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SaMoba Hardware

1. Die SaMoBa Module

Zum Steuern der Loks gibt es nur 4 Platinen-Typen und den Handregler:
  • das "SaMoBa Streckenblock"-Modul       ... 1 Block mit 3 Abschnitten(GBM) und PolwendeRelais
  • das "SaMoBa Weichenblock"-Modul   ... 3 Blöcke mit je 1 GBM und Polwender
  • das "SaMoBa Fahrspannungs"-Modul ... mit den 4 Fahrspannungsgenneratoren
  • das "SaMoBa Zuteilungs (Z)"-Modul  ... die Z-Schaltung mit Transistoren (keine Relais)
  • den SaMoBa Handregler

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2. SaMoBa Streckenblockmodul

Ein wesentliches Modul meiner Steuerung sind die Gleisbesetztmelder.
Als ich mit dem Bau meiner Steuerung begann (das war Mitte der 80er Jahre) fand ich eine Schaltung, dessen Einfachheit mich überzeugte (W. Knobloch, Modell-Eisenbahnen elektronisch gesteuert, Pflaum Verlag)
Knobloch Bestztmelder
Bild: Besetztmelder (Strom- Widerstandsfühler) nach Knoblock
links der Stromfühler (mit Shunt R1); rechts der Widerstandsfühler mit dem Basisteiler R5, R6+Motor

Diese beiden Schaltungen ließen sich zu einer zusammenfassen (also nur 1 Transistor) und es kam noch die Leistungsstufe für die Fahrstromsteuerung hinzu, und fertig war das Konzept:
Block Modul
Bild: Schematisches Blockmodul
rot: Pfad des Fahrstroms mit Leistungsstufe
blau: GBM Strom-/Widerstandsfühler
grün: GBM Ausgang zum PC
lila: Steuerspannung für die Leistungsstufe

Leider hatte ich nicht vorgesehen, Strombegrenzungen für Kurzschlüsse ein zu bauen, ein PTC Widerstand am Ausgang der Schaltung wäre das Richtige gewesen.
Jetzt begrenzt nur das Netzteil (das die 15-20V liefert) den Gesamtstrom, der aber für 4 gleichzeitig fahrende Züge ausgelegt sein muß und damit für einen einzelnen Blockabschnitt zu hoch ist.
Block Modul

Bild: Blockschaltbild für einen einzelnen Blockabschnitt

Durch Hinzufügen eines Polwenderelais funktioniert das Modul für beide Fahrtrichtungen.

Strecken Block Modul

Bild: Ein Strecken-Block hat 3 Abschnitte, deshalb bilden 3 Abschnittsmodule ein Blockmodul

Nachdem das Schaltungskonzept fertig war, wurden die Schaltungen in ein Platinen-Layout gebracht, damals noch recht abenteuerlich mit einem DOS Programm. Aber es gelang mir, mit einer eigenen Ätzanlage die Platinen selbst herzustellen:

Printvorlage   Block Platine
Bild: Platine Blockmodul BM (1 Block pro Platine)


Input Output Platinen
Bild: Senkrechte Montage der BMs

Ein Wort zu den Kühlkörpern der Leistungstransistoren:
Für Dauerbetrieb (also als Fahrregler) müßte der Kühlkörper größer sein.
Da meine längsten Blockstreckenabschnitte aber nur 2 m lang sind, erwärmt sich der Transistor während der Durchfahrzeit nur geringfügig. Bisher ist mir noch keiner der Transistoren in meinen Blockmodulen in 20 Jahren "gestorben".


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3. SaMoBa Weichenblockmodul

Funktionell unterscheidet sich ein Weichenblock von einem Streckenblock nur minimal:
  • in einem Weichenblock wird nicht angehalten
  • ein Weichenblock hat nur einen Gleisabschnitt, also auch nur einen GBM und ein 2-poliges Polwenderelay

Die Schaltung eines Weichenblock-Moduls entspricht der eines einzelnen Gleisabschnitts in einem Streckenmodul.

Es passten 3 Weichenblock-Module auf eine Platine

Printvorlage   Weichenblock Modul
Bild: Platine Weichenblock (3 Blöcke pro Platine)
  • oben: die 3 GBMs mit LED-Anzeige und Kabeln zur PC-Schnittstellenkarte
  • mitte: die 3 (weißen) Shunt-Widerstände der Stromfühler
  • unten: die 3 Leistungstransistoren mit Kühlkörpern
  • daneben: die 3 Polwenderelais
  • unten ganz rechts: der Eingang von der vorgeschalteten Z-Schaltung
  • ganz unten: die Kabel zu den Gleisen


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4. SaMoBa Z-Schaltung Modul

Das Prinzip sei an einem Schaltbeispiel erklärt:
  • eine Spannung Ufx soll auf die beiden Blöcke x und z mit Z-Schaltung aufgeschaltet werden

Prinzip der elektronischen Z-Schaltung
Bild: Prinzip der Z-Schaltung

Der Transistor T1 dient nur als Trennverstärker für das Signal Uf, das von dem jeweiligen vorgeschalteten (1 aus 4) Fahrspannungsgenerator kommt. An seinem Emitter-Ausgang liegt der gleiche Spannungslevel wie an seinem Basis-Eingang.
Die Emitter-Ausgangsspannung von T1 wird über Widerstände an die Basis von einer Reihe von Transistoren, hier T11 und T12 gelegt. Damit liegt auch an ihren Emitter-Ausgängen der gleiche Spannungslevel wie Uf.
Die Basiswiderstände R1, R11 und R12 werden so bemessen, dass die Transistoren gut durchschalten.

Die Transistoren T11 und T12 sind quasi die Schalter der Z-Schaltung und werden auf / zu geschaltet von den Open-Collector Transistoren T21, T22, die als (Standard-)Ausgabetreiber auf den CMA Ausgabe Karten sitzen.
Zum Beispiel
  • wenn T21 offen ist, dann ist T11 durchgeschaltet und reicht die Fahrspannung Uf weiter an seinen Ausgang zum Blockmodul-X; 
  • wenn T21 sperrt, dann zieht er die Basis von T12 an Masse und damit ist T12 auch gesperrt, und das Blockmodul bekommt über diesen Pfad keine Fahrspannung
Die Dioden an den Ausgängen der Zweige sind Entkoppelungsdioden. Sie werden benötigt, weil insgesamt 4 Z-Schaltungszweige am Eingang des Fahrspannungsverstärkers zusammengeschaltet sind (wirkt dann quasi als ODER-Verknüpfung), von jedem Fahrpult ein Zweig.

Platine Z-Schaltung
Bild: Platine der Z-Schaltung
  • auf der gezeigten Platine werden 2 Fahrspannungsgeneratoren (Eingänge von vorne/unten) über die Trennverstärker (das ist T1 im Beispiel oben) auf 8 Gleise z-geschaltet (das sind die 8 weißen Kabel links auf der Platine, sie gehen zu den Leistungsstufen der Blockmodule, zu sehen ganz links), 
  • die insgesamt 2*8 Z-Schaltransistoren auf dieser Platine (das sind im Schaltplan-Beispiel oben die T11 und T12) werden über die rechten gelben und weißen Kabel von 2*8 Open-Collector Transistoren (im Beispiel oben die T21 und T22) auf den CMA-Ausgabe Karten auf/zu geschaltet.
 
Die Schaltung entspricht einem ad-hoc Entwurf von damals 1987, als ich noch keine Erfahrung mit dieser Schaltung hatte. Nachteil der Schaltung ist, dass von der maximalen - in diesem Beispiel 20V - Spannung 3xmal eine Emitter-/Diodenspannung von je 0,6-0,7 V verloren geht. also etwa 2 V. Heute würde ich die Schaltung mit Operationsverstärkern als Trennverstärker und Leitungstreibern (mit Enable Steuerung jeden Ausgangs) aufbauen.
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5. SaMoBa Fahrspannsgeneratoren (alt)

Der Erst-Entwurf dieser Platinen ist eigendlich ein Provisorium.
Aber bekanntlich halten Provisorium unendlich lange. Jetzt 2011 werde ich sie durch eine Schaltung ersetzen die Pulsweiten-Modulation enthält

Ich wollte damals 1991 sehr schnell eine funktionierende Schaltung für Tests haben. Also die Frage war, wie kann ich eine 16-stufige Gleichspannung generieren, bei der die 16 Stufen als 4-bit Signal vom PC-Steuerprogramm generiert werden.
Also brauchte ich soetwas wie einen Wandler, der aus einer 4 stelligen Binärzahl eine 16-stellige Dezimalzahl generiert, also ein 4 auf 16 Umsetzer. So ein IC gibt es, den 74LS154
IC 74LS154  IC 74LS154
Bild: Das IC 74LS154

Genau das Richtige. Aus dem IC kommt ein Signal nur an dem der 16 Ausgangspins  raus, der der 4-Bit Binärzahl entspricht.
Dahinter noch ein Trennungs-IC geschaltet und dann ran an den Totempfahl


Prinzip meiner Einfach-Spannungs Generatoren
Bild: Prinzip meiner Einfach-Spannungs Generatoren

Eine Beschreibung des Schaltbildes beschreibt das Fahrprinzip:
  • links das IC 74LS154 mit nachgeschaltetn Treibern: 
    • Die 16 Ausgangsleitungen werden über Transistoren an den Dioden-Totempfahl so angeschlossen, dass immer vielfache von 2 Dioden über den Transistor "kurz geschlossen" werden. 
    • Damit kann ich mit den 16 Ausgängen eine 16-stufige Ausgangsspannung generieren, von 0 V bis zu Umax in Stufen von 1,2V.
  • Umax kann mit einem Handregler eingestellt werden. Der Handregler ist im wesentlichen ein Potentiometer, an dem die Spannung Umax von 0 bis 20V manuell eingestellt werden kann.
    • Damit ist trotz und gerade wegen der PC-Steuerung folgendes möglich:
    • der PC steuert die Spannungsstufen 0 bis 15, und steuert damit alle Sicherungsaufgaben
    • mit dem Handregler kann aber überlagernd die Maximal-Fahrspannung eingestellt werden, und es können Züge manuell damit langsamer als eigendlich möglich gefahren werden, ja, es kann sogar angehalten werden.
Später hab ich die Verteilung der Dioden über die 16 Stufen noch etwas geändert, weil der sensitive Spannungsbereich für die meisten meiner Lokmotoren im Bereich um 10-11 Volt liegt.
Der eingezeichnete Längstransistor T4 ist nicht auf den Fahrspannungs-Platinen sondern auf den nachgeschalteten Z-Schaltungs Modulen. Das war irgendwie praktischer, warum aber genau, weiß ich selbst nicht mehr.

Platinen meiner Einfach-Spannungs Generatoren
die 4 Fahrspannungs Module

Diese Fahrspannungsgeneratoren werde ich durch PWM-Spannungsgeneratoren ersetzen .... schau hier


 

6. SaMoBa Handregler mit Nothalt

(c) Bernd Kösters
Der Prototyp des Handreglers enthielt nur die 4 Potentiometer, die die Maximalspannung für die 4 Fahrspannungsgeneratoren liefern.

Im Erprobungsbetrieb stellte sich heraus, dass für das Ein- und Ausschalten der Fahrspannungen noch etwas Wichtiges fehlte:
  • eine Nothalt-Taste, mit der ich schnell alle Fahrspannungen abschalten konnte (zB bei Kurzschlüssen auf Weichenfahrten), aber alles Andere der Anlage sollte weiterlaufen
  • eine Start-Taste, mit der die Fahrspannungen eingeschaltet werden
  • das Einschalten der Fahrspannungen sollte mit einem Selbsthalte-Relais zusätzlich abgesichert werden, damit bei einem Einschalten der Netzspannung die Züge nicht unkontrolliert wieder anfahren (das ist die Phase während der der PC zB nach einem Netzeinschalten wieder bootet); das ist deswegen ein Problem, weil ich zZ noch keine PC-gesteuerten Relais in der Powerversorgung der Anlage habe; das werde ich aber demnächst ändern.
  • eine Anzeige mit grün/roten LEDs als optische Rückmeldung der beiden Start-/Nothalt Taster

7. SaMoBa Weichenschaltung

Das PC-Interface Konzept:
Da das Schalten und Messen der Weichen nicht zeitkritisch ist und es sehr viele Leitungen sind (ich habe 64 Weichen: das macht also 128 Stellsignale und 64 Messsignale), hab ich mir ein Multiplexer / Demultiplexer System selbst gebaut.
 
Außerdem wollte ich die Weichen mit Wechselspannung schalten und, noch ganz wichtig, ich wollte die Weichen mit ihren induktiven Störungen von der Gesamt-Masse (an der auch der PC hängt!!) fernhalten. Deshalb sollte das ganze "Magnetismus-System" über Optokoppler an die I/O Karten des PC-Interfaces gekoppelt werden.

Konzept der Weichen Steuerung

 Bild: Konzept der Weichensteuerung

Wie gewünscht, blieben bei dem Mux/Demux Konzept also nur noch sehr wenige Interface Leitungen übrig:
Outputs vom PC:
  • 7 Bit für die 128 Weichenadressen fürs Schalten --> zum Demux
  • 1 Bit für den Schaltimpuls (=das ist der Enable/Inhibit Eingang des DeMux)
  • 6 Bit für die 64 Weichenadressen fürs Messen --> zum Mux

Inputs zum PC:
  • 1 Bit Lage der adressierten Weiche

Die Schaltung:

Weichen Schalten mit Thyristoren
Bild: Weichen Schalten mit Thyristoren

Das Konzept:
  • geschaltet wird mit Klein-Thyristoren, wegen der Wechselspannung sperrt der Thyristor automatisch wieder, wenn die Steuerspannung auf 0V geht.
  • gemessen wird die Lage der Weichenendabschaltung -->> liegt 20 V am Kondensator C ?
  • melden als OpenCollector an die Mux-Karte
  • melden der adressierten Messleitung über einen Optokoppler an eine PC-Eingabe Karte
 

Die Platinen:

Schalten mit Thyristoren
  • alle Platinen der Weichensteuerung sind in einem extra Rack eingebaut,
  • leider ist das alles sehr eng dort mit schlechter Zugänglichkeit beim Fehlersuchen....heute würde ich nicht mehr so bauen,
  • ich habe aber keine Lust alles raus zu reißen und neu zu verkabeln.
  • Auch würde ich heute (2010) den Mux und Demux mit einem Microcontroller bauen mit einer seriellen Ankopplung (aber wieder mit Optokopplern) an eine der  CMA-Outputplatinen.


