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

Stack modules Naast de zelfbouwprojecten die ik beschrijf, heb ik ook een integraal systeem met stack modules ontworpen om modelspoorbanen te kunnen besturen. Klik hier voor info.

Zelfbouw elektronica

Elektronica voor aansturing van modelbanen is met enige handigheid eenvoudig zelf te bouwen. Je kunt dat op 3 niveaus doen:

1. Componentniveau: volledig zelf ontwerpen en bouwen uit losse componenten en onderdelen. Deze manier wordt in dit blog verder niet besproken want dan is het geen volledig eigen ontwerp meer natuurlijk!
    
   
2. Boardniveau: zelfbouw met kant-en-klare commerciële componenten en boards. Dan moet je bv denken aan een Arduino Uno met een relaisboard met 16 relais of een servoboard voor 12-16 servo's. Je koopt onderdelen (boards) die reeds gebouwd zijn en je stelt ze verder samen qua functionaliteit, bekabeling en programmering.
    
   
3. Oplossingsniveau: zelfbouw met modulaire zelfbouwsets, bv de moderne stack modules. Een integrale oplossing voor de volledige modelspoorbaan.

Tip: en voor welk zelfbouwniveau je ook kiest, zelfbouw is echt heel veel goedkoper dan kant-en-klare units van de bekende merken.

De verschillende zelfbouwopties bestaan qua hardware bijna altijd uit 2 delen:

• Een deel dat het protocol verzorgt van en naar de besturingscentrale, bv:
   
  
  • DCC-decoder
  • DCC-EX serieel
  • Loconet
  • Etc
     
    
• Een deel dat het schakelen van de onderdelen op de modelbaan verzorgt (bv wissels, ontkoppelaars, seinen en accessoires). Dit deel noemen we ook wel de schakelunit:

Klik voor vergroten

In dit blog bespreek ik zelfbouwopties 2 en 3 in detail:

2. Boardniveau: met commerciële componenten en boards die reeds gebouwd zijn. Lees hier onder verder.
    
3. Oplossingsniveau: met moderne geïntegreerde stack modules.

DCC-EX versus DCC-decoders

Veel van de besturingsmodules in dit blog werken met het DCC-EX systeem of met DCC-decoders:

• Direct (DCC-EX, USB): dit zijn units die aangesloten worden via de USB-poort van de PC en die van daaruit direct worden aangestuurd door de PC-software, zoals bv Rocrail, Itrain, Koploper, Traintastic, JMRI, etc. Deze directe aansturing wordt ook wel serieel (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 (serieel)

DCC-EX-units zijn dus via een seriële USB-poort direct met de PC (met bv Rocrail) verbonden. De unit stuurt dan weer schakelunits aan (zie verderop) die de onderdelen op de modelbaan ook echt bedienen.

In Rocrail (of andere besturingssoftware) definieer je de DCC-EX-units dan als een seriële centrale op een COM-poort (USB). 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 snel over die grens van 2-3 stuks heen.

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.

Voor- en nadelen van beide zelfbouwsystemen

Voordelen DCC-EX:

• Minder hardware nodig dan bij decoders.
• Adressering is erg eenvoudig (pinnummers).
• Werkt ook als de railstroom niet ingeschakeld is.
• Staat los van de railstroom, als een trein ontspoort en kortsluiting maakt dan blijft de unit dus werken.

Nadelen DCC-EX:

• Heeft in de meeste gevallen een PC nodig.
• Heeft al snel een flink aantal USB-poorten op die PC nodig (USB-hub).
• Sketch is niet zo gemakkelijk aan te passen.
• Heeft meestal een eigen voedingsspanning nodig (extern of via de USB-hub).

Voordelen DCC-decoders:

• Hebben niet per sé een PC nodig, een eenvoudige digitale centrale is al genoeg.
• Overal flexibel aan te sluiten op de railstroom.
• Kunnen desgewenst gevoed worden met de railstroom.
• Sketch is gemakkelijk aan te passen.
• Is een zeer veel gebruikt en heel bekend protocol.

Nadelen DCC-decoders:

• Meer hardware nodig dan bij een DCC-EX systeem.
• Adressering lijkt soms wat complex (PADA, MADA, NMRA).
• Stoppen met werken als een trein ontspoort en kortsluiting maakt.
• Werken alleen als de railstroom ingeschakeld is.

Zelfbouw DCC-EX en DCC-decoders

Onderstaande units zijn zelfbouwprojecten op boardniveau. Dat betekent dat ze worden samengesteld uit meerdere boards die je voor het grootste deel klant en klaar kunt kopen. De zelfbouw bestaat dan uit het combineren, verbinden en programmeren van de units.

Zelfbouw DCC-EX

Je kunt een DCC-EX-unit bouwen op basis van de Arduino DCC-EX library. Met een Arduino Uno of Nano heb je 16 poorten beschikbaar. Indien je een Arduino Mega gebruikt dan heb je bv pin 22 tm 53 beschikbaar voor 32 outputs. En als je 4 port expanders via I2C op de Mega aansluit (PCF8574) dan kun je met DCC-EX zelfs tot 64 outputs aansturen via een Arduino Mega. Naast de Arduino en de eventuele port expanders heb je dan natuurlijk ook nog een schakelunit nodig tussen de pinnen en de modelbaanonderdelen (zie verderop).

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

Voorbeelden DCC-EX voor wissels en ontkoppelen:

Stackmodules, DCC-EX ontkoppelen (klik)

DCC-EX-unit wissels (PDF)

Zelfbouw DCC-decoder RX

Een DCC-decoder RX 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 schakelunit (zie verderop) die je aan de output kant nodig hebt om onderdelen 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 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.

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

Zelfbouw DCC-decoders RX voor wissels:

Stackmodules, DCC-decoder RX wissels (klik)

Wisselsturing zelfbouw DCC-decoder RX (PDF en sketch)

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:
  
  

Wissels en ontkoppelen via Loconet

Ook het Loconetprotocol biedt goede mogelijkheden om wissels (en bv ontkoppelaars) te sturen. Daarvoor kun je bv de moderne stackmodules gebruiken:

Basis board Loconet-T LM311 client:

Basis board Loconet client, klik voor info

Stack board wissels dat toegepast kan worden op bovengenoemde Loconet client:

Stack board wissels, klik voor info

Complete zelfbouw sets

Je kunt ook complete zelfbouwsets kopen. Soms kun je deze ook reeds gebouwd bestellen. Je kunt daarbij 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. De bekabeling wordt hierbij met een bijpassende krimptang in de pinnen vastgezet:

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. Ook stackmodules zijn een fraaie oplossing voor seinen.

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

Stack modules Naast de zelfbouwprojecten die ik beschrijf, heb ik ook een integraal systeem met stack modules ontworpen om modelspoorbanen te kunnen besturen. Klik hier voor info.