Reverser / Kehrschleifenautomatik für DCC

    Kehrschleife V1.1Kehrschleife V1.3

    Beim Bau der neuen Clubanlage der MEFM benötigten wir auch acht Kehrschleifenmodule, da die Anlage sowohl offensichtliche Kehrschleifen, Gleisdreiecke und indirekte Kehrschleifen enthält. Diese können entweder im Booster integriert sein oder aber separat aufgebaut sein. Für den separaten Aufbau spricht die leichtere Integration in die Rückmelder: die Kehrschleifenautomatik wird nach dem Rückmelder eingebaut, damit kann der Rückmelder auch noch andere Abschnitte versorgen.

    Eine weitere, besonders elegante Möglichkeit ist die Integration in die Rückmeldermodule, hierzu bietet sich die Sensormethode an: im Rückmelder sind die Sensoren bereits vorhanden, es bedarf als nur noch der Auswertelogik und der Relais für die Umpolung.

Prinzipielle Techniken für eine Kehrschleife

    Eine Kehrschleife (bzw. Gleisdreieck) hat aus Prinzip irgendwo eine Stelle, an der falsche Gleispolaritäten zusammenlaufen. Lösbar ist das i.d.R. durch Umpolen (z.B. per Relais oder per MOSFET) eines der beteiligten Gleisabschnitte, wobei hierbei darauf zu achten ist, daß es dadurch nicht an anderer Stelle zu einer Kurzschlußgefahr kommt.
    Es ist ein großer Vorteil von DCC, dass es polaritätsunabhängig ist. Man kann daher ohne Probleme einfach die Stromzuführung zur Lok umpolen, an der Fahrtrichtung ändert sich dadurch nichts, die Lok fährt weiter als ob nichts gewesen ist. Natürlich wird die gerade laufende Nachricht durch das Umpolen gestört, dies wird aber vom Decoder erkannt und ohne weitere Folgen aussortiert.

