Servo-Module für Loconet-Schaltbaustein 63410
Ausgangssituation
- Der Loconet-Schaltbaustein 63410 (Uhlenbrock) ist vorhanden, bei mir steuert er motorische Weichenantrieb ex Hübner, von Märklin übernommen.
- Da der Baustein 20 Ausgänge hat sind an den Einbauorten noch Ausgänge frei gewesen, die ich für Beleuchtungen und Signale verwenden wollte.
- Für die Antriebe der Signale waren Standard-Servos vorgesehen, wie sie im RC-Modellbau üblich und kostengünstig zu haben sind.
Zielsetzung
- Einfache Möglichkeit Servoantriebe über Loconet zu steuern
- Endlagen müssen justierbar sein
- Keine Spezialbauteile erforderlich
- Geringe Kosten
Warum Loconet ?
Das Loconet ist die wohl sicherste Art, eine Anlage zu steuen!
Leider gab es beim deutschen Hauptanbieter für Loconet Bausteine (Uhlenbrock) derzeit keinen Loconet-Baustein, der Servos direkt ansteuern kann. Der Servodecoder 67810 holt seine Informationen aus der digitalen Fahrspannungsversorgung und ist zwar umfangreich, aber umständlich zu programmieren.
Da der 67810 kein Loconet-Baustein ist, ist die Sicherheit dieses Busses für Servos nicht nutzbar.
Die Suche nach Loconet-Bausteinen anderer Anbieter ergab auch keine befriedigende Lösung im Sinne des o.a. Bedarfs:
- zu komplex
- zu teuer
- Bausteine benötigen Firmware und entspr. Programmiermöglichkeit
Aus diesen Überlegungen und Zielsetzungen sind im Laufe der Jahre mehrer Lösungen entstanden, die hier in einer Übersicht aufgeführt sind. Per Klick auf den entsprechenden Link gelangt ihr dann direkt zur ausführlichen Beschreibung und den zugehörigen Downloads für den Nachbau.
Übersicht der realisierten Servo-Dekoder
| Modul | Kurzbeschreibung |
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NE555-Modul mit Endlagen-Potis
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Einfaches Modul mit je einem Potentiometer zur Einstellung der Endlagen; Galvanische Trennung zwischen Schaltbaustein 63410 und Servomodul; Grüne Led zur Anzeige "Schaltausgang aktiv gesetzt" |
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NE555-Modul mit Trimmer für die Einstellung der Änderungsgeschwindigkeit
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Modul wie oben, jedoch mit Einstellmöglichkeit der Geschwindigkeit bei der Änderung der eingestellten Endlagen
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NE555-Modul mit integrierter Servo-Spannungsversorgung
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Modul mit eindeutiger Zuordnung von LED-Anzeige und Poti zu den jeweiligen Enlagen; Integrierte Servo-Spannungsversorgung aus 16 VAC
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Lowcost-Modul mit extrem langsamer Änderungsgeschwindigkeit
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Kombination aus handelsüblichem Servo-Modul mit Adapter für Schaltmodul 63410
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Auf der vorherigen Website mussten alle Varianten separat aufgerufen werden. Hier sind sie jetzt zusammenhängend beschrieben.
1. Ausführung: einfaches Modul mit Endlagen-Potis und
2. Ausführung: mit Geschwindigkeits-Poti
Da ich mittlerweile so viele dieser Module einsetze und auch noch weitere benötige habe ich mich entschieden, ein Layout für eine gedruckte Schaltung zu erstellen. Die Unterlagen hierzu sind im Download eingebunden. Wer selbst keine Platine ätzen möchte oder kann, kann Platinen im 6er - Nutzen ( 6 Platinen auf Europakarte 100x160mm ) bei
Mikes Platinenservice unter dem Stichwort "servo-nutzen" beziehen.
Für die Mindestbestellsumme von EUR 25,- bekommt man immehin Platinen für 12 Servomodule - ein fairer Preis! Das war der Stand Mai 2013. Mittlerweile hat Mike seinen Service stark eingeschränkt, die Vorlagen hält er ohnehin nur ein Jahr bereit.
In den Downloads sind weiterhin die Verdrahtungsunterlagen für den Aufbau auf Lochraster-Platinen enthalten.
