Anschlußbelegungen

Die Leistungselektronik wird über eine Reihe von Steckern mit den Netzteilen und der Peripherie verbunden. Im Folgenden werden die Pinbelegungen der Stecker spezifiziert und die elektrischen Eigenschaften der Anschlüsse zusammengefaßt.

Stromversorgung (PWR)

Diese sechspolige Buchse dient zum Anschluß von drei Netzteilen an die Leistungselektronik, die jeweils eine Spannung von 12 bis 14 Volt liefern. Eines der Netzteile speist die Weichentreiber, das zweite die Gleistreiber und das dritte übernimmt alle übrigen Funktionen wie die Signale, die Kontakte und die Logik auf der Platine. Die Netzteile der Anlage sind jeweils auf 10 Ampere Maximalstrom ausgelegt und bieten damit eine ausreichende Leistungsreserve.

Der Stromverbrauch hängt fast ausschließlich von der Peripherie ab, die Platine selber benötigt maximal 170 Milliampere. In der Anlage werden zweiadrige Leitungen in den Farben rot/schwarz mit einem Querschnitt von 2,5 mm² benutzt, um die Leistungselektroniken mit den Netzteilen zu verbinden. Diese Kabel können auch größere Ströme mit niedrigen Verlusten übertragen, von ihnen führen dann farbige Stichleitungen zu den einzelnen Platinen.

Signalanschlüsse (SIG0 bis SIG3)

Auf einer Leistungselektronik sind Anschlüsse für bis zu vier Signale vorhanden. Jeder dieser Stecker enthält eine Stromversorgung und drei Leitungen, die über Open-Collector-Ausgänge mit einer Impedanz von einem Kiloohm geschaltet werden können.

Die Leuchtdioden der Signale werden mit der Versorgungsspannung und den zu ihren Farbe gehörenden Pins verbunden. Externe Widerstände sind nicht erforderlich, nicht benötigte Pins dürfen offen gelassen werden. Jeweils vier Stecker teilen sich in der Spannungsversorgung eine Schutzdiode, daher darf die Peripherie an SIG0, SIG1, CON0 und CON1 beziehungsweise SIG2, SIG3, CON2, CON3 jeweils maximal ein Ampere verbrauchen. Der Strom wird von dem Netzteil geliefert, das den Logikteil versorgt.

An den Signalanschluß kann eine beliebige Schaltung angeschlossen werden, welche die drei Signalfarben als digitalen Eingangswert interpretiert und entsprechend darauf reagiert. Dabei muß nur beachtet werden, daß die Ansteuerung der Signale durch ein Schieberegister erfolgt. Bei einer Aktualisierung rotieren die Bits 20 Mikrosekunden lang durch die Leitungen, bis jedes seinen Zielort erreicht hat. Die Schaltung muß daher Tiefpässe gefolgt von Schmitt-Triggern an ihrem Eingang einsetzen, um dieses hochfrequente Rauschen zu unterdrücken.

Aktor an der Signalschnittstelle

Die Schaltung kann eine Grundlage für so eine Eingangsstufe sein. Der CMOS-Schmitt-Trigger funktioniert mit Spannungen bis 15 Volt und liefert an seinen Ausgängen High, wenn die entsprechende Leuchtdiode von der Leistungselektronik aktiviert wird. Die Spannung kann am Eingang auf 5 Volt reduziert werden, wenn die Elektronik dies erfordert.

Kontakteingänge (CON0 bis CON3)

Die Stecker der Kontaktanschlüsse enthalten ebenfalls eine Versorgungsspannung von 12 Volt. Dazu kommen zwei Eingänge, die intern über Pullup-Widerstände von 390 Kiloohm mit 5 Volt verbunden sind und von den Kontakten auf Masse gezogen werden müssen. Der fünfte Pin ist über einen Widerstand von einem Kiloohm fest mit Masse verbunden.

Der Aufbau des Steckers macht es möglich, einen normalen Kontakt mit drei benachbarten Adern anzuschließen. Außerdem kommt es zu keinen Schäden an der Leistungselektronik oder der Peripherie, wenn Signale oder Kontakte mit dem falschen Anschluß verbunden werden. Die maximale Stromaufnahme aus der Versorgungsspannung ist in den beiden Gruppen SIG0, SIG1, CON0, CON1 sowie SIG2, SIG3, CON2, CON3 auf jeweils ein Ampere begrenzt.

Wenn ein Sensor an diese Schnittstelle angeschlossen wird, muß er das Verhalten eines Kontaktes mit seinen zwei Reedkontakten imitieren. Dafür sind einige einfache Regeln zu beachten.

