Erweiterte Weichensteuerung für ARNOLD-N Modellbahnen

Aufbau des Magnetschalters (ARNOLD-N)

Im Bild 1 ist der elektrische Aufbau eines ARNOLD-N Eichenschalters zu sehen.

Bild 1 - ARNOLD-N Weichenschalter, elektrisch (zum Vergrössern anklicken)

Der "graue" Anschluss wird standardmässig an ein Ende der Wechselspannungsquelle angeklemmt (erster grauer Anschluss am Trafo).
Die beiden Enden "violett" und "blau" werden dann über (einen) Schalter mit dem anderen Anschluss verbunden.
Steht der Weichenantrieb nun wie im bild z.B. auf "violett", so passiert folgendes, wenn der violette Anschluss mit dem Trafo verbunden wird:
1. Der Strom kann vom "violetten" Anschluss durch die Spule L1 über den Schalter SE zum grauen Kabel fliessen.
    Hierdurch baut sich in L1 ein Magnetfeld auf, welches den mechanischen Antrieb bewegt. Die Weiche wird umgelegt.
2. Erreicht der interne Antrieb seine Endposition, so wird auch der Endabschalter SE betätigt und es kann kein Strom mehr fliessen.
    Desweiteren ist SE nun so geschaltet, dass die Spule L2 über den "blauen" Kontakt betätigt werden kann.

Der Endabschalter SE ist für zwei verschiedene Dinge zuständig:
1.    Enabschaltung bei Erreichen der Endposition um eine Überhitzung und damit Zerstörung der Spulen zu vermeiden.
2.    Rückmeldung der aktuellen Position

Der schematische aufbau ist hier nur bei ARNOLD Weichen untersucht worden, sollte aber bei anderen Herstellern mit Magnetschaltern
(nicht mit Servos !!!) ähnlich sein.

Die Spulen können übrigens nicht nur mit Wechselspannung sondern auch mit Gleichspannung betrieben werden !
Hinweis: Die Spitzenspannung ist bei Wechselspannung ca. 1.4 mal höher als bei Gleichspannung, d.h. 16Veff ergeben rund 24V Gleichspannung.
Das muss man berücksichtigen, wenn man die Antriebe mit Gleichspannung betreiben will. In eigenen Versuchen konnte festgestellt werden, das
18V - 20V Gleichspannung für ein sicheres Schalten ausreichend sind.

Die beiden Spulen haben einen Innenwiderstand von ca. 20-25 Ohm
Hinzu kommen in etwa noch 0.2 Ohm bis 0.5 Ohm für den Schalter und 0.5 Ohm bis 5 Ohm für die Kabel (je nach Länge und Dicke)

Konzept der erweitereten Weichensteuerung

In Bild 2 ist das Konzept der erweiterten Steuerung als Diagramm veranschaulicht.

Bild 2 - ARNOLD-N Weichensteuerung, Konzept (zum Vergrössern anklicken)

Übersicht:

VR1:
Spannungsregler
Eingang: 24V DC, Ausgang: 20V DC, Strombegrenzung ca. 2A
Der "Disable" Eingang schaltet den Regler komplett ab , so dass dieser nicht mehr regelt.
Parallel zum Regler (IN nach OUT) befindet sich ein Widerstand Rs mit 4,7 kOhm, womit sich ein Strom von ca. 5mA durch die Spulen ergeben sollte.
Dieser kleine Strom reicht nicht aus um die Weichen zu schalten.

µC:
Microcontroller, hier von AVR (Atmel), prinzipiell beliebig

Spannungsdetektor:
Der Spannungsdetektor hat einen logischen Ausgang (0V und 5V), welche auf LO geht, wenn die Eingangsspannung > 2V ist,
ansonsten ist der Ausgang HI.

SD1/SD2:
FETs, welche vom µC angesteuert werden können (100V / 25A, P-TYP)
An diese beiden Schalter werden alle "blauen" bzw. "violetten" Anschlüsse aller Weichen angeschlossen.

I2C-IO-Expander:
Bausteine, bei denen man per I2C einzelne Ein/Ausgänge auf HI oder LO schalten kann.

SGx:
FETs, welche vom µC angesteuert werden können (100V / 25A, N-TYP).
Hier wird jeweils ein grauer Anschluss einer Weiche angeschlossen.

Funktion:

Mit den Schaltern SD1/SD2 kann gezielt an die blauen oder die violetten Anschlüsse +20V DC angelegt werden.
Wird nun eine beliebige Weiche mit SGx nach GND geschaltet, kann ein Spulenstrom fliessen, welcher die Weiche umschaltet.

