Vorteil ist die galvanische Trennung, doch lässt sich so etwas nur sehr schwer nachträglich in bestehende Anlagen einbauen.
Modellbahn-Elektro(tech)nik
Praxis: Schalter und Relais
Handbetriebene Schalter
So unterschiedlich Schalter auch aussehen mögen, in ihrer Funktion sind alle Schalter sehr ähnlich. Generell kann man sie in zwei Familien einteilen: Taster und Schalter.
Unter Tastern versteht die Fachwelt Schalter, die nur solange ihre Arbeitsstellung beibehalten, als sie durch einen äußeren Einfluss dazu gezwungen werden, also zum Beispiel von Hand gedrückt werden (Beispiel: Klingelknopf).
Schalter dagegen behalten einen einmal eingenommenen Zustand bei, bis sie von außen in den anderen Zustand gebracht werden. Sie sind bistabil, während Taster nur in Ruhestellung stabil sind, also monostabil.
Weiterhin wird unterschieden nach Druck‑, Kipp- und Schiebeschaltern. Das hat nichts mit der Art zu tun, wie wir sie betätigen. Die eigentliche Funktion spielt sich im Inneren des Schalters unabhängig davon ab; wenn wir außen etwas schieben, kann dadurch intern durchaus ein Kippmechanismus betätigt werden und umgekehrt.
Der Druckschalter (Nachttischlampen-Schalter) erscheint nur äußerlich wie ein Taster. Bei jedem Druck wechselt er den Zustand im Innern: Kontakt schließt, Kontakt öffnet, Kontakt schließt usw. Da man solchen Schaltern nicht ansehen kann, in welcher Stellung sie gerade stehen, sind sie für Modellbahnzwecke weniger gut geeignet, es sei denn, eine zum Verbraucher parallel geschaltete Kontrollleuchte zeigt uns den Schaltzustand an.
Eine besondere Form sind Doppeltaster aus dem Zubehörangebot: Hier zeigt der jeweils eingedrückte Taster an, welche Stellung die interne Schaltwippe gerade hat.
Kontakte
Innere Bestandteile sind zwei elektrisch leitende Flächen, die miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Um einen guten Stromfluss sicherzustellen, bestehen diese Lamellen genannten Metallteile aus federndem Material, um in geschlossener Stellung fest aufeinander gedrückt zu werden. Meist sind auch noch korrosionsarme Kontaktflächen angenietet oder aufgelötet, die einen besseren Kontaktschluss herstellen helfen.
Die Kontakte werden
Ruhekontakt,
Arbeitskontakt und
Schaltkontakt genannt.
Die Federwirkung hat noch einen weiteren Zweck. Sie soll die Lamellen in einer der beiden Stellungen lange festhalten, um erst beim Überschreiten eines bestimmten Kraftaufwands durch den Benutzer schlagartig die Position zu wechseln. Damit wird verhindert, dass die Kontakte bei unsicherem Betätigen des Schalters zittern und den Stromkreis mehrfach öffnen und schließen. Prellen nennt man solche zitterigen Schaltvorgänge. Sie können davon ausgehen, dass handelsübliche Schalter durchweg entprellt sind. In vielen Schaltern gibt es zu diesem Zweck eine weitere Feder, die die Federkraft der Lamellen unterstützt.
In den Modellbahnkatalogen finden Sie eine Vielzahl unterschiedlicher Schalter in formschönen Gehäusen. Die sehen auf den ersten Blick sehr schön und aufgeräumt aus, aber bei komplexen Anlagen sind andere Ordnungskriterien als die funktionale Zusammenfassung mehrerer gleichartiger Schalter in einem Gehäuse übersichtlicher.
Sie können sich Ihr Schaltpult nach eigenen Bedürfnissen aufbauen, indem Sie Einzelschalter vom Elektronikversender verwenden. Selbst die kleinsten dort üblichen Schalter sind für unsere Zwecke ausreichend dimensioniert, haben also eine ausreichende Schaltleistung.
Schiebeschalter, die auch äußerlich geschoben werden, sind zum Verbauen schlecht geeignet, weil sie drei Löcher im Paneel benötigen, eines davon rechteckig.