• Die beiden Eingänge dürfen nur entweder gleichzeitig oder im Abstand von mindestens 10 Millisekunden auslösen. Dies ist nötig, damit die Leistungselektronik eine eventuell vorhandene Reihenfolge sicher erkennen kann.
• Jeder Eingang muß mindestens 21 Millisekunden geschlossen bleiben, um sicher erkannt zu werden. Anschließend sollten die Eingänge relativ schnell wieder hochohmig geschaltet werden, damit sie wieder aufnahmebereit für neue Ereignisse werden.
• Nach dem Öffnen des letzten Kontaktes müssen mindestens 0,65 Sekunden vergehen, bis die Firmware das nächste Ereignis korrekt erkennen kann.

Das Interface auf Sensorseite besteht aus Open-Collector-Treibern, welche die Kontaktleitungen auf Masse ziehen können. Dafür eignet sich neben diskreten Transistoren ebenfalls ein integrierter Baustein mit mehreren Kanälen wie der ULN2003.

Sensor an der Kontaktschnittstelle

Die Ansteuerung der Lichtschranken im Bahnübergang ist ein Beispiel für einen Sensor nach diesem Schema.

Fahrstrom (TRK0 bis TRK1)

Die Ausgänge der beiden Gleistreiber sind jeweils über einen zweipoligen Stecker erreichbar. Die H-Brücke der Treiber kann jeden Pin einzeln mit Masse oder mit 12 Volt verbinden sowie hochohmig schalten. Die Ausgänge sind dabei gegen Kurzschlüsse und zu hohe Ströme gesichert, aus beiden zusammen dürfen maximal 2,7 Ampere entnommen werden.

Wird ein Ausgang auf Vorwärtsfahrt geschaltet, ist Pin 1 des Steckers mit Masse und Pin 2 mit 12 Volt verbunden, bei Rückwärtsfahrt ist es entgegengesetzt. Zum Bremsen werden beide Pins mit Masse verbunden, bei abgeschaltetem Treiber oder während der Pulsweitenmodulation sind die Ausgänge hochohmig. Der Fahrstrom wird aus einem eigenen Netzteil gespeist, seine Masse ist aber mit der Masse des Digitalteiles verbunden.

Die Leistungselektronik kann die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen eines Anschlusses messen, wenn beide ein Potential im Bereich von 0 bis 24 Volt relativ zur Fahrstrommasse aufweisen. Dies wird zur Messung der Geschwindigkeit fahrender Züge benutzt. Zusätzlich sendet der Motortreiber in regelmäßigen Abständen kurze Impulse über die Leitung, um angeschlossene Verbraucher zu erkennen, die jeweils eine Millisekunde dauern.

Weichen (PNT0 bis PNT3)

Die Ausgänge für Weichen, Lampen und ähnliche Peripherie enthalten eine Spannungsquelle, die über einen Umschalter mit den drei Pins des Steckers verbunden werden kann. Die Masse liegt fest an der mittleren Leitung, die Versorgungsspannung wird im Ruhezustand mit Pin 3 und bei Aktivierung mit Pin 1 verbunden. Der jeweils andere Pin ist hochohmig geschaltet.

Weichenantriebe werden nach dem Farbschema aus der Tabelle angeschlossen, Lampen und ähnliche Peripherie gehören an Pin 1 und 2, damit sie im Ruhezustand ausgeschaltet sind. Der Strom für die Ausgänge stammt aus einem eigenen Netzteil, die Leitungen sind von dem Rest der Schaltung galvanisch getrennt. Pro Ausgang kann ein Dauerstrom von einem Ampere entnommen werden. Zum Schutz der Relais müssen induktive Lasten wie die Weichenantriebe extern und möglichst dicht an der Peripherie mit Freilaufdioden oder ähnlichem versehen werden.

Testanschluß (SUP0)

An einem kleinen Stecker am Platinenrand kann eine Spannung von 12 Volt für beliebige Zwecke entnommen werden, beispielsweise um externe Schaltungen zu versorgen oder Gleise mit einem konstanten Strom zu versorgen (die Polarität ist auf Vorwärtsfahrt eingestellt).

Der Eingang kann allerings in keiner Form geschaltet werden. Er ist mit einem Dauerstrom bis 0,9 Ampere belastbar und bezieht diesen Strom aus dem Netzteil, für den Logikteil.

Serielle Schnittstellen (SER0 bis SER3)

Die seriellen Schnittstellen der Leistungselektronik entsprechen dem RS232-Standard. Auf der Platine sind Buchsen installiert, die Verbindung zum Rechner wird über Verlängerungskabel hergestellt, die nur die Leitungen RXD, TXD und GND enthalten müssen. Die Buchsen SER0 und SER1 können direkt benutzt werden, SER2/3 enthält aus Platzgründen zwei Schnittstellen, wobei DSR und DTR die Pins RXD und TXD der zweiten Schnittstelle tragen. An dieser Buchse kann ein Rechner angeschlossen werden, wenn das Verbindungkabel DTR nicht benutzt oder der Rechner diese Leitung ständig auf dem Ruhepegel hält. Anderenfalls muß der richtige Adapter dazwischen geschaltet werden.

Stephan Höhrmann
Letzte Änderung am 02.03.2006