SX-Gleis Schalten und Gleisstrom überwachen

Anlass zu diesen Versuchen war die Feststellung, dass die Endstufe der MTTM-FCC
auf Überstrom und Kurzschluss am Gleis anders reagiert, als ich es von der CC2000
und dem Magnus Booster bisher kannte.

Wie mir Herr Haass von D&H per mail mitgeteilt hat, ist in der FCC lediglich ein
Eigenschutz eingebaut, der zum Schutz der Anlage nur sehr bedingt tauglich ist.

Dass die Reaktion einer MoBa in Spur Z andere Ansprüche bezüglich des zulässigen
Grenzstromes hat, als eine Gartenbahn, leuchtet sogar mir ein.

Ein übliches Verfahren zum Anlagenschutz ist der Einbau von PTC's (Multifuses) in die
Gleisanschlüsse der Besetztmelder. Diese thermische Absicherung, ohne Rückmeldung
zur Zentrale hat nicht nur den Nachteil der Trägheit, sondern verhindert auch nicht, dass
andere Gleise an Spannung bleiben.

Die Ansprechverzögerung verhindert auch nicht, dass, je nach Versorgung der FCC,
erhebliche Spitzenströme auftreten. Gemessen habe ich über 20A mit einer Dauer von 250 ms.

Die FCC-Endstufe ist mit 2,5 A Dauerstrom spezifiziert (RMS) was natürlich nur bei gegebenem
Stromverlauf eine Rückschluss auf den möglichen und zulässigen Spitzenstrom erlaubt.

Die D&H Spezifikation nennt Spitzenströme von 6A die nach meinen Messungen weit
überschritten werden.

Was ist ein Kurzschluss ?
Sonnenklar, die direkt verbundenen Ausgangsklemmen einer Stromquelle. Vor einem
solchen Fall ist die FCC perfekt geschützt und überlebt diese Misshandlung klaglos.

"Kurzschlüsse" auf einer MoBa entstehen aber in der Regel durch entgleiste Loks oder
Wagen auf Weichen, vorzugsweise beim "Aufschneiden", oder in sehr engen Radien der
Abzweiggleise. Welche "Kurzschlusswiderstände" dabei auftreten ist dem Zufall
überlassen. Im "günstigsten" Fall fließt der Kurzschlussstrom nur im Rad selbst und die
Minilichtbögen hinterlassen nur "Strommarken" auf den Laufflächen und an den Spurkränzen.

Deutlich "schlimmer" für die Lok wird es, wenn der Kurzschluss über die Radschleifer
zustande kommt, oder wenn sogar die Lokverdrahtung am Kurzschluss beteiligt ist.

Leider gibt es auch "konstruktionsbedingte" Kurzschlüsse, z.B. in den polarisierten
Minitrix Weichen. Ausdrücklich wird in der Betriebsanleitung auf die Gefahr der
Zerstörung durch Falschfahrten hingewiesen. Wie man sie 100% vermeidet, wird
nicht beschrieben.

Kurzschlussschäden sind fast immer "Schmelzschäden". Neben der Stromhöhe ist
die Stromflusszeit entscheidend. Der Strom darf quasi beliebig hoch sein, wenn er denn
nur "genügend" kurz fließt. Also ist es wichtig, dass eine Überstromsicherung genügend schnell
reagiert und nicht nur den unzulässig hohen Strom erkennt. Alle Sicherungen unterbrechen
den Stromkreis oder schalten die Stromquelle aus. Endstufeninterne Schutzmaßnahmen
die sehr schnell reagieren schalten die Endstufe elektronisch ab.

Das "enable" Signal auf dem PX-Bus.
Ohne "enable" schalten die Transistoren einer Gleisendstufe nicht. Dieses Signal wird in der
Zentrale erzeugt. Ergo muss die Zentrale den Ausschaltbefehl bekommen und ausführen.
Das enable-Signal gibt es natürlich auch bei integrierten Endstufen in modifizierter Form.