Symbole für Schalter
Zu unterscheiden sind nach der Anzahl der Schaltmöglichkeiten Einschalter und Umschalter. Während ein Einschalter nur einen Stromfluss schließen oder unterbrechen kann, besitzt der Umschalter zwei leitende Zustände, entweder die eine oder die andere Verbindung ist geschlossen. Aus Gründen der Produktionsvereinfachung werden fast alle für unsere Zwecke verwendbaren Schalter als Umschalter ausgeführt, häufig sogar gleich als Doppel-Umschalter, kurz 2xUM genannt, also zwei elektrisch separate Umschalter in einem Gehäuse vereint mit einer gemeinsamen Mechanik.
Taster sind seltener als Umschalter ausgeführt, die übliche Form ist die des einfachen Arbeitskontakts. Werden durch Tastendruck Umschaltungen nötig, lassen sich Taster mit einem Relais oder einem Transistor zum Umschalter erweitern.
Da Schalter in gegenständlicher Darstellung wenig über ihre Funktion aussagen, werden sie auf diesen Seiten entweder nur als Symbol oder gegenständlich mit zusätzlichem Symbol dargestellt.
Versteckte Schalter
Schalter auf dem Stellpult müssen gut sichtbar sein. Sind jedoch Schalter im Gelände unterzubringen, mit denen Rückmeldungen oder automatisierte Vorgänge ausgelöst werden sollen, bedarf es oft der Tarnung.
Eine Bahnschwelle als Schalter
Als fertiges Zubehör haben viele Gleishersteller Schaltwippen im Sortiment, das sind federnd gelagerte Schwellen im Gleisstück, die von den Radkränzen heruntergedrückt werden. Dabei schließt sich ein Kontakt unter dem Gleis und löst das gewünschte Signal aus.
Prellbockschalter
Wollen Sie die Mitteilung, dass ein Zug im Abstellgleis den Prellbock erreicht hat, automatisch verarbeiten lassen, kommen Prellbockschalter zum Einsatz.
Dabei betätigt ein Puffer einen im oder hinter dem Prellbock eingebauten Kontakt. Leider gibt es so etwas zurzeit nicht fertig zu kaufen. Faller hatte vor vielen Jahren einmal ein unansehnliches, klobiges Teil, das für den versteckten Einsatz im Lokschuppen vorgesehen war (Bild rechts). Sie können sich aber auch solche Schalter selbst bauen, die wie die Gleiswippe galvanisch von der Fahrspannung getrennt sind und deshalb keiner besonderen Behandlung des Schaltpotentials bedürfen.
Dazu durchbohren Sie die Prellbockbohle, implantieren ihr vorn einen Federpuffer und hinten einen Mikroschalter, schon fertig. Dieser winzige rückwärtige Schalter lässt sich recht leicht wegtarnen; so ist diese Konstruktion durchaus für den sichtbaren Teil der Anlage brauchbar.
Im Schattenbahnhof – und dort besteht wesentlich häufiger der Bedarf an automatischer Steuerung als im sichtbaren Bereich – gibt es zwar seltener Stumpfgleise, aber wenn doch, dann muss das Ende kein optisch korrekter Prellbock sein. Hier reicht es aus, die elektrische Funktion sicherzustellen, und das gelingt auch mit einem auf eine Leiste montierten Mikroschalter.
Dauerkontakt dynamisieren
Gibt der Zug allerdings den Kontakt wieder frei, sollten Sie nicht auf die interne Selbstentladung des Kondensators warten. Der Mikroschalter wird deshalb als Umschalter benötigt (was die meisten Miniaturschalter aber ohnehin sind), dessen Ruhekontakt die Elektroden des Kondensators kurzschließt und so für Entladung sorgt. Damit das Entladen nicht ganz so schlagartig vor sich geht, kann ein geringer Widerstand in die Entladeleitung eingefügt werden.
