Do IT yourself! - Modelleisenbahn

Inhaltsverzeichnis

Projektidee

Do IT yourself!

PIKO Eisenbahn

Märklin Eisenbahn

Fazit

Projektidee: Modelleisenbahn

Wenn man mit Arduino Mikrocontrollern experimentiert und Motoren damit steuern möchte, bieten sich als Anwendungsbereiche - auch für den AG-Unterricht - neben selbstfahrenden Autos vor allem Modelleisenbahnen an: Hier ist die Stromversorgung direkt mit enthalten (Trafo) und mittels Sensoren, Relais oder Servomotoren lassen sich viele Alltagssituationen simulieren, wie z.B. Bahnübergänge, Weichen oder Signale. Der Schaltungsaufbau selbst ist unkompliziert und lässt sich ohne Weiteres mit einem Arduino Nano, einem kleinen Breadboard und einigen weiteren elektronischen Komponenten realisieren (links PIKO, rechts Märklin):

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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. 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 (links PIKO, rechts Märklin):

Zu diesem Zweck 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:

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 (links PIKO, rechts Märklin):

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.

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PIKO Modelleisenbahn

Material:

Schaltung:

Die PIKO Modelleisenbahn ist eine Gleichstrombahn, die mittels eines Motortreibers (hier: L293D) in beiden Richtungen angesteuert werden kann, wobei die Versorgungsspannung direkt aus dem Original-Trafo der PIKO Modelleisenbahn eingespeist wird, welcher immer auf 100% Fahrspannung feststehen muss (ca. 12V). Hier macht es Sinn, den Regler des Tafos mit einem Klebestreifen in der 100%-Fahrstromeinstellung zu fixieren. Über einen 5V-Festspannungsregler wird die Trafospannung parallel auch für die Stromversorgung des Arduino Nanos genutzt.

Der hier ausgeführte Arduino-Sketch lässt die Lok zunächst langsam vorwärts anfahren und dann anhalten. Nach einer kurzen Pause fährt die Lok schnell rückwärts, um dann langsam wieder anzuhalten:

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Märklin Modelleisenbahn

Material:

Schaltung:

Die Märklin Modelleisenbahn funktioniert zwar auch mit Gleichstrom, ist aber 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 und so die Polarität des Motors 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. Anders als bei der PIKO Modelleisenbahn kann hier der Motortreiber L293D 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 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 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 - und das mit vergleichsweise geringem finanziellen Aufwand: Die Materialkosten für die Schaltung einer Gleichstrom Modelleisenbahn (gelötet oder mit Breadboard) belaufen sich auf ca. 30 EUR, sofern eine (ältere) Eisenbahn vorhanden ist. Die Märklin-Variante ist durch das benötigte Netzteil knapp doppelt so teuer - aber immer noch deutlich günstiger als eine originale digitale Nachrüstung der Märklin Eisenbahn.

Darüber hinaus bietet sich eine Modelleisenbahn - auch in Verbindung mit der Gestaltung von Landschaften und der Beleuchtung und Steuerung von einzelnen Objekten - als Schulprojekt über einen längeren Zeitraum an, wie auch auf der ersten Maker Faire OWL am 1./2. Juni 2019 eindrucksvoll demonstriert wurde.

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