Automatische 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. 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

Schaltplan 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.


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)


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.

Bauhinweise

Für den kompakten Aufbau der Schaltung wurde eine einseitige Platine mit den Maßen 7 x 10 cm (halbe Europa-Karte) entwickelt. Die Platine kann über den Shop bestellt werden. Die Leiterplatte wird mit einer Polyester-Bestückungsfolie ausgeliefert. 

Die Platine wird gemäß folgender Skizze mit den Bauteilen bestückt:

Bestueckungsplan

Die Versorgungsspannung sollte gut geglättet sein, da die Logik empfindlich gegen Fehlimpulse reagiert. Gut geeignet ist ein eigenes kleines Netzteil mit einem Festspannungs-IC (z.B. µA78S12), das eine stabile Ausgangsspannung von 12 V bei 2 A Laststrom liefert. Wenn der Magnetartikel-Anschluss des Modellbahntrafos (Wechselspannung ca. 16 V) verwendet werden soll, so ist ein Brückengleichrichter B40C1500 zwischenzuschalten und ein Siebelko mit 1000µF/40V am Ausgang des Spannungsreglers einzusetzen. 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.

Schema Bahnübergang

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
Sollte die Empfindlichkeit der Lichtschranken nicht ausreichen, um mehrere Gleise 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.
Die IR-Diode
FSH409 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. Näheres zu diesem IC und zur Kombination mit der dargestellten Schrankensteuerung finden Sie auch auf den Seiten  Jörg's Modellbahn  und  Herimo-Tipps.
Lichtschranke mit IS471F

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 (was billiger ist) 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. 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.

Anschluss von Doppelspulenantrieben (1) Anschluss von Doppelspulenantrieben (2)
Skizze 1
Ausgangsbeschaltung für Doppelspulenantriebe mit Endabschaltung, Schaltstromstärke über 1 Ampere
Skizze 2
Ausgangsbeschaltung für Doppelspulenantriebe ohne Endabschaltung, Schaltstromstärke über 1 Ampere

Ein Foto der bestückten Platine (Prototyp):

Foto der bestückten Platine

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© Bernd Raschdorf