Von Ferne schalten
Hier ist das Stellwerk, dort hinten irgendetwas, das geschaltet werden muss. Mindestens ein Kabel muss nun von hier nach dort führen. Sollte es sich bei dem, was geschaltet werden soll, um einen »stromhungrigen« Verbraucher, zum Beispiel Weichenantrieb, handeln, braucht das Kabel einen gewissen Querschnitt.
Um nicht lauter dicke Kabel unter der Anlage verlegen zu müssen, bietet sich an, einen geringen Steuerstrom durch ein dünnes Kabel ans Ziel zu schicken und erst dort den eigentlichen Schalter für die Last zu betätigen.
Als erstes fällt einem zum Fernschalten natürlich ein Relais ein. Relais nannte man zu Zeiten der berittenen Post jene Stationen, in denen die Pferde gewechselt wurden. Ein elektrisches Relais hat sorgt für kräftigen Strom beim Verbraucher. Der Steuerstrom kann über eine lange Leitung – bei großen Anlagen unvermeidlich – schon stark von deren Widerstand abgeschwächt sein, zu sehr, um seine Wirkung beim Verbraucher noch voll zu entfalten.
Die elektronische Variante des Relais ist der Leistungstransistor. Transistoren sind ja stromverstärkende Elemente, beim Ansteuern mit einem hohen Basisstrom werden sie zum Schalter, weil der Schaltstrom vom Emitter zum Kollektor stets mit voller Stärke fließt.
So lässt sich am Zielort zur Versorgung des kräftig saugenden Verbrauchers ein Leistungstransistor mit geringem Basiswiderstand (ca. 10 kΩ) anstelle eines Relais einsetzen, um die Versorgung aus der Ringleitung zum Verbraucher durchzuschalten.
Relais
Mit Relais lassen sich Schaltvorgänge elektromagnetisch auf Entfernung vollziehen. Auch wenn sie immer mehr von Halbleiter-Schaltungen verdrängt werden, sind Relais trotz ihres vergleichsweise hohen Stromverbrauchs dennoch von Nutzen für manche Modellbahnanwendung.
Ein subjektiver Grund für die Beliebtheit von Relais in Modellbahnerkreisen ist naheliegend: Man kann ihre Funktion sehen und hören, Halbleiter dagegen arbeiten heimlich und leise, was sie in den Augen vieler Hobbykollegen suspekt erscheinen lässt.
Es gibt einige Situationen, da sind Relais der Halbleitertechnik tatsächlich überlegen. So bedarf zum Beispiel die galvanische Trennung, also die strikte Trennung von Spulen- und Schaltstromkreis bei Halbleitern eines zusätzlichen Aufwands, während sie den Relais genuin ist.
Relais sind in meist quaderförmigen Gehäusen untergebracht, um die Kontakte vor Staub zu schützen. Die Anschlüsse sind als Lötfahnen, Steck- oder Schraubkontakte aus dem Gehäuse herausgeführt.
Die technischen Daten zu einem Relais enthalten neben der Betriebsspannung der Spule (Erregerspannung) Angaben zur Schaltspannung, zum Schaltstrom und zur Schaltleistung. In den meisten Fällen sind diese Grenzwerte so hoch, dass wir Modellbahner sie mit unseren Bedürfnissen nie erreichen.
Zum Einbau in Modelle benötigen wir regelmäßig sehr kleine Ausführungen. Hier kommt uns die moderne Schaltungstechnik entgegen, die platinengeeignete Relais in den Abmessungen integrierter Schaltungen benötigt. Diese »DIL-Gehäuse« (Dual in line, alle Kontakte in zwei Reihen im Rastermaß 2,54 mm angeordnet) passen in die IC-Reihen von Standardplatinen und sind so klein, dass sie sich in H0-Personenwagen leicht verstecken lassen. Die meisten von ihnen sind als einfache oder doppelte Umschalter ausgelegt (Bild rechts).
Manchmal ist es nicht so einfach, die Anschlüsse kleiner Bauformen ihren Funktionen zuzuordnen. Zur Identifizierung der Anschlüsse ist auf vielen Gehäusen die Anschluss-Belegung in Form eines winzigen Schaltplans aufgedruckt. Wenn kein Typenblatt verfügbar ist, muss empirisch ermittelt werden, welcher Anschluss denn im Ruhe- und im Arbeitszustand mit welchen anderen Anschlüssen verbunden ist, was aber auch recht leicht von der Hand geht.
