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Vollautomatische Schrankensteuerung

Bei größeren Anlagen hat man nicht alle Züge jederzeit im Blick und "im Griff", so ist es ganz praktisch, wenn man einen "unsichtbaren Mitarbeiter" im Stellwerk hat, der sich darum kümmert, dass die schienengleichen Straßenübergänge auch gesichert sind.

Die üblichen automatischen Schrankenschaltungen verwenden Gleiskontakte (z.B. magnet-geschaltete Reed-Kontakte), bei deren Überfahren die Schrankenantriebe aktiviert werden. Die prinzipiellen Nachteile einer Schrankensteuerung auf der Basis von Gleiskontakten werden auf der Seite "Schrankensteuerung mit Gleiskontakten" dargestellt. Die Steuerung eines Schrankenübergangs mit Hilfe von Gleiskontakten ist also nur ein Notbehelf!

Die Vorteile der im folgenden beschriebenen Steuerung:

unabhängig von der Länge der Züge
unabhängig von der Fahrtrichtung der Züge
unabhängig von der Zuggeschwindigkeit
egal, ob Lok oder Steuerwagen am Kopf des Zuges
keine Änderungen an Loks oder Wagen nötig
für ein- oder mehrgleisige Überwege geeignet

Zwei Lichtschranken auf beiden Seiten des Übergangs identifizieren die Fahrtrichtung des Zuges und veranlassen das Schließen und Öffnen der Schranken. Die Schranken werden vor dem Zugkopf rechtzeitig geschlossen und erst wieder geöffnet, wenn der letzte Wagen (oder die schiebende Lok) den Übergang passiert hat. Die Züge müssen nicht besonders ausgestattet werden.

Die Schaltung

Schaltplan automatische Schrankensteuerung

Funktionsbeschreibung

Angenommen, es werde zunächst Fototransistor L1 abgedunkelt. Dabei geht er vom Leitzustand in den Sperrzustand über, am Eingang 1 liegt nun ein positives Potential. Nach Impulsformung mit dem SCHMITT-Trigger S1 gelangt das invertierte Signal zum NAND-Gatter 1 und wird erneut invertiert. Der wieder positive Impuls trifft nun auf das Gatter 4. Ist das Flip-Flop B (gebildet aus den NAND-Gattern 8 und 9) im Ruhezustand, ist auch der andere Eingang des Gatters 4 auf H-Pegel und Flip-Flop A (Gatter 6 und 7) wird mit einer negativen Impulsflanke gesetzt. Das invertierte Signal wird durch den Treiber B1 stromverstärkt und öffnet das Transistorenpaar T1/T2, auf Ausgang "Z" (Schließen) erscheint eine positive Spannung, die so lange erhalten bleibt, bis L1 und L2 wieder beleuchtet werden (dann hat der Zug beide Lichtschranken vor dem Übergang passiert); das Gatter 2 besorgt nun das Zurücksetzen des Flip-Flops A.

Beim Passieren der Lichtschranke 3 wird ganz analog Flip-Flop B' gesetzt. Dieses Signal bewirkt nun nicht ein Durchschalten, der für den "Öffnen"-Impuls zuständigen Transistoren T3/T4, sondern erst, wenn L3 wieder beleuchtet wird, gelangt der Impuls durch die Wirkung von Gatter 10 über den Treiber B3 und die Transistoren T3/T4 an den Ausgang "A" (die Schranke öffnet wieder). Werden nun L3 und L4 wieder beleuchtet, wird auch das Flip-Flop B' wieder zurückgesetzt und der ursprüngliche Zustand ist wieder hergestellt.

Bei entgegengesetzter Fahrtrichtung wird ganz entsprechend durch Abdunkeln von L4 und L3 zuerst Flip-Flop A' gesetzt (die Schranken schließen). Hat die Zugspitze den Übergang passiert, wird zunächst L2 abgedunkelt (Flip-Flop B wird gesetzt). Wenn der letzte Wagen an L2 vorbei ist, erscheint ein Impuls an "A" und die Schranken öffnen.

An die Anschlüsse "a" und "z" der Schaltung können Taster angeschlossen werden, mit deren Hilfe die Schranken auch manuell bedient werden können.