    Wie kann nun dieses Umpolen ausgelöst werden?
  • manuelles Umpolen des fraglichen Abschnittes:
    Das ist die technisch einfachste Lösung, allerdings kann dieses im Eifer des Gefechts auch mal vergessen werden und schon gibt es einen wunderbaren Kurzschlußstrom durch das Fahrzeug, welches über der Trennstelle steht. Bei einem automatisierten Betrieb ist manuelles Umpolen undenkbar.
  • gekoppeltes Schalten:
    Das Umpolen wird entweder direkt oder indirekt mit einer Weichenstellung mitgemacht. Dies ist anwendbar bei einfachen Kehrschleifen und wird dann auch schon mal als "intelligente" Weiche angepriesen. Bei komplexeren Gleisstrukturen findet man oft keine schlüssige Regel, die sich aus den Weichen- oder Signalstellungen herleiten läßt.
  • von der geplanten Zugbewegung gesteuertes Umpolen:
    Fährt man mit irgendeiner Art von Automatisierung, dann werden Zugfahrten geplant, entsprechende Fahrwege reserviert und die Durchführung dieser Zugfahrten mit Meldern überwacht. In einer solchen Überwachung und Verfolgung der Zugfahrt läßt sich dann auch das Umpolen automatisieren. Z.B. mit Traincontroller kann man durch entsprechende virtuelle Melder und Bahnwärter das Umpolen vom Computer vornehmen lassen. Nachteil: Ohne Computer kann man nicht wirklich fahren.
  • von der beobachteten Zugbewegung gesteuertes Umpolen:
    Eleganter ist eine Lösung, bei der die aktuelle Zugbewegung erfaßt (gemessen) wird und das Umpolen von diesem Erfassungssystem ausgelöst wird. Das hat den Vorteil, daß es sowohl im Handbetrieb als auch im Computerbetrieb funktioniert. Hierzu muß man sich auch Gedanken um das Erfassungssystem machen:
    1. Erfassung durch optische Sensoren: Je ein Paar Lichtschranken an beiden Enden des Umpolabschnittes steuert das Relais. Nachteil: Die Sensoren erfordern Verdrahtung und können gerade im sichtbaren Bereich oft nicht positioniert werden.
    2. Erfassung durch Stromsensoren:
      a) Je ein kurzer stromloser Abschnitt an beiden Endes des Umpolabschnittes wird beim Befahren vom Fahrzeug "rückwärts" mit Strom versorgt. Dieser Strom wird erfaßt und steuert das Relais. Hier findet sich ein Schaltungsvorschlag für so eine Kehrschleifenschaltung.
      b) Erfassung mit echten Stromfühlern, wie sie auch in einem Gleisbelegtmelder verwendet werden. Die beiden Sensorgleise an jedem Ende (bzw. deren Logikverknüpfung) steuern dann das Relais an. Diese Methode wird auf dem GBM16T angewandt.
    3. Erfassung durch Kurzschlußsensoren: Die Erfassung erfolgt durch Auswertung des bei falsch gepolten Abschnittes entstehend Kurzschluß. Der Strom wird gemessen und bei Erreichen einer kritischen Schwelle wird das Umpolen veranlaßt.
      Vorteil: keine weitere Verdrahtung erforderlich.
      Nachteil: Das Umpolen erfolgt immer unter Last (entsprechende Dimensionierung des Relais erforderlich), es entsteht ein Kurzschluß von etwa 5ms, welcher ev. eine gerade laufende Datenübertragung auf dem Gleis stört, sowie eine gewisse Menge Energie in Schlußstelle einbringt, was zu schwarzem Abbrandstellen am Rad führen kann. Dies kann man durch eine vorherige elektronische Abschaltung des Stromes reduzieren, jedoch nie ganz beseitigen, da allein durch das Umpolen des DCC-Signals ein Strom fließt.
      Die Trennstellen im Gleis sind nie ganz gleich, auch die Kontaktgabe der Loks kann nicht ganz sicher sein, so daß der Kurzschluß wahlweise in der linken oder rechten Zuleitung zuerst erfolgen kann. Es müssen daher beide Zuleitungen überwacht werden. Ausführlich ist diese Problematik auch bei Blücher Elektronik, einem Anbieter von Kehrschleifenmodulen, dargestellt.
    Nachfolgend sind einige Schaltungen für eine Kurzschluß-gesteuerte Kehrschleifenautomatik beschrieben:
    • V1.1: einfache Schaltung mit Kurzschlußüberwachung (eine Gleisseite)
    • V1.2: zusätzlicher Computereingang, um im Regelbetrieb keine Kurzschlüsse zu haben. Man also mit dieser Schaltung sowohl problemlos computergesteuert fahren als auch zur Not manuell fahren.
    • V1.3: Schaltung wie oben, jedoch beidseitige Überwachung und Computereingang; die zweite Versorgung kann entweder mit einem DC/DC Wandler (SIM1-0505S DIL8 oder NME0505) oder mit einem weiteren Netzteil erzeugt werden.

Eigenschaften

  • Strom: max. 5,0A, Einsatz der Kehrschleife bei ca. 2A, Einsatzschwelle mit Widerstand einstellbar.
  • Spannung: Am Gleis Digitalspannung DCC oder Gleichspannung
  • Versorgung: separate 12V Versorgung mit eigenem Trafo erforderlich
  • Baugröße: Steckernetzteil + Platine 80*50mm (V1.1, ohne Computereingang)
  • Baugröße: Steckernetzteil + Platine 80*60mm (V1.2, mit Optokopplereingang)
  • Baugröße: Steckernetzteil + Platine 80*80mm (V1.3, mit beidseitiger Überwachung und Optokopplereingang)

Einbau und Funktion

    Spannungsversorgung:
    An X1-1 und X1-2 Gleich- oder Wechselspannung mit 8-12V. Diese darf nicht gleichzeitig zur Versorgung anderer Schaltungen (z.B. Booster) verwendet werden. Bei der Version 1.3 muß der Uberwacher mit einer zweiten Einspeisung versorgt werden. Diese kann entweder von X5-1 und X5-2 erfolgen oder alternativ über einen integrierten DC-DC-Wandler erfolgen. Bei doppelter externer Versorgung dürfen die beiden Spannungsquelle nicht miteinander verbunden sein - am besten zwei Steckernetzteile verwenden.