Noch kleiner, aber nicht für große Stromstärken geeignet sind Schutzgas-Rohrkontakte als Reed-Relais (siehe unten), die noch für weitere Zwecke anwendbar sind.
Die simpelste Form eines Relais ist quasi der »verlängerte Arm« eines anderwärts betätigten Schalters.
Relais: Wirkungsweise
Das magnetische Feld ein stromdurchflossenen Spule sorgt dafür, dass ein Anker magnetisch bewegt wird und dabei elektrische Kontakte schließt, öffnet oder umschaltet. In Ruhestellung wird der Anker durch Federkraft von der Spule ferngehalten; beim Stromfluss zieht das Magnetfeld der Spule den Anker an. Um die Bauform kompakt zu halten, liegen oft Spule und Kontaktlamellen nebeneinander. Die Bewegung des Ankers wird über ein Gelenk an die Lamellen weitergegeben.
Eine Spule kann mehr als nur einen Kontakt betätigen. Häufig betätigen Relais mehrere Schalter; es gibt welche, die ganze Schalterbatterien auf einen Schlag betätigen. Auch das ist ein typisches Einsatzfeld von Relais, auf dem sie Halbleiterschaltungen überlegen sind.
Bei der hier dargestellten Form bleibt der Kontakt nur geschlossen, solange der Taster gedrückt ist. Es gibt unterschiedliche Formen selbsthaltender Relais, die auf weiteren Beiträgen dieser Seite erläutert werdem.
Selbsthaltende und bistabile Relais
Normale Relais verbinden die Arbeitskontakte nur, solange Strom durch die Spule fließt, also solange der Taster gedrückt ist. Oft benötigt man jedoch einen fernbetätigten Schalter, der seinen Zustand nach dem Loslassen des Tasters beibehält.
Mit einem monostabilen Relais lässt sich eine über die Dauer des Einschaltimpulses hinausgehende stabile Arbeitsstellung beibehalten, wenn wir am Relais noch einen Arbeitskontakt (in den Abbildungen den linken) frei haben (a). Der wird dazu benutzt, den Taster so zu überbrücken (b), dass auch nach dessen Loslassen das Relais in Arbeitsstellung bleibt ©. Erst beim Unterbrechen des Stromflusses durch einen zusätzlichen Ausschalter (d) fällt der Anker wieder ab. Allerdings verbraucht das selbsthaltende Relais die ganze Zeit über Energie, um den Zustand zu halten.
Doppelspulenrelais
Die häufigste Form echter bistabiler Relais arbeitet nach demselben Prinzip wie ein Weichenantrieb: Zwei Spulen bewegen einen Anker hin oder her, der Anker und damit die von ihm geschalteten Kontakte bleiben in der jeweils zuletzt eingenommenen Position, bis ein Strom durch die andere Spule fließt. Meist besitzen die beiden Spulen einen gemeinsamen Rückleiter-Anschluss, manche aber haben zwei komplett unabhängig voneinander anzuschließende Spulen. Zur Vereinfachung in Schaltplänen werden beide Spulen als ein Quader mit mehreren Schrägstrichen gezeichnet.
Polarisierte Relais
Eine andere Variante bistabiler Relais besitzt nur eine Spule, ihre Anker sind polarisiert, so dass zum Umschalten die Stromrichtung gewechselt werden muss.
Auch Doppelspulenrelais können polarisiert sein! Wenn Sie die Wahl haben, nehmen Sie die unpolarisierten Typen, das kann Ihnen zusätzliche Verdrahtungen und Schaltungsaufwand ersparen.
Reed-Relais
Wird ein SRK mit einer Spule umwickelt, entsteht daraus ein Relais, nach ihrem Erfinder Reed-Relais benannt.