Verwendete Bauteile

Halbleiter	SCHMITT-Trigger S1 - S4 NAND-Gatter 1 - 10 , 1' - 10' BUFFER B1 - B4 T1 , T3 T2 , T4 4 Fototransistoren L1 - L4 Dioden D1 - D4 4 IR-Dioden	CD 4093 5 x CD 4011 CD 4050 BC 559 C oder andere pnp-Transistoren BC 160 oder andere pnp-Kleinleistungs-Transistoren z.B. SFH 309 oder SFH 309 FA Standard Si-Dioden, z.B. 1N4148 z.B. SFH 409 (nur noch schwer erhältlich, als Ersatztypen sind verschiedene IR-Dioden mit einer Wellenlänge von 900-950 nm verwendbar, z.B. SFH4546)
Widerstände	P1 - P4 R1 , R2 R3 , R4 Vorwiderstand für IR-Dioden bei Reihenschaltung von 4 Dioden	Trimmer 50 kOhm 100 kOhm 22 kOhm Wert abhängig von Diodentyp und Versorgungs-Spannung (bei 12 - 15 V ca. 68 - 220 Ohm, Stromstärke zwischen 30 und 90 mA)

Bauteile-Bestellung leichtgemacht:

Der Link zu Reichelt.de öffnet die komplette Bauteileliste. Durch Klick auf "alles übernehmen" übernehmen Sie die Bauteile in Ihren persönlichen Warenkorb bei Reichelt-Elektronik.

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Bauhinweise

Für den kompakten Aufbau der Schaltung wurde eine einseitige Platine mit den Maßen 7 x 10 cm (halbe Europa-Karte) entwickelt. Bei der Beschaffung einer geätzten Platine kann Ihnen der Autor vielleicht helfen: Richten Sie Ihre Anfrage bitte an Bernd Raschdorf.

Foto

Bestueckungsplan Schrankenautomatik

Beim Bestücken der Platine mit Bauteilen hilft eine Folie oder ein Etikett auf der Bestückungsseite, die Sie hier herunterladen und ausdrucken können.

Die Versorgungsspannung sollte gut geglättet sein, da die Logik empfindlich auf Fehlimpulse reagiert. Im einfachsten Fall dient der Magnetartikel-Anschluss des Modellbahntrafos, ein Brückengleichrichter (z.B. B40C1500) und ein Ladeelko mit 500-1000 µF/40 V zur Stromversorgung der Schaltung. Besser geeignet ist ein eigenes kleines Netzteil mit einem Festspannungs-IC (z.B. µA78S12), das eine elektronisch stabilisierte Ausgangsspannung von 12 V bei 2 A Laststrom liefert. Eine Bauanleitung für so ein Netzteil wird auf der Seite Gleichstromnetzteil beschrieben. An den Anschlüssen a und z der Platine können Taster angeschlossen werden, über die die Schranken auch manuell zu bedienen sind. Die vier Trimmpotis P1 - P4 dienen zum Einjustieren der Empfindlichkeit der Lichtschranken, sie sollten etwa auf den halben Wert eingestellt sein (Widerstandswert nicht auf Null-Anschlag stellen!). Es empfielt sich, für die ICs Fassungen einzulöten, bei einem Defekt ist dann ein IC schnell ausgetauscht und muss nicht mühsam ausgelötet werden.

Zu den Lichtschranken:

Statt der Fototransistoren sind prinzipiell auch Fotowiderstände (LDR) verwendbar, diese jedoch haben zwei Nachteile: Erstens sind sie größer als die nur ca. 3 mm großen Fototransistoren. Zweitens sprechen die LDR auf sichtbares Licht an, das bedingt die Verwendung von Glühlämpchen, die man leuchten sieht und die Wärme entwickeln, beides von Nachteil, wenn man die Lichtschranken auf der Anlage "verstecken" will. Verwendet man Fototransistoren, kann man Infrarot-Dioden als "Lichtquellen" verwenden, die ebenfalls sehr klein sind und weder Wärme noch sichtbares Licht erzeugen.
Die vier Lichtschranken sind paarweise (L1/L2 und L3/L4) zu beiden Seiten des Übergangs anzuordnen, die Lichtwege der Lichtschranken sollten schräg zum Gleis verlaufen, da dann kein Licht durch die Wagenzwischenräume fallen und die Logik mit Fehlinformationen versorgen kann. Die Höhe von "Sender" und "Empfänger" der Lichtschranken liegt optimal oberhalb der Radsätze und unterhalb eventueller Wagenfenster, das ist bei H0 bei ca. 20 mm über dem Gleis. Die Abstände der Lichtschranken L1 und L2 bzw. L3 und L4 sollten unter einer Loklänge liegen, die Abstände der Lichtschrankenpaare vom Bahnübergang muss so groß sein, dass die Schranken vollständig geschlossen sind, wenn der Zugkopf den Übergang erreicht.

