Kehrschleifenautomatik für SX Gleisspannung und Spur N

Solche Module sind nicht nur für Kehrschleifen eine praktische Lösung, sondern sind
auch zur automatischen Richtigstellung der Gleispolarität in anderen Anlagenteilen
nicht nur nützlich sondern oft genug notwendig.

Beispiele sind die Gleise auf Drehscheiben, Schiebebühnen und die polarisierten Herzstücke
von Mehrwegweichen und Kreuzungen.

Wenn auf einer großen Anlage eine nennenswerte Anzahl gebraucht wird, kann der Eigenbau
zur Schonung des MoBa-Budgets beitragen.

Schaltungsidee:

Zweierlei Grundprinzipien werden seit Jahrzehnten verwendet, mit und ohne "Mikrokurzschluss",
d.h. mit und ohne Sensorabschnitte im Kehrschleifengleis. Wenn aber das "Gleis" nur ein
Kreuzungsteil ist, kann die Sensorlösung nicht realisiert werden. Sollte aber der Automat an diesen
Stellen seine Funktionstüchtigkeit beweisen können, sehe ich keinen triftigen Grund das
Prinzip nicht generell zu verwenden. Die wenigen mir bekannten Schaltungen arbeiten mit der
"Stromfühlermethode" in den Zuleitungen zum Automat. Die am wenigsten "elegante" Version
reagiert auf den Spannungseinbruch des Boosters die bei genügender Dauer und Größe
des Kurzschluss irgendwann erfolgt. Oh Graus !

Üblich ist auch die Verwendung von Relais mit Wechselkontakt zum Umschalten der Gleisspannung.
Damit der Kurzschluss "Mikro" bleibt,arbeiten mit zusätzlicher Abschaltung per FET. Der Aufwand
ist aber nicht unerheblich und bei kleinen Spurweiten und begrenzter Boosterleistung m.E. nicht
zwingend notwendig, solange die verwendeten Relais genügend schnell schalten. Genügend,
heißt hier, schneller als die Stromüberwachung im Booster oder der Endstufe in der Zentrale und
bevor ein thermischer Schaden im Relais, am Gleis und/oder im Radsatz entsteht.

Relaiswinzlinge, z.B. von OMRON oder AXICOM erreichen Minimalwerte von etwa 1 Millisekunde,
haben aber in der Regel, auch bei anderen Herstellern, nur einen  Schaltstrom von 2A. Der
Kurzschlussstrom steigt in Digitalanlagen sehr schnell auf größere Werte an und muss mit den
Relaiskontakten abgeschaltet werden, was für die Kontakte ungünstigere Belastung bedeutet.

Es gibt aber Relaiszwerge, mit 10A Kontakten und Schaltzeiten unter 4 Millisekunden, was nach
meinen Versuchsmessungen in Spur N vertretbar ist.

Mein Gleismodul zur Überwachung des Gleisstroms habe ich mit dem Talema Stromwandler
Typ AS-100 mit i = 50 aufgebaut um den Stromfühleraufwand zu minimieren. So lag es nahe
dieses Prinzip auch im KS-Modul zu verwenden, wobei hier beide Leitungen, Rt und Bl, zu
überwachen sind. Eine sehr simple Moglichkeit beim Wandler, wenn beide Leitungen so durch
den Wandler gefädelt werden, dass sich die Ströme sekundärseitig addieren.

Die Wandlerspannung speist eine Gleichrichterbrücke an die der Lastwiderstand angeschlossen
ist. Ein simples RC Glied mit 4k7 und 68 nF und die "Messpannung" ist erzeugt.

Nachdem in einer Kehrschleife immer nur 1 Zug fährt ist der Mittelwert des Laststroms bei Spur N
stets unter 0,5 A, d.h. der Wandler "sieht" in beiden Leitungen als Summenstrom 1A.

Der AS-100 Wandler ist für den Frequenzbereich 20kHz bis 200kHz spezifiziert. Die Stromflanken
sind in Digitalanlagen sehr steil und erreichen leicht 5A pro µSek. Deshalb tritt schon beim
ersten Stromimpuls  Sättigung auf und die Sekundärspannung sinkt bei folgenden Impulsen gleicher
Polarität :

Der Mittelwert nach dem RC-Glied bei 2A Spitze in einer Leitung:



nach etwa 1 Millisekunde liegen ca. 2,5 Volt an.

Der Stromlaufplan meines KS-Moduls:

und das Layout:

Der Mega 48 ist natürlich total "oversized" aber in "Stückzahlen" vorhanden. Ein AVR Tiny tut's auch für den halben Preis!

Die Relais sind die preiswerten OMRON 10A "Würfelrelais" Typ 4052 mit 12 V Spulen.
Gemessene Schaltzeit bei 2 A und 2Volt Schwelle: Anzug 3,5 mS, Abfall 4 mS.

Das Programm für den Mikro ist auch "Mikro":

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define  F_CPU 8000000UL
#include <util/delay.h>

void port_init(void)
{
  PORTB = 0;
  DDRB = 2; // PB1 Ausgang
}

void adc_init(void)
{
  ADCSRB=0x00;
  ACSR=0x00;
  DIDR1 = 3; // Disable digital input
}

void init_devices(void)
{
  cli(); //disable all interrupts
  port_init();
  adc_init();
}

int main(void)
{
  port_init();
  adc_init();
  while (1)
  {
    while((ACSR & 32) == 0) ; // Warten solange kein Kurzschluss
    PORTB ^= 2; // Toggle Relaisausgang, KS umschalten
    _delay_ms(10); // Pause bis ACO wieder Lo == kein Kurzschluss
    while((ACSR & 32) == 32) ;
  }
}

Mehr ist nicht erforderlich !

Winfried Steinhart, im Januar 2012