    DCC-Eingang:
    An X2-1 und X2-2 wird das DCC-Signal vom Booster angeschlossen, dabei ist die Polarität benachbarter Gleisabschnitte gleich zu verdrahten.

    Gleis-Ausgang:
    Der Ausgang (X3-1 und X3-2) wird mit dem Gleis verbunden, auch hier ist auf gleiche Polarität zu achten.

    Computereingang (nur bei V1.2 und V1.3):
    Der Eingang (X4) wird mit einem Magnetdecoder verbunden, die Polarität ist egal; X4-2 = gemeinsamer Anschluß, X4-1 = Setzen Umpolen, X4-3 = Rücksetzen Umpolen.

    Funktion:
    Fährt ein Fahrzeug aus einem Gleisabschnitt mit falscher Polarität in den Kehrschleifenabschnitt, so ergibt sich normalerweise ein Kurzschluß. Die Kehrschleifenautomatik erkennt das Entstehen dieses Kurzschlusses (bei ca. 2A) vor der allgemeinen Kurzschlußsicherung des Boosters. Der Strom am Gleis wird von der Automatik blitzschnell umgepolt, was i.d.R. den drohenden Kurzschluß behebt. Sollte trotz Umpolung immer noch ein Kurzschluß vorhanden sein, so wird die normale Kurzschlußsicherung des Boosters aktiv.
    Nach einem Umpolvorgang werden weitere Kurzschlüsse für ca. 1 sec nicht beachtet, damit wird ein mehrfaches Umschalten vermieden.
    Der Kehrschleifenabschnitt muß (!) länger als der längste Zug sein, da es sonst an beiden Enden zum Kurzschluß kommt. Dieser kann dann nicht mehr von der Automatik ausgeschaltet werden.
    Bei Gleisdreiecken kann es eventuell sein, daß keine Seite lang genug für das Umpolen ist. Dann ist es sinnvoll, eine Zufahrt des Gleisdreieckes mit der Automatik auszurüsten.

    Fernsteuerung:
    Ab Version 1.2 ist zusätzlich eine Schnittstelle zum ferngesteuerten Umschalten per Computer vorgesehen. Durch die beiden AC-Optokoppler OK1 und OK2 wird jeweils der normale bzw. umgepolte Zustand aktiviert. Dadurch kann durch einen einfachen Schaltbefehl (z.B. über einen Weichendecoder) die Kehrschleife bereits vor dem Befahren in die richtige Polarität gebracht werden und man kann so im Computerbetrieb die Microkurzschlüsse vermeiden.

    Anzeigen:
    LED orange (U1): Anzeige bei aktiver Umpolung LED grün (U2): Anzeige bei anliegender Versorgungsspannung

Schaltungsbeschreibung

    Spannungsversorgung:
    Die an X1 anliegende Spannung wird gleichgerichtet und für das Relais verwendet, mit IC4 wird die 5V-Versorgung der Platine stabilisiert.

    Kurzschlußüberwachung:
    Der Gleisstrom wird über einen Strommeßwiderstand (0,05 Ohm = zwei 0,1 Ohm parallel) geleitet. Eine eventueller durch Verdrahtung und Gleis bedingter hochfrequenter Wechselstrom wird mit C8 an den Meßwiderständen vorbei geleitet.
    Der Spannungsabfall an diesem Widerstand (0,1V bei 2A) wird mit den Komparatoren IC1A und IC1B mit dem Spannungsabfall am Widerstand R2 und R3 (je 390 Ohm) verglichen. Die Spannung an diesen Widerständen beträgt dann jeweils 0,1V. Mit der Kombination aus R5 (10k) und C6 (10n) wird die Ansprechverzögerung (R*C = 100µs) der Kurzschlußüberwachung eingestellt.
    Bei der Version 1.3 ist diese Meßschaltung doppelt aufgebaut und es werden beide Zuleitungen überwacht. Das Anziehen der Komparatoren bewirkt einen Strom durch den Optokoppler, dieser triggert dann das Monoflop.

