Modelleisenbahnclub Castrop-Rauxel 1987 e.V.

Tips&Tricks 27: Unser Belegtmelder

Eigentlich müßte dies ein 'Projekt' sein, nach dessen Definition. Die Entwicklung der Belegtmelde-Module (BMM) geht bis auf den Anfang unserer Automatisierung zurück.
Aber wir wollen hier nicht all die vielen (funktionierenden) Zwischenstadien beschreiben, die uns zu der aktuellen Version geführt haben, sondern nur unser Prinzip (das sich über die Jahre nicht geändert hat) mit den interessantesten Details. Und damit wird es wieder ein "T&T".

Das Prinzip:
Wir benutzen eine Strommeldung, d.h. wir überwachen den Strom, der in einen Gleisabschnitt fließt. Da wir mit Gleichstrom fahren, benötigen wir zwei Detektoren, einen für jede Fahrtrichtung. Diese beiden werden in der Schaltung zu einer Meldung zusammengeführt. Und wir müssen den Bahnstromkreis von der Elektrik der Steuerung potentialmäßig trennen, da ansonsten unvorhersehbare Ereignisse auftreten könnten. Kurzschlußfest müssen sie natürlich auch sein. Preiswert? Aber ja! Und mit jederzeit wiederbeschaffbaren Bauteilen. Etliche Versionen mußten wir wieder aufgeben, da die Bauteile nicht mehr günstig zu beschaffen waren.
Ein Anreiz zur Weiterentwicklung war immer wieder die mangelhafte Empfindlichkeit. Die ersten BMM brauchten Werte um 10kΩ an 15V, das ist ein Strom von 1,5mA. Diesen Strom muß jede Achse ableiten, wenn sie erkannt werden will. Inzwischen sind wir um mindestens den Faktor 10 besser geworden. Es ist aber nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Betriebssicherheit, die eine wesentliche Rolle dabei spielt:
Wir übertreiben hier einmal leicht:
10kΩ + Schmutz ≈ Schmutz; meldet nicht
100kΩ + Schmutz ≈ 100kΩ; meldet immer noch.

Das BMM:
Damit ist die Eingangsschaltung der BMM schon festgelegt. Sie besteht aus 4 Leistungsdioden (1N5400), die in beide Stromrichtungen max. ca. 1,4 Volt 'abfallen' lassen, aber auch den maximal möglichen Strom von 3 Ampere mühelos verkraften können. Über einen Schutzwiderstand, der die nachfolgende Schaltung absichern soll, falls tatsächlich einmal eine der Dioden 'hops' gehen sollte, verzweigt sich der Strom in je einen Optokoppler. Die von uns verwendeten Typen sind außerordentlich preiswert und haben die früher verwendeten Koppler, die intern 2 antiparallel geschaltete Dioden besitzen, abgelöst; aus Kostengründen und Wiederbeschaffungsproblemen. Die Transistoren in den Optokopplern schalten wir zur weiteren Auswertung parallel. (Es wäre aber durchaus denkbar, dies nicht zu tun; sondern 2 getrennte Auswertungen zu schalten. Damit hätten wir eine fahrtrichtungsabhängige Belegtmeldung. Oder - man könnte, ähnlich wie Märklin mit seinem Skischleifer-Schleppschalter, fahrtrichtungsabhängig verschiedene Funktionen auslösen.) Der gemeinsame Kollektorwiderstand hat den Wert von 10MΩ. Dies ist ein Wert an der Grenze des Mach- und Beschaffbaren. Die Verstärkung der Schaltung wird dadurch so hoch, daß die geforderte Empfindlichkeit (150µA) gut eingehalten werden kann. Die nachfolgende Stufe muß mit einem Feldeffekt-Transistor beginnen, da ansonsten die so schön erworbene Empfindlichkeit wieder zunichte gemacht wird. Wir haben ein preiswertes CMOS-IC eingesetzt (CD 40106 mit 6 Schmitt-Triggern, die nur zur Hälfte gebraucht werden), mit dem eine unterschiedliche Ansprech- (ca. 0,2s) und Abfallzeit (ca. 2s) hergestellt wird.

