Einrichtung zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer elektrisch angetriebener Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis

Abstract

 Die Einrichtung zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer elektrisch angetriebener Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis gestattet die bisher gebräuchlichen Modellfahrzeuge (4), die mit gleich- oder niederfrequentem Wechselstrom (2) betrieben werden, zusammen mit Fahrzeugen (11), die mit Hochfrequenzstrom (5) betrieben werden, gleichzeitig und voneinander unabhängig auf demselben Schienen-und Stromkreis (1) fahren zu lassen. Es wird die SpeiseWechselspannung (5) mittels elektronischer Einrichtungen (13, 15-17) so geschaltet, dass aus der SpeiseWechselspannung ein pulsierender Strom mit einem Gleichanteil den betreffenden Fahrmotoren (14) zugeführt wird, wobei die Gleichspannung für den Betrieb der bekannten Fahrzeuge bzw. die niederfrequente Wechselspannung (2) die Energieaufnahme der Fahrzeuge (11), die mit dem Hochfrequenzstrom betrieben werden, nicht beeinflusst.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] In der Spielwarentechnik, z.B. bei dem Betrieb einer Modelleisenbahn besteht der Wunsch, mehrere Fahrzeuge unabhängig voneinander auf einem Stromkreis zu steuern und zu betreiben. Bisherige Lösungen ermöglichen dieses nur unvollkommen.

[0003] In einer konventionellen Modellbahnanlage wird das Fahrverhalten der Modellzüge über eine Niedervoltspannung, die mittels eines Leiters (Schienen und/oder Oberleitung) den Antriebsmotoren zugeführt wird, geregelt. Sollen mehrere Züge in der Modellanlage unabhängig voneinander fahren, müssen diese sich auf verschiedenen voneinander isolierten Stromkreisen befinden. Auf einem Stromkreis kann nur ein einziger Zug unabhängig-vom anderen betrieben werden.

[0004] Eine häufig verwendete Anlage zum Steuern eines zusätzlichen Zuges auf ein und demselben Stromkreis bedient sich einer dem konventionellen Gleichstromkreis überlagerten Wechselspannung. Diese liefert die vom zweiten Zug benötigte Energie und steuert durch Variieren der Amplitude und Phäsenlage gleichzeitig die Geschwindigkeit des zweiten Zuges. Bei der Verwendung von Netzfrequenz (50 Hz bzw. 60 Hz) treten jedoch unerwünschte Leistungsminderung und zusätzliche mechanische und thermische Belastungen der Fahrmotoren auf. Nachteilig ist außerdem die Beschränkung auf nur zwei Züge auf einem Stromkreis. Dieses System ist unter dem Namen TRIX-e.m.s.-Mehrzugsystem bekannt (Eisenbahn Magazin 2/75 S. 44-46). Außerdem enthält die in dem Fahrzeug untergebrachte Schaltung Trennkondensatoren, die einer Miniaturisierung hinderlich sind.

[0005] Das ROT-10-Zug-System (Miniaturbahnen 3/1966 S. 103-106 und 111-114) benutzt eine konstante Gleichspannung zur Energieversorgung der Fahrzeuge und verschiedene Frequenzen zur Ansteuerung derselben. Bei der Anwendung dieses Systems muß der konventionelle Betrieb mit gleichspannungs- bzw. wechselspannungsgesteuerten Fahrzeugen aufgegeben werden.

[0006] Bei den bekannten Tonfrequenzsteuerungen wird die Betriebsenergie ebenfalls als Gleich- oder netzfrequente Wechselspannung zugeführt (Märklin Magazin 2/1970 S. 10-13 und 3/1975 S. 22-23, Auslegeschrift 27 58 509, Auslegeschrift 1 075 030). Ein gleichzeitiger konventioneller Betrieb wird dadurch ausgeschlossen.

[0007] Die mangelnde Kompatibilität der konventionellen Betriebsweise mit den genannten Mehrzugssystemen macht die Anwendung bei großen Anlagen problematisch, weil die Vielfalt der Möglichkeiten durch Unterteilung des Schienensystems in eine Reihe konventioneller Stromkreise aufgegeben werden muß und die Mehrzugsysteme nur eine sehr begrenzte Anzahl von Modellfahrzeugen ermöglichen.