    Umpolung:
    Bei zu großem Strom im Gleis zieht einer der Komparatoren an und triggert das folgende Monoflop IC2B (t=1s), dessen Ausgang das nachfolgende Flipflop umschaltet. Am Ausgang des Flipflop wird über den Transistor Q1 und das Relais K1 (Typ DS2) die Polarität des Gleis-Signals umgekehrt und dadurch der Kurzschluß behoben.
    Die Optokoppler (Typ SFH628AC) wirken auf Set und Reset des Flipflop, damit kann von einem Stellpult oder vom Computer die Kehrschleife vor dem Befahren in die richtige Polarität geschaltet werden. Die Polarität des Schaltsignals ist egal, die LEDs in den Optokopplern sind bidirektional.

Aufbauanleitung

    Zuerst mal der übliche Sums: Elektroniklötkolben, geeignetes Lötzinn (nicht über 300W, kein Tiffany-Bleilot ;-), Halbleiter und C's richtig polen (es sind kleine Markierungen in Layout, Pin 1 oder Kathode), CMOS-ICs sind statisch gefährdet, kurzum: wer's nicht kann, soll nicht mit dieser Schaltung das Üben anfangen. Die Werte der Widerstände und C's sind unkritisch, im Schaltplan finden sich Hinweise zur Dimensionierung. Erstinbetriebnahme am geregelten Labornetzteil, Leerlaufstrom einige mA. 
    Aenderungen von Version 1.1 auf 1.2:
23.05.05: Ergaenzung:      Remote-Control-Eingang mit Optokoppler hinzu
                           neues Layout, 80*60mm

    Aenderungen von Version 1.2 auf 1.3:
04.04.07: Ergaenzung:      Überwachung auf beiden Zuleitungen.
                           neues Layout, zweiseitig, 80*80mm

Probleme und Fehler in den Versionen 1.1 und 1.2:

    Beim Testen mit der Kehrschleife ist aufgefallen, daß diese gelegentlich ohne offensichtliche Notwendigkeit umschaltet. Wenn dieses fälschliche Schalten im gleichen Augenblick passiert, in dem gerade ein stromführendes Fahrzeug auf der Trennstelle steht, gibt es Kurzschluß.
    Ursache sind hochfrequente Stromspitzen, die aus folgendem gleichzeitigem Zusammenspiel entstehen:
  1. a) Polwechsel des DCC Signals
  2. b) Burst des PWM Signals vom Decoder zum Motor
  3. c) Kurzzeitige Unterbrechung des Radkontaktes und deswegen entsprechend massiver "Reload" des Decoders.
    4. Diese führen zu einen Überkoppeln des Stromstroßes auf die Komparatoren, welche entsprechend abzufiltern sind.
    Maßnahmen:
  1. 100nF keramisch (SMD) parallel zu C10, 10uF (bessere Masseankopplung)
  2. Entfall C6 (10nF)
  3. Hinzu 2,2nF (keramisch) zwischen Pin 5 und Pin 6 von IC1 (LM393); dieser ist möglichst nah zu montieren, am besten SMD zwischen den Pins.
  4. Hinzu 2,2nF (keramisch) zwischen Pin 2 und Pin 3 von IC1 (LM393); dieser ist möglichst nah zu montieren, am besten SMD zwischen den Pins.
  5. Wertänderung: C9 von 10uF auf 100uF, damit wird die Sperre für das erneute Umschalten (sicherheitshalber) verlängert.
    6. Eine Ferritdrossel in der Gleiszuleitung würde das Ganze noch weiter entschärfen.

Unterlagen, Links