Die nachfolgende Beschreibung wurde mit größter Sorgfalt erstellt. Trotzdem erfolgt der Nachbau auf eigene Gefahr und wir übernehmen weder Verantwortung noch Haftung für eventuell entstehende Schäden jedweder Art.

Worum geht's ?

Dieses Projekt dient als Startampel für SCX-Digital, Carrera-Digital und Analog Bahnen.

Bei einem Rennstart beginnt die Startampel den Rennstart "herunter zu zählen" und solange sie nicht grün zeigt wirdbei Digital-Bahnen jedes Losfahren als Frühstart gewertet. Be, Erkennen eines Rennendes, wechselt die Anzeige kurzzeitig auf rot. Auf Wunsch kann der Ablauf der Startampel und das Rennende von einem Piep-Ton begleitet werden.

Bei Anschluss eines TTL-USB Konverters kann die Platine als Protokollleser dienen und die Bahndaten an einen Rechner senden.

Die SCX Variante der Startampel ist in diesem Video zu sehen.

Features

• 7 Ausgänge - 5 für rote und je einer für grüne und gelbe LEDs
• Bis zu 10 LEDs pro Ausgang.
• Rennstart und Rennendeerkennung durch das Terminal.
• Eingang zum Start der Startampel unabhängig vom Terminal.
• Eingang zum manuellen Start Gelbphase.
• Beeper oder Lautsprecher zur Tonausgabe.
• Serielle TTL Schnittstelle für Protokollleserfunktion.

SCX-Digital Betrieb

Ein Rennen wird über die Start/Race Taste gestartet und entweder automatisch vom Terminal oder ebenfalls über die Start/Race Taste beendet. Während des Ablaufs der Startampel findet eine Frühstarterkennung statt.

SCX sieht keine Terminal gesteuerte Gelbphase vor.

Hat man eine Taste für manuellen Rennstart/Rennende angeschlossen, und betätigt diese, so läuft das entsprechende Ausgabeprogramm der Startampel ab. Allerdings weiß das Terminal nichts davon und somit sind Anzeige und Rennstatus nicht mehr synchron. Während des Ablaufs der Startampel ist die Frühstarterkennung aktiv.

Hat man eine Taste für eine manuelle Gelbphase angeschlossen, so zeigt die Startampel diese beim ersten Drücken an und beim zweiten Drücken, blinken die gelben Leds für 5 Sekunden bevor die Startampel Rennbetrieb anzeigt.

Über die serielle Schnittstelle werden die ganze Zeit über die Daten von den Schienen übertragen. Die Daten werden zeilenweise übertragen. Alle Zeichen sind ASCII Zeichen.

Die Zeile beginnt mit 18 Hexzeichen, die 9 Bytes ((Most sginificant Nibble First)) bilden. Diese entsprechen dem Datenpaket wie in der SCX Dokumentation beschrieben. Danach folgen getrennt durch ein Leerzeichen 4 weitere Bytes (8 Hexzeichen, (Most sginificant Nibble First)), die einen Timestamp mit einer Auflösung von 1 ms darstellen. Die Zeile endet mit einem Carriage Return.

Carrera-Digital Betrieb

Die Startampel wird komplett über die BB gesteuert und richtet sich nach den Anzeigen der BB bzw. CU. Es ist zu Beachten, dass bei der BB eine Gelbphase mit einer kurzen Blinkzeit endet, während bei der CU die Gelbphase ohne Übergangsphase endet. Während eines Rennstarts ist die Frühstarterkennung aktiv.

Hat man eine Taste für manuellen Rennstart/Rennende angeschlossen, und betätigt diese, so läuft das entsprechende Ausgabeprogramm der Startampel ab. Allerdings wissen CU und BB nichts davon und somit sind Anzeige und Rennstatus nicht mehr synchron. Während des Ablaufs der Startampel ist die Frühstarterkennung aktiv.

Hat man eine Taste für eine manuelle Gelbphase angeschlossen, so zeigt die Startampel diese beim ersten Drücken an und beim zweiten Drücken, blinken die gelben Leds für 5 Sekunden bevor die Startampel Rennbetrieb anzeigt. CU und BB wissen auch hiervon nichts und somit sind Anzeige und Rennstatus nicht mehr synchron.

Über die serielle Schnittstelle werden die ganze Zeit über die Daten von den Schienen übertragen. Die Daten werden zeilenweise übertragen. Alle Zeichen sind ASCII Zeichen.

Die Zeile beginnt mit 4 Hexzeichen, die 2 Bytes bilden (Most sginificant Nibble First). Diese enthalten die Bahndaten rechtsbündig angeordnet, wie in der Carrera Dokumentation beschrieben. Danach folgen getrennt durch ein Leerzeichen 4 weitere Bytes (8 Hexzeichen, (Most sginificant Nibble First)), die einen Timestamp mit einer Auflösung von 1 ms darstellen. Die Zeile endet mit einem Carriage Return.