Reed-Relais gibt es fertig konfektioniert in kleinen Plastik-Gehäusen mit Anschlüssen im Platinen-Rastermaß. Da auch hier beim Zusammenbruch des Magnetfelds der Spule eine Selbstinduktion droht, gibt es auch Ausführungen mit bereits integrierter Freilaufdiode.
Stromstoßrelais
Eine Sonderform bistabiler Relais sei noch erwähnt: das Stromstoßrelais. Es besitzt nur eine Spule, die Richtung des Stromflusses spielt keine Rolle und dennoch hat es zwei stabile Schaltzustände. Dieser Effekt wird durch eine Mechanik zwischen Anker und Schaltkontakt erzielt: Der Anker schaltet nicht direkt die Kontakte, sondern bewegt eine Exzenter- oder Zackenscheibe, die ihrerseits die Schalterlamelle bewegt. Bei Modellbahn-Großanlagen kann ein Stromstoßrelais benutzt werden, um im Notfall von vielen Stellen aus eine Totalabschaltung der Stromversorgung auszulösen.
Magnetisch schalten mit SRK
Der Schutzgas-Rohr-Kontakt, kurz SRK genannt, erfreut sich im Modellbau großer Beliebtheit.
Dabei handelt es sich um zwei federnde Metallstreifen, die in einem mit elektrisch neutralem Gas gefüllten Glaskolben eingegossen sind. Das Schutzgas soll Funkenbildung und damit die Korrosion der Kontakte verhindern. Mit den herausgeführten Anschlüssen wird der SRK anstelle eines Schalters in einen Stromkreis eingefügt. Beim Einschalter sind die Kontakte in der Ruhestellung voneinander getrennt. In der Nähe eines Magneten, dessen Pole in der in gleicher Richtung liegen wie das Rohr werden die beiden Lamellen im Rohr magnetisiert und zwar gegensätzlich, so dass sie sich anziehen und den Kontakt schließen. Beim Wegnehmen des Magneten verliert sich der Magnetismus in den Lamellen sofort und die Federkraft überwiegt, die sie wieder trennt.
Natürlich gibt es auch Ausschalter in Form eines SRK, hierbei werden die beiden Lamellen in Ruhe durch Federkraft aneinander gedrückt. Der Magnet muss nun allerdings senkrecht zum Rohr herangeführt werden. Damit werden beide Lamellen magnetisch gleich gepolt und stoßen sich ab – der Stromfluss wird unterbrochen.
Häufiger trifft man allerdings die dritte Form gibt an, den Umschalter, hier werden unterschiedliche Metalle für die Lamellen verwendet. In Ruhe drückt die Federkraft den magnetisierbaren Mittelkontakt gegen den antimagnetischen Ruhekontakt. Nähert sich ein parallel liegender Magnet diesem SRK, werden Mittel- und Arbeitskontakt gegenpolig magnetisiert, der Mittelkontakt wechselt vom Ruhe- zum Arbeitskontakt.
Bei manchen Bauformen wird die Federkraft der Lamellen durch einen fest montierten, kleinen Magneten unterstützt, dessen Magnetfeld durch den Auslösemagneten überlagert werden muss.
Mittels Neodym-Magneten mit ca. 12 Kilogauß lassen sich SRK auch über Distanzen schalten. Diese Magnete sind so klein, dass sie sich problemlos auch im Rollmaterial kleiner Baugrößen unterbringen lassen. Die Anordnung der Pole ist nicht einheitlich. Bei flachen Magneten können die Pole sowohl auf den Flächen als auch an den Enden liegen.
Für den Einsatz von SRK im Modellbahnbereich gibt es viele Möglichkeiten. Am häufigsten wird er als Kontakt am Gleis verwendet, der durch einen am Zug befestigten Magneten ausgelöst wird. Die sehr kleinen Bauformen gestatten es, die Glasröhrchen gut getarnt am Gleis unterzubringen. Damit lassen sich zum Beispiel Pfeif- und Klingelsignale auslösen oder den Bahnübergang bei Annäherung eines Zuges schließen. Wichtig ist natürlich, dass jeder Zug mindestens einen Magneten zum Auslösen besitzt.
