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Technik

Modellbahntechnik

 

Meine Dekoder

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Üblicherweise wird bei digital gesteuerten Modellbahnen fast alles über die Gleise erledigt: Stromversorgung und Steuerung von Loks, Weichen, Signalen und einigen anderen Dingen. Die handelsüblichen Schalt-Dekoder verstehen die Kommandos ebenso wie die Lok-Dekoder. Für meine Anlage habe ich die Bereiche Fahren und Schalten getrennt. Das hat mehrere Gründe:

1. Der Datenverkehr auf den Gleisen wird reduziert,
2. die Dekoder werden einfacher, weil der Spannungsreglerteil entfällt,
3. die Dekoder bestätigen den Empfang der Kommandos,
4. die Dekoder können mit speziellen Funktionen ausgestattet werden,
5. ein gewisser Spieltrieb...
 
Die Dekoder haben eine eigene Stromversorgung von 5V für die Elektronik und Lichtsignale sowie 16V für "Magnetartikel", d. h. Weichen, Signale mit Spulenantrieb und die in einigen Signalen eingebauten Lämpchen. Die Daten werden über einen I²C-Bus übertragen. Eine einfache Zentrale setzt die Kommandos vom PC in entsprechende Befehle an die Dekoder um. Sie versteht den Märklin P50X-Befehlssatz mit der Einschränkung, dass sie Lokbefehle ignoriert. Für das Steuerprogramm verhält sie sich wie eine Uhlenbrock Intellibox oder Tams MasterControl. Es sind 2048 Adressen möglich, wofür ein kleiner Trick notwendig war. Eine Checksumme erlaubt es, Übertragungsfehler zu erkennen. Die Dekoder quittieren den Empfang einer Botschaft mit einem "Acknowledge"-Bit gemäß der I²C-Spezifikation. Bleibt diese Bestätigung aus, sendet die Zentrale die Daten noch einmal. Kommt dann wieder keine Bestätigung, wird ein Fehler angezeigt. Der fehlerhafte Dekoder kann anhand der Adresse leicht identifiziert werden.
 
Für eine fehlerfreie Datenübertragung ist es wichtig, die richtige Kombination aus Kabel, Länge und Geschwindigkeit zu erzielen. Kabel besitzen eine kleine, aber nicht unwesentliche Kapazität, die die Flanken der Digitalsignale verschleift. Je länger die Leitung, desto stärker der Effekt. Es lohnt sich also ausnahmsweise einmal ein Blick in die Datenblätter der Kabel (gibt es für einige tatsächlich) zu werfen. Das Kabel sollte abgeschirmt sein und eine Kapazität von weniger als 100 pF/m haben. Ich habe den Bus als Ringleitung ausgeführt. dabei kommen etwa 20 Meter zusammen. Die Daten werden über eine Mikrofonleitung übertragen ("Bühnenkabel"). Damit sind noch rund 30 kHz erreichbar. Das ist dank der optimierten Datenstruktur immer noch schneller als die 38400 Bps, mit der die Zentrale die Daten via RS232 vom PC bekommt.
 

Drehscheibe digitalisieren

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Eine Drehscheibe ist der Mittelpunkt eines jeden BWs. Bei einer weitgehend digital gesteuerten Anlage liegt es nahe, auch die Drehscheibe in den automatischen Ablauf einzubeziehen. Für die Märklin/Fleischmann-Drehscheibe gibt es zwar einen entsprechenden Dekoder, aber mit dem wird nicht jeder Modellbahner glücklich. Das Klappergeräusch des Arretierungsmechanismus stört. Wie schön wäre es doch, wenn die Scheibe ohne Ruckeln ud geräuscharm ihre zielpositionen ansteuern würde! und das geht. Es gibt sogar verschiedene Lösungen:

Den kompletten Antrieb durch einen neuen Ersetzen, z. B. einen externen Schrittmotor, oder

den vorhandenen Mechanismus entfernen, dem Motor einen Dekoder verpassen und geeignete Sensoren für die Positionserkennung anbringen.

Das mit dem schrittmotor ist eine relativ aufwändige Angelegenheit, wenn man es selber bauen will, und relativ kostspielig, wenn man auf fertige Lösungen zurückgreift.

Ich habe mich daher für den anderen weg entschieden und bin nach verschiedenen Experimenten bei einem optischen System angekommen. Ansätze mit Lichtsschranken oder magnetischen sensoren an der Bühne oder auch auf dem großen äußeren Zahnrad erwiesen sich als nicht genau genug. Die Umdrehungen des Motors oder des ersten Zahnrades zu zählen brachte auch keinen Erfolg, weil das Spiel im Gesamtsystem zu groß ist. So kam ich zu einer Scheibe mit 12 gleich großen Sektoren, die abwechselnd shwarz und weiß gefärbt sind, und die auf dem großen zahnrad platziert wurde. Mit einer Reflexlichtschranke bekommt man dann ein nahezu sinusförmiges Signal, das von einem Mikroprozessor ausgewertet werden kann. Die maxima und Minima sind gut reproduzierbar. Der haken an der sache war nur, dass meine vorhandenen Dekoder nicht unter die Bühne passten (sie sind in DIL aufgebaut). Ich hätte also eine neue Leiterplatte in SMD produzieren lassen müssen, dazu eine angepasste Software erstellen usw. Sicher eine sehr interessante Arbeit, die aber viel zeit gekostet hätte. Auf der Suche nach weiteren Anregungen entdeckte ich dann eines tages in einem Forum einen Hinweis auf den "Sven-Brandt-Dekoder", der das gleiche Prinzip nutzt (vier weiße Balken als Marken) und nebenbei eine einfache motorregelung bietet, bis zu vier Signale ansteuern kann, eine schaltbare beleuchtung für das Häuschen und drei Rückmeldeanschlüsse für die Bühne an Bord hat. Daraufhin habe ich diesen Dekoder in meine Drehscheibe eingebaut, man muss nicht immer alles selber machen... Wie das genau aussieht und wie der Einbau vor sich geht, ist auf der entsprechenden Seite sehr gut beschrieben: www.digital-bahn.de. Der Dekoder kann sich Märklin-kompatibel verhalten und lässt sich problemlos z. B. in Traincontroller einbinden.

 

Der S88-Bus

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Der S88-Bus

Der S88-Bus dient dazu, Informationen über die Zustände von Meldern aller Art auf der Anlage über ein Interface an einen PC zu senden. Beispiele für solche Melder sind Belegtmelder, die anzeigen, dass ein Gleis z. B. in einem Bahnhof von einem Zug besetzt ist, Momentkontakte auf der Strecke, die signalisieren, dass ein Zug einen bestimmten Punkt erreicht hat oder auch Schalter und Taster, die von Hand betätigt werden und dann eine Aktion auslösen. Für eine fehlerfreie (halb)automatische Steuerung einer Modellbahn-Anlage mit mehreren Zügen ist es wichtig, dass diese Melder zuverlässig arbeiten und ihre Signale störungsfrei zum Steuerprogramm übertragen werden.
 
Der S88-Bus ist der verbreitetste Vertreter der Rückmeldesysteme. Eigentlich ist er gar kein echter Bus, denn genau genommen handelt es sich um ein großes Schieberegister. In ihm werden die zuvor eingelesenen Melder-Zustände nacheinander von einem Modul zum nächsten und schließlich zur Zentrale weitergereicht. Dieser Datenstrom wird von der Zentrale durch ein Taktsignal gesteuert. Jedes Rückmeldemodul hat dazu meistens 16, manchmal auch 8 Eingänge für die eigentlichen Melder, einen Dateneingang für das nächste folgende Modul und einen Datenausgang zum vorhergehenden Modul bzw. zur Zentrale. Daneben gibt es noch zwei Steuereingänge, mit denen die Melderdaten in einen Zwischenspeicher übernommen oder dieser Speicher gelöscht werden kann.
 
Das System wurde ursprünglich für Märklin Digital entwickelt. Inzwischen gibt es Interfaces und Rückmelde-Module (den Begriff "Dekoder" finde ich hierfür etwas übertrieben) auch von zahlreichen anderen Anbietern.
 

Stecker

Pin-BelegungSteckerStecker
1: Daten (Rückmeldungen)
2: Masse der Versorgung
3: Schiebetakt
4:Preset (anliegende Zustände übernehmen)
5: Reset (Eingänge zurücksetzen)
6: Versorgung +5V
 

Funktion

Mit dem Signal PS = high beginnt ein Abfragezyklus. Die Eingangszustände werden in das Schieberegister übernommen. Ein kurzer Reset-Puls setzt die Eingänge zurück, damit sie Veränderungen bis zur nächsten Abfrage speichern können. Nun werden die Daten aus den Schieberegistern mit jedem Puls des Taktsignals CLK nacheinander an die Zentrale bzw. das Interface übertragen.
Die Taktfrequenz bestimmt, wie schnell das Rückmeldesystem Ereignisse an den PC weitergeben kann. Sie ist nicht standardisiert und daher bei jedem Hersteller anders. Das ursprüngliche Konzept, das auch heute noch verwendet wird, basiert auf zwei verschiedenen Logikbausteinen, also auf reiner Hardware. Diese Bausteine können sehr schnell reagiren (innerhalb von Nanosekunden) und die Verzögerung zwischen Taktsignal und gültigen Daten, somit auch die maximale Taktfrequenz, wird hauptsächlich von der Kapazität und der Länge der verwendeten Leitungen bestimmt. Die Bausteine geben die Daten mit der steigenden Flanke des Taktsignals aus. Die Zentralen lesen sie oft kurz danach ein, einige aber auch erst mit der fallenden Flanke. das ist wichtig für diejenigen, die Rückmelder nachbauen wollen und dabei, so wie ich, auf Mikrocontroller statt Logik-ICs setzen. Besonders zeitkritisch scheint das ansonsten eher gemütliche HSI88 zu sein. Hier hatte ich Probleme, wenn die Daten erst nach mehr als 10µs zur Verfügung standen. Die Verzögerung sollte also < 10µs sein, wenn man auf alle Fälle vorbereitet sein will.

Störungsfreier Betrieb

Dem S88-System wird häufig nachgesagt, dass es störanfällig sei. Das kann, muss aber nicht sein. Die wichtigsten Störquellen sind die Eingänge der RM-Module, die bei einigen Modellen nur mit einem Minimum an Schutzbeschaltung ausgestattet sind, und die Datenübertragung vom Rückmelder zur Zentrale.
Häufig entstehen Störungen nicht auf den Verbindungsleitungen zwischen den Modulen, sondern auf den Meldeleitungen. Auf vielen Anlagen werden die Module gerne in der Nähe der Zentrale angeordnet, so dass sie sich mit kurzen Kabeln verninden lassen. Dafür sind dann die Leitungen zu den Kontaktstellen oder Schaltgleisen oft sehr lang. Die Eingänge der RM werden häufig mit relativ großen Widerständen nach Plus gezogen, bei einigen wurden zudem Entstörkondensatoren eingespart. Das macht sie empfindlich für Störungen. Die langen Leitungen wirken wie Antennen, die auch Signale von den Gleisen aufnehmen können. Das kann man reduzieren, indem man die Signalleitungen, also die Leitungen zwischen Kontaktstelle und Modul, in einem möglichst großen Abstand (min. 10...20 cm) zu Gleisen und Gleisanschlussleitungen führt. Notwendige Kreuzungen sollten im rechten Winkel erfolgen. Noch besser ist es, die Rückmelde-Module dezentral so anzuordnen, dass die Signalleitungen möglichst kurz sind. Das bietet sich z. B. in Bahnhöfen an, wo es oft viele Rückmelder auf engem Raum gibt. Das erfordert dann allerdings wiederum längere Leitungen zur ZentraleBelegtmelder Eingang.
Für meine Rückmelder habe ich diese Eingangsbeschaltung gewählt, die sich gut bewährt hat:
R1 ist mit 10kΩ deutlich kleiner als die meist verwendeten 100kΩ-Widerstände, ist aber noch groß genug, um die Schaltung im Fehlerfall zu schützen (Mittelleiter hat Kontakt zum Gleis). R2 schützt in diesem fall den Prozessor-Eingang und hält den Ableitsstrom unter 1mA. C1 filtert kurze Störimpulse heraus. Eine softwareseitige Ausschaltverzögerung sorgt dafür, dass kurze Unterbrechungen nicht zu falschen Signalen führen.
Die RM-Module werden typischerweise mit Flachbandkabeln verbunden. Liegen hier Kabel direkt aufeinander oder sind sie sehr lang (2m und mehr), dann kann es zum Übersprechen zwischen den einzelnen Adern kommen. Signale auf einem Draht werden auf einen benachbarten Draht übertragen und verfälschen das Signal. Vor allem Störungen von außen, z. B. durch Gleise und Bahnstrom, können auf die Übertragung einwirken. Hier hilft eine Abschirmung. Ich habe für mich handelsübliche 6-polige Audiokabel mit DIN-Steckern verwendet. Leitungslängen bis zu 5 Metern machen keine Probleme. Mittlerweile sind solche Kabel aber nur noch schwer zu bekommen. Statt dessen werden verstärkt, wie auch vom S88N-Standard empfohlen, Patchkabel eingesetzt, wie man sie auch für Netzwerkleitungen benutzt.