Analog Betrieb

Ein Rennen kann nur über die Taste für manuellen Rennstart/Rennende gestartet oder beendet werden. Betätigt man diese, wenn kein Rennen läuft, so , so läuft das "Startprogramm" der Startampel ab. Drückt man ein zweites mal, so wird ein Rennende angezeigt.

Hat man eine Taste für eine manuelle Gelbphase angeschlossen, so zeigt die Startampel diese beim ersetn Drücken an und beim zweiten Drücken, blinken die gelben Leds für 5 Sekunden bevor die Startampel Rennbetrieb anzeigt.

Man kann die Startampel auch über die serielle Schnittstelle abfragen und steuern. Die Dokumentation folgt noch.

Hardware

Gelb-Kern

Der Kern der Startampel ist der gelb hinterlegte Teil. ER enthält Prozessor und die für seinen Betrieb notwendigen Komponenten.

Lila-diverse Schnittstellen

Der lila Teil enthält die Schnittstellen, die nur durch mechanische Bauteile gebildet werden dazu gehören:

der Schalter für die Betriebsartenwahl

der Programmierstecker, den man aber nur benötigt, wenn man selbst geschriebene Programme auf den Prozessor spielen möchte,

die serielle Schnittstelle ist auf eine Steckerleiste geführt, die zu diesem TTL-Seriell Adapter von FTDI passt. Man sollte die 5V Version verwenden. Verwendet man statt eines FTDI Kabels eine PC-Unit für die Verbindung zum Rechner, so muss man statt der Diode D3 eine Brücke einlöten um die PC-Unit mit Spannung zu versorgen. Außerdem benötigt man ein Adapterkabel um die PC-Unit mit der Steckerleiste verbinden zu können. Die Belegung des Adapterkabels findet sich weiter unten.

Grün-Spannungsversorgung

Die Schaltung verwendet zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen 5V für den Prozessor und sein drumherum, und eine höher Spannung für die LEDs und die Tonausgabe. Man könnte die beiden letzteren zwar auch mit 5V versorgen, aber es würde zu erhöhtem Stromverbrauch und entsprechender Erwärmung der Startampel führen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Spannungsversorgung. Es seien nur zwei Varianten beschrieben, die mit der jeweils einfachsten Art der Spannungsversorgung für SCX-Digital und Carrera-Digital Bahnen.

SCX Digital Normalbetrieb: Die beiden äußeren Fahrbahnleiter werden mit Pin 1 und Pin 2 verbunden. Welcher Leiter mit welchem Pin verbunden wird ist irrelevant. Der mittlere Leiter unter der Fahrbahn wird mit Pin 3 des Steckers SV-4 verbunden. Die Eingangsspannung beträgt nominal 18V.

Carrera Digital Normal Betrieb: Die beiden äußeren Fahrbahnleiter werden mit Pin 1 und Pin 2 verbunden. Welcher Leiter mit welchem Pin verbunden wird ist irrelevant. Pin 3 und Pin 4 des Steckers SV-4 werden miteinander verbunden. Die Eingangsspannung beträgt bei D124 nominal 18V, bei D132 und D143 nominal 15V.

Bei Analogbahnen verbindet man den Niederspannungs-Ausgang des Netztgeräts der Bahn mit den Pins 1 und 2. Welcher Pol mit welchem Pin verbunden wird ist irrelevant. Pin 3 und Pin 4 des Steckers SV-4 werden miteinander verbunden. Verwendet man für den Bahnbetrieb ein einstellbares Netzgerät und verändert die Bahnspannung zwischen Rennen deutlich, so kann man die Startampel auch mit einem eigenen Netzteil versorgen, dass man statt des Bahnnetzgerätes mit den Pins 1 und 2 verbindet. Die Höhe der Eingangsspannung richtet sich nach dem eingesetzten Netzgerät bzw. dessen Einstellung.

Orange-Led Treiber und Anschlussleiste

Auf der Anschlussleiste SV-1 werden 11 Signale herausgeführt. Sieben davon können nur als Ausgang verwendet werden, da ihre Ausgangsleistung mit einem Transistorarray verstärkt wird. Diese 7 Ausgänge werden für die direkte Ansteuerung der LEDs verwendet.

Zwischen Stecker und Transistorarray liegen noch die Widerstände R9 bis R15. Diese bestimmen zusammen mit der Ledspannung die Helligkeit der LEDs

Bei SCX und D124 Normal Betrieb beträgt die LED Spannung 16,5V. Im Carrera D132 und D143 Normal Betrieb 13,5 V. Betreibt man die Startampel mit einer Analog Bahn oder einer Digital Bahn mit einstellbaren Netzteil, so entspricht die LED Spannung der Eingangsspannung - 1,5V.