[0008] Ein nach der Offenlegungsschrift 2 305 112 bekanntgewordenes Verfahren ermöglicht zwar die Beibehaltung des konventionellen Betriebes, verwendet aber für jeden zusätzlichen Zug eine Wechselspannung mit individueller Frequenz. Die damit gesteuerten Züge benötigen zur Selektion passive Bauelemente, z.B. Kondensatoren, die für die aus der zugeordneten Wechselspannung gezogene Leistung einen genügend kleinen Widerstand darstellen müssen. Sie stellen dadurch ein Hindernis für die Miniaturisierung dar und erlauben nicht die Integration in eine Schaltung, die in Modelle der Spurweite N paßt.

[0009] Zusammenfassend gilt die Annahme, daß bestehende Einrichtungen entweder nicht kompatibel mit dem konventionellen Betrieb gleichspannungs- oder netzfrequent-wechselspannungsgesteuerter Anlagen sind oder der Gleich- bzw. netzfrequente Wechselstrom von den Fahrzeugen der Mehrzugsteuerung durch passive Schaltelemente ferngehalten werden muß.

[0010] Zu dem Zweck wird der Wechselstrom der elektrischen Schaltung über einen Kondensator zugeführt, der für den Gleichstrom einen unendlich großen Widerstand darstellt. Damit der Widerstand gegenüber dem speisenden Wechselstrom genügend klein bleibt, muß die Kapazität hinreichend groß sein, wobei die mechanischen Abmessungen für den Einbau in kleine Modellbahnen auch bei Frequenzen um 20 kHz ein Hindernis darstellen. Weiterhin enthalten die Informationsempfänger passive Bauelemente, die zu Filtern zusammengeschaltet sind, um einen selektiven Empfang der Steuerinformation zu ermöglichen. Daraus ergibt sich ebenfalls unerwünschter Platzbedarf und Kosten.

[0011] Aus den dargestellten Mängeln der bestehenden Systeme ergibt sich die Aufgabenstellung.

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf ein und demselben Stromkreis konventionell betriebene Modellfahrzeuge, deren Fahrtrichtung durch Höhe und Polarität einer angelegten Spannung gesteuert wird, und ferngesteuerte Modellfahrzeuge gleichzeitig ohne gegenseitige Beeinflussung zu betreiben, wobei zur Informationsübertragung auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden kann, die Energieentnahme der ferngesteuerten Modellfahrzeuge aber in neuartiger Weise so gelöst wird, daß die Energie für die ferngesteuerten Modellfahrzeuge in einer Form an den Stromkreis gelegt wird, daß konventionelle Modellfahrzeuge davon nicht beeinflußt werden und daß die Energie für ferngesteuerte Modellfahrzeuge durch ausschließlich aktive, d.h. leicht integrierbare elektronische Bauelemente dosiert entnommen wird, ohne gleichzeitig der für konventionell betriebene Modellfahrzeuge bereitgestellten Energie Teile zu entziehen.

[0013] Die Erfindung vermeidet die oben genannten Nachteile und ist durch die im Anspruch 1 beschriebene Einrichtung gekennzeichnet. Vorteilhafte Einzelheiten sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0014] Weitere Einzelheiten ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel nach Figur 1.

[0015] An ein stromleitendes Schienenpaar 1 wird eine konventionelle, einstellbare, umpolbare Gleichstromquelle 2 in Reihe mit einer Drossel 3 angeschlossen. Die Drossel 3 bildet für Gleichstrom einen kleinen, für auf der Schiene überlagerten Wechselstrom jedoch einen großen Widerstand. Hierdurch wird ein Abfließen von Wechselströmen über die Gleichstromquelle vermieden. Diese Anordnung reicht bereits aus zum Betrieb eines konventionellen gleichstrombetriebenen Zuges 4.

[0016] Zur Energiespeisung zusätzlicher ferngesteuerter Züge ist eine Wechselstromquelle 5 in Reihe mit einem Siebglied 6 parallel auf das Schienenpaar 1 geschaltet. Das Siebglied 6 verhindert, daß die Wechselstromquelle von Gleichstrom und von gegenüber dem Wechselstrom höherfrequentem Strom durchflossen wird. Die Wechselstromfrequenz liegt in diesem Ausführungsbeispiel an der oberen Hörgrenze. Gegenüber dieser Frequenz bilden die Fahrmotoren einen so großen Widerstand, daß sie nur von einem vernachlässigbar geringen Wechselstrom durchflossen werden, der weder eine zusätzliche Erwärmung noch eine mechanische Beanspruchung bewirkt.

[0017] Die Information über den gewünschten Fahrzustand stellt der Bediener in diesem Ausführungsbeispiel über Stellknöpfe 7 ein, von denen je einer einem Zug zugeordnet ist. Die Einstellung dieser Stellknöpfe wird von einem Mikroprozessor 8 abgefragt und zur Information, die die einzelnen Fahrzeuge erhalten sollen, umgewandelt und parallel an ein parallelserielles Ubertragungsinterface 9 weitergegeben. Dieses sendet die Information in pulscodierter Form auf die Schiene, wobei die Kopplung über den Kondensator 10 erfolgt und die Pulsdauer so kurz gewählt wird, daß die Drossel 3 und das Siebglied 6 für die Signale eine hohe Impedanz darstellen.

[0018] In diesem Ausführungsbeispiel gelangt die Information über den gewünschten Fahrzustand über das Schienenpaar 1 und den Kondensator 12 in den Empfänger 17. Dieser erkennt anhand der empfangenen Information, ob diese für das Fahrzeug 11 gilt. Ist das der Fall, wird diese in den digitalen Speicher 16 geladen, welcher die Information ständig an den Leistungssteller 15 legt. Dieser betätigt die einzelnen elektronischen Schalter der Schaltergruppe 13 zur Erzeugung des gewünschten Fahrstroms am Motor 14.

[0019] Die Form der Informationsübertragung ist hier in einem Beispiel geschildert. Sie kann aber auch in völlig anderer Weise nach bekannten Verfahren erfolgen.

[0020] Gemäß der empfangenen Information betätigt der Leistungssteller 15 die Schalter der Schaltergruppe 13 so, daß aus der Speisewechselspannung an den Punkten A und B eine Gleichstrompulsfolge an den Anschlüssen des Fahrmotors a und b entsteht, deren Polarität von der gewünschten Drehrichtung und deren Gleichstrommittelwert von der gewünschten Leistung abhängt. Aus einer der Speisewechselspannung überlagerten Gleichspannung entsteht gleichzeitig an den Anschlüssen des Fahrmotors eine Wechselspannung, deren Frequenz gleich der der Speisewechselspannung ist. Sie beeinflußt den Fahrmotor nicht. Dazu enthält der Leistungssteller 15 Schaltungen üblicher Art, die die Nulldurchgänge der Speisewechselspannung erkennen können.

[0021] Die geringe Energie für die elektronische Schaltung zur Steuerung der Schaltergruppe 13 wird aus der Speisewechselspannung über einen Kondensator 12 entnommen und aus der Stromversorgung 18 für die übrigen Schaltungsteile bereitgestellt.

[0022] Figur 2 zeigt schematisch die Ausführung der Schaltergruppe. Vier elektronische Schalter 19, 20, 21 und 22 werden zu einem Ring verbunden. Wie bei einer Gleichrichterbrücke liegt die Speisespannung an dem gemeinsamen Punkt von 19 und 22, Punkt A, und von 20 und 21, Punkt B. Der Fahrstrom für den Modellmotor wird an den beiden übrigen Anschlußpunkten a und b entnommen. Die Schalter 19 und 21 werden gemeinsam betätigt, ebenso wie die Schalter 20 und 22.

[0023] Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Wirkungsweise der Schaltergruppe 13 auf die Speisewechselspannung. Die Spannung Uw liegt an den Punkten A und B. Die Spannung Uws an den Punkten a und b. Sind während der positiven Halbwelle von Uw die Schalter 19 und 21 und während der negativen Halbwelle die Schalter 20 und 22 geschlossen, so entsteht die Spannung Uws als positiver Pulsstrom. Werden 19 und 21 bei der negativen Halbwelle und 20 und 22 bei der positiven geschlossen, wird Uws zum negativen Pulsstrom. Gezeigt wird hier die Wirkungsweise der Schalter bei maximaler Leistung des Fahrmotors. Die Leistung wird je nach gewünschter Fahrstufe verringert, indem in einigen Perioden der Speisewechselspannung alle Schalter geöffnet bleiben, so daß keine Leistung übertragen wird. Durch einen Wechsel der Perioden mit voller und anderer ohne Leistungsübertragung ergibt sich der gewünschte Mittelwert. Bei mittlerer und hoher Fahrleistung wechseln sich Perioden mit und ohne Leistungsübertragung in so schneller Folge ab, daß die mechanische Trägheit des Motors ein gleichmäßiges Drehmoment erzeugt. Bei extrem geringer Leistung (langsames Anfahren) wird auch das Drehmoment pulsförmig, ein zur überwindung der Reibung bekannter sehr nützlicher Effekt.

[0024] Figur 4 zeigt die Wirkungsweise der Schaltergruppe 13 auf einen an A und B gelegten Gleichstrom U_G. Werden die Schalter 19 und 21 bzw. 20 und 22 im gegenseitigen Wechsel periodisch mit dem Tastverhältnis 1 geschlossen, entsteht eine Wechselpulsfolge U_Gs mit der Schaltfrequenz und dem Gleichwert null.

[0025] Figur 5 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Einstellung der Fahrleistung. Durch Variation der Schaltzeitpunkte der elektronischen Schalter gegenüber den Nulldurchgängen der Speisewechselspannung ergibt sich ein geänderter Gleichstrommittelwert, der maximal ist, wenn Schaltzeitpunkte und Nulldurchgänge gleichzeitig erfolgen und minimal wird, wenn die Schaltzeitpunkte um eine viertel Periodendauer gegenüber den Nulldurchgängen der Speisewechselpannung verzögert. sind. Uw bedeutet Speisewechselspannung, Uws der Fahrstrom bei maximaler und Uwso der bei minimaler Leistung.

[0026] Die elektronische Schaltung des ferngesteuerten Fahrzeugs 11 umfaßt also den kleinen Kondensator 12, die Schaltergruppe 13, den Empfänger 17, Speicher 16, Leistungssteller 15 und Stromversorgung 18. Diese Schaltungsteile sind in einer integrierten Schaltung auf kleinem Raum zusammengefaßt und zweckmäßigerweise mit 4 lösbaren Kontakten a, b und A, B versehen, die das leichte Auswechseln der Schaltung ermöglichen. Wird für ein Fahrzeug der konventionelle Betrieb durch Gleichstrom gewünscht, ist die Schaltung leicht gegen eine äußerlich gleichaussehende Einheit auszutauschen, die die Punkte aA und bB untereinander durch zwei Brücken verbindet.

[0027] Neben dem geschilderten Ausführungsbeispiel sind zur Steuerung weiterer elektrischer Verbraucher in einem ferngesteuerten Fahrzeug Ergänzungen der mobilen Schaltung vorgesehen. Diese bestehen in einer Erweiterung des Speichers 16, so daß zusätzlich zum gewünschten Fahrzustand Information über den Ein- oder Ausschaltzustand weiterer Verbraucher wie Zugbeleuchtung, Geräuschgeber, elektromagnetische Kupplungen usw. gehalten werden kann, die dann direkt weitere elektronische Schalter zum Schalten dieser Zusatzfunktionen betätigt.

[0028] Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt eine Realisierung der Schaltergruppe 13, desLeistungsstellers 15 und des Speichers 16, bei der die steuerbaren elektronischen Schalter nur in einer Richtung vom Strom durchflossen werden und auch nur in einer Richtung an Spannung liegen.

[0029] Figur 6 zeigt diese Anordnung.

[0030] Die Schienenkontakte A und B sind verbunden mit den Wechselstromeingängen A' und B' eines Gleichrichters 23, der an den Anschlüssen c und d die gleichgerichtete Schienenspannung erzeugt. c ist gegenüber d stets positiv. Der Gleichrichter 23 ist in seiner Funktion ein Gebilde aus Schaltern, das,ähnlich wie die in Figur 2 gezeigte Schaltergruppe, den Anschluß A' mit c oder d und den Anschluß B' mit c oder d verbinden kann. Der Schaltvorgang ist jedoch ausschließlich von der Spannung zwischen den Schienenanschlüssen bestimmt und sonst nicht beeinflußbar. Damit nun die Anschlüsse a und b des Motors 14 in gewünschter Weise mit den Schienenanschlüssen A und B verbunden werden können, sind zusätzliche steuerbare Schalter 24 bis 27 vorgesehen, die von demLeistungssteller 15 wie folgt angesteuert werden.

[0031] Der Leistungssteiler 15 erhält die Information über den gewünschten Fahrzustand aus dem Speicher 16 und ermittelt über zwei, mit d und B' verbundene Fühlerleitungen, ob durch den Gleichrichter 23 A mit c und B mit d oder ob A mit d und B mit c verbunden ist. Ist beispielsweise A mit c und B mit d verbunden und soll schließlich A mit b und B mit a verbunden werden, werden Schalter 27 und 26 geschlossen. Durch eine geeignete Verknüpfung der Signale aus dem Speicher 16 und dem Gleichrichter 23 kann der Motor 14 so mit dem Schienenpaar 1 verbunden werden, daß wie im ersten Ausführungsbeispiel aus der Speisewechselspannung an den Punkten A und B eine Gleichstrompulsfolge an den Anschlüssen des Fahrmotors a und b entsteht, deren Polarität von der gewünschten Drehrichtung und deren Gleichstrommittelwert von der gewünschten Leistung abhängt. Die Wirkung auf überlagerte Gleich- oder niederfrequente Wechselspannung ist wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

[0032] Um ein Abfließen der durch die Induktivität des Motors 14 bedingten Freilaufströme zu ermöglichen, sind die Dioden 28 bis 31 und der Überspannungsableiter 32 vorgesehen.