Variante "Einfach"
Endlagen einstellbar
Aufbau auf Lochraster-Platine
Variante "Speed"
Endlagen einstellbar und
Servo-Geschwindigkeit einstellbar
Aufbau auf Lochraster-Platine
Zielsetzung
- einfache Möglichkeit Servoantrieb über Loconet zu steuern
- Endlagen müssen justierbar sein
- keine Spezialbauteile erforderlich
- geringe Kosten
Die Schaltungen mit
Standard-Bauteilen
Variante "Einfach"
Variante "Speed"
Servo an Loconet Schaltmodul anschliessen
Der Anschluss des Servomoduls ist einfach:
- Modul in Nähe Servo montieren
- Servo-Stecker aufstecken (auf Polung achten)
- Verbindung zum Schaltbaustein herstellen
- +15V anklemmen
- gewünschten Schaltausgang verbinden
- Servomodul an 5VDC anschliessen (am einfachsten über ein Steckernetzteil versorgen)
Die Stromaufnahme in den beiden Ruhelagen des Servos ist ca. 10mA. Während des Fahrens in die jeweils andere Lage werden ca. 100mA aufgenommen, abhängig von der Größe des Servoantriebs.
Ein Steckernetzteil von einem Ampere Belastbarkeit reicht somit für mindestens 10 Antriebe, da ja niemals alle zur selben Zeit umgesteuert werden. Bei mir lag zufällig noch ein 2A-Netzteil in der Schublade, was für die gesamte Anlage ausreichend ist.
Modifikation
Nachdem acht Module aufgebaut waren - alle aus einer Materialbestellung - zeigte sich ein Schwingverhalten mit NE555 anderer Hersteller.
Die Schaltung wurde daraufhin etwas niederohmiger ausgelegt und auf die Einstellbarkeit der Geschwindigkeit für den Stellungswechsel verzichtet. Die sehr hochohmige Auslegung mit einem 1MOhm-Trimmer war zu empfindlich, sodass die Servos zum Schwingen neigten.
Hier die vereinfachte Schaltung:
Meine Erfahrungen mit Servos für die Modellbahn
Der Einsatz von Servos als Stelleinheit für Weichen, Signale, Entkuppler und andere mechanisch zu bewegende Komponenten einer Modellbahn ist eine vorteilhafte Sache:
- geringe Kosten
- sichere Funktion
- vorbildgerechte Bewegungen
Es sollten aber einige Punkte beachtet werden!
Stromversorgung
Servos sind Stellelemente aus dem Modellbau von Schiffen, Flugzeugen und Autos. Sie haben daher eine typische Versorgung von 4,8 VDC, basierend auf 4 Akkuzellen zu je 1,2 VDC.
Eine gute Versorgung können Steckernetzteile mit 5 VDC Ausgangsspannung liefern. Die Stabilisierung dieser kostengünstigen Netzteile ist meistens recht einfach, sprich eben nicht besonders stabil. Daher ist es wichtig, einen relativ hohen Ausgangsstrom zur Verfügung zu haben. Warum? Die Servos ziehen abgesehen von geringem Ruhestrom ja nur ca 100mA beim Ändern der Stellung. Da aber meistens mehrere Servos an einer Versorgung "hängen", kann der Stellvorgang Spannungsschwankungen erzeugen. Dadurch versuchen alle parallel versorgten Servos nachzuregeln und das macht sich als Zittern um die jeweilige Endstellung bemerkbar.
Meine Erfahrungswerte:
- Steckernetzteil 5 VDC / 2 A
- maximal 6 Servos versorgen
- 7 Servos ging noch
- beim 8. Servo reagierten einige Servos mit heftigem Zittern
- 7 Servos ging noch
- sternförmige Versorgung der Servomodule mit Litze 0,22 mm², zwischen Sternpunkt und Netzteil mit 1,0 mm²
Servos parallel ?
Ja, das geht und ist im Modellbau gängige Praxis! Hierzu gibt es preisgünste sogenannte Y-Kabel, mit denen 2 Servos an einen Decoderausgang angeschlossen werden können:
Typische Anwendungen:
- Hauptsignal und Vorsignal gemeinsam ansteuern
- Schutzweiche mit Weiche im Hauptgleis gemeinsam ansteuern
- Gegenweichen für Gleiswechsel gemeinsam ansteuern
Zu beachten ist aber, dass die beiden Servos nicht getrennt elektrisch justiert werden können!