Die Widerstandswerte können sich je nach Ledbestückung auch auf der selben Platine unterscheiden.

Weiter unten auf der Seite werden verschiedene Varianten mit der zugehörigen Widerstandsberechnung aufgezeigt.

Rot-Tonausgabe

Das Tonsignal kann über einen Lautsprecher oder einen Piezowandler ausgegeben werden. Der Wert des Widerstandes R7 richte sich nach der Versorgungsspannung der LEDs, und der Maximalspannung und dem Stromverbrauch des Piezo Wandlers. Bei dem angegebenen Typ verwendet und der für SCX typischen Spannung von 18V verwendet man einen 180 Ohm Widerstand. Der Wert berechnet sich aus :

(Ledspannung - Wandlerspannung) / Stromaufnahme des Wandlers

Im SCX Normal Betrieb beträgt die Ledspannung etwa 16,5 V. Das ist die Bahnspannung von 18V - 1,5 V von Diodendurchlasspannungen die im "Versorgungszweig" liegen.

Bei SCX Normal Betrieb und dem in der Stückliste angegebenen Wandler ergibt sich:

(18V[Bahnspannung] - 1,5V [Dioden im Spannungsversorgungszweig] - 12V [Maximale Spannung des Wandlers]) / 0,025A (Stromaufnahme des Wandlers) = 180 Ohm.

Und zur Abwechslung, gibt es sogar einen passenden Widerstand - einen mit 180 Ohm.

Blau-Signaleingang

Hier wird das Signal der Fahrbahnleiter auf für den Prozessor verträgliche 5V reduziert. Am Eingang befindet sich ein Gleichrichter, der dafür sorgt, dass es egal ist welchen der beiden Eingänge man mit welchem Fahrbahnleiter verbindet. Das Signal wird dann über einen Transistorschalter auf 5V reduziert.

Die LEDs

Die Schaltung unterstützt zwei generelle Arten von Startampeln. Die eine hat 5 rote LED-Stränge und je einen gelben und einen grünen. Die andere Art hat nur die roten und den grünen, aber keinen gelben Ledstrang, und zeigt eine Gelbphase über blinkende LEDs an.

Die LED-Stränge werden mit den entsprechenden Pins von SV1 verbunden. Der Pluspol (Anode, langes Bein) eines jeden Strangs mit Pin 14 (Ledspannung) und der Minuspol (Kathode) mit einem der Pins 3 bis 8 oder 10.

Jeder Ledstrang wird von einem Transistor in IC1 geschaltet. Die Widerstände R9 bis R15 bestimmen die Helligkeit des jeweiligen Stranges und müssen je nach Ausbauvariante gewählt werden. R9 gehört zum ersten roten Strang und R13 zum fünften. R14 gehört zum gelben Strang und R15 zum grünen Strang.

Alle Transistoren zusammen können bis zu 500mA treiben. Das sind 70mA pro Ledstrang.

Die für uns interessanten technischen Daten einer LED sind die Durchlassspannung und die Stromaufnahme. "Normale" LEDs haben eine Stromaufnahme von 20mA. Die Durchlassspannung richtet sich nach der Farbe der lED typische Werte sind der Tabelle im Seitenstreifen zu entnehmen. Die genauen Daten sind dem Datenblatt der jeweiligen LED zu entnehmen.

Schließt man eine LED an einem Strang an, berechnet sich der Widerstand

R = (Ledspannung - Durchlassspannung) / Stromaufnahme

Bei einem SCX Digitalsystem und einer roten LED ergibt sich

R = (16,5V - 1,8V) / 0,02A = 735Ω

Der nächste verfügbare Widerstand hat 750Ω.

Schließt man mehr als eine LED an einem Strang an, so kann man sie hintereinander (seriell), nebeneinander (parallel). Um die Sache nicht zu verkomplizieren sollten alle LEDs in einem Strang dieselbe Durchlassspannung und Stromaufnahme haben.

Schaltet man mehrere LEDs in Serie, so bilden sie eine große LED mit der Durchlassspannung aller LEDs zusammen und der Stromaufnahme von nur einer LED Man sieht, dass dies eine gute Variante ist um den Stromverbrauch niedrig zu halten. Man muss nur darauf achten, dass die Durchlassspannung der "großen LED" unter der Ledspannung bleibt.

Schaltet man mehrere LEDs parallel, so bilden sie eine große LED mit der Durchlassspannung einer LED und und der Stromaufnahme aller LEDs zusammen. Man sieht, dass hier viel Strom verbraucht wird. Die Variante ist vor allem dann sinnvoll, wenn man nur eine niedrige Ledspannung hat.