Die Paare L1/L2 bzw. L3/L4 müssen optisch entkoppelt sein, das heißt, dass z.B. die IR-LED 1 nur den Fototransistor L1 und nicht L2 beleuchten darf.

Bahnübergang: Position der Lichtschranken

Wenn der Überweg viele Gleise überbrückt, die in mehreren Gleisgruppen liegen, so kann es sinnvoll sein, die Lichtschranken mehrfach vorzusehen, in jeder Gleisgruppe separat. Sollen diese Lichtschranken gemeinsam auf eine Schrankensteuerung wirken, so können sie jeweils durch eine ODER-Logik verknüpft werden. Das heißt, dass die einzelnen Fototransistoren der Lichtschranke in Reihe geschaltet werden (da der Fototransistor bei Abdunklung sperrt). Die folgende Skizze zeigt die Schaltung, L1 bis L4 gehören dabei zu einer Gleisgruppe, L1' bis L4' zu einer anderen.

Eingangsbeschaltung

Die Infrarot-LEDs (im Schaltplan nicht eingezeichnet) werden am besten in Reihe über einen Vorwiderstand an die Gleichstromquelle angeschlossen (siehe Anschluss-Schema weiter unten). Bei Parallelschaltung der LEDs muss jeder Diode ein Vorwiderstand zugeordnet werden. Der Vorwiderstand ist so zu wählen, dass durch die LEDs ein Strom der Stärke 30 - 90 mA fließt. Der Widerstandswert berechnet sich nach der Formel

R = (Uv - Ud) / Id

Uv = Versorgungsspannung, Ud = Diodenspannung für eine LED (ca. 1,5 V), Id = Stromstärke (0,030 - 0,090 A)

Bei Verwendung der Typen SFH 409 oder SFH 4346 in Reihenschaltung bei 12 V Betriebsspannung kann der Vorwiderstand Werte zwischen 68 und 220 Ohm haben (Belastbarkeit 0,5-1 W). Je kleiner der Widerstandswert, desto mehr Leistung gibt die LED ab.

Sollte die Empfindlichkeit der Lichtschranken nicht ausreichen, um größere Abstände zu überbrücken, kann auf den Lichtschranken-Baustein IS471F zurückgegriffen werden:
Für eine Lichtschrankensteuerung sind vier solcher Schaltungen an die Anschlüsse 1 ---- 4 der Lichtschrankenplatine anzuschließen. Der Anschluss +Vcc wird mit dem Pin +12 V, der Anschluss GND mit dem Pin - 12 V verbunden.
Die IR-Diode FSH409 (oder andere IR-Dioden mit einer Wellenlänge von 900-950 nm, z.B. SFH4546) stellt den Sender dar, der Baustein IS471F den Empfänger. Bei unterbrochenem Lichtstrahl hat der Ausgang (Pin2) nahezu +Vcc-Potential, bei Belichtung hat er GND-Potential.

Übersicht über die Ausgangsbeschaltung:

Blau gezeichnet (optional): Bei Verwenung von Wechselstrom-Schrankenantrieben können Relais an Z und A angeschlossen werden, über deren Schaltkontakte der Schrankenantrieb gesteuert werden kann.

Nochmals zum Anschluss der Schaltung an die Schranken:

Motorische Schranken (z.B. Brawa) können direkt angeschlossen werden, die Länge der Impulse reicht in jedem Falle aus, um den Antrieb zu starten. Brawa-Schranken-Antriebe werden an die Ausgänge Z (mit dem grünen Kabel) und A (mit dem gelben Kabel) angeschlossen.
Magnetgetriebene Schranken mit Endabschaltung können dann direkt angeschlossen werden, wenn der Spulenstrom unter 1 Ampere bleibt (Mittelanschluss der Doppelspule an Minus). Sollte der benötigte Strom 1 A übersteigen, so können entweder zwei Relais zwischengeschaltet werden, oder zwei Leistungstransistoren gemäß Skizze 1. Magnetantriebe ohne Endabschaltung schließlich müssen gegen Überlastung geschützt werden, da die Impulse bei langsam fahrenden Zügen (oder gar haltenden!) lang sein können. Hier ist eine Schaltung gemäß Skizze 2 vorzunehmen. Beim Durchschalten eines der Transistoren entlädt sich die im Elektrolytkondensator gespeicherte Ladung sehr schnell über die Spule des Antriebes. Nach dem Sperren der Transistoren wird der Kondensator über den 1k0-Widerstand wieder geladen. Schäden an den Antrieben können kaum auftreten, da auch bei durchgeschalteten Transistoren der maximale Spulenstrom durch den 1kO-Widerstand auf ca. 12 mA begrenzt wird. Eine Verdoppelung des Widerstandswertes halbiert den Strom durch die Spulenwicklung, bei gleicher Kapazität wird auch die Ladezeit des Kondensators (auf ca. 0,4 sek) verdoppelt. Sollte die Kapazität des Elkos nicht reichen, um den Antrieb komplett umzusteuern, muss diese erhöht werden.