Tipp:
- einen der Servos elektrisch in den Endstellungen einstellen
- hierbei den Servosantrieb wählen, der den größeren Stellhub machen muss
- hierbei den Servosantrieb wählen, der den größeren Stellhub machen muss
- den anderen Servo durch Einstecken des Stelldrahtes in ein entsprechendes Loch am Stellhebel mechansich an den erforderlich Hub anpassen
Ich habe so Hautsignale und Vorsignale gekoppelt, wobei der größere Stellhub bei den Vorsignalen erforderlich war; also sind diese Servos elektrisch eingestellt worden.
Problemlösung für unverträgliche Servos
Alle Typen von analogen Servos sind nicht mit einfachen NE555-Schaltungen verträglich. Es kann zu folgenden Erscheinungen oder Fehlern kommen:
- "Zappeln" des Servos in den gewünschten Endlagen
- Zusammenbrechen des Steuersignals, verbunden mit hohem Stromziehen aus der 5V-Versorgung
- Nicht erreichen der gewünschten Endlagen
Leider sind gerade die preiswerten Standardservos im Bereich 5 Euro besonders hohe Stromverbraucher und neigen zum "Zappeln".
Bei mir sind mittlerweile über 20 dieser Standardservos verbaut, wobei sich nicht alle gleich schlecht verhalten. Die Mehrzahl ist sogar ohne negative Merkmale.
Für die Problemfälle habe ich folgende Lösung gefunden: Entkoppeln der Versorgungen von Timerbaustein und Servo:
Die beiden Netzteile sollten galvanisch voneinander getrennt sein, also mindestens eines der Netzteile sollte ein Trafo-Netzteil sein - auf keinen Fall zwei rein elektronische Netzteile verwenden! Ältere oder schwere Steckernetzteile sind in der Regel Trafo-Netzteile, die leichten Steckernetzteile sind immer elektronische Netzteile und auch immer nicht sehr stromstark ausgelegt.
3. Ausführung: Modul mit eindeutiger Zustandsanzeige
Mit der Steuerung von Servos aus dem Hobby-Bereich der Modellfernsteuerung für Anwendungen bei der Modellbahn beschäftige ich mich schon lange. Über die Zeit sind verschiedene Vorschläge entstanden, mit dem Loconet Schaltmodul 63410 Servos in zwei vorher eingestellte Endlagen zu bringen - also der Umwandlung digitaler Signale in analoge Bewegungen.
Eingesetzt habe ich mittlerweile über 20 kleiner Module aus dem ersten Artikel zu diesem Thema:
Warum also das Thema noch mal anpacken?
In der Praxis zeigten sich bei Anwendung im größeren Umfang einige Probleme, die zum Teil nur unschön für's Auge waren (Zittern der Servos), aber auch die Handhabung bei Aufbau, Einstellung und Fehlersuche (gibt es tatsächlich ja immer wieder - trotz sorgfältigstem Aufbau) erschwerten:
- Welches Poti wahr jetzt noch mal für welche Servostellung zuständig?
- Warum zappelt der Antrieb in seinen Endlagen?
- Warum zappeln auch andere Servos in der Nähe?
- Wo kriege ich die 5 VDC Versorgung her - ohne lange Leitungen zu ziehen?
Update der Schaltung als variabler Problemlöser
Durch die Schaltung werden zwei eindeutige Zustände erzeugt und angezeigt:
- T1 und T3 sind für den Ruhezustand ohne externe Ansteuerung zuständig; Anzeige übernimmt die LED3 (rot)
- T2 schaltet den aktiven Zustand, signalisiert durch LED2 (grün)
- Aktiviert wird der Zustand "grün" durch das digitale Steuersignal des Schaltmoduls 63410, das die beiden in Reihe befindlichen Optokoppler nach Masse durchschaltet. Dadurch ist eine galvansiche Trennung vom Loconet gesichert.
- Für jden Zustand gibt es ein Trimmpoti, um die gewünschte Lage des Servos einzustellen.
- Die Signalaufbereitung für das Servo übernimmt ein Timerbaustein NE555 in üblicher Beschaltung.