Schalten mit Thyristoren
  • auf einer Platine haben 6 Weichenmodule Platz
  • ich habe noch pro Weiche eine LED zugefügt zur optischen Kontrolle der Weichstellung

Schalten mit Thyristoren
da mittendrin liegt die Mux-Platine, die die Weichenlagen an den PC meldet,
in der Mitte die 6 Adressleitungen, die sagen welche Weiche gelesen werden soll

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8. Mux / Demux

Baustelle

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9. SaMoBa PC-Interface

ISA Steckkarte
Im PC steckt eine ISA Steckkarte. Die 12 obersten Adressbits des 20-bit ISA Busses werden von der ISA-Karte decodiert und die restlichen 8 Adressbits, die Datenbits und 3 I/O Control Bits werden gepuffert auf den externen parallelen Modellbahnbus geführt.

ISA
Bild: die ISA Karte im PC

Modellbahnbus mit Ein-/Ausgabe Karten:
alle I/O Karten stecken auf einem Backplane, auf dem der parallel Modellbahnbus entlangläuft; alle Karten erhalten also identisch gleiche Signale, nur die über die Adressbits angesprochene Karte reagiert.
Diese Schematik verdeutlicht das Prinzip:

Modellbahnbus


Modellbahnbus
Blick von hinten auf den Bus

Modellbahnbus
Testaufbau
2 Karten gesteckt; vorne das Flachbandkabel zur ISA-Steckkarte im PC


Modellbahnbus
Blick von oben auf die Montage-Platte
  • alle 12 Karten angeschlossen;
  • 2 neue Karten für die PWM-Fahrpulte (hinten liegend) noch nicht angeschlossen
  • alle IO-Leitungen der Karten sind vorne (im Bild unten) an Sub-D Stecker geführt

Modellbahnbus I/O Platine
eine (gezogene) Ausgabe-Karte
  • unten: der Stecker für die Backplane
  • oben: die Ausgänge zur Anlage; man sieht die Reihe der (Open-Collector) Ausgangstransistoren
  • rechts: der dicke 40 Füßler ist das (heute nicht mehr moderne, nicht mehr erhältliche) IC 8255
  • links: die Adress-Dekodierung mit dem DIP Adress-Schalter



10. Gesamtaufbau der Loksteuerung

Montage der Platinen

Alle Platinen der Lok-Steuerung sind auf 5 Holzplatten montiert

platte-2
Platte1: PC-Interface Karten und FahrspannungsModul
  • oben rechts: die 4 Fahrspannungsmodule;
  • unten: die I/O Karten mit Steckern;
  • die Märklin Trafos dienten zZ der Aufnahme als provisorische Netzteile


platte-0
Platte 2: Blockmodule
  • mein Prototyp für die ersten 8 Streckenblöcke: zur besseren Zugänglichkeit beim Testen sind alle Platinen waagerecht montiert.
  • vorne links das zu den 8 Blockmodulen auf der Platte gehörige Z-Schaltungs Modul



platte-3  platte-1
Platten 3+4: Block-Module
  • alle Blockplatinen sind senkrecht montiert --> größere Packungsdichte
  • jeweils hinten: die Blockmodule,
  • auf der linken Platte ganz links: 6 Weichenblöcke (mit je nur einem Gleisabschnitt, weil nicht angehalten wird)
  • jeweils vorne: die zugehörigen Z-Schaltungs Module




platte-power
Platte 5: Powermodule
  • 2 x 20V für Fahrstrom und Lichtsignale
  • 4 x 5V für die PC-Interface Karten


Die Platten sind übereinander in einem Metallrahmen montiert und vorne über Sub-D Stecker verkabelt

Montage     platten
Einbau der Platten (links ohne Kabel gesteckt; rechts mit gesteckten Kabeln)
  • oberste Etage: die Platte mit den PC-Interface Platinen
  • darunter: 3 Ebenen mit Blockmodulen
  • rechts: der Kabelbaum zur Anlage wird im abdeckbaren Kabelschacht geführt

Nach Abziehen der Stecker können die Platten herausgezogen werden.
Mit der Zugänglichkeit bin ich sehr zufrieden.