Hat man viele LEDs, so kann man sie in gleich große Gruppen aufteilen und die LEDs jeder Gruppe seriell anordnen und die Gruppen dann parallel. Die Durchlassspannung dieser ganz großen LED ist dann die Durchlassspannung aller LEDs einer Gruppe zusammen und die Stromaufnahme entspricht der Stromaufnahme aller Gruppen zusammen.

Die verschiedenen LED-Anschluss-Schemata. Einzel LED, seriell, parallel, und parallele Gruppen serieller LEDs

Zwei Beispiele für LED Ausstattungsvarianten:

Die Ampel soll keine gelben LEDs haben, in eine Brücke eingebaut werden und LEDs auf beiden langen Seiten der Brücke haben. Pro Strang verwenden wir 2 LEDs, für jede Seite eine. Insgesamt 10 rote und 2 grüne LEDs

In jedem Strang werden die 2 LEDs hintereinander geschaltet. Dies sorgt für einen geringeren Stromverbrauch. Die Durchlassspannung in einem Strang ist also das Doppelte der Durchlassspannung einer Diode, während die Stromaufnahme der einer Diode entspricht. Für jeden der Widerstände R9-R13 ergibt sich bei einem SCX System:

R = (16,5V - 2 * 1,8V) / 0,02A ) = 645Ω. Der nächste verfügbare Wert ist 680Ω

Für den Widerstand des grünen Stranges ergibt sich:

R15 = (16,5V - 2 * 2,8V) / 0,02 = 545Ω. Der nächste verfügbare Wert ist 560Ω

Also benötigen wird 5 Widerstände mit 680Ω und einen mit 560Ω.

Als zweites Beispiel wählen wir eine etwas aufwändigere Konfiguration. Auf jeder Seite befinden sich in jedem roten Strang 2 LEDs und im gelben und grünen Strang je 5 LEDs

Wenn man die LEDs beider Seiten seriell Schalten würde, so hätte man 10 gelbe LEDs in Serie und eine Gesamtdurchlassspannung von 20V. Da wie aber nur eine Ledspannung von 16,5V haben, klappt das nicht. Deshalb schalten wir die LEDs jeder Seite eines Stranges in Serie und dann diese Teilstränge beider Seiten parallel.

Für die roten Stränge ergibt das eine Durchlassspannung von 2 * 1,8V und weil 2 Teilstränge parallel geschaltet werden eine Stromaufnahme vom 2 * 20 mA:

Rx = (16,5V - 2 * 1,8V) / (2 * 0,02A) = 322,5Ω. Nächster Widerstandswert: 330Ω

Für den gelben Strang mit je 5 LEDs in Serie pro Teilstrang ergibt sich eine Durchlassspannung von 5 * 2,0V und weil 2 Teilstränge parallel geschaltet werden eine Stromaufnahme vom 2 * 20 mA:

R14 = (16,5V - 5 * 2,0V) / (2 * 0,02A) = 162,5Ω. Nächster Widerstandswert: 180Ω

Für den grünen Strang gilt das Selbe, wie für den gelben, nur mit einem anderen Wert für die Durchlassspannung einer LED:

R15 = (16,5V - 5 * 2,8V) / (2 * 0,02A) = 62,5Ω. Nächster Widerstandswert: 62Ω

Elektronische Bauteile

Alle nachfolgenden Artikelnummern und Preise beziehen sich auf Artikel der Fa. Reichelt bei Weblegung. Ich habe keine Verbindung zu dieser Firma. Ich verwende sie nur als Beispiel. Die Bauteile sind auch bei anderen Anbietern, wie Segor oder Conrad erhältlich.

Neben Mikrocontroller, Platine und Steckverbinder benötigt man:

Die preiswerteste Variante an Steckverbindern sind Stift- und Federleisten. Das Raster muss 2,54 mm betragen. Es gibt sie gewinkelt und gerade in langen "Streifen" von denen man sich Stücke entsprechender Länge abschneidet.

Teurer aber komfortabler sind Platinensteckverbinder. Die Stiftleisten haben meist eine Plastik-Halbwanne, die auch als Verpolungsschutz dient und die Buchsen sind schon mit Kabeln vorkonfektioniert.

Möchte man den Startvorgang bzw. die Gelbphase auch manuell starten können, so benötigt man dafür noch einen bzw. zwei Taster. Jeder handelsübliche Schließer ist dafür geeignet.

Bestückung

Man beginnt mit den mechanischen (Drahtbrücke, Fassungen, Schalter Sx) und passiven Bauelementen (Widerstände Rx, Kondensatoren Cx).

Ich bestücke für gewöhnlich in aufsteigender Bauhöhe, d.h. flache Bauteile zuerst. Und trotz der "Mechanische und Passive zuerst" Regel bestücke ich die Steckerleisten oft als letzte, da sie sonst manchmal einfach im Weg sind.

Die Elkos C1-C3 müssen richtig herum eingebaut werden. Das Bauteil hat eine Markierung für den