0604-Blocksignale-Schrimpf-2006-04

ANSWERS
Jürgen Hönig, Fritz Rinderknecht
Blocksignale aus dem Hause Schrimpf
1. Erste Serie von Formsignalen
Seit langer Zeit sind Formsignale, die äusserlich im Märklinstil gehalten sind, erhältlich. Diese
Signale sind mit Doppelspulenantrieben versehen, die einen Einsatz als Haltfall- und als
Blocksignal zulassen.
Der Einsatz dieser Signale an den Spielertreffen in Scheyern hat aufgezeigt, dass die
Konstruktion Nachteile aufweist, die einen sicheren Einsatz über lange Zeit nicht erlauben. Es
sind zwei grundsätzliche Eigenheiten, die Schwierigkeiten bereitet haben:


Der Antrieb läuft mit einem zu hohen Betriebsstrom.
Der Antrieb muss über Endabschalter vor Überhitzung geschützt werden.
Ursprünglicher Antrieb. Detaillierte Angaben zur Relaischarakteristik:




Ohmscher Widerstand der Relaisspulen:
Schaltstrom bei 20 Volt:
Schaltleistung der Umschaltkontakte: unbekannt, aber sicher
Dauerbetrieb nicht möglich, da Spulen sofort überhitzen und verbrennen.
Zu hohe Leistungsaufnahme:
6Ω
grösser 3’500 mA
kleiner 10 A bei 20 V
grösser 75 Watt
Die hohen Betriebsströme führen zu Abbrand auf allen Kontakten im Schaltstromkreis
(Endabschalter, Taster und Schaltschienen). Dadurch leidet die Langzeittauglichkeit des
Systems. Die hohen Betriebsströme bedingen aber auch einen hohen Leitungsquerschnitt in der
Verdrahtung über längere Distanzen, da nur so hemmende Spannungsabfälle vermieden werden
können,
2. Licht-Tagessignale
Diese Signale sind erst seit ein paar Jahren erhältlich. Sie sind
mit einem Doppelspulenrelais ausgestattet, das ebenfalls einen
Einsatz als Haltfall- und als Blocksignal zulässt.
Das Relais, das zum Einsatz kommt, weist ausserordentlich
günstige Eigenschaften auf. Die Probleme, die beim
Formsignalantrieb festgestellt worden sind, können hier kaum
auftreten.
Bild 2.1:
KACO-Relais auf einem Versuchsaufbau. Gut erkennbar der
Handschalter.
KACO-Relais für 24 Volt. Detaillierte Angaben zur Relaischarakteristik:




Ohmscher Widerstand der Relaisspulen:
Schaltstrom bei 24 Volt:
Schaltleistung der Umschaltkontakte laut Datenblatt:
Dauerbetrieb möglich. Geringe Leistungsaufnahme:
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430 Ω
kleiner 60 mA
10 A bei 230 V
ca. 1,3 Watt
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3. Neues Konzept für Formsignale
Es wird ein Antrieb gesucht, der vergleichbare Eigenschaften zum Schaltapparat der LichtTagessignale aufweist.
Ein möglicher Lösungsweg ist die Ausnutzung der mechanischen Stelleinrichtung, die aus dem
KACO-Relais herausragt. Bei senkrechtem Aufsetzen des Relais auf die Signalgrundplatte kann
die Schaltstange des Signalflügels direkt über eine Verlängerung des Relaisumschalters
angesteuert werden. Die dabei zu leistende Arbeit verändert aber das Schaltverhalten des Relais.
Bei der Suche nach Bauelementen sind durch R. Schrimpf weitere Antriebsaggregate evaluiert
worden. Dasjenige, das mit geringen Schaltströmen und ohne Endabschalter auskommt, ist eine
20-Volt-Version eines KACO-Relais, das eng verwandt mit dem bereits besprochenen Relais ist.
KACO-Relais für 20 Volt. Detaillierte Angaben zur Relaischarakteristik:




Ohmscher Widerstand der Relaisspulen:
Schaltstrom bei 20 Volt:
Schaltleistung der Umschaltkontakte laut Datenblatt:
Dauerbetrieb möglich. Geringe Leistungsaufnahme:
270 Ω
kleiner 75 mA
10 A bei 230 V
ca. 1,5 Watt
Erste Versuche haben ergeben, dass das letztgenannte Relais paarweise mit parallel geschalteten
Relaisspulen eingesetzt werden sollte, um eine sichere Funktion zu gewährleisten.
4. Bestimmungen einzelner physikalischer Werte
Da bei den kommenden Besprechungen verschiedene Stromarten erwähnt werden, seien hier
noch drei Definitionen vorgeschlagen:
–
Wechselspannung:
Eine 50-mal in der Sekunde die Polarität wechselnde, wellenförmige
Spannung1.
–
Pulsierende
Gleichspannung:
Eine aus einer einfachen Gleichrichtung von Wechselstrom erzeugte,
pulsierende Spannung ohne Glättung. Diese Spannungsart wird von
Märklin beispielsweise mit der Schaltung 70/ verwendet.
–
Geglättete
Gleichspannung:
Eine Spannung mit konstanter Amplitude bzw. eine Spannung, die
nur minimale Schwankungen (<1%) in der Amplitude aufweist.
Schaltimpulslänge am Schaltgleis
Bei einer maximalen Geschwindigkeit eines Zuges von 1 m/s wird die Schaltwippe eine
Impulslänge von etwa 15 ms (Millisekunden) erzeugen, wenn das auslösende Bauteil keine
Längenausdehnung hat. Bei einem Schleifer kommen dann noch die etwa 1.5 cm
Längenausdehnung dazu, so dass man mit einer
Impulslänge von 30 ms
pro Schleifer rechnen kann.
Die Impulslänge verdoppelt sich also bei einem Fahrzeug, das zwei Schleifer aufweist. Dieser
Fall ist aber nicht immer gegeben.
Man muss damit rechnen, dass in extremen Fällen auf Tinplate-Gleis Geschwindigkeiten bis
zu 1.5 m/s gefahren werden. Das ist zwar unvernünftig, es gibt aber unvernünftige Spieler...
(und gerade da soll doch wenn möglich die Funktion noch gewährleistet sein!)
Schaltimpulslänge am freien Relais
Mit Hilfe eines elektronischen Taktgebers wurde gezeigt, dass das KACO-Relais für 24 Volt
bis hinab zu einer
Impulslänge von 10 ms
1
(Gemessen wird der Effektivwert. Dieser ist eins durch Wurzel zwei kleiner als der Spitzenwert der Halbwelle).
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sicher schaltet. Die Messung wurde mit geglätteter Gleichspannung durchgeführt.
Die minimale Impulslänge für das 20-Volt-Relais bewegt sich im gleichen Grössenbereich
von 10 ms (gemessen 6 ms).
Schaltimpulslänge an einfachem Relais mit Ankoppelung an Signalflügel
Diese Grösse wurde anhand eines Versuchsaufbaus mit einem Märklinsignalmast (Spur I)
und einem 24-Volt-Relais bestimmt. Angelegte Spannung 24 Volt.
Nach bestmöglichem Austarieren der Mechanik wurde eine minimal erforderliche
Impulslänge von 40 ms
bei Anlegen von geglätteter Gleichspannung nachgewiesen.
Bild 4.1:
Einfachanordnung eines 24-Volt-Relais auf Versuchsaufbau. Stecknadel als Übertragungshebel.
Schaltimpulslänge an doppeltem Relais mit Ankoppelung an Signalflügel
Diese Grösse wurde anhand eines Versuchsaufbaus mit einem Signalmast (Schrimpf) und
einer Doppelrelaisgruppe für 20 Volt bestimmt. Angelegte Spannung 18 Volt.
Nach bestmöglichem Austarieren der Mechanik wurde eine minimal erforderliche
Impulslänge von 30 ms
bei Anlegen von geglätteter Gleichspannung nachgewiesen.
Bild 4.2:
Paaranordnung von Relais auf Versuchsaufbau. Zu Testzwecken verlängerter Übertragungshebel.
5. Schlussfolgerungen aus den Messungen
–
Die mit den KACO-Relais erreichbaren Schaltleistungen genügen bei den vorkommenden
Schaltimpulslängen nur ganz knapp zur Errichtung eines betriebssicheren Systems. Eine
Vergrösserung der Sicherheit um den Faktor 2 bis 3 erscheint uns unerlässlich.
–
Durch Anfügen elektronischer Teile könnte eine konstante Schaltimpulslänge von 200 ms
realisiert werden. Damit sollten sich alle Unsicherheiten bei guter Systemtauglichkeit aus
der Welt schaffen lassen.
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–
Ein Antriebssystem mit nur einem 20-Volt-Relais ist denkbar. Die Machbarkeit müsste aber
nachgewiesen werden. Der zugehörige Versuch unterblieb wegen konstruktiver
Gegebenheiten (verklebte und verlötete Teile des Relaisaufbaues).
–
Entsprechend der geforderten Art der Versorgungsspannung sind zusätzliche elektronische
Einrichtungen – Gleichrichter mit Spannungsglättung – nötig, die entweder am Signal oder
an einem Vorschaltgerät (Stellpult im Schaltplan Schrimpf) eingerichtet werden können.
6. Weitere Vorschläge zur Realisation
–
Das (oder die Relais) sollten so eingerichtet werden, dass ein freier Umschaltkontakt zur
Verfügung bleibt (zum Beispiel für Rückmeldungen).
–
Zur Kalibrierung der Mechanik wäre ein unabhängiger Schaltimpulsgenerator von 80 ms
Schaltimpulslänge ideal. Konstruktion analog der auf dem Relais eingesetzten Schaltung,
aber anders dimensioniert.
–
An Stelle der Glühbirne in der Signallaterne wäre eine Lösung mit Leuchtdiode(n)
empfehlenswert. Geglättete Gleichspannung steht ja in dem hier vorgeschlagenen Konzept
zur Verfügung. Der Vorteil dieser Einrichtung wäre der, dass dank geringem Strombedarf
keine spezielle Lichtspannungsversorgung mehr notwendig wäre. Dieser Effekt kommt
besonders beim Einsatz mehrerer Signale in einer Kette zum Tragen.
Schaltschemata
Für die weiteren Betrachtungen werden die Schaltschemata für die Steuerung der Signale
besprochen. Für diese Steuerung kann man sich zwei unterschiedliche Möglichkeiten denken (die
Einrichtungen des Bahnbetriebs sind dabei nur am Rande betroffen):