Aufgrund von Nachfragen, wie denn unsere Endstufen aussähen, haben wir das folgende Bild um diese Schaltungsteile erweitert. Die eine Endstufe schaltet ein, wenn ein Fahrzeug erkannt wird, die andere aus. Nun sind sämtliche elektronischen Bauteile dokumentiert. Die beiden Widerstand-Kondensator-Kombinationen an den Endstufen-Transistoren können im Normalfall weggelassen werden. Wir hatten sie eingeplant, falls sehr lange Leitungen an den Transistoren sich Störungen einfangen würden. (Wenn der Transistor sperrt, sind die Leitungen an diesem Ende 'offen' und wirken wie eine Antenne. S. dazu auch unseren Beitrag über Entstörung.) Dies war aber bei uns nicht der Fall. Diese 4 Bauteile werden aus Platzgründen auf der Unterseite als SMD bestückt.
Wir haben die Endstufen mit Absicht als "Open-Collector" ausgeführt. Bei den meisten Anwendungen müssen mehrere BMM auf ein- und dieselbe Auswertung geführt werden. Das kann hier einfach durch Zusammenschalten der Ausgänge geschehen (Fachausdruck "wired-OR").

BMM
Foto BMM

Das Foto zeigt den Eingangsteil eines BMM mit einer gemessenen Empfindlichkeit von 146 kΩ. (Dies bedeutet, daß das BMM bei einer Einspeisung am Eingang mit 15 Volt über einen Vorwiderstand von 146 kΩ anspricht. Ein einzelner Radsatz dürfte also höchstens diesen Wert, incl. Übergangswiderstand Rad - Schiene, aufweisen, damit er erkannt wird.) Das BMM steckt zusammen mit 8 anderen auf einer Trägerplatine im Europakartenformat. Diese wiederum steckt in einem ganz normalen 19-Zoll-Rack.
Man erkennt neben der Fahrstromeinspeisung die 4 Dioden, dann weiter rechts die beiden Optokoppler. Ganz rechts ist ein Teil des CMOS-ICs CD40106 zu sehen. Die Dioden wurden so angeordnet, daß zwei in Reihe geschaltete nicht räumlich nebeneinander liegen, damit die entstehende Wärme (im Extremfall etwa 5 Watt!) besser verteilt wird.

Das Drumherum:
Parallel zum Ausgangstransistor unserer Fahrregler schalten wir einen Widerstand von 1kΩ, über den die Versorgungsspannung von 15V direkt auf die Gleise gelangt. So ist auch bei "Fahrspannung = 0" ein Strom in die Schienen gewährleistet. Ebenfalls liegt ein derartiger Widerstand über dem Schalter bei Signalen und anderen Schaltern, mit denen der Fahrstrom abgeschaltet werden kann. So ist auch in 'abgeschalteten' Bereichen eine Belegtmeldung möglich.

BMM-drumherum

So steuern wir unsere Züge an. Parallel zum Fahrregler (FR) sieht man den 1-kΩ-Widerstand. Zwischen Polwender (PW) und dem BMM ist ein Schalter eingezeichnet, der wiederum mit einem Widerstand überbrückt ist. Dies könnte ein Signal oder ein anderer Schalter, wie oben beschrieben, sein.

Probleme:
Weil immer noch 'alte' (= unempfindliche) BMM auf unserer Anlage eingebaut sind, kann der 1-kΩ-Widerstand noch nicht durch einen größeren ersetzt werden. So ist der Ruhe-Strom, der aus den Fahrreglern kommt, doch noch recht hoch, so daß Loks mit Faulhaber-Motoren nicht sicher anhalten. Nach Ersatz aller alten BMM können dann auch alle hier genannten Widerstände durch 10-kΩ-Typen ersetzt werden. Und wir können dann endlich unsere Wagenachsen mit Grafit-Spray einsprühen, s. Tips&Tricks 13.

