Optie 6 - Wissels, ontkoppelen en seinen

Wissels, seinen en ontkoppelrails kunnen zowel analoog als digitaal bestuurd worden.

Analoge sturing

Uiteraard kun je wissels en ontkoppeling op een digitale baan nog steeds analoog (met drukknoppen en een eigen stroomvoorziening) of zelfs met de hand bedienen als je dat zou willen:

Analoog schakelpaneel

Digitale decoders

De digitale sturing van wissels, seinen en ontkoppelrails biedt een hele wereld aan nieuwe mogelijkheden. De centrale of de PC bedient dan via een schakeldecoder de wissels en de seinen en je kunt dan bv stations of rijwegen echt gaan automatiseren.

DR4018 decoder

Deze schakeldecoders kunnen uiteraard (magneet)wissels sturen, maar er zijn meer mogelijkheden: ontkoppelen, rijstrookblokken, seinen, servo's, et cetera. De mogelijkheden verschillen per merk en model. Klik op de links voor detailinformatie.

Tip - Servo's zijn zeer geschikt om wissels, die geen eigen aandrijving hebben, te mechaniseren (de servo kan natuurlijk ook onder het oppervlak gemonteerd worden of bv worden weggewerkt in de scenery):

Wisselsturing met een servo

Er bestaan ook kleine inbouwdecoders (bv van Märklin en van Viessmann) die je in een wisselbehuizing kunt integreren. Let er bij de aanschaf op dat het juiste protocol ondersteund wordt!

Märklin inbouwdecoder

DCC(-EX) systeem (zelfbouw)

Veel van de besturingsmodules in dit blog werken met het DCC-EX systeem voor de aansluiting en de programmering van de Arduino controllers/boards:

• Besturingscentrale locomotieven
• Wisselsturing
• Ontkoppelen
• Terugmelding
• Seinen 
• Servo's
• Accessoires

Een DCC(-EX) systeem kan zowel direct als indirect aangestuurd worden, en ik bespreek in dit blog beide manieren:

• Direct (serieel, USB): dit zijn Arduino DCC-EX-units die aangesloten worden via de USB/COM-poort van de PC en die van daaruit direct worden aangestuurd door de PC-software (bv Rocrail, Itrain, JMRI, etc). Deze directe aansturing wordt ook wel 'serieel' (serial RS-232) genoemd.
   
• Indirect (DCC-decoder): dit zijn decoders die het DCC-signaal vanuit de PC, via de besturingscentrale, op elke gewenste plaats op de baan via de railstroom kunnen oppikken, en doorgeven aan het Arduino board.

Onderstaande afbeelding laat het verschil zien:

Decoders versus directe aansturing (PDF)

DCC-EX-unit (serieel)

De meeste modules die ik getest en gebouwd heb werken als DCC-EX-unit die via een seriële USB/COM-poort direct met de PC (Rocrail) verbonden is. De Arduino controller stuurt dan weer schakelunits aan (zie verderop) die de onderdelen op de modelbaan ook echt bedienen (die schakelunits werken bv met relais of transistor arrays die wissels sturen).

In Rocrail (of andere besturingssoftware) definieer je de Arduino controllers voor wissels, ontkoppelen, accessoires en terugmelding dan als een 'seriële centrale' op een COM-poort (USB). Vergeet daarbij eventueel niet om bij de settings in Rocrail de I/O's in te stellen en op te slaan in het EEprom-geheugen van de Arduino's (indien dat niet automatisch gebeurd). Outputs voor wissels, ontkoppelen en accessoires, en inputs voor terugmelding. Voor de adressering van de diverse onderdelen gebruik je dan meestal het pinnummer waarop het onderdeel aangesloten is op het Arduino board in combinatie met de naam van de desbetreffende 'seriële centrale'.

In detail:

1. De PC stuurt het signaal serieel via de USB kabel naar...
2. Het Arduino board, en dat stuurt...
3. De schakelunits aan die...
4. De baanonderdelen sturen.

De keuze voor DCC-EX-units betekent ook dat de Arduino boards in de modelspoorbaan een eigen stroomvoorziening nodig hebben (bijvoorbeeld 9vDC) en dat er bv 2 USB-hubs met elk 4 poorten gebruikt worden voor connectie naar de PC. Een USB-controller van een PC of laptop kan vaak maar 2 of maximaal 3 Arduino's van stroom voorzien. Bij meer stroomverbruik schakelt de USB-poort zichzelf uit. En bij toepassing van DCC-EX-units ga je al heel snel over die grens van 2-3 stuks heen.

Een voorbeeld van een DCC-EX-unit voor de aansturing van servo's:

DCC-EX-unit voor servo's (PDF)

Zelfbouw DCC-EX-units

Je kunt een DCC-EX-unit (serieel) bouwen op basis van de Arduino DCC-EX library. Zo'n unit gebruikt niet het DCC-signaal in de railstroom, maar wordt direct vanuit bv Rocrail op de PC via een USB-kabel aangestuurd via een USB/COM-poort.

Indien je een Arduino Mega gebruikt dan heb je bv pin 22 tm 53 beschikbaar voor 16 wissels met 2 elektromagneten (32 outputs dus). En als je 4 port expanders via I2C op de Mega aansluit (bv 4 x PCF8574) dan kun je met DCC-EX zelfs tot 32 wissels aansturen via 1 Arduino Mega (64 poorten, klik hier voor meer informatie). Naast de Mega en de eventuele port expanders heb je dan natuurlijk ook nog een schakelunit nodig tussen de expanderpinnen en de wisselaandrijvingen (zie verderop).

Voorbeelden van directe seriële aansturing DCC-EX van wissels en ontkoppelen:

DCC-EX-unit wissels (PDF)

DCC-EX-unit ontkoppelen & accessoires
met geïntegreerde Nano (PDF)

Technische schema's en bouwbeschrijvingen van alle seriële DCC-EX-units in mijn modelspoorbaan (PDF):

• DCC-EX besturingscentrale Arduino Mega
• DCC-EX wissels
• DCC-EX seinen
• DCC-EX ontkoppelen & accessoires
• DCC-EX ontkoppelen (geïntegreerde Nano)
• DCC-EX servo's
• DCC-EX terugmelding massadetectie diodes
• DCC-EX terugmelding massadetectie opto
• DCC-EX terugmelding stroomdetectie

DCC via een DCC-decoder

De connectie vanaf de Arduino naar de centrale baanbesturing kan ook indirect plaatsvinden via DCC-decoders. De besturingssoftware op de PC, bv Rocrail, zet de DCC-instructies dan via de besturingscentrale op de baanstroom en de decoders pikken het DCC-signaal daar dan vanaf de rails op. Voor dit doel heb ik zelf DCC-decoders RX ontworpen en gebouwd. De decoders geven het DCC-signaal door aan de Arduino controller, en die stuurt weer de schakelunits aan (zie verderop) die de onderdelen van de modelbaan ook echt schakelen.

In detail:

1. De PC stuurt signaal via de USB-kabel naar...
2. De besturingscentrale, en die zet het signaal door naar...
3. De railstroom, vanaf waar de...
4. Decoder het signaal weer oppikt en doorzet naar...
5. De Arduino, die weer verbonden is met...
6. De schakelunits, die vervolgens de...
7. Baanonderdelen sturen.

Zelfbouw DCC-decoder RX

Een multifunctionele DCC-decoder RX voor de aansturing van wissels, seinen, ontkoppelen en andere accessoires, kun je goedkoop en gemakkelijk zelf bouwen. Als je een Arduino Uno of Nano gebruikt dan heb je de beschikking over 16 uitgangen, en als je kiest voor een Arduino Mega, eventueel nog met extra port expanders PCF8574, dan heb je er nog veel meer (tot 64).

De zelfbouw DCC-decoder RX bestaat uit 3 delen:

1. Een kleine bufferschakeling om het DCC-signaal van de rails of de centrale veilig, elektrisch gescheiden, door te koppelen naar het Arduino board (via een optocoupler).
    
2. Een Arduino Nano, Uno of Mega controller.
    
3. Schakelunits die er aan de outputzijde van de Arduino voor zorgen dat accessoires ook echt geschakeld kunnen worden (zie verderop).
   

Klik op de link bij onderstaande afbeelding voor een PDF met de bouwbeschrijving van de Arduino DCC-decoder RX. Deze bestaat uit een Arduino Nano, Uno of Mega, een PCB, enkele losse componenten en de schakelunits (zie verderop) die je aan de output kant eventueel nodig hebt om dingen aan te sturen:

Zelfbouw DCC-decoder RX (PDF en sketch)

Indien je de Arduino graag zelf wilt programmeren met eigen code dan kun je de onderstaande Arduino library en basissketch gebruiken voor de DCC-decoder RX:

• De Arduino DCC library (mirror Github)
   
• De basic sketch voor het Arduino board
   
  Deze basic sketch zorgt voor het uitlezen en het decoderen van het DCC-signaal. De aansturing van outputmodules is in elke situatie anders en die is daarom nog niet voorgeprogrammeerd, die code kun je zelf nog toevoegen. In de sketch staat hoe je dat kunt doen.

Gebruik je liever kant-en-klare sketches voor Arduino Uno kies dan voor de DCC-decoder RX bv:

• De Arduino DCC library (mirror Github)
   
• Sketch: DCC-decoder RX wissels, schakelt magneetwissels met een pulse.
   
• Sketch: DCC-decoder RX servo's, stuurt servo's aan via een Arduino Uno.
   
• Sketch: DCC-decoder RX ontkoppelen en accessoires v1, schakelt DCC-adressen aan en uit.
   
• Sketch: DCC-decoder RX ontkoppelen en accessoires v2, deze heeft meer opties dan v1: bijvoorbeeld pulsing, knipperen en analoge uitgangen.
   
  De sketches zijn ook heel gemakkelijk uit te breiden naar Nano (+2 pinnen) en Mega boards (+32 pinnen). In de sketches staat hoe je dat kunt doen.

De zelfbouw DCC-decoder RX gebruikt als wisselschakeling:

Wisselsturing zelfbouw DCC-decoder RX (PDF en sketch)

Technische schema's en bouwbeschrijvingen van alle DCC-decoders in mijn modelspoorbaan (PDF):

Schakelunits

Arduino boards kunnen maar een beperkte hoeveelheid stroom leveren op de outputpinnen (maximaal 5v 200ma voor alle pinnen tezamen, en bij meer stroomverbruik reset het board zichzelf). En meestal is dat onvoldoende om onderdelen van de modelbaan direct aan te sturen. Een wissel of een ontkoppelrail gebruikt bijvoorbeeld al 12-16v 400ma stroom om te schakelen. Ook servo's en mechanische seinen gebruiken best veel stroom. Daarom zijn er schakelunits nodig die voor extra stroom zorgen.

Voorbeelden van schakelunits voor bijvoorbeeld wissels, ontkoppelen, seinen en accessoires:

Schakelunits (PDF)

Onderdelen die je wel direct vanuit een Arduino van stroom zou kunnen voorzien zijn kleine led's die per stuk 5-20ma stroom verbruiken (dus geen NeoPixel's). Maar stel dat de led's 20ma per stuk gebruiken (bv standaard 3mm led's), dan ben je bij 10 stuks ook al bij de grens. Of één enkele kleine DC-motor, maar dat moet dan wel echt een kleintje zijn met weinig stroomverbruik...

Voorbeelden van parts om schakelunits samen te stellen:

• Relais om bv magneetwissels, seinen of ontkoppelrails te schakelen:
  
  
   
   

• Transistor arrays, bv de 8-kanaals ULN2803apg:
  
  
   
   

• Mosfets en transistoren om krachtigere stroom te schakelen:
  
  
   
   
• Servo's om iets te laten bewegen (bij voorkeur via een Arduino servo shield), bv mechanische seinarmen, overwegen, et cetera:
   
  
   
   
• Stappenmotors met driver boards:
  
  
   
   
• LED-drivers voor LED's of NeoPixels:
   
  
   
   
• DC elektromotoren met H-bridges of een Arduino motor shield:
  
  
  
   

Let op - Indien je Marklin M-rails gebruikt dan kun je het beste de wisselverlichting verwijderen (haal het lampje er uit of voed het lampje via een aparte extra draad). Anders krijg je bij externe voeding van de wissels sluiting over dat lampje. Meestal valt dat door de weerstand van het lampje niet direct op maar het kan allerlei verstoringen geven in de digitale elektronica!

Complete zelfbouw sets

Je kunt ook complete zelfbouw sets kopen. Soms kun je deze zelfs reeds gebouwd bestellen. Je kunt dus kiezen of je de schakeling zelf wil assembleren of niet. Vaak zijn deze (zelfbouw) schakeldecoders ook gebaseerd op de Arduino technologie (dwz een ATmega processor):

Connectoren

Om de wissels, seinen en de ontkoppelrails te verbinden met de schakelstroom en de decoderuitgangen, gebruik ik 3-polige Dupont connectoren:

3-polige Dupont connectoren, female

Seinen

Seinen horen bij het spoor. In het echt beveiligen ze het spoor en zorgen voor een goed verloop van het verkeer. Om seinen te digitaliseren op een modelbaan sluit je ze meestal via een schakeldecoder aan. Met een decoder kunnen de seinen de juiste commando's ontvangen en uitvoeren:

• Armsein digitaliseren
• Lichtsein digitaliseren
• Stoppen voor een sein

Armsein digitaliseren

De meeste armseinen zijn te digitaliseren met een normale wissel- of schakeldecoder die de aandrijving van het sein aanstuurt. Daarnaast hebben veel fabrikanten ook speciale seindecoders voor armseinen ontwikkeld. Welk type decoder nodig is, is afhankelijk van welke aandrijving het sein heeft. Magneetaandrijvingen kunnen bijvoorbeeld met normale wisseldecoders omgezet worden. Voor een servo aangedreven armsein dient een servodecoder gebruikt te worden. De verschillende vormen van aandrijvingen hebben verschillende effecten op het omzetten van het armsein. Aandrijvingen op basis van magneten zetten de seinen meestal te snel om. Bij motor- en servo-aangedreven seinen kan meestal de snelheid apart worden ingesteld.

Lichtseinen digitaliseren

Voor lichtseinen moet een decoder worden gebruikt die een constante spanning levert voor het laten branden van de LED's of lampjes van het lichtsein. De zelfbouw DCC schakeldecoder die eerder op deze pagina beschreven is, is hier prima geschikt voor.

Lichtseinen

Stoppen voor het sein

Iedereen wil natuurlijk de trein mooi laten stoppen voor het sein. Bij digitale sturing zijn er een aantal manieren om te regelen dat een trein automatisch stopt voor het sein:

• Aansturen met asymmetrisch DCC-signaal
• Aansturen met de remgenerator
• Aansturen via treinbesturingssoftware
• Aansturen als op een analoge baan

Aansturen met asymmetrisch DCC-signaal:

Bij digitaal rijden met het DCC-protocol is het mogelijk om met een aantal diodes een rem- en/of stopsectie te maken, waarbij een digitale locomotief stopt voor het sein. De diodes creëren een asymmetrisch DCC-signaal waar alle DCC-decoders op reageren door af te remmen naar 0. Na het opheffen van het asymmetrische signaal zal de locomotief weer rustig optrekken en verder rijden. De firma Lenz biedt het systeem aan als ABC (Automatic Braking Control) waarmee een compleet digitaal bloksysteem gebouwd kan worden. Met het systeem kan tevens het betreffende sein in de juiste stand worden gezet. De verlichting en het geluid (de soundgenerator) van de treinstellen blijven gewoon werken en zijn ook te bedienen wanneer een trein voor het sein stilstaat.

Remschakeling diodes DCC (klik)

Aansturen met de remgenerator:

Bij digitaal rijden met het DCC-protocol is het mogelijk om met een remgenerator te werken. Dit is een booster die een constante remopdracht geeft via de boosteruitgang. Diverse fabrikanten hebben deze in hun productcatalogus staan. Als de trein zich in het blok bevindt waar het signaal van de remgenerator op staat, gaat de loc automatisch remmen en stoppen. Om de trein verder te laten rijden, schakelt de remgenerator over naar de gewone generator. Het aansturen door de loc kan bv met terugmelders.

Aansturen via treinbesturingssoftware:

De software regelt dat het sein het juiste seinbeeld aangeeft, de trein netjes stopt voor het sein en de trein daarna weer optrekt om verder te rijden. De meest betrouwbare oplossing is om een rem-stopsectie te maken bij het sein. Een andere oplossing is, om de rem-stopsectie in de treinbesturingssoftware in te stellen, de zogenaamde virtuele bezetmeldpunten. Daardoor hoeven geen aparte secties gemaakt te worden. De verlichting en het geluid van de treinen blijven gewoon werken en zijn ook stilstaand voor het sein te bedienen.

Digitale seinen, DCC-decoder RX (PDF)

Aansturen als op een analoge baan:

Bij het sein wordt dan een stopsectie gemaakt waardoor een gedeelte van de rails spanningloos geschakeld wordt. Het schakelen van deze stopsectie en het sein, is te doen met de seindecoder of met relais. Het nadeel is dat de spanning naar de rails wordt onderbroken. Hierdoor komt de locomotief spanningloos te staan en reageert nergens meer op. Gevolg is ook dat eventuele binnenverlichting uitgaat. Als de stroom weer wordt ingeschakeld dan vertrekt de trein weer.

In veel situaties zou je kunnen stellen dat seinen op een digitale modelspoorbaan 'passief' zijn. Ze regelen het verkeer niet echt zelf, maar ze reageren op instructies die de centrale heeft gegeven. De centrale neemt bv het besluit om een wissel om te zetten, een locomotief te stoppen en een sein te wisselen, als bv een gevolg van een terugmelding vanaf de rails.

Volgende pagina: terugmelding en bezetmelding

Inhoudsopgave van dit blog