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

Inhaltsverzeichnis

Projektidee

Material

Schaltplan

Do IT yourself!

Fazit

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

Wenn man eine Märklin-Eisenbahn mit einem Motortreiber (z.B. L293D) betreiben will (was insbesondere für den AG-Unterricht praktisch ist), muss man die Lokomotiven für den "Gleichstrombetrieb" umbauen. Das hat den Vorteil, dass der Richtungswechsel nun nicht mehr über einen 24V - Stromimpuls, sondern durch einen Polaritätswechsel des Fahrstroms realisiert werden kann. Auch kann für diese Lösung ein originaler Märklin-Trafo verwendet werden, der am Fahrstromkreis maximal 16V~ ausgibt, die lediglich gleichgerichtet werden müssen. Der große Nachteil dieser Variante ist jedoch, dass durch das Ersetzen des Fahrtrichtungsschalters durch eine Diodenschaltung (s.u.) diese Lokomotiven nicht mehr für den "normalen" analogen Betrieb auf einer Märklin-Eisenbahn geeignet sind.

Der Schaltungsaufbau selbst ist unkompliziert und lässt sich mittels der Umrüstung desjenigen Boards realisieren, welches für die Piko-Modelleisenbahn verwendet wurde. Die Märklin-Loks müssen für den Gleichstrombetrieb so umgerüstet werden, dass sie bei einem Polaritätswechsel auch die Fahrtrichtung ändern.

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Do IT yourself!

Um eine dauerhafte Verkabelung für viele Einsätze in der Schule und gleichzeitig eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten, sollten die Breadboards durch fest verlötete Platinen mit gesockelten Arduino Nanos ersetzt werden. Der Anschluss eines Original Märklin-Trafos und die Verwendung eines Brückengleichrichters auf der Platine stellen sicher, dass die Polarität der externen Stromquelle nicht verwechselt werden kann, 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:

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-Lokomotiven müssen für dieses Projekt zu Gleichstromlokomotiven umgerüstet werden, damit sie über einen Motortreiber (hier: L293D) angesteuert werden können. Dazu ist es zunächst notwendig, das für den Fahrtrichtungswechsel benötigte Stromstoßrelais auszubauen und durch eine kleine Platine zu ersetzen, auf der 2 Dioden verlötet sind: Beide Dioden sind mit umgekehrter Polarität so zu schalten, dass die eine Seite der Dioden jeweils mit einer der Motorspulen verbunden wird, während die andere Seite jeweils miteinander und mit Masse (= Schienen) verbunden wird. Der andere Motorkontakt wird mit dem Fahrstrom (= Mittelleiter) verbunden. Auf diese Weise wird bei einem Polaritätswechsel des Motortreibers immer die jeweils andere Motorspule mit Strom versorgt, was automatisch zu einem Fahrtrichtungswechsel führt. Die Regulierung der Geschwindigkeit wird mittels PWM-Signal seitens des Motortreibers realisiert.

Der hier ausgeführte Arduino-Sketch steuert die Märklin-Modelleisenbahn mittels Bluetooth-Befehle: Die Buchstaben "V" oder "v" lassen die Lok vorwärts fahren, die Buchstaben "R" oder "r" lassen die Lok rückwärts fahren und "0" lässt die Lok stoppen. Gleichzeitig signalisiert die eingebaute LED an Pin 13 die Vorwärts-/Rückwärtsfahrt und es gibt jeweils eine Rückmeldung auf dem Bluetooth-Monitor. Auf diese Weise lässt sich die Märklin-Modelleisenbahn mittels Smartphone steuern, wobei hier die Android-App "Serial Bluetooth Terminal" von Kai Morich genutzt wurde, da sie sowohl klassische als auch BLE-Bluetooth-Geräte ansteuern kann und Terminalbefehle auch mittels frei konfigurierbarer Hotkeys gespeichert werden können.

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Fazit

Wer sich traut, die Märklin-Lokomotiven auf "Gleichstrombetrieb" umzurüsten, dem gelingt es sehr einfach, seine (analoge) Märklin-Modelleisenbahnen mit Hilfe eines Arduino Mikrocontrollers nicht nur teilweise zu "digitalisieren", sondern auch per Smartphone-Button zu steuern: Dies betrifft sowohl das Anfahren und Abbremsen als auch das Schalten von Weichen und Signalen oder auch die Beleuchtung von Autos, Häusern oder Bahnübergängen - und das mit vergleichsweise geringem finanziellen Aufwand: Die Materialkosten für die hier dargestellte Schaltung betragen durch die Verwendung des original Märklin-Trafos ca. 30 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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