Toleranzen:
Rein theoretisch dürfte es mit dem hohen Kollektorwiderstand (10 MΩ) an den Optokopplern keine Probleme geben. Mit dem Dunkelstrom (lt. Datenblatt max. 100 nA) müßte der Spannungsabfall an diesem Widerstand in Ruhe maximal 2 Volt betragen (merke: es sind 2 Optokoppler!). Falls also das BMM immer 'besetzt' anzeigt, sollte der Wert des hier besprochenen Widerstands heruntergesetzt werden, bis auf 1 MΩ. Dann müßte die Funktion eigentlich klappen.
Es ist aber auch möglich, daß man in der Toleranz 'gute' Gleichrichterdioden erwischt, die eine niedrige Flußspannung besitzen. Für unsere Belange wäre das gar nicht gut, denn dann würden die Optokoppler erst bei höheren Strömen durch die Dioden ausreichend Spannung erhalten, um ihren Transistor genügend zu belichten. Nach unseren Messungen müssen an den Diodenpärchen etwa 850 mV Spannung abfallen, damit die Optokoppler ansprechen. Hier liegt ein wesentlicher Grund dafür, daß die BMM in ihrer Empfindlichkeit nie gleich ausfallen.
Wie Sie sicherlich bemerkt haben, betreiben wir sowohl die Leistungsdioden im Eingang als auch die Dioden der Optokoppler weit außerhalb (genauer gesagt: unterhalb) ihrer in den jeweiligen Datenblättern angegebenen Daten. Daher sind, wie oben beschrieben, deren Toleranzen außerordentlich hoch.

Einstreuungen:
Es kann vorkommen, daß bei unglücklicher Leitungsführung am 10-MΩ-Widerstand 50-Hz-Einstreuungen (Netz-Brumm) auftreten. Dies kann zu scheinbar extrem hoher Empfindlichkeit mit schlechtem Ausschalt-Verhalten bis zu dauerndem Einschalten führen. In einem solchen Fall schafft ein Kondensator von 100 nF parallel zum Widerstand Abhilfe. Diesen haben wir in der obigen Schaltung nicht mit eingezeichnet. Ein Beschalten der beim Optokoppler 4N32 herausgeführten Basis-Anschlüsse hat bei uns nur zu negativen Ergebnissen geführt. Wir lassen sie bewußt offen.

Inzwischen gehen wir sogar dazu über, die Empfindlichkeit durch Verkleinern des Kollektor-Widerstands zu reduzieren. Da durch Grafit-Sprühen sicher ein Achswiderstand von 50 kΩ zu erreichen ist, ist es sinnlos, Empfindlichkeiten weit über diesem Wert herzustellen. Wir haben schon Belegt-Meldungen durch frisch angelegte Beschotterung (= Feuchtigkeit) erhalten. Das ist zwar ebenso spektakulär wie ein Melden durch Auflegen von angefeuchteten Fingern, bringt aber ansonsten nichts.

Erweiterung der Basisplatine:
Rack Es kam die Idee auf, die Besetztmelder mit einer Anzeige auszustatten, damit man im Fall der Fehlersuche besser den Schaltzustand erkennen kann. Nicht jedes BMM hat als Ausgang eine LED im Stellpult! Problematisch war aber die Sichtbarkeit einer solchen Anzeige, da, wie beschrieben, die BMM auf einer Trägerplatine sitzen, die meisten also "tief innen im Rack", also quasi nicht sichtbar. Platz auf dem BMM war so gut wie nicht vorhanden. Daher wurde die Realisierung jahrelang immer wieder verschoben.
Wir haben dann versuchsweise eine Trägerplatine so umgebaut, daß an der Vorderseite 9 LEDs die Schaltzustände anzeigen. Dies war ein derartiger Erfolg bei der Fehlersuche, daß sofort viele weitere umgebaut wurden. Das Layout für die Fertigung neuer Platinen wurde dahin geändert, daß ab sofort nur noch Platinen "mit" gefertigt werden.
Im Bild rechts sehen Sie ein paar so umgerüstete Platinen im Rack. Bei den beiden Platinen ganz rechts und ganz links kann man gut einige eingeschaltete LEDs erkennen. Die zweite Platine von rechts ist noch nicht umgerüstet.
Die Farbe der LEDs hat keine Bedeutung. Wir haben das genommen, was in unseren Schubladen vorhanden war. Vielleicht ist es sinnvoll, unterschiedliche Farben zu verwenden. Man könnte dann evtl. besser sehen, welche der LEDs gerade "an" ist; besonders, wenn es dunkler ist als auf dem Foto (was der Normalfall ist).

Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner