Induktiver Stromsensor

Stromsensoren eignen sich für viele Zwecke. Insbesondere sind sie geeignet, Gleisfreimeldung, wobei allerdings alle Radsätze der verwendeten Fahrzeuge mit Widerständen versehen sein müssen. Daneben können sie aber auch als punktförmige Kontakte verwendet werden, bei denen es reicht, ein Triebfahrzeug bzw. einen führenden Steuerwagen (mit Stirnlicht) zu erkennen. Dann sind keine Achsen mit Widerstand erforderlich.

Während bei analogen Steuerungen oftmals eine Hilfsspannung erforderlich ist, um auch stehende Fahrzeuge zu erkennen, so ist dieses bei Digitalen Steuerungen wegen der permanent anliegenden Spannung nicht notwendig. Zudem reicht es wegen der ständig wechselnden Polarität aus, eine der beiden Polaritäten zu erkennen. Dafür muss die Richtung des Fahrzeugs auf anderem Wege festgestellt werden.

Digitale Systeme wie DCC erlauben es zudem wie bei jeder anderen "Wechselspannung", den Stromverbrauch auf induktiven Weg zu detektieren. Das Wechselspannung steht in Anführungszeichen, weil ein Digitalsignal keine übliche d.h. sinusförmige Spannung sondern ein Rechecksignal ist. Damit ergibt sich aber das Problem, dass es insbesondere an den Flanken des Signals durch parasitäre Kapazitäten zu kurzzeitigen Stromspitzen kommen kann, die bei zu empfindlichen Sensoren eine Belegung des überwachten Abschnitts vortäuschen.

Angeregt zur Verwendung eines induktiven Sensors wurde ich durch die Seiten von Rob Paisley. Dort ist auch ein solcher induktiver Sensor neben verschiedenen anderen Sensoren dargestellt. Bei den verwendeten VT-5 handelte es sich um Spulen von Coilcraft, die nicht mehr hergestellt werden. Sie wurden vertrieben von Jameco unter der Bezeichnung J9199-A, aber dort ist das einzige ähnliche Bauteil der Übertrager 164718PS, der im "Detector 5" bei der Teton Short Line verwendet wird.

Die am meisten verbreitete Methode zur Stromerkennung beruht auf dem Spannungsabfall über Dioden im Strompfad. Dioden eignen sich aufgrund des über weite Strombereiche nahezu konstanten Spannungsabfalls. Aber dieser Spannungsabfall stört insbesondere dann, wenn nicht alle Bereiche sondern nur wenige Teilbereiche mit Sensoren ausgestattet sind. Gerade wenn nur kurze Abschnitte im Bereich von Streckenmodulen überwacht werden sollen, ist eine Kompensation mit Dioden für die anderen Bereiche nur mit einem gewissen Aufwand möglich. Schottky-Dioden können hier auch wenig helfen, da ihre geringere Flussspannung nur für kleinere Ströme gilt. Bei größeren Strömen sind sie normalen Silizium-Dioden in Bezug auf den Spannungsabfall sogar unterlegen.

Zudem bietet die Methode mit den Dioden keine automatische galvanische Trennung zwischen dem Gleis und der Auswerteschaltung. Diese Trennung sollte aber beim Betrieb im FREMO gegeben sein, um einerseits Störungen durch die Fahrströme zu vermeiden und um Rückwirkungen der Sensoren auf das Gleissignal zu vermeiden. Insbesondere Masseschleifen können zu erheblichen Störungen führen. Bei den Sensoren mit Dioden wird eine galvanische Trennung meistens über Optokoppler erreicht. Entweder werden zwei Dioden in Reihe geschaltet und damit ein noch höherer Spannungsabfall in Kauf genommen, um die Leuchtdiode des Optokopplers direkt aus diese Spannung zu betreiben, oder es ist eine Verstärkerschaltung erforderlich, die sich aus der Gleisspannung versorgt.

Induktive Sensoren bieten eine galvanische Trennung bei einer nicht messbaren Veränderung des Gleissignals. Selbst wenn ein Fahrzeug auf der Trennstelle zwischen überwachtem und nicht überwachtem Bereich steht und über beide Bereiche Strom aufnimmt, findet eine Aufteilung des Stroms statt und der Sensor erkennt das Fahrzeug.

Der in einem induktiven Sensor verwendete Übertrager arbeitet wie ein Transformator. Dabei ist das durch die Spule gezogene Kabel die Primärwicklung, wobei man durch mehrfaches hindurchziehen die primäre Windungszahl erhöhen kann. Es werden aber nicht Spannungen sondern Ströme transformiert. Der hohe Strom am Gleis wird auf ein geringeres Maß herabgesetzt. Gleichzeitig steht mehr Spannung zur Verfügung. Damit lässt sich dann z.B. ein Transistor ansteuern. Bei einem Übertrager mit 50 Windungen und einer Primärwicklung wird also der Strom um den Faktor 50 verringert. Damit wird klar, dass eine geringe (sekundäre) Windungszahl der Spule den Sensor empfindlicher und eine höhere Windungszahl den Sensor unempfindlicher macht. Umgekehrt kann man die Zuleitung zum Gleis mehrmals durch die Spule führen, d.h. mehr als eine Primärwindung verwenden, und so die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Bei einem Windungsverhältnis von 1:50 werden die 1,5 mA, die eine Achse mit 10 kOhm bei einer Spannung von 15 V am Gleis verbraucht, in 30 μA umgesetzt; gerade eben ausreichend, um einen Transistor anzusteuern. Bei einem Kurzschlussstrom von 5 A werden 100 mA in die Basis eingespeist. Ein üblicher Transistor verkraftet aber bis zu 500 mA Basisstrom.

Der Widerstand dient der Dämpfung möglicher Schwingungen; die Diode verhindert hohe Spannungen über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors bei negativen Spannungen an dem Übertrager. Der Kondensator ist erforderlich, da der Transistor bei kleinen Strömen nur an der Flanke durchsteuert und bei einer Abtastung des Signals durch einen Controller die kurzen Pulse nicht sicher erkannt werden. Auch kann man so bei einfachen Anwendungen ohne Controller eine Abschaltverzögerung realisieren. Der Transistor kann eigentlich ein beliebiger Typ sein. Allerdings muss er für eine hohe Empfindlichkeit des Sensors den Kondensator schnell entladen können. Daher habe ich die C-Version des BC547 verwendet. Ein BC337-40 reagiert zunächst langsamer, kann aber mehr Strom ziehen, d.h. bei großen Werten für den Kondensator kann er zu einer größeren Empfindlichkeit führen.

Das entscheidende Bauteil ist der Übertrager. Nach langen Diskussionen mit Helmut Schäfer, dem ich an dieser Stelle danken möchte, habe ich mich für einen Typ mit 50 Windungen entschieden, um relativ empfindlich zu werden. Es gibt einen kommerziellen Sensor von NCE, bei dem ein Typ mit 200 Windungen verwendet wird. Dieser soll auch bei Strömen bis 20 A einsetzbar sein. Da im FREMO keine Booster für mehr als 5 A Verwendet werden und selbst bei 10 der Transistor nicht beschädigt würde, halte ich 50 Windungen für einen guten Wert. Spulen mit noch weniger Windungen sind zudem sehr selten.

	Bild 2: Schaltbild des Sensors für die Gleisumschaltung

Bei meiner Anwendung – der Gleisumschaltung – will ich nicht bei jedem Einsatz den Sensor abgleichen müssen, aber der Sensor muss nicht extrem empfindlich sein. Daher habe ich versucht auf das Potentiometer zu verzichten. Aber ein Test an einer wirklichen Anlage zeigte teilweise Besetztmeldungen auch bei leerem Gleis. Die Kapazität der Zwillingslitze bewirkte zumindest an den Flanken des DCC-Signals genügend Strom. Die Verzögerung in der Software machte den Sensor noch empfindlicher für diesen Effekt. Ein Kondensator an der Basis löste das Problem. Bei keinem der 28 auf dem Treffen in Alsfeld eingesetzten Sesoren kam es zu fehlerhaften Besetztmeldungen. Auch mit dem Kondensator ist der Sensor für diese Anwendung empfindlich genug.

Neben dieser einfachen Grundschaltung gibt es natürlich auch beliebig viele Erweiterungen und Variationen. Helmut Schäfer hat einige Schaltungen entwickelt, u.a. mit einem NE555, um zum einen einen Impuls definierter Länge zu erzeugen und um auch ein kleines Relais direkt ansteuern zu können.

	Bild 4: Eingangsschaltung der Gleisumschaltung

Bei der Gleisumschaltung habe ich die gleiche recht aufwendige Eingangsschaltung wie beim Streckenblock verwendet (siehe Bild 4). Gerade wenn man Kabel an fremden Modulen entlang zieht bzw. von anderen ziehen lässt kann man nie sicher sein, ob da nicht etwas anderes angeschlossen wird. Verwendet man den Sensor innerhalb der eigenen Betriebsstelle, kann im einfachsten Fall der Sensor direkt an einem Mikro-Controller angeschlossen werden. Ein äußerer Pull-up ist erforderlich, wenn einen die große Toleranz des integrierten Pull-ups stört. Bei Angst vor Fremdspannungen ist ein Längswiderstand und u.U. eine Zehner-Diode sinnvoll. Aufgrund des Kondensators am Sensor und der Entprell-Software im Atmel ist der Kondensator am Eingang auch nicht zwingend erforderlich.

Es gibt solche Spulen zur Strommessung von verschiedensten Herstellern, aber nicht bei den üblichen Versandhändlern für den Privatgebrauch. Daher muss man sich einen Distributor für die entsprechende Herstellerfirma suchen, der einem die Spulen in relativ kleinen Mengen liefert.

Ich habe den AS-100 von Nuvotem-Talema über Rutronik bezogen. Insgesamt wurden etwa 1000 Stück im FREMO verteilt.

	Bild 5: Ober- und Unterseite des ersten Prototyps

Zunächst wollte ich kleine Platinen fertigen lassen und mit SMD-Bauteilen bestücken. Aber dann stellte sich heraus, dass die Schaltung genauso einfach auf einem Stück Lochrasterplatine aufgebaut werden kann. Die Anschlüsse des Übertragers wurden flach aufgelötet und der Transistor ebenfalls flach auf die Platinen gelegt, um das Ganze dann mit einem Schrumpfschlauch überziehen zu können. Die Anschlusskabel sind zur Zugentlastung durch Bohrungen geführt.

Das Kabel am Sensor ist recht kurz und mit einem Cinch-Stecker versehen. Hier können dann je nach Anwendung verschieden lange Kabel angeschlossen werden. Durch den Kern habe ich ein kurzes Kabel geführt und mit 4mm Stecker und Kupplung versehen. So kann der Sensor durch einfaches Dazwischenstecken in die Verbindung zwischen den Modulen eingeschleift werden ohne das Steckerstifte offen liegen.

Dieser Abschnitt wird mit der Zeit weiter anwachsen. Bisher gibt es hier nur die ersten Erfahrungen von dem Test der Gleisumschaltung in Braunlage.

Braunlage 2006:

Zunächst hatte ich die internen Pull-ups des Mikro-Controllers abgeschaltet und hatte nur die externen 100 kOhm als Pull-up verwendet. Selbst bei einem Strom von 3 mA (zweimal 10 kOhm als Last) wurde bei eingeschaltetem internen Pull-up keine Belegung erkannt. Der Transistor konnte nicht so schnell den Kondensator ausreichend entladen. Ohne internen Pull-up wurden 3 mA dann sicher erkannt. Für die Erkennung von 10 kOhm müsste man dann die Zuleitung zum Gleis zwei mal durch den Kern führen. Für die Anwendung der Gleisumschaltung ist das aber nicht erforderlich.

Beim Aufbau stelle sich dann aber heraus, dass bereits zwei der vier mit Sensoren bestückten Module auch ohne Fahrzeug eine Besetztmeldung erzeugten. Dieses kann durch die kapazitive Last erklärt werden. Weil ich zunächst empfindlicher werden wollte hatte ich das Potentiometer zur Empfindlichkeitseinstellung nicht eingebaut. Nachdem die internen Pull-ups des Atmels wieder eingeschaltet waren, verschwand die Belegtmeldung bei freiem Modul. Allerdings bedeutet dieses, dass man nicht so einfach einen empfindlichen Sensor an ein Modul hängen kann. Für die Erkennung von 10 kOhm Widerstandsachsen muss der Sensor in der Empfindlichkeit an das Module angepasst werden. Ich werde weitere Tests machen, in wie weit man ohmsche und kapazitive Lasten erkennen kann, um diesen Abgleich zu vermeiden.

Ich habe den Sensor primär für die Gleisumschaltung entworfen. Dabei werden beliebige Streckenmodule durch Einschleifen des Sensors zur Erkennung eines Zuges herangezogen. Eine Modifikation am Modul ist nicht erforderlich. Auch kann der Sensor beliebig in eine der beiden Zuleitungen eingeschleift werden. Wenn also auf der einen Seite die Schienenprofile an der Modulkante zusammenstoßen und somit keine Trennung möglich ist, wird der Sensor in die Zuleitung für die andere Schiene eingefügt.

Bei der Gleisumschaltung werden 4 Sensoren benötigt. An jeder der beiden Trennstellen zwei Sensoren, um eine Annäherung eines Zuges von beiden Seiten (innerhalb und ausserhalb des Umschaltbereiches) zu erkennen. In diesem Fall sind die mit den Sensoren ausgestatteten Module am anderen Ende nicht weiter verbunden. Wird aber ein Modul innerhalb eines Boosterbezirks mit einem Stromsensor versehen, so müssen die dahinter liegenden Module über eine gesonderte Leitung versorgt werden, damit deren Strom nicht durch den Sensor fließt.

Neben der Gleisumschaltung sind viele weitere Anwendungen denkbar:

• Mitwirkkontakte beim Streckenblock
• Einschaltkontakte für Blinklichter und Schranken an Bahnübergängen.
• Freimeldung in Bahnhöfen, wenn wir es im FREMO schaffen, alle Achsen mit Widerständen auszurüsten.