Wichtig ist noch, dass beim direkten Anschluss von Relais oder Doppelspulenantrieben die Endtransistoren der Steuerschaltung gegen induktive Spannungsspitzen geschützt werden müssen, indem parallel zu den Spulen Dioden in Sperrrichtung geschaltet werden. Passen die für den Antrieb benötigte Spannung und die Versorgungsspannung der Elektronik nicht zusammen (zum Beispiel bei Wechselstromantrieben), so können auch Relais zwischengeschaltet werden (siehe Anschlussskizze oben).


Skizze 1 Ausgangsbeschaltung für Doppelspulenantriebe mit Endabschaltung, Schaltstromstärke über 1 Ampere	Skizze 2 Ausgangsbeschaltung für Doppelspulenantriebe ohne Endabschaltung, Schaltstromstärke über 1 Ampere

Foto einer bestückten Platine:

Schrankenautomatik: Foto der bestückten Platine

Falls es Probleme geben sollte ...

Liegt ein Fehler bei den Lichtschranken oder bei der Elektronik vor? Kreisen Sie das Problem erst einmal ein: Ersetzen Sie die Fototransistoren an den Eingängen 1 ... 4 durch Schalter oder Taster mit Ruhekontakt. Simulieren Sie eine Zugfahrt, indem Sie die Schalter in der richtigen Reihenfolge bedienen:

Erst öffnen Sie Schalter 1, dann zusätzlich Schalter 2. Der Ausgang Z (schließen) der Schaltung muss jetzt auf H-Potential (positive Spannung) wechseln.
Jetzt schließen Sie zunächst Schalter 1, dann 2 wieder (der Zug hat die Eingangs-Lichtschranken passiert).
Nun öffnen Sie Schalter 3, dann zusätzlich Schalter 4. Der Ausgang A (öffnen) bleibt auf L-Potential, die Logik wird zum Öffnen der Schranken vorbereitet.
Zum Schluss werden Schalter 3 und 4 wieder geschlossen, der Zug hat alle Lichtschranken passiert, der Ausgang A geht auf H-Potential, die Schranken öffnen und die Schaltung ist wieder im Ruhezustand..

Funktioniert jetzt die Steuerung? Dann liegt der Fehler an den Lichtschranken, meistens an ungenauen Einstellungen der Lichtwege oder zu geringer Lichtstärke der LEDs. Alle Fototransistoren müssen bei Belichtung im Leitzustand sein, beim Abdunkeln sperren. Das lässt sich mit einem Spannungsmessgerät leicht nachprüfen: an den PINs 1 bis 4 der Platine muss bei belichtetem Fototransistor 0 - 0,6 V gemessen werden (eventuell die entsprechenden Potentiometer P1 bis P4 nachjustieren), bei unbelichtetem + 12 - 18 V, jeweils gegen PIN - gemessen.

Falls der Fehler nicht an den Lichtschranken liegt, muss ein Fehler in der Elektronik gesucht werden.

Der weitaus häufigste Fehler liegt an unsauberen Lötstellen. Also: erst einmal eine gründliche Sichtprüfung mit Hilfe einer Lupe vornehmen.
Sind alle Lötstellen einwandfrei? Sind keine Leiterbahnen versehentlich durch Lötzinn überbrückt oder unterbrochen? (Kritische Stellen sind die Leiterbahnen zwischen den IC-Pins!)
Zeigen alle passiven Bauteile die richtigen Werte-Aufdrucke? Sind Dioden und Elektrolyt-Kondensatoren in der richtigen Polarität eingelötet?
Sind die ICs richtig herum eingelötet? (Markierung am PIN1 beachten!)
Schließlich kann es nur an den Halbleitern und ICs liegen. Also: nacheinander alle austauschen, dabei die PINs der MOS-ICs nicht mit den Fingern berühren, MOS-Halbleiter sind empfindlich gegen statische Aufladungen. Hier ist derjenige im Vorteil, der die ICs nicht direkt eingelötet, sodern Fassungen verwendet hat. Hilfreich bei der Fehlersuche ist ein Plan, der die Zuordnung der einzelnen Gatter zu den IC-Pins aufzeigt, diesen können Sie hier herunterladen.

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