Vierfach Besetztmeldungsschaltung

Was macht diese Schaltung?
Wie funktioniert diese Schaltung?
Anschluß der Schaltung
Das Schaltungslayout

Was macht diese Schaltung?

Dieser Prototyp einer vierfachen Besetztmeldungsschaltung meldet belegte Gleisabschnitte auf Gleichstrommodellbahnanlagen. Er ist ein Kompromiß zwischen relativ einfachem Aufbau und zum Einsatz von TTL-Bausteinen, Mikrocontrollern und Computern notwendigen Signalpegeln von 5 Volt.

Drei Nachteile dieser Schaltung seien vorweg gleich erwähnt:

Einerseits wird für jeden zu überwachenden Besetztmeldungsabschnitt ein Spannungsumpoler benötigt, falls nicht nur in eine Richtung gefahren werden soll,
andererseits ist der Ausgang nicht entprellt, was für das menschliche Auge anhand der Leuchtdioden zwar nicht erkennbar ist, von digitalen Schaltungen aber dennoch registriert wird.
Hat die Fahrspannungsquelle keine Strombegrenzung, so fließt im Falle eines Kurzschlusses durch die Diode in der Schaltung so viel Strom, wie die Fahrspannungsquelle liefert. Ist dieser Strom größer als 1 Ampere, so wird die Diode dadurch zerstört.

Andere Besetztmeldungsschaltungen im Web

Eine recht einfache Gleisbesetztmeldungsschaltung, die ohne Umschalter zur Besetztmeldung bei Fahrt in beide Richtungen funktioniert, gibt es von Rüdiger Bäcker bei Modellbahn Online in der Rubrik Elektronik.

Einen Gleisbesetztmeldungsbausatz, der aufgrund der vielen Bauteile beim Zusammenlöten allerdings etwas Zeit kostet, gibt es unter der Bestellnummer 21 73 26-14 bei Conrad Elektronik. Dieser Bausatz ist mit einem Preis von etwa 20,- € allerdings nicht gerade kostengünstig. Zu diesem Bausatz gibt es von Conrad Elektronik auch Datenblätter zum herunterladen.

Wie funktioniert diese Schaltung?

Steht ein Verbraucher, beispielsweise eine Lokomotive oder ein beleuchteter Waggon, in der Blockstelle, so fließt ein Strom vom Gleis durch die Diode D1 am Eingang der Besetztmeldung. An stromdurchflossenen Dioden fällt grundsätzlich Spannung ab, bei Dioden des hier verwendeten Typs 1N4001 beträgt diese Spannung etwa 0,5 Volt. Diese 0,5 Volt liegen folglich auch an dem positiven Eingang des Operationsverstärkers LM324N oder LM741 an. Da der Operationsverstärker hier als Spannungsfolger mit einem Verstärungsfaktor von 11 verschaltet ist, verstärkt er die Eingangsspannung von etwa 0,5 Volt auf 5,5 Volt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers kann allerdings nicht über seine Versorgungsspannung VCC ansteigen. Beträgt die Versorgungsspannung beispielsweise 5 Volt, so liegen am Ausgang des Operationsversärkers nicht 5,5 Volt sondern nur 5 Volt an.

Steht kein Verbraucher in der Blockstelle, so fließt kein Strom durch die Diode und die Spannung U₊ wird über den Widerstand R1 auf Masse gezogen. Elffach verstärkt bleiben 0 Volt immernoch 0 Volt, somit liegt auch keine Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers an.

Wie funktioniert dieser Spannungsfolger?

Ein Operationsverstärker hat die Eigenschaft, daß er die Spannungsdifferenz zwischen positivem Eingang (U₊) und negativem Eingang (U_-) verstärkt und an seinem Ausgang ausgibt. Für Niederfrequenzanwendungen wie diese hier, wird Unendlich als Wert des Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers angenommen. Weiterhin hat ein Operationsverstärker die Eigenschaft, daß so gut wie kein Strom in seine Eingänge fließt.

Aufgrund der Spannung U1A, kurz U_A, am Ausgang des Operationsverstärkers fließt ein Strom I_A durch die in Reihe geschalteten Widerstände R3 und R2. Dieser Strom I_A entspricht nach dem Ohmschen Gesetz (R=U/I) dem Wert von U_A / (R3+R2). In diesem Fall gilt also I_A = U_A / (110kOhm).

Da nun der Strom I_A, der durch den Widerstand R2 fließt, bekannt ist, kann mit dem Ohmschen Gesetz die am negativen Eingang des Operationsverstärker anliegende Spannung, kurz U_-, berechnet werden: U_- = R2 * I_A. Setzt man nun den Wert von 10kOhm für R2 und das Ergebnis für I_A aus dem vorigen Absatz in diese Formel ein, so ergibt sich: U_- = 10kOhm * U_A / (110kOhm) oder gekürzt: U_- = U_A / 11. Die Spannung am negativen Eingang des Operationsverstärker beträgt also immer ein Elftel seiner Ausgangsspannung.