Bei sehr langen Verbindungen und schnellen Zentralen, d. h. solchen mit hoher Taktfrequenz, ist zu beachten, dass die Signale verschliffen werden können. Heir lohnt sich ein Blick in das Datenblatt des verwendeten Kabels (sofern verfügbar). Einige Hersteller geben die Leitungskapazität an, meist in pF/m. Hier gilt: Je niedriger, desto besser.
Einige kommerzielle RM-Module haben einen zusätzlichen Masseanschluss neben den Eingängen. Dieser sollte auf kurzem Weg mit der Gleismasse verbunden werden. Bei meinen Modulen habe ich zusätzlich einen kleinen Widerstand in diese Leitung geschaltet, der verhindert, dass im Falle von schlechten Kontakten der gesamte Lokstrom über die Masse der Rückmelder fließen und Störungen verursachen kann.
 

Booster

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Booster sind Verstärker für digitale Signale. Sie wandeln die Impulse einer Steuerelektronik in bahntaugliche Spannungen und Ströme. In den Zentralen ist üblicherweise bereits eine kleine Leistungsstufe eingebaut, doch reicht deren Leistung meist nur für Kleinstanlagen mit 2-3 Zügen. Will man mehr Züge bewegen und auch nicht auf eine Innenbeleuchtung verzichten, dann mehr Power her. dazu gibt es externe Booster, die zwischen Zentrale und Gleis geschaltet werden.

Die "normalen" Booster sind meistens für einen maximalen Strom von 2,5A ausgelegt. Das reicht normalerweise für 5-10 Züge, je nach Belastung und Stromverbrauch der beleuchtung. Es gibt auch stärkere Ausführungen, die 5A oder sogar 10A liefern können. Solche Geräte sind eher für Großanlagen gedacht. Wer solche Teile einbaut, sollte wissen, was er tut. Das Problem bei dieser Leistungsklasse besteht darin, dass oft durch Übergangswiderstände in den Gleisen oder in der Verkabelung im Kurzschlussfall der Abschaltstrom nicht erreicht wird. Dann können sehr große Ströme fließen, die zu Schäden am Gleis oder an Weichen oder gar zu Kabelbränden führen können. Es ist daher sinnvoller, größere Anlagen in mehrere Stromkreise zu unterteilen und diese mit einzelnen Boostern zu versorgen.

Booster parallel schalten: Das ist prinzipiell möglich, aber nicht ratsam. Zum einen aus den oben geschilderten Gründen. Zum Anderen deshalb, weil es die Endstufen der Booster belasten und zu Störungen führen kann. Zunächst einmal ist die Polung zu beachten. Dann sollten die Booster vom selben typ sein, weil das Schaltverhalten wichtig ist. Haben die Geräte leicht unterschiedliche Schaltzeiten der Ausgangssignale, und das wird fast immer der fall sein, dann hat z. B. Endstufe A gerade auf high gewechselt, während Endstufe b noch auf low ist. das Ergebnis ist ein kurzzeitiger, aber satter Kutzschluss zwischen den beiden Ausgängen. das kann zu Störungen durch Strompulse führen und es belastet die Endstufen. Abhilfe kann man schaffen, wenn man die Schaltung kennt und die Signale so trimmt, dass sie sich möglichst gleich verhalten. Dazu sind aber Elektronikkenntnisse und ein Oszilloskop erforderlich.

Die Trennstellen zwischen den Stromkreisen sollten so angebracht sein, dass sie nicht in der Nähe einer Haltestelle liegen. Sonst kann es vorkommen, dass der Schleifer eines Fahrzeugs (bei Zweileiterfahrern Vorder- und Hinterachse) nicht die Trennstelle überbrücken kann. Die kurze Überbrückung, zu der es beim Übergang von einem Stromkreis zum nächsten zwangsläufig kommt, ist unbedenklich. Aber auch hier gilt: Die Gleise müssen gleich gepolt sein. Die Eingänge von Boostern dürfen parallel geschaltet werden, so dass eine Zentrale mehrere Kreise versorgen kann.