Auf dem SX-Bus enscheidet das "X-Bit" ob das Gleis eingeschaltet wird oder nicht.
Dieses Bit ist in der Synchrongruppe der Grundrahmen enthalten und kann von jedem
Busteilnehmer verändert werden. Normalerweise ist dies den Handgeräten vorbehalten.

Entsprechend dem SX.Bus-Timing hat ein Bus-Decoder alle 4,8 Millisekunden Gelegenheit
dieses Bit zu schalten. D.h. ein Abschaltbefehl per X-Bit wird spätestens nach etwa 5ms
ausgeführt.

Die Gleisstrommessung:

Die Selectrix Gleisspannung ist prinzipiell eine Rechteck-Wechselspannung mit 20 Khz,
nominal 40V Spitzenspannung und einem Tastverhältnis von 1 : 4.
Deshalb eignet sie sich relativ gut zur Strommessung mit einem kleinen billigen Stromwandler.
Aus meinem Fundus habe ich einen Talema AS-100 verwendet.
Das Übertragungsverhältnis ist 50:1, der Maximalstrom 30A., zulässiger Sekundärstrom 300mA.
Am empfohlenen Lastwiderstand mit 50 Ohm ist die Messspannung 1Volt/A wenn die
stromführende Leitung nur 1-mal durch den Wandler gelegt ist.



Für meine Testanlage in Spur N mit maximal 5 gleichzeitig betriebenen Loks ist ein
Spitzenstrom von etwa 3 A sicher ausreichend.
Den Lastwiderstand habe ich an der nachgeschalteten Gleichrichterbrücke angeschlossen.
Die Messspannung wird mit einem Elko 10µF gesiebt. Diese simple Methode verfälscht
das Messergebnis um die Diodendurchlassspannungen. Für die Anwendung zur
Grenzstromerfassung ist es allemal noch gut genug.

Beim Einschalten ergibt sich dieser Messspannungsverlauf:

Die Anstiegszeit beträgt ca. 1.5 ms. Channel 2 zeigt das Messsignal der Stromzange, der
Spitzenwert ist etwa 3,5A , die resultierende Messspannung ca. 2,3 Volt.
Der Widerstand am Gleis hat 4,3 Ohm.

Diese Spannung ist das Eingangssignal des Komparators im AtTiny2313, dessen Vergleichs-
Spannung mit einem Trimmpoti eingestellt wird. Einstellwert für den Abschaltversuch 2,5V:

Die Stromerhöhung auf etwa 4 A durch Reduzierung des Gleiswiderstandes auf 3,3 Ohm.
Die Ausschaltverzögerung ist etwa 3,5 Millisekunden (zufällig). Die Messspannung
ist nach 2 ms abgeklungen.
Leider kann diese Abschaltmethode das weitere Ansteigen des Stroms nicht verhindern.

Schaltplan der Versuchsanordnung:

Auszug aus dem Testprogramm

ISR(INT0_vect)
{
    if ( PIND & (1<<PD2)) // Lo / Hi Flanke ?
    {
        sync = (sync << 1); // Schieberegister Daten
        if (PIND & 1) sync |= 1; // Datenleitung übernehmen

// Prüfen ob X-Bit aktuell:
        if( (sync & 0x3E) == 0x22) // 0b xx10 001x
        {
        if ((PINB & 128)==0) // Gleis Ein ?
        {
            DDRD |= 16;
            PORTD |= 16; // X-Bit setzen
        }
        else if(( PINB & 64)==0) // Gleis Aus ?
        {
            DDRD |= 16;
            PORTD &= ~16; // X-Bit löschen
        }
        else if(k(ACSR &32) == 0) // ACO == 0 für Überstrom
        {
            DDRD |= 16;
            PORTD &= ~16; // X-Bit löschen
        }
    }
}
else
DDRD &= ~16; // Schreibleitung deaktivieren
}

Fazit:

Mit dieser Methode sollte ein brauchbarer Anlagenschutz erreichbar sein. Wenn geringere
Ströme auszuwerten sind, kann man zur Messbereichsanpassung den Wandler mit mehreren
Windungen einspeisen und/oder den Lastwiderstand vergrößern.

Winfried Steinhart, im März 2011