Mit SRK sind auch Züge unterscheidbar: Zum einen lassen sich bestimmte Funktionen nur auslösen, wenn der Zug mit einem Magneten ausgestattet ist. Zum anderen reagiert ein SRK nur, wenn das Magnetfeld parallel zum Rohr des SRK liegt. Zwar werden einige Grad Abweichung von der korrekt parallelen Lage toleriert, doch ein im rechten Winkel angeordneter Magnet auf jeden Fall ignoriert. So können Sie eine Funktion durch einen SRK auslösen, der parallel zu den Schienen eingebaut wird, und eine andere durch einen in Schwellenrichtung im Schotter versenkten SRK.
Je nachdem, ob und in welcher Orientierung ein Magnet unter einem Fahrzeug des Zuges hängt, wird die eine oder die andere oder überhaupt keine Funktion ausgelöst. Wenn Sie allerdings nur eine Funktion auszulösen haben, sollten Sie die Einbaurichtung parallel zur Fahrtrichtung wählen, weil in dieser Richtung der SRK sicherer anspricht als in Querrichtung.
Mit der Fahrspannung schalten
Zwei altbewährte Systeme greifen zur Positionsermittlung des Zuges direkt auf die Fahrspannung zu.
Der Pilzkontakt
Fleischmann 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.
Allerdings 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.
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.
Um zu verhindern, dass zwei unterschiedliche Stromkreise sich gegenseitig beeinflussen, ist potentialfreies Schalten erforderlich. 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.
Eine 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.
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.
Mit Licht schalten
Ohne Präparieren des Rollmaterials kommen Lichtschranken aus.
Das Funktionsprinzip der Lichtschranke ist denkbar einfach: Eine Lichtquelle und ein auf Lichteinfall reagierendes elektrisches Bauteil sind so angeordnet, dass das gesendete Licht auf den Empfänger trifft und dort einen Stromfluss auslöst. Auch hier wird ein galvanisch getrennter Stromkreis geschaltet, der nichts mit der Fahrspannung zu tun hat.
Es gibt zahlreiche verschiedene lichtempfindliche Bauteile, zum Beispiel Fotowiderstände, Fotodioden oder Fototransistoren. Die zuletzt genannten haben sich als Quasistandard in diesem Anwendungsbereich durchgesetzt.
Am Symbol des Fototransistors sehen Sie ganz deutlich: Dieses Bauteil hat keinen Basisanschluss! (Es gibt auch Fototransistoren mit Basisanschluss, bei denen die Lichtempfindlichkeit durch den Basisstrom verändert werden kann.) Die Funktion des Basisstroms übernimmt der Lichteinfall, das Licht macht die Basis leitend. Ansonsten gibt es keinen Unterschied in der Funktion des Fototransistors gegenüber normalen Transistoren.
Als Bauteil sieht ein Fototransistor meist aus wie eine Leuchtdiode mit rauchfarbenem Gehäuse. Der längere Anschluss ist der Emitter. Handelsübliche Lichtschranken, also jene, die von Modellbahn-Zubehörlieferanten angeboten werden, sind meist schon in ein Gehäuse eingebaut und damit recht klobig. Es bedarf schon einer Menge Schaumflocken, um diese auffälligen Teile in der freien Landschaft wegzutarnen. Selbstbau aus Einzelteilen ist da schon eher probat, zumal es auch Miniaturausführungen (3 mm und kleiner) von Fototransistoren und passenden Leuchtdioden gibt.
Mit Fototransistoren lassen sich leistungsschwache Verbraucher wie Lampen oder LED direkt schalten. Für Magnetartikel gilt auch hier die Devise, dass ein hochohmiges Relais oder ein Leistungstransistor nachgeschaltet werden muss.
Unterbrechung oder Reflex?
Es gibt zwei Grundprinzipen der Lichtschranke. Die eigentliche Lichtschranke, die dieser Technologie auch den Namen gab, ist die Unterbrecherlichtschranke. Dabei fällt im Ruhezustand permanent Licht auf den deshalb leitenden Fototransistor. Als aktiver Zustand gilt die Unterbrechung des Lichtstrahls, also wenn der Fototransistor sperrt.
Das Gegenstück und Gegenteil ist die Reflexlichtschranke. Bei ihr sind Sender und Empfänger so angeordnet, dass im Ruhebetrieb kein Licht auf dem Empfänger fällt, der Transistor also sperrt. Erst wenn das Licht von einem vorbei oder darüber fahrenden Fahrzeug reflektiert wird, kann der Fototransistor durchschalten.
Eigentlich sollten die Reflektionen der Achsen ausreichen, die Reflexlichtschranke ansprechen zu lassen. Falls nicht, kleben Sie ein Stück Alu-Klebefolie unter den Fahrzeugboden.
Beide Formen der Lichtschranke haben Vor- und Nachteile. So muss die Unterbrecherlichtschranke auf beiden Seiten des Gleises platziert werden, was einen höheren Aufwand an Tarnung mit sich bringt. Die Reflexlichtschranke dagegen lässt sich zwar gut im Gleisbett verstecken, ist aber aus zwei Ursachen wesentlich störanfälliger: Das Umgebungslicht lässt sich schlechter abschirmen, weil die lichtempfindliche Detektorfläche des Transistors nach oben weist, und die reflektierten Lichtstrahlen sind weniger intensiv als direkt auftreffende. Deshalb sollten Sie, wenn die Geländeverhältnisse es zulassen, der Unterbrecherlichtschranke den Vorzug geben.
Problem Umgebungslicht
In der Regel wird mit infrarotem Licht geschaltet, das gegenüber sichtbarem Licht zwei Vorteile hat. Zunächst einmal sieht man es nicht, die Lichtschranke fällt also auch nicht durch einen Lichtstrahl auf. Weiterhin sind Infrarot-Transistoren weniger empfindlich gegenüber dem Umgebungslicht, wodurch die Lichtschranke weniger störanfällig wird. Leider sind sie aber nicht völlig unempfindlich gegenüber sichtbarem Licht, so dass man gegen Fremdlichteinfall doch Vorkehrungen treffen muss. Die optischen Maßnahmen wie lange Röhren vor dem Transistor oder vorgeklebte Filterfolien mögen wirkungsvoll sein, hundertprozentig aber nützen sie nicht. Erst eine elektronische Hilfe sorgt für volle Betriebssicherheit.
Um das Umgebungslicht als Störfaktor auszuschalten, empfiehlt sich die Verwendung von moduliertem Licht für die Lichtschranke. Dabei werden nur die vom Fototransistor aufgefangenen Signale verarbeitet, die zusätzlich zu ihrer Lichtfrequenz in einer bestimmten anderen, langsameren Frequenz schwingen. Gleichmäßig auffallendes Licht wird ignoriert, nur die von der mit der richtigen Frequenz schwingenden Leuchtdiode kommenden Lichtstrahlen führen zu einer Reaktion.
Der Schaltungsaufwand für so eine Filterschaltung ist gar nicht mal hoch; es gibt sie komplett zu kaufen.
Ein Spezial-IC mit der Bezeichnung IS 471 F enthält bereits alle Komponenten, die zur Auswertung des auftreffenden Lichts benötigt werden. Daneben verfügt dieser Infrarot-Detektor über ein integriertes Modulationssystem, das die korrekte Modulationsfrequenz an einem Ausgang zur Verfügung stellt. Wird dort die Sende-LED angeschlossen, schwingt sie im richtigen Rhythmus. Dieser IC arbeitet im uns so sympathischen Spannungsbereich zwischen 4,5 und 16 V, liefert am Ausgang maximal 50 mA und ist bis zu 250 mW belastbar.
Im inaktiven, unbeleuchteten Zustand liefert der IC an seinem Ausgang positives Potential von max. 5 V, das bei (passendem) Lichteinfall auf Minus kippt.
Die Abmessungen des IS 471 mit 5×5×2,5 mm und einer passenden Infrarotdiode in SMD-Technik mit 0,8×1,6×0.8 mm sind so gering, dass sich beide Bauteile als Reflexlichtschranke bequem in einer H0-Schwelle verstecken lassen.