Wird der Spannungsregler abgeschaltet, so verbleibt noch Rs, der Parallelwiderstand vom Spannungsregler.
Werden nun an einer Weiche SD1 und SGx eingeschaltet, so kann nur ein Strom fliessen, wenn der Endschalter auch auf SD1 steht.
Ist dies der Fall, so fällt der Grossteil der Spannung am Parallelwiderstand Rs ab (Rs = 4k7 zu Rl = 22 R) und der Spannungsdetecktor "sieht" nur wenige mV.
Ist dies nicht der Fall (der Endschalter steht also auf SD2), so kann der Strom nicht abfliessen und die 20V DC bleiben stehen und können vom Spannungsdetektor erkannt werden.

Das gleiche gilt natürlich, wenn dann SD1 aus- und SD2 ein-geschaltet wird.

Schalten einer Weiche:

Damit der uC eine Weiche schalten kann, müssen folgende Schritte abgearbeitet werden:
a)    Netzteil einschalten (VR1) über den Disable Pin.
b)    je nach Richtung SD1 bzw. SD2 ein- und den jeweils anderen ausschalten.
c)    über I2C den jeweiligen Schalter SGx einschalten.
d)    Etwas warten (ca. 100ms bis 500ms haben sich als sinnvoll erwiesen)
e)    über I2C den jeweiligen Schalter SGx wieder ausschalten.
f)    SD1 und SD2 ausschalten

Position einer Weiche ermitteln:

Damit der uC die Schaltstellung einer Weiche feststellen kann, müssen folgende Schritte abgearbeitet werden:
a)    Netzteil ausschalten (VR1) über den Disable Pin. Jetzt kann nur noch über Rs (siehe Übersicht VR1) ein Strom fliessen.
b)    je nach Richtung SD1 bzw. SD2 ein- und den jeweils anderen ausschalten.
c)    über I2C den jeweiligen Schalter SGx einschalten.
d)    Etwas warten (ca. 1ms bis 5ms haben sich als sinnvoll erwiesen)
e)    mit Hilfe des Spannungsdetektors die Spannung feststellen
e)    über I2C den jeweiligen Schalter SGx wieder ausschalten.
f)    SD1 und SD2 ausschalten

Es können folgende Fälle auftreten (Kurzschlussdetektion):

SD1	SD2	SGx	Spannung am Spannungs- detektor Eingang	Position
OFFEN	OFFEN	OFFEN	> 2V	kein Kurzschluss
OFFEN	OFFEN	OFFEN	< 2V	interner Kurzschluss (oder keine Eingangsspannung)
Geschlossen	OFFEN	OFFEN	> 2V	kein Kurzschluss
Geschlossen	OFFEN	OFFEN	< 2V	Kurzschluss in Verkabelung
OFFEN	Geschlossen	OFFEN	> 2V	kein Kurzschluss
OFFEN	Geschlossen	OFFEN	< 2V	Kurzschluss in Verkabelung
OFFEN	OFFEN	Geschlossen	< 2V	interner Kurzschluss (oder keine Eingangsspannung)
OFFEN	OFFEN	Geschlossen	> 2V	kein Kurzschluss

Es können folgende Fälle auftreten (Schaltstellung):

SD1	SD2	SGx	Spannung am Spannungs- detektor Eingang	Position
Geschlossen	OFFEN	Geschlossen	> 2V	Schaltstellung "violett"
Geschlossen	OFFEN	Geschlossen	< 2V	Schaltstellung "blau"
OFFEN	Geschlossen	Geschlossen	> 2V	Schaltstellung "blau"
OFFEN	Geschlossen	Geschlossen	< 2V	Schaltstellung "violett"

Es empfiehlt sich aus zeitlichen Gründen (I2C) folgende Reihenfolge anzuwenden:
1. Schalter SGx schliessen
2. Schalter SD1 schliessen
3. Spannung feststellen
4. Schalter SD1 öffnen
5. Schalter SD2 schliessen
6. Spannung feststellen
7. Schalter SD2 öffnen
8. Schalter SGx öffnen
9. nächsten Schalter SG schliessen.......

Vergleich zu anderen Varianten:

Vorteil:
-  nur n+2 "Schalter" (FETs) benötigt (n ist Anzahl der Weichen)
-  Anbringung "vor Ort" (8 oder 16 Stück pro Extender Platine)
   nur I2C Verbindung, Stromversorgung und DIR1/DIR2 Leitungen nötig
- Integration in vorhandene Busse möglich (Selectrix, DCC, ???)
- Rückmeldung ohne zusätzliche Leitungen oder Portpins möglich, egal wieviele Weichen angeschlossen sind

Nachteil:
- Es kann nur jeweils eine Weiche gleichzeitig geschaltet werden
- Software für den µC umfangreich

Vergleich:   36 Weichen
Standard:    2 Schalter pro Weiche = 72 Schalter
Erweitert:   38 Schalter insgesamt