Automatische SchrankensteuerungBei 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. Alle kontakt-gesteuerten Automatiken haben aber prinzipielle Nachteile: Da die Schrankenmechanik eine gewisse Zeit zum Öffnen und Schließen braucht (besonders die sehr vorbildlich bewegten Schranken mit motorischem Antrieb), müssen die Gleiskontakte in ausreichendem Abstand vor und hinter dem Übergang angeordnet werden. Und hier beginnt das Dilemma: Der schaltende Magnet darf nur pro Zug einmal vorhanden sein, im allgemeinen an der Lok, da sonst kaum unterschiedliche Garnituren zusammengestellt werden können (das bedeutet auch, dass alle Loks Ihres Fuhrparks mit einem Magneten ausgestattet werden müssen, u.U. ein ziemlicher Aufwand!). Passiert die Lok nun den ersten Schaltkontakt, so wird die Schranke sich - bei richtigem Abstand - rechtzeitig schließen. Passiert die Lok nun den für das Öffnen zuständigen Kontakt jenseits des Überweges, wird sich die Schranke unweigerlich öffnen, egal, ob erst der halbe Zug den Übergang passiert hat. Also wird man die Öffnungskontakte sehr weit vom Übergang entfernt platzieren. Und was geschieht jetzt bei einer Lok-Leerfahrt: die Schranken öffnen sich viel zu spät! Je unterschiedlicher die Länge der Züge, die auf dem Gleisabschnitt verkehren, desto vorbild-unähnlicher wird die Situation. Und zweitens: werden auf der Anlage auch noch Wendezüge eingesetzt, so würde die schiebende Lok erst dann die Schranken schließen, wenn der Zug den Überweg möglicherweise schon halb passiert hat. Der Ausweg: auch die Schließkontakte müssten weit vor dem Überweg verlegt werden. Die Wirkung bei Zügen mit der Lok voran ist dann ganz analog zu der für das verspätete Schließen beschriebene Szenario. Fazit: Die Steuerung eines Schrankenübergangs mit Hilfe von Gleiskontakten ist nur ein Notbehelf! Die folgende Schaltung kennt diese Nachteile nicht: Sie schließt rechtzeitig vor Annäherung des Zuges die Schranken und gibt nach Passieren des Zuges den Straßenübergang wieder frei, egal, ob mit Lok oder Steuerwagen voran, egal, in welche Richtung der Zug fährt, egal, ob ein eingleisiger oder mehrgleisiger Überweg bedient werden muss!. Zwei Lichtschrankenpaare auf beiden Seiten des Übergangs identifizieren die Fahrtrichtung des Zuges und veranlassen das Schließen und Öffnen der Schranken. Egal, in welche Richtung der Zug fährt, 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 |
FunktionsbeschreibungAngenommen, 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. |
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 Standard Si-Dioden, z.B. 1N4148 z.B. SFH 409 oder SFH 485 oder SFH 4346 |
Widerstände | P1 - P4 R1 , R2 R3 , R4 Vorwiderstand für IR-Dioden |
Trimmer
50 kOhm 100 kOhm 22 kOhm Wert abhängig von Diodentyp und Versorg.-Spannung (bei 12 - 15 V ca. 220 - 470 Ohm) |
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BauhinweiseFür den kompakten Aufbau der Schaltung wurde eine einseitige Platine mit den Maßen 7 x 10 cm (halbe Europa-Karte) entwickelt. 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. |
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 "wegtarnen" 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 der 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 Infrarot-LEDs (im Schaltplan nicht eingezeichnet) werden in Reihe über einen Vorwiderstand an die Gleichstromquelle angeschlossen. 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.
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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.
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© Bernd Raschdorf