Nachdem der Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3 berechnet ist, läßt sich anhand des Blockdiagramms die Übertragungsfunktion des Operationsverstärkers berechnen. An dieser Stelle sei kurz angemerkt, daß U_A im Blockdiagramm dem A entspricht. Zunächst werden mehrere kurze Formeln aufgestellt, die danach ineinander eingesetzt werden, so daß am Ende das Verhältnis von Eingang zu Ausgang, kurz U_A / U₊, herauskommt.

Der Ausgang U_A des Operationsverstärker ist gleich der Spannungsdifferenz am Eingang des Operationsverstärkers multipliziert mit seinem Verstärkungsfaktor K, also kurz: U_A = K * W. Die Spannungsdifferenz W am Eingang des Operationsverstärker ist die Differenz zwischen positiver Eingangsspannung U₊ und negativer Eingangsspannung U_-, als Formel ausgedrückt: W = U₊ - U_-. Die negative Eingangsspannung U_- des Operationsverstärker beträgt, wie im vorigen Absatz berechnet, ein Elftel der Ausgangsspannung U_A, es gilt also: U_- = U_A / 11. Der Übersicht wegen sind hier nochmals alle Formeln aufgelistet:

U_A = K * W
W = U₊ - U_-
U_- = U_A / 11

Setzt man nun die dritte Formel in die zweite Formel ein, so erhält man für W eine vierte Formel, nämlich: W = U₊ - (U_A / 11). Setzt man nun diese vierte Formel in die erste Formel ein, so erhält man: U_A = K * (U₊ - (A / 11)). Diese Formel wird nun nach U_A / U₊ aufgelöst.

U_A	=	K * (U₊ - (U_A / 11))	<=>
U_A	=	K * U₊ - (U_A * K / 11)	<=>
U_A + U_A * K / 11	=	K * U₊	<=>
U_A * (1 + K / 11)	=	K * U₊	<=>
U_A	=	K * U₊ / (1 + K / 11)	<=>
U_A / U₊	=	K / (1 + K / 11)	<=>
U_A / U₊	=	(11 * K) / (11 + K)	<=>

Die Übertragungsfunktion des Spannungsfolgers ist also (11 * K) / (11 + K).

Da der Verstärkungsfaktor K des Operationsverstärkers als unendlich angenommen wird, wird der Grenzwert der Übertragungsfunktion für K gegen Unendlich gebildet. Das Ergebnis dieser Grenzwertbildung ist der Wert elf. Somit ist wegen U_A = 11 * U₊ die Ausgangsspannung U_A des Operationsverstärkers elf mal so groß wie die positive Eingangsspannung U₊.

Anschluß der Schaltung

Die Widerstände mit jeweils 10 kOhm, welche die Impulsdauersteuerung mit der Versorgungsspannung und die Halteabschnitte mit dem fahrspannungsführenden Gleis verbinden, sind dazu da, daß, falls ein Verbaucher in dem zu überwachenden Gleisabschnitt steht, immer ein kleiner Strom fließt, der einer Lokomotive zwar nicht zum Losfahren ausreicht, aber dennoch von der Besetztmeldungsschaltung erkannt werden kann.

Da in dieser einfachen Besetztmeldungsschaltung keine Gleichrichter eingebaut sind, kann Strom durch die Schaltung daher nur in einer Richtung fließen. Deswegen muß, wenn in beide Richtungen gefahren werden soll, für jeden zu überwachenden Gleisabschnitt ein Fahrtrichtungsumschalter eingebaut werden. Ist dies zu aufwendig, schafft die Gleisbesetztmeldungsschaltung von Conrad Elektronik Abhilfe, die durch die große Anzahl von Dioden aber beim Zusammenlöten etwas Zeit kostet. Die Datenblätter zu dieser Schaltung sind online verfügbar.

Der Anschluß der Schaltung kann leicht den Bildern entnommen werden. In steht hier für den entsprechenden Eingang, Out für den entsprechenden Ausgang. Das Zeichen und GND stehen für Masse (oder "Minus"). Mit der Versorgungsspannung VCC wird der Operationsverstärker betrieben. Sie ist in dieser Schaltung auf 5 Volt ausgelegt, die in der Regel von TTL-Bausteinen, Mikrocontrollern und Computern benötigt wird.

Das Schaltungslayout

Das Layout der Platine ist mit der freien Version des EAGLE Layout Editor von CadSoft erstellt.

Herunterladen des Layouts.

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