Modellbahn-Elektronik
Praxis: Signalbilder schalten
Nachdem jahrzehntelang die Kombinationen aus Haupt- und Vorsignal (H/V) – in den früheren Epochen als Formsignal, dann als am Nachtsignal der Formsignale orientierten Lichtsignale mit nur wenigen Signalbildern – das Bild der Bahn prägten, gab es ab Epoche IIIb bei der DR das aufwendige Hl-System und in Epoche VI die Umstellung auf die Kombinationssignale (Ks).
Signalbilder
H/V‑Signale
Die vergleichsweise einfachen H/V‑Signalbilder sind auf den meisten Modellbahnanlagen anzutreffen. An ihnen orientieren sich auch die grundlegenden Schaltungsvorschläge in den folgenden Registern.
Kombinations-Signale (Ks)
Bei der Ks-Version der Strecken-Lichtsignale befinden sich alle Lichter – einschließlich Sh- und Ra-Signale am selben Schirm (Bild rechts Komplettausstattung).
Der erste Anschein, die Beschaltung sei dabei komplizierter geworden, täuscht. Die Zubehörlieferanten setzen dafür auf Steuergeräte nach dem Multiplex-Verfahren. Dass sie sich auch mit einfachen Hilfsmitteln leicht ansteuern lassen, wird im Abschnitt zur Beschaltung der
Ks-Streckensignale auf dieser Seite gezeigt. Auch beim Vorbild sind nicht immer alle Lampen vorhanden, sondern nur jene für die am Einsatzort erforderlichen Signalbilder.
So verfügen reine Ks-Vorsignale nur über die grüne und die große gelbe Lampe, alles andere entfällt, dafür gibt es aber eine Vorsignaltafel am Mast.
Zum Extrem gerät diese Reduzierung mit nur einer Lampe am Schirm, die mehrfarbig leuchten kann, rot gelb oder grün – mit moderner LED-Technik kein Problem.
Hl-Signale
Die ab Ep. IIIb bis zur Vereinigung der Bahnsysteme in der DDR üblichen Hl-Lichtsignale mit fünf Lichtern und zwei Leuchtzeilen in siebzehn Signalbildern sind ungleich schwieriger zu bändigen als H/V und Ks. Deshalb sollten Sie gar nicht erst versuchen, alle möglichen Varianten am Hl-Streckensignal mit einer Schaltung in den Griff zu bekommen – es wird einfach zu komplex und unübersichtlich. Greifen Sie sich für jedes Signal genau die Weisungen heraus, die es in praxi auch vermitteln soll und beschalten Sie diese Signalbilder.
Formsignale ansteuern
Die Ansteuerung der Formsignale ist gegenüber Lichtsignalen einfacher, weil die Signalbilder von Hp und Vr direkt zusammenwirken. Allerdings müssen für jede Signalbildänderung die Antriebe umgeschaltet werden; einfaches Abschalten einer Zuleitung per sperrendem Transistor wie bei Lichtsignalen (siehe unten) ist hier nicht möglich.
Beim zweibegriffen Signal können die Flügelantriebe des Hp mit den jeweiligen Scheibenantrieben direkt verbunden werden; sie schalten Signalbilder gemeinsam.
Etwas komplizierter wird es beim dreibegriffigen Signal. Die Tabelle zeigt, für welche Signalbilder die einzelnen Spulen betätigt werden müssen.
Diese Situation ist vergleichbar der Steuerung einer Weichenstraße. Wir müssen nur die Tabelle in eine Schaltmatrix übersetzen, bei der jeder Punkt zur Diode wird, die Eingangs- und Ausgangsleitung verbindet. Da die Dioden direkt die Doppelspulenantriebe bedienen, müssen sie deren Stromfluss verkraften, deshalb sind dafür mindestens Typen wie 1 N 4001 oder 1 N 5118 zu nehmen. An den Verbindungen, bei denen die Antriebe nur ein Eingangssignal bekommen, können wir auf die Diode verzichten und Ein- und Ausgangsleitung direkt miteinander verbinden.
