Do IT yourself! - Märklin-Modelleisenbahn (Wechselstrom-Loks) mit Arduino-Steuerung

Inhaltsverzeichnis

Projektidee

Material

Schaltplan

Do IT yourself!

Fazit

Projektidee: Märklin-Modelleisenbahn (Wechselstrom-Loks) mit Arduino-Steuerung

Auch Märklin-Eisenbahnen lassen sich mit einem Arduino-Mikrocontroller steuern - obwohl sie eigentlich für den Betrieb mit Wechselstrom (AC) ausgelegt sind. Der Trick ist, dass ältere, analoge Märklin-Lokomotiven auch problemlos mit Gleichstrom betrieben werden können - im Gegensatz zu den neueren, digitalen Märklin-Loks: Diese lassen sich auch im "Wechselstrommodus" nicht mit der hier vorgestellten Arduino-Lösung betreiben.

Der Schaltungsaufbau selbst ist unkompliziert und lässt sich ohne Weiteres mit einem Arduino Nano, einem kleinen Breadboard und einigen weiteren elektronischen Komponenten realisieren:

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Do IT yourself!

Um eine dauerhafte Verkabelung für viele Einsätze und gleichzeitig eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten, sollten die Breadboards durch fest verlötete Platinen mit gesockelten Arduino Nanos ersetzt werden. Dadurch wird auch sichergestellt, dass man die Polarität der externen Stromquelle nicht mehr versehentlich verwechselt, was bei Spannungen von bis zu 24V schnell zur Zerstörung der kompletten Schaltung inkl. Mikrocontroller führen kann. Darüber hinaus sieht eine gelötete Schaltung einfach ordentlicher aus.

Neben Lochrasterplatinen und Platinen mit Streifenraster bieten Online-Autkionshäuser praktischerweise auch Platinen im Breadboard-Layout an, welche den Aufbau und die Verkabelung von Schaltungen erheblich vereinfachen und gleichzeitig eine 1:1-Übertragung der Schaltungen vom Breadboard ermöglichen.

Weiterhin finden sich auf jeder Seite des Arduino Nanos doppelte Buchsenleisten: Die inneren Buchsenleisten sind als Sockel für den Arduino Nano vorgesehen, die äußeren Buchsenleisten für den Anschluss weiterer Kabel, Sensoren und Aktoren

Erste Version des Boards (mit Taster, aber noch ohne Schutzdiode und Sockel für Bluetooth-Modul):

Zweite, überarbeitete Version des Boards (ohne Taster, dafür mit Schutzdiode und Sockel für Bluetooth-Modul):

Der Lötaufwand beträgt ca. 30-60 Minuten pro Schaltung und das Löten der Komponenten sollte nach dem Schema "von klein nach groß" ausgeführt werden. Auch ist darauf zu achten, dass möglichst alle (hitze-)empfindlichen Komponenten der Schaltung, auf jeden Fall aber der Arduino Nano gesockelt werden.

Die Märklin Modelleisenbahn ist, wie bereits gesagt, eigentlich eine Wechselstrombahn, deren Trafo eine Fahrspannung von 0-16V~ ausgibt. Der Fahrtrichtungswechsel erfolgt am Trafo durch einen kurzzeitigen Stromimpuls von 24V~, der einen in der Lok verbauten Umschalter aktiviert (Stromstoßrelais) und so die Polarität des Motors über einen Wechsel der Motorspule ändert. Da sowohl der Arduino Nano als auch alle anderen Komponenten der Schaltung mit Gleichstrom arbeiten, wurde für dieses Projekt ein stabilisiertes 24V-Gleichstromnetzteil besorgt, welches sowohl die (Gleichstrom-) Versorgungsspannung der Märklin-Modelleisenbahn als auch - wieder über einen 5V-Festspannungsregler - die Stromversorgung des Arduino Nanos übernimmt. Ein Motortreiber L293D kann für dieses Projekt NICHT verwendet werden, weil dieser mittels PWM-Ansteuerung offenbar nicht die vollen 24V weitergeben kann, sondern deutlich weniger: Dies führt dazu, dass der in den Loks verbaute Umschalter nicht aktiviert wird. Abhilfe schafft stattdessen ein MOSFET-Transistor (hier: IRF639), mit dessen Hilfe die zum Umschalten der Loks benötigten 24V ohne nennenswerte Verluste ausgegeben werden können.

Der hier ausgeführte Arduino-Sketch lässt die Lok nach Tasterdruck (erste Version des Boards) zunächst langsam vorwärts anfahren und schaltet dann durch den PWM-Wert "255" automatisch um (Dauer: 250ms). Nach einer kurzen Pause fährt die Lok langsam rückwärts an, um zum Schluss wiederum umzuschalten:

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Fazit

Es ist grundsätzlich möglich, auch analoge Märklin-Modelleisenbahnen mit Hilfe eines Arduino Mikrocontrollers zumindest teilweise zu "digitalisieren", indem beispielsweise langsames Anfahren und Abbremsen, zeit- oder sensorgesteuertes Fahren und Anhalten, das Schalten von Weichen und Signalen oder auch die Beleuchtung von Autos, Häusern oder Bahnübergängen realisiert werden kann. In Verbindung mit dem Bluetooth-Modul lässt sich das alles auch bequem per Smartphone-App steuern (z.B. mit dem "Serial Bluetooth Terminal" von Kai Morich).

Der finanziellen Aufwand hält sich ebenfalls in Grenzen: Die Materialkosten für die hier dargestellte Schaltung beträgt durch zusätzlich benötigte Netzteil knapp 60 EUR - was aber immer noch deutlich günstiger ist als eine originale digitale Nachrüstung einer Märklin-Modelleisenbahn.

Darüber hinaus bietet sich die Arduino-Steuerung einer Modelleisenbahn - auch in Verbindung mit der Gestaltung von Landschaften und der Beleuchtung und Steuerung von einzelnen Objekten - als Schulprojekt über einen längeren Zeitraum an.

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