicht im Sinne der Modellbahner ist. So ein Weichenantrieb soll so klein und zierlich wie nur möglich sein, um das Gesamtbild der perfekt durchgestalteten Anlage nicht zu stören. Auch beim versenkten Einbau darf er nicht zu klobig sein.
Zur Lösung dieses Problems werden die Spulen der Weichenantriebe regelmäßig auf das Heftigste überlastet. Da fließt ein Strom, den die Spule eigentlich gar nicht verträgt – zumindest nicht für längere Zeit. Dieser Trick birgt natürlich die Gefahr, dass die Spule durchbrennt, wenn er Stromfluss (versehentlich) anhält. Deshalb verfügen die moderneren Weichenantriebe über Endabschaltungen, das heißt, vom Anker wird auch ein im Antrieb integrierter Schalter betätigt, der den Stromfluss unterbricht, wenn die Weiche in ihrer Endstellung angekommen ist. Deshalb kann man bei so ausgestatteten Weichen auch getrost den Finger auf dem Weichenschalter lassen; es passiert nichts, denn der Stromkreis ist dank des internen Endabschalters offen, bis die Weiche wieder umgestellt wird.
Gedämpfter Doppelspulenantrieb
Die Zubehörhersteller haben Methoden entwickelt, um den Doppelspulenantrieb auszubremsen. Dabei ist der der Anker nicht unmittelbar mit dem Stelldraht verbunden, sondern über eine Spiralfeder. Zudem läuft der Stelldraht durch einen Bremszylinder, der ihm nur langsame Bewegungen erlaubt. Wechselt der Anker von einer Spule in die andere, drückt oder dehnt er nur die Feder; der Stelldraht kann diese Bewegung nicht gleich mitmachen. Die Feder holt oder schiebt den Stelldraht gegen den Widerstand des Bremszylinders langsam in die neue Position.
Die gedämpften Antriebe sind für Formsignale den ungedämpften immer vorzuziehen und weniger aufwändig zu verbauen als ein motorischer Antrieb.
Weichenlagemeldung
Rückmeldung
Es ist hilfreich, am Stellpult zu erkennen, welche Lage die Zungen einer Weiche gerade haben. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Im Zubehörangebot gibt es Weichenschalter mit integrierter Kontrollleuchte, doch häufig sind das keine echten Rückmeldungen, sondern sie zeigen nur an, welcher Taster zuletzt betätigt wurde. Ob die Weiche daraufhin auch tatsächlich ihre Lage verändert hat, geht daraus nicht unbedingt hervor. Es kann ja vorkommen, dass der Weichenantrieb wegen zu hoher Belastung des Gesamtnetzes oder mechanischer Hemmnisse seine Arbeit nicht korrekt verrichten konnte.
Eine wirkliche Lagekontrolle erhalten Sie nur, wenn irgendein Schalter an der Weiche abgefragt werden kann.
Lagemeldung per integriertem oder mechanisch verbundenem Schalter
Für viele handelsübliche Weichenantriebe gibt es integrierte oder nachzurüstende Schalter, die vom Weichenantrieb mitgenommen werden. Zum universellen Aufrüsten der Schalterausstattung an Weichenantrieben hat die Firma Herkat das so genannte Weichenrelais konstruiert. Das ist ein ganz simpler doppelter Schiebe-Umschalter, der über einen Draht mit dem Handhebel des Weichenantriebs verbunden wird. Dieser Draht bewegt im Relais einen Schieber, welcher je nach Stellung der Weiche unterschiedliche Anschlüsse auf einem Platinenstückchen miteinander verbindet. Außerhalb der Modellbahnwelt wird ein solcher Schalter Schlepprelais genannt.
(Die Darstellung ist vereinfacht mit direkten Verbindungen Schalter → Weichenantrieb. Für den tatsächlichen Aufbau sind die Verbesserungen mittels Ringleitung und Halbwelle zu empfehlen.)
Lagemeldung per integriertem oder mechanisch verbundenem Schalter
Für viele handelsübliche Weichenantriebe gibt es integrierte oder nachzurüstende Schalter, die vom Weichenantrieb mitgenommen werden. Zum universellen Aufrüsten der Schalterausstattung an Weichenantrieben hat die Firma Herkat das so genannte Weichenrelais konstruiert. Das ist ein ganz simpler doppelter Schiebe-Umschalter, der über einen Draht mit dem Handhebel des Weichenantriebs verbunden wird. Dieser Draht bewegt im Relais einen Schieber, welcher je nach Stellung der Weiche unterschiedliche Anschlüsse auf einem Platinenstückchen miteinander verbindet. Außerhalb der Modellbahnwelt wird ein solcher Schalter Schlepprelais genannt.
(Die Darstellung ist vereinfacht mit direkten Verbindungen Schalter → Weichenantrieb. Für den tatsächlichen Aufbau sind die nachfolgend beschriebenen Verbesserungen zu empfehlen.)
Schalten auf halber Welle
Weichenantriebe können sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom betrieben werden. Mit zwei Dioden lässt sich die üblicherweise zum Betrieb verwendete Wechselspannung in ihre beiden Phasen zerlegen, jede Phase wird zu einem der beiden Weichenschalter geführt und hinter den Weichenschaltern wieder mit der anderen Phase vereint. So führen nur noch eine Steuerleitung und ein gemeinsamer Rückleiter zum Weichenantrieb. (Letzterer lässt sich durch einen umlaufenden gemeinsamen Rückleiter, der alle Verbraucher auf der Anlage bedient, auch noch energisch verkürzen.)
Am Weichenantrieb wird die Doppeldiode noch einmal benötigt. Sie dröselt die über eine Leitung kommenden Signale wieder auf und führt sie den beiden Spulen im Weichenantrieb gezielt zu. Eine solche Aufteilung der Wechselspannung wird auch Halbwellensteuerung genannt.
Aus praktischen Erwägungen kommen keine einzelnen Dioden zum Einsatz; für solche Zwecke hält die Industrie fertige Bauteile mit zwei integrierten Dioden bereit, wie in der Abbildung dargestellt.
Lagemeldung auf halber Welle
Die Halbwellenmethode ist auch nützlich für die Weichenlagenrückmeldung mit Hilfe eines weichenbetätigten Schalter: Nach demselben Prinzip wird auch die Rückmeldung mit zwei Doppeldioden auf nur ein Kabel reduziert.
Lagemeldung per Endabschalter
Der Endabschalter eignet sich hervorragend, ihn zur Weichenlagen-Rückmeldung anzuzapfen.
Der Schalter der Spule, in der der Anker gerade steckt, ist ausgeschaltet. Der Schalter der gegenüberliegenden Spule jedoch ist geschlossen, hier kann durch eine parallel zum Schalter liegende Leuchtdiode nebst Vorwiderstand (1 kΩ) ein geringer Strom fließen, ausreichend, um die LED leuchten zu lassen, aber zu schwach, um in der Spule ein ausreichend starkes Magnetfeld aufzubauen.
Transistor als Lagemelder
Eleganter ist das Aufrüsten, wenn Sie denselben Trick anwenden und die Spule mit dem geschlossenen Endschalter anzapfen, um einen Transistor aufzusteuern.
Über den geschlossenen Weichenendschalter und die Spule gelangt ein schwacher Strom zur Basis des Transistors, womit an seinem Kollektor ein schaltfähiges Potential zur Auslösung weiterer Aktivitäten bereitsteht.
Wird die Weiche umgelegt, öffnet der Endschalter die Verbindung zur Basis dieses Transistors, dafür aber schließt der gegenüberliegende Endschalter und schaltet den anderen Transistor frei.
Damit sind Sie nicht auf die bloße Lagemeldung beschränkt, sondern können mit den Ausgangssignalen der Transistoren noch weitere Vorgänge auslösen, zum Beispiel bei abweisender Weichenstellung ein Signal von Hp1 auf Hp2 umschalten.
Weichenstraßen
Weichenstraßen
In einem Bahnhof alle Weichen vom Einfahrtgleis bis zum Zielgleis einzeln zu stellen, kann Spaß machen, muss aber nicht. Einfacher ist es, mit einem Tastendruck das Zielgleis zu bestimmen und alle Weichen stellen sich passend ein.
Ein Beispiel soll zeigen, wie man in solchem Fall vorgehen kann.
Für jedes der fünf Zielgleise existiert ein Taster, der alle zwischen Einfahrt und Zielgleis liegenden Weichen in die erforderliche Richtung schalten soll. Alle Eingangs- und Ausgangsleitungen werden als Matrix kreuzweise übereinander gezeichnet. Nun müssen die Kreuzungsstellen gefunden werden, an denen Ein- und Ausgänge zu verbinden sind. An diesen Stellen erfolgt aber nur dann eine direkte Verbindung, sofern einem Ausgang nicht mehr als ein Schalter zugeordnet ist, ansonsten über eine Entkopplungsdiode. Die Pfeile weisen zu den Weichenantrieben; von denen aus geht es weiter zum Pluspol der Spannungsversorgung für Magnetartikel.
Da hierbei mehrere Weichen auf einmal gestellt werden, ist der Einsatz von Booster-Kondensatoren dringend geboten.
Immer genügend »Saft« fürs Weichenstellen dank Weichenbooster
Sobald mehrere Weichen auf einmal gestellt werden müssen, kann es sein, dass der Trafo das nicht mehr schafft. Dagegen hilft ein ganz simpler Trick.
Zunächst einmal ist es sinnvoll, die Trafospannung gleichzurichten und zu glätten, weil dabei die Effektivspannung höher ist.
Dank der Gleichspannung können Sie jede Weiche mit einem reichlich bemessenen Kondensator (mindestens 470 μF, besser mehr) ausstatten, der sich bei offenem Weichenschalter gemächlich über einen Widerstand (mindestens 390 Ω) aufladen kann (1). Wird der Weichenschalter betätigt, schaltet dann nicht die Versorgungsspannung direkt, sondern das Reservoir im Kondensator die Weiche um (2). So steht zum schlagartigen Schalten kompletter Weichenstraßen stets genügend Energie zur Verfügung.
Immer genügend »Saft« fürs Weichenstellen dank Weichenbooster
Immer genügend »Saft« fürs Weichenstellen dank Weichenbooster
Sobald mehrere Weichen auf einmal gestellt werden müssen, kann es sein, dass der Trafo das nicht mehr schafft. Dagegen hilft ein ganz simpler Trick.
Zunächst einmal ist es sinnvoll, die Trafospannung gleichzurichten und zu glätten, weil dabei die Effektivspannung höher ist.
Dank der Gleichspannung können Sie jede Weiche mit einem reichlich bemessenen Kondensator (mindestens 470 μF, besser mehr) ausstatten, der sich bei offenem Weichenschalter gemächlich über einen Widerstand (mindestens 390 Ω) aufladen kann (1). Wird der Weichenschalter betätigt, schaltet dann nicht die Versorgungsspannung direkt, sondern das Reservoir im Kondensator die Weiche um (2). So steht zum schlagartigen Schalten kompletter Weichenstraßen stets genügend Energie zur Verfügung.