Lichtsignale ansteuern
Eines der vielen Probleme, die uns Modellbahner beschäftigen und zu denen es immer wieder die abenteuerlichsten Lösungsvorschläge in den Fachzeitschriften gibt, ist die vorbildgerechte Steuerung von Signalbildern.
Es hat sich bei den Zubehörlieferanten als Standard durchgesetzt, die Leuchtkörper in Lichtsignalen mit negativem Potential anzusteuern und über den gemeinsamen Rückleiter mit dem positiven Potential zu verbinden.
Ein anderer Industriestandard ist allerdings auch, an Vorwiderständen bei mit Leuchtdioden ausgestatteten Lichtsignalen zu sparen. Wie Sie deren Leuchtverhalten verbessern, lesen Sie hier.
Die Frage, ob mit Lampen oder Leuchtdioden signalisiert wird, ist für die Schaltlogik unerheblich. Die bunten Kreise in den Abbildungen stehen gleichermaßen für Lampen oder Leuchtdioden mit Vorwiderstand. Blinkende Lampen sind geviertelt gezeichnet.
H/V‑Lichtsignale, handgeschaltet
Um einige Standardsituationen besser erläutern zu können, seien sie zunächst im Handbetrieb erklärt.
Hp korrekt schalten
Ein zweibegriffiges Hauptsignal von Hand zu schalten, ist überhaupt keine Schwierigkeit: Ein simpler Umschalter reicht aus, um zwischen Hp 0 und Hp 1 zu wechseln. Die Lampen oder LED im Signal werden über die meist farblich passenden Kabel mit den Ausgängen des Schalters verbunden, und der gemeinsame Rückleiter geht gen Plus.
Hp 2 lässt sich ebenfalls einfach schalten, denn hier geht es nur darum, das Gelblicht zum Grünlicht dazu zu schalten. Das lässt sich mit zwei hintereinander geschalteten Schaltern erledigen, der erste wechselt zwischen Hp 0 und Hp 1, der zweite liegt am Hp 1‑Ausgang des ersten Schalters und schaltet bei Bedarf das Gelblicht hinzu. Wer Signale lieber mit einem Drehschalter schaltet, benötigt einen doppelten Drei-Phasen-Schalter wie ihn die Abbildung in der Mitte zeigt. Die zweite Schaltebene ist erforderlich, um Hp 2 zu realisieren, ohne mit beiden anderen Phasen ins Gehege zu kommen.
Mit Hilfe einer Diode können wir jedoch auf die zweite Schaltebene verzichten. Sie wird so zwischen die Ausgänge Hp 1 und Hp 2 geschaltet, dass die grüne Lampe auch dann angesteuert wird, wenn der Schalter auf Hp 2 steht, aber nicht umgekehrt. Wegen des positiven gemeinsamen Rückleiters müssen Sie bei der Logik von Durchlass- und Sperrrichtung umdenken. Die Diode sperrt also in Gegenrichtung, weil vom Schalter negatives Potential kommt.
Diese »eindimensionale« Beschaltung ist wichtig für das Automatisieren, wenn es darum geht, elektrische Eingangssignale in angesteuerte Lichter umzusetzen. Diese liegen auch nicht »in mehreren Ebenen« vor. Ziel jeder Service-Schaltung ist, Eingangspotentiale so miteinander zu verknüpfen, dass für jedes Signallicht genau ein Anschluss für das zugehörige Lampenanschlusskabel herauskommt.
Vr korrekt schalten
Bei Vorsignalen wird es komplizierter:
- Bei Vr 0 leuchten beide gelbe Lampen,
- bei Vr 1 beide grüne,
- bei Vr 2 die untere gelbe und die obere grüne.
Die beiden letztgenannten Lampen erhalten also Betriebsspannung aus unterschiedlichen Schaltzuständen. Die Stromkreise der Lampen oder LED müssen deshalb entkoppelt werden.
Ein Vr wird so gut wie nie selbst geschaltet, denn sein Signalbild ist immer abhängig von nachfolgenden Hp. Das bedeutet, die drei Signalbilder des Hp müssen in drei Signalbilder des Vr umgesetzt werden. Einfacher gesagt als getan, denn aus den elektrischen Signalen für drei Lampen müssen vier generiert werden.
Naheliegend ist der Gedanke, zum Entkoppeln Dioden zu verwenden, so wie in dem Beispiel mit dem handgeschalteten Hp 2. Die Abbildungen zeigen eine solche Entkopplung. Die unteren Dioden am Vr verteilen das Signal Vr 2 auf Gelb unten und Grün oben, ohne dass Vr 0 und Vr 1 Auswirkungen auf den gelben Eingang haben. Ebenso verhindern die oberen Dioden, dass bei Vr 2 Gelb oben und Grün unten mitleuchten.
Auch hier muss bei der Interpretation von Sperr- und Durchlassrichtung der Dioden vom Schalter aus umgedacht werden, denn es wird mit Minus geschaltet; Plus ist der gemeinsame Rückleiter.
Nachteil dieser Schaltung ist, dass wir drei Leitungen vom Hp zum Vr benötigen, je eine für jedes Signalbild.
Soweit die grundsätzlichen Erwägungen des logischen Zusammenwirkens abhängig vom zu zeigenden Signalbild.
Eine Steuerleitung sparen
Eine Eigenheit des Transistors verhilft uns zur Halbierung der Steuerleitung für das Hp.
Der Transistor ist ja Schalter und Verstärker in einem. Ein geringer Steuerstrom lässt einen um mehrere Zehnerpotenzen stärkeren Schaltstrom aufsteuern. Der Steuerstrom kann so gering sein, dass er durch einen anderen Verbraucher fließt, ohne dass dieser reagiert, aber für einen nachgeschalteten Transistor wirkt der Verbraucher wie ein Pull-up- oder Pull-down-Widerstand.
Die Abbildung zeigt eine solche Situation: In der linken Zeichnung ist der Schalter geöffnet, deshalb leuchtet die linke Lampe nicht. Aber am Transistor passiert Seltsames: Über die linke Lampe und den Basiswiderstand gelangt positives Potential an die Basis. Der Stromfluss ist zwar zu gering, um die linke Lampe leuchten zu lassen, doch ausreichend, die Emitter-Kollektor-Strecke zum Leiten zu bringen! Damit leuchtet die rechte Lampe.
Schließt man den Schalter (rechtes Bild), dann fließt ganz normal Strom durch die linke Lampe und den Schalter. Über den Schalter ist aber auch die Basis des Transistors direkt mit Minus verbunden und negatives Potential an der Basis sperrt die Emitter-Kollektor-Strecke, die rechte Lampe bleibt dunkel.
Schalter und linke Lampe wirken quasi wie ein Spannungsteiler, wobei der Widerstand im Schalter Unendlich oder Null ist. Das durch die Lampe reduzierte positive Potential, das im linken Beispiel zur Basis gelangt, wird bei geschlossenem Schalter vom vollen negativen Potential überlagert. Der einfache EIN-Schalter wird dank der Verstärkung des durch die dunkle linke Lampe fehlfließenden Steuerstroms zum Umschalter.
Übertragen wir die Situation auf ein zweibegriffiges Hauptsignal: Üblicherweise benötigen wir für »Fahrt« und »Halt« zwei Zuleitungen. Mit Hilfe des Transistors reicht aber eine, indem das Rotlicht über einen NPN-Transistor gesteuert wird, dessen Basis mit der Zuleitung des Grünlichts verbunden ist. So leuchtet das Rotlicht, solange für das Grünlicht kein negatives Eingangspotential vorliegt; erst wenn Grün angesteuert wird, sperrt der Transistor und rot leuchtet.
Diese minimale Schaltung spart einige Meter Kabel pro Hp ein. Die Betriebsspannung besorgen sich Signal und Schaltung aus der allgegenwärtigen Ringleitung.
In den weiteren Abschnitten dieser Seite werden Sie sehen, was mit diesem simplen Trick noch alles möglich ist, um auch komplexere Signalbilder vorbildgerecht und effizient zu erzeugen.
Hp 2 am dreibegriffigen Hauptsignal bekommen wir mit demselben Trick wie bei der Handschaltung hin: Eine Diode verbindet die Eingänge von Grünlicht und Gelblicht derart miteinander, dass bei Hp 2 negatives Potential von Gelb nach Grün übergeben wird, aber nicht umgekehrt von Grün nach Gelb bei Hp 1.