Schaltung L (lokale Gleichrichtung):
Die Ansteuerung der Signale läuft über normale
Wechselspannung von 15 ± 1.5 Volteff2.

Schaltung Z (zentrale Gleichrichtung):
Die Ansteuerung der Signale läuft über eine
geglättete Gleichspannung von 20 ± 2 Volt=.
2
Es genügt eine Wechselspannung von ca.15 ± 1.5 Volt effektiv, das ergibt nach Gleichrichtung etwa 20 ± 2 Volt=
(Berechnung: gemessener Wechselspannungs-Effektivwert mal Wurzel zwei abzüglich zwei Diodenspannungen und
Restwelligkeit. Der Kondensator lädt sich auf den Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung auf und entlädt sich
wieder etwas = Restwelligkeit).
15.04.2006 / Seite 4 von 7
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Schaltung L (lokale Gleichrichtung)
Fahrtrichtung
Schaltgleis
Gleichrichter Hp 1
Gleichrichter Hp 0
Zeitgeber Hp 1
Zeitgeber Hp 0
KACO – Relais
Taster
Blocksignal für den Haltfall (Wechselspannung, lokale Gleichrichtung)
Bild 6.1:
06.04.06
Vorschlag L zu Schaltschema.
Bewertung
+
Die Schaltung lässt Kombinationen in den Stellwerken mit normalen Signalen und anderen
Magnetartikeln zu.
[Dieses Argument gilt nur als Vorteil bei einer ungenügenden Dimensionierung der
Gleichstromversorgung, was ja zu vermeiden ist – siehe unten].
+
Das Signal kann an seinem Körper mit der an den Schienen anliegenden Masse verbunden
sein. Die Beleuchtung darf deshalb über Signalmast und Sockel weiterhin an dieser Masse
angeschlossen sein.
–
Der Schaltungsaufwand am einzelnen Signal wird durch die zwei erforderlichen
Gleichrichter, die zwei Glättungskondensatoren und weitere, notwendige RC-Glieder erhöht.
–
Wegen Platzproblemen im Signalsockel kann nur eine ungenügend geglättete
Gleichspannung erzeugt werden. Dadurch wird das sichere Arbeiten der Schaltung
beeinflusst.
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15.04.2006 / Seite 5 von 7
Schaltung Z (zentrale Gleichrichtung)
Fahrtrichtung
S
S
Schaltgleis
Zeitgeber Hp 1
Versorger
Zeitgeber Hp 0
Taster
S
S
S
Blocksignal für den Haltfall (Wechselspannung, zentrale Gleichrichtung)
Bild 6.2:
S