- Auf eine Einstellung der Umlaufgeschwindigkeit bei Lagewechsel wurde verzichtet (analog schwierig zu justieren)
Eine unabhängige 5 Volt Versorgung ist integriert:
- Ein einfacher DC-Regler erzeugt nach einer Einweg-Gleichrichtung (reicht völlig aus) aus der Modellbahn-typischen Spannung von 16 VAC (Beleuchtungs-Spannung) eine 5 Volt DC Versorgung, feinfühlig einzustellen mit Trimmpoti R14
- Dieser kleine AC-DC-Wandler versorgt die oben beschriebene Schaltung und kann auch in der Nähe 2 bis 3 weitere Servo-Bausteine versorgen
- Bausteine, die von vornherein "fremdversorgt" werden sollen, benötigen dann nicht die Bauteile des AC-DC-Wandlers: IC2, D2, R13, R14, C1, C2 und C4 können entfallen
Die Platine ist bewusst so gestaltet, dass die Funktion "unter Tage" (unter der Anlage) eindeutig zu erkennen ist:
- Im Ruhezustand leuchtet die rote LED; die Servolage wird mit dem Trimmpoti unter der roten LED eingestellt
- Im digital angesteuerten Zustand leuchten die gelbe LED (Loconet Modulausgang ist geschaltet) und die grüne LED; diese Servolage ist mit dem Trimmpoti unter der grünen LED zu justieren
Die funktionsrichtige Zuordnung von LEDs und Trommpotis hat die Platine etwas größer werden lassen als unbedingt nötig, hat aber bei Montage unterhalb einer Anlage praktische Vorteile bei Einstellung und Fehlersuche.
Platinen-Design mittels EAGLE
Schaltung und Layout sind mit EAGLE designed. Es reicht die kostenlose Version "PCB Design Software für jedermann".
Die Platine ist lediglich einseitig zu drucken (Bottom-Layer, hier blau dargestellt). Das Top-Layer (hier rot) wird nicht geätzt, sonder durch Drahtbrücken ersetzt. Die Drahtbrücken sollten beim Bestücken unbedingt zuerst eingelötet werden:
Sorry - in diesem Bild fehlt noch eine Brücke. Die richtige Version ist aber im Download enthalten.
Servo an Loconet Schaltmodul anschliessen
Der Anschluss an das Loconet Schaltmodul 63410 ist unverändert wie bei den Vorgängerversionen und wie oben dargestellt:
Die Ausgänge 1 ... 20 des Schaltmoduls schalten jeweils nach Masse; R1 wird fest mit +15 Volt des Moduls verbunden.
Alternative Betätigung mittels Schalter
Für die Analog-Bahner oder bei besonderen Einbauorten kann die Servolage auch mit einem einfachen 1-poligen Schalter geändert werden:
Achtung: für diesen Fall muss der Widerstand R1 auf 820 Ohm reduziert werden!
Problemlösung für unverträgliche Servos
Alle Typen von analogen Servos sind nicht mit einfachen NE555-Schaltungen verträglich. Es kann zu folgenden Erscheinungen oder Fehlern kommen:
- "Zappeln" des Servos in den gewünschten Endlagen
- Zusammenbrechen des Steuersignals, verbunden mit hohem Stromziehen aus der 5V-Versorgung
- Nicht erreichen der gewünschten Endlagen
Leider sind gerade die preiswerten Standardservos im Bereich 5 Euro besonders hohe Stromverbraucher und neigen zum "Zappeln". Bei mir sind mittlerweile über 20 dieser Standardservos verbaut, wobei sich nicht alle gleich schlecht verhalten. Die Mehrzahl ist sogar ohne negative Merkmale. Für die Problemfälle habe ich folgende Lösung gefunden:
Entkoppeln der Versorgungen von Timerbaustein und Servo siehe oben
4. Ausführung: Low-Cost Variante
Lowcost Servo-Modul für Loconet-Schaltbaustein 63410
Da ich viele Servos auf meiner Anlage einsetze bin ich immer wieder auf der Suchen nach neuen Möglichkeiten, vom Schaltbaustein 63410 ausgehend diese preiswert anzusteuern. Ein Punkt, der bsiher immer noch zu wünschen übrig lies, war der langsame Lauf von einer Endstellung in die andere.
Im Internet bin ich da auf das Servo-Modul der italinischen Firma Vasile gestoßen. Es ist schon werksseitig für extrem lagsame Änderungsgeschwindigkeit ausgelegt, die auch noch mit einem Trimmpoti "Velocita" variiert werden kann.
Die Module werden bei Ebay für ca 7 Euro angeboten.
Da kann man nicht viel verkehrt machen - also kurzerhand 2 Stück bestellt und getestet.
Vorteil des Moduls
Der Baustein ist fertig aufgebaut und hat Klemmanschlüsse für die Anschlusskabel. Servo-üblich werden 5VDC als Versorgungsspannung benötigt. Gesteuert werden kann über einen Schalter (werkseitiger Zustand) oder nach Schliessen einer Lötbrücke mittels Taster.