Vr abhängig vom Hp schalten
Da die Anzeige des Vr mit dem Hp korrespondieren muss, ist naheliegend, beide Schaltungen miteinander zu koppeln.
Wir benötigen also lediglich Steuerleitungen für Hp1 und Hp2, um das Hp und das zugehörige Vr korrekt anzusteuern.
Signale trickreich schalten
Ausgehend von der Schaltung zum Abschluss des Abschnitts über Handschaltung lassen sich zur Signalsteuerung noch weitere Signalbilder trickreich beschalten. Sie sind ausführlich exemplarisch am V/R‑System dargestellt, lassen sich aber auf Hl oder Ks übertragen.
Hier zunächst noch einmal die Ausgangssituation mit Schaltung, die immerhin drei Leitungen vom HP zum Vr benötigt.
Vr und Hp ökonomisch verbinden
Mit dem für Hp 0 angewendeten Prinzip lässt sich die Entkoppelung der vier Lampen am Vr einfacher lösen, und dafür werden nur noch zwei Verbindungen zum Hp benötigt. Im Gegensatz zur Diodenmatrix zapfen wir nicht die Ausgänge der Hp-Schaltung an, sondern deren Eingänge.
Hp 0: Die Basen aller drei Transistoren erhalten positives Potential vom Rückleiter über die grünen Lampen und schalten Minus-Potential zur roten und zu den gelben Lampen des Vr durch.
Hp 1: Liegt »Fahrt« in Form von Minus an den »Grün«-Eingängen an, gelangt dies zum Hp-grün sowie zum Vr-grün unten. Zugleich sperrt dieses Potential am Vr den Transistor T2, der Vr-gelb unten abschaltet.
Über die Diode D3 gelangt negatives Potential an Vr-grün oben und zusätzlich an die Basis von T3, womit auch Vr-gelb oben abgeschaltet wird. D4 verhindert, dass sich dieses Minus-Potential zum Hp-gelb verirrt.
Hp 2: Bei »Langsamfahrt« erhält der Vr-Eingang »Gelb« Minus-Potential, das nicht etwa eine der gelben Vr-Lampen versorgt, sondern Vr-grün oben! D3 verhindert, dass Vr-grün unten daran partizipiert. Zugleich sperrt T3 und schaltet Vr-gelb oben ab. T2 saugt Basisstrom über Vr-grün unten und lässt so Vr-gelb unten leuchten.
Die wenigen Bauteile für diese Schaltungen lassen sich bequem auf ein paar Platinenstückchen mit Dreier-Reihen unterbringen.
Vr-Abschaltung bei Hp 0
Ist ein Vorsignal am selben Mast angebracht wie das (vorangehende) Hauptsignal, soll es nur dann ein Signal zeigen, wenn das Hauptsignal Hp 1 oder Hp 2 zeigt; bei Hp 0 soll es dunkel bleiben.
Dazu muss nur der Rückleiter der Lampen des Vr mittels Transistor unterbrochen werden, den das Rotlicht des Hp am selben Mast steuert.
Fertig gekaufte Signale besitzen einen gemeinsamen Rückleiter für Vr und Hp; es ist aber bei den meisten Industriemodellen leicht möglich, die Vr-Lampen zu separieren und um eine Leitung zu ergänzen.
Ks- und Hl-Signale schalten
Die prinzipiell bei den R/V‑Signalen dargestellten Techniken gelten auch für die Ansteuerung der Ks- und Hl-Signale, da situationsbedingt nicht alle Lichter angesteuert werden müssen.
Beispielschaltung für Ks
Die schon angeführten Beispiele könnten so realisiert werden:
Das Gelblicht für »Fahrt, Halt erwarten« bedarf folgender Voraussetzungen: Beim Ks 0 am Folgesignal muss das hiesige Signal auf gelb geschaltet werden, sofern hier nicht ebenfalls nicht Ks 0. Dazu hilft eine kleine verschachtelte Transistorschaltung.