[0033] In einem dritten Ausführungsbeispiel ist die Speisewechselspannung als Rechteckspannung gewählt, die ohne Gleichanteil zwischen einer positiven und einer betragsmäßig gleichen negativen Spannung wechselt und betragsmäßig stets größer ist als zum Betrieb konventioneller Modellfahrzeuge bestimmte überlagerte Spannungen. In dem Fall ist der Schaltzustand des Gleichrichters 23 allein von der Polarität der Speisewechselspannung abhängig. Eine Ermittlung des Schaltzustandes durch denLeistungssteller 15 kann dann entfallen.

Ansprüche

1. Einrichtung zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer elektrisch angetriebener Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis, wobei Fahrzeuge eines ersten Fahrzeugtyps mittels Gleich-oder niederfrequenter Wechselspannung und Fahrzeuge eines zweiten Fahrzeugtyps gleichzeitig und unabhängig voneinander betrieben werden sollen
unter Verwendung einer stationären elektronischen Steuerschaltung und von auf jedem Fahrzeug des zweiten Fahrzeugtyps befindlicher elektrischer Schaltungen, denen Informationen für die gewünschten Fahrzustände von der stationären Schaltung gesendet werden,
und einer Speisewechselspannungsquelle für die Fahrzeuge des zweiten Fahrzeugtyps, deren Frequenz so hoch gewählt ist, daß keine Beeinflussung der Fahrzeuge des ersten Fahrzeugtyps eintritt,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Information in eine erste Einrichtung/der elektrischen Schaltung zusammen mit der Schienenspannung eingegeben wird und diese erste Einrichtung die Spannung mittels Schaltergruppe 13 (bzw. 19 bis 22) abhängig von der Information und dem momentanen Spannungszustand so schaltet, daß aus der Speisewechselspannung ein pulsierender Strom mit einem Gleichanteil gemäß der gewünschten DrehrichtungundLeistung dem Fahrmotor/zugeführt wird und daß die der Speisewechselspannung gleichzeitig überlagerte Gleich- oder niederfrequente Wechselspannung in eine Pulsspannung mit wechselnder Polarität, dem Gleichwert Null und der Frequenz der Speisewechselspannung umgewandelt wird, so daß eine Energieaufnahme des Fahrzeugmotors/aus der Gleich- oder niederfrequenten Wechselspannung verhindert wird.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
neben der ersten Einrichtung weitere Schaltergruppen zur Leistungszufuhr weiterer elektrischer Verbraucher des gleichen Fahrzeugs vorhanden sind.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung neben der ersten Einrichtung zum Empfang der Information über den gewünschten Fahrzustand und zur Steuerung der Schaltergruppe für den Fahrstrom weitere Einrichtungen zum Empfang von Informationen zur Steuerung weiterer Verbraucher und Steuerung der zu den jeweiligen Verbrauchern gehörenden Schaltergruppen enthält.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung in integrierter Bauweise ausgeführt und in einem Gehäuse mit lösbaren Kontakten untergebracht ist, so daß ein leichter Austausch gegen eine andere Schaltung möglich ist, insbesondere gegen ein äußerlich gleich aufgebautes Element, das den Fahrmotor über die lösbaren Kontakte direkt mit der Schiene verbindet, wodurch ein Fahrbetrieb des ersten Fahrzeugtyps ermöglicht wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet
daß die Speisewechselspannung eine Rechteckspannung ist, die betragsmäßig stets größer ist, als die Gleich-oder niederfrequente Wechselspannung der Spannungsquelle (2) für die Fahrzeuge des ersten Fahrzeugtyps.

6. Einrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet
daß zur Einstellung der Fahrleistung die Schaltzeitpunkte der Schalter 19 und 21 bzw. 20 und 22 im gegenseitigen Wechsel periodisch gegenüber den Nulldurchgängen der Speisewechselspannung variiert werden.

Zeichnung