Der Umlauf der Servos ist wirklich schön langsam und einstellbar, ideal für Signale. Zuständig ist hierfür offensichtlich ein PLD-Bauelement statt üblicherweise ein NE555 Timerbaustein.
Das Modul steuert preiswerte Standard-Servos problemlos.
Nachteile des Bausteins
Es gibt keine LED, die den Zustand der Elektronik anzeigen.
Die Ausgangslage (Schalter offen) ist nicht einstellbar, so dass mit Hilfe des Aufsetzen des Hebelarms am Servo die richtige Ausgangs- bzw Null-Lage festgelegt werden muss.
Der Baustein kann nicht mit 15VDC angesteuert werden; dazu ist ein Adaptermodul erforderlich.
Adapter für Schaltbaustein 63410
Mit minimalem Aufwand lässt sich ein Adapter aufbauen, der den Schaltzustand des Loconet-Moduls an das Servomodul anpasst:
Es sind lediglich 4 Bauelemente erfoderlich:
- ein Optokoppler PC817
- eine LED (bei mir "grün" für Signalstellung "Fahrt" bzw "HP1"
- ein Vorwiederstand 1,5 kOhm
- eine Schraubklemme 2-polig
Für den Optokoppler habe ich auf eine Steckfassung verzichtet und ihn direkt eingelötet. Die Kosten für alles sind unter 1 Euro - wenn man nicht jedes Bauteil einzeln kaufen muss. In meinem Bauelemente-Vorrat sind das alles Standard-Teile.
So sieht der Adapter dann aus:
Die Drahtenden rechts sind so angeordnet, dass sie direkt in das Vasile Servomodul eingesteckt und festgeschraubt werden können:
Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Bauelementeseite beider Module nach oben zeigt.
Justieren der Ausgangslage
Die aktive Endlage des Servos kann mit dem Trimmpoti "Angelo" eingestellt werden, die passive Ausgangslage leider nicht. Je nach Anwendung - Signal oder Weiche - schlage ich angepasste Lösungen vor.
Justieren Signal
Der Signalflügel wird typisch über einen Stelldraht bewegt, der unter der Anlage durch ein Stellservo bewegt wird.
Bei Verwendung des Vasile-Moduls muss die Ruhestellung - beim Flügelsignal HP0 - mechanisch justiert werden. Die Fahrtstellung - HP1 - kann dann mit dem Trimmpoti "Angolo" eingestellt werden. Um möglichst wenig "Fummelei" unter der Anlage zu haben, sind folgende Schritte zu empfehlen:
1. Servo-Stellarm ausrichten
Der Baustein wird mit 5VDC versorgt, aber nicht angesteuert. Der Hebelarm des Servos steht dann zufällig in einer bestimmten Position, wird gelöst und parallel zum Servo wieder aufgesteckt und in der Regel mit einer Schraube fixiert:
2. Aktiv-Position einstellen
Am Steuereingang werden nun 15VDC angelegt (Steuersignal des Loconet-Schaltbausteins). Mit dem Trimmpoti "Angolo" kann nun die aktive Position (HP1) eingestellt werden. Das wird am Werktisch nur grob gemacht; die richtige Position wird festgelegt, wenn das Servo montiert ist und mit dem Stelldraht verbunden ist. Am Werktisch geht es um die Änderung des Stellhebels in die richtige Richtung; ggfs muss der Arm noch mal um 180 Grad umgesteckt werden. Gleichzeitig kann hier mit dem Trimmpoti "Velocita" die gewünschte Änderungsgeschwindigkeit eingestellt werden:
3. Einbau Servo und Fixierung HP0
Das Servo wird dann unter dem Signal montiert. Vorher wird der Signalflügel mit Kreppband in HP0 fixiert. Mit der Stellschraube an der Stellhebelverbindung wird nun diese Stellung festgelegt. Servo-Ruhestellung und Stellung HP0 sind damit fest verbunden. Aktiv angesteuert kann dann die Stellung HP1 mit dem Trimmpoti "Angolo" justiert werden:
Justieren Weiche
Das Prinzip entspricht der Ausführung wie beim Entkuppler.
Download für den Nachbau
Für Interessierte ist hier ein Download für alle Ausführungen der Servo-Adapter bereitgestellt.
Obwohl meine Aufbauten alle funktionieren, kann ich für Nachbauten keinerlei Gewährleistung übernehmen. Dies gilt auch für eventuelle Folgeschäden.