Sie sehen, dass der Leitungsbedarf sich gegenüber der alten V/R‑Technik um eine weitere Verbindung reduzieren lässt: Es gibt nur noch eine Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Signalen.
Die Logik, die hinter den drei Transistorsperren steckt, ist folgende:
Rot leuchtet immer, solange an den beiden Eingängen kein negatives Eingangspotential anliegt.
Bei »Fahrt« sperrt das negative Potential am grünen Eingang T1 und löscht damit das Rotlicht, zugleich lässt es Grün aufleuchten.
Zeigt das Folgesignal »Halt«, muss hier bei »Fahrt« statt Grün die Vorsignalfunktion Gelblicht aufleuchten. Das wird erreicht durch die Verbindung vom Rotlicht-Eingang des Folgesignals zum hiesigen Eingang Gelb. Grün wird per T2 gesperrt, Gelb erhält negative Speisespannung. Allerdings trifft das nur zu, wenn auch wirklich »Fahrt« für dieses Signal angeordnet ist. Fehlt negatives Potential am grünen Eingang, schaltet T1 ja wieder durch und sperrt so T3, mit dem der Eingang fürs Gelblicht unterbrochen wird.
Langsamfahrt bei Zs 3‑Signaltafel
Ist am Folgesignal ein Zs 3 als Signaltafel ausgeführt, wirkt sich das auf die Vorsignalisierung des dreibegriffigen Ks aus, das eine Zs 3v-Tafel erhält und bei »Fahrt« kein Dauergrün zeigt, sondern grün blinkt. Nichts leichter als das: In die Kollektorleitung von T2 zum Grünlich wird ein Transistor eingeschleift, der Teil eines Oszillators (Seite 73) ist und den Steuerstrom für Grün rhythmisch unterbricht.
Langsamfahrt bei Zs 3‑Lichtsignal
Wird die Langsamfahrt nicht fest, sondern durch leuchtendes Zs 3 nur fallweise signalisiert, erweitert sich der Schaltungsaufwand um nur einen Transistor.
Um beim Oszillator einen Transistor auf dauerleitend zu stellen, muss der andere Transistor durch beständiges Minus-Potential an seiner Basis dauernd gesperrt bleiben (vgl. Seite 73). Diese Verbindung ist in der Abbildung für T5 blau eingezeichnet, T4 sorgt deshalb für beständiges Grünlicht, sofern auch T2 leitet.
Mit dem Transistor T6 wird diese Verbindung unterbrochen, aber der Pull-up-Widerstand (Seite 134) Rpu sorgt dafür, dass er leitet, solange kein negatives Potential an den Basiswiderstand gelangt. Das passiert, sobald Zs 3 und Zs 3v aufleuchten, denn ihre Eingänge sind nicht nur miteinander, sondern auch mit dem Basiswiderstand von T6 verbunden. Die Blinkunterdrückung wird unterbrochen, und das Grünlicht blinkt bei Zs 3v.
Beispielschaltung für Hl
Fünf Lichter und zwei Leuchtzeilen mit siebzehn Signalbildern zu bändigen, ist simpel, wenn Sie sich für jedes Signal genau die Weisungen herausgreifen, die es in praxi auch vermitteln soll und beschalten Sie diese Signalbilder.
An folgender Situation soll die Hl-Ansteuerung exemplarisch verdeutlicht werden: Das hiesige Signal sei zugleich Vorsignal für das Folgesignal und soll die Signalbilder Hl 0, Hl 1, Hl 10 und Hl 5 zeigen.
Mit dieser Einschränkung auf vier Signalbilder reduzieren wir die Materialschlacht ungemein. Mitten-Rot und die beiden Gelblichter sowie die grüne Leiste tauchen jeweils nur in einem Signalbild auf, Rot unten und die gelbe Leiste werden überhaupt nicht benötigt, lediglich Grün tritt einmal als dauerleuchtend und einmal blinkend auf.
Mit den in den vorstehenden Schaltungen genannten Tricks führt das zu einer simplen Neuanordnung der verschiedenen Komponenten, wie der an den für das Zs 3v-Lichtsignal angelehnte Schaltplan zeigt.