+


+
+

+


+
Erzeugt die
benötigte
Gleichspannung

S
S
KACO – Relais
11.04.06
Vorschlag Z zu Schaltschema.
Bewertung
+
Die Schaltung kann für Wechselspannung und Gleichspannungen ohne Änderung eingesetzt
werden.
+
Die Gleichrichtung muss nur einmal erfolgen und kann für mehrere Signale verwendet
werden. Ein neues Gehäuse, doppelt so breit wie die Taster-Gehäuse, könnte eine
Einrichtung zur Gleichrichtung mit guter Glättung aufnehmen. 3
+
Die Zeitgeberschaltung kann einfacher gehalten werden als bei ungenügend geglätteter
Gleichspannung (einige RC-Glieder entfallen).
+
Die Relais-Spulen arbeiten sicherer mit der gut geglätteten Gleichspannung, insbesondere
bei der zusätzlichen, mechanischen Belastung für den Flügelantrieb.
3
[Nebenbei: In einem Gehäuse desselben Typs könnte für den Fahrbetrieb auch eine einfache Gleichrichtung von
Wechselstrom untergebracht werden. Natürlich käme hier ein zusätzlicher Umschalter für Vorwärts und Rückwärts-Fahrt
zum Einbau].
15.04.2006 / Seite 6 von 7
 F. Rinderknecht, History of Tinplate Toys, CH 3084 Wabern
–
Die Signale mit der Schaltung Z sind je nach Dimensionierung der Gleichrichtung nur mit
den Lichtsignalen von Schrimpf und möglicherweise mit Moment-Signalen vom Typ Apelt
kompatibel.
Der Anschluss alter Flügelsignale an die neu zu schaffende Gleichspannungsversorgung
kann zu unkontrollierter Überlastung der Gleichrichtung führen, falls die Gleichrichtung zu
schwach dimensioniert wird. Eine solche Unterdimensionierung dürfte bereits ab 6 A4
abwärts erreicht sein.
–
Wenn die Signalbeleuchtung unabhängig mit Wechselspannung gespeist werden soll, muss
eine zusätzliche Wechselspannungs-Masse, die von der Steuer-Schaltung isoliert sein muss,
zum Sockel des Signals zugeführt werden. Die Gleichspannungs-Masse für die Schaltung
darf dann nicht mit der Wechselspannungs-Masse für das Licht verbunden werden.
–
Wird die Signalbeleuchtung auch über die Gleichspannungsspeisung des Antriebs betrieben,
darf der Signalsockel nie mit dem Gleis in Berührung kommen solange nicht eine
unabhängige Stromversorgung für die Signale vorliegt.5
4
Das wären ja bei 20 Volt 120 Watt. – Sind für die alten Signale bisher solch leistungsstarke Trafos im Einsatz? Ich kenne
kein Signal, das Wicklungen hat mit nur 3.3 Ohm und somit 6 A benötigen würde. Selbst wenn man mehrere Signale im
selben Moment stellen würde, reicht eine Stromversorgung mit max. 1.5 A bei weitem aus – und das leistet schon der
allerkleinste Gleichrichter. Ich meine, „der ganze Minuspunkt ist etwas übertrieben und deshalb nicht maßgebend“.
5
Bei gleichzeitiger Ansteuerung zweier Signale mit einer Leistungsaufnahme von etwa 70 Watt werden doch Ströme
auftreten, die die Versorgungsspannung irgendwo zusammenreissen. Bisher haben vermutlich die leistungsschwachen
Transformatoren eine Zerstörung unterdimensionierter Gleichrichter verhindert.
[Ein Transformator für die Gleichrichtung der Signalsteuerung pro Raum kann ausreichen, wenn die Speiseleitungen zu
den Stelltastern genügend dimensioniert sind. Die notwendige Dimensionierung hängt von den zu leistenden Stellströmen
der eingesetzten Signale ab. Es ist sowieso sinnvoll, Magnetartikel und auch die Beleuchtung von getrennten
Transformatoren zu speisen.]
 F. Rinderknecht, History of Tinplate Toys, CH 3084 Wabern
15.04.2006 / Seite 7 von 7