Servo-Modul für Loconet-Schaltbaustein 63410

ergänzt:  Problemlösung für unverträgliche Servos

Achtung:Schaltung modifiziert !

Neu:

Ich habe eine verbesserte Version mit der Layout-Software EAGLE (es gibt eine Freeware-Variante, die vollkommen ausreichend ist) entwickelt. Dazu gibt es natürlich auch ein Download im Artikel Update 2019 - klickt einfach auf den Link!

Update 2019 mit verbesserter Ergonomie und integrieter 16 VAC - Versorgung

aktuell: Servo-Modul auf geätzter Platine
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.

• einfache Möglichkeit Servoantrieb 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 gibt es beim deutschen Hauptanbieter für Loconet Bausteine (Uhlenbrock) derzeit keinen 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
  

Ergo galt es zu überlegen, wie ein Servo über eine ansonsten übliche Schaltung digital für zwei Endlagen angesteuert werden kann.

Die einfachste Grundschaltung ist ein in der Frequenz regelbarer Rechteckgenerator mit dem Standard-Baustein NE555. Üblicherweise wird die Lage des Servos mit einem Potentiometer eingestellt. Für zwei Endlagen benötigt man zwei Einstellelemente. Daher wurde das eine Potentiometer in zwei aufgeteilt und eines davon mit einem Schalter überbrückt. Relais-Lösungen kommen für mich nicht in Frage (Kosten, Kontaktprellen, Ansteuerung). Um digital ansteuern zu können, ist eine Emitter-Kollektorstrecke als Kurzschliesser die einfachste Lösung. Dieses Prinzip haben auch schon andere Modellbahner vorgeschlagen und praktiziert. In meiner Variante ist hier ein Optokoppler eingesetzt, der einerseits zum Schutz des Loconet für eine galvanische Trennung sorgt und andererseits das Schalten der Ausgänge des 63410 nach 0V umsetzt. Dadurch wird ein Inverter und somit eine weitere Transistorstufe gespart.

Da man immer gerne den Schaltzustand des Loconet-Bausteins beim Programmieren, Testen und bei Fehlersuche wissen möchte, liegt noch eine LED in Reihe, die den Aktiv-Zustand anzeigt.

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 Antrieb, 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.

Downloadfür den Nachbau

Für Interessierte ist hier ein Download mit Stückliste und Aufbauvorschlag auf Lochraster-Platine und neu auch auf gedruckter Platine bereitgestellt.

Obwohl mein Aufbau tadellos funktioniert, kann ich für Nachbauten keinerlei Gewährleistung übernehmen. Dies gilt auch für eventuelle Folgeschäden.

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
    
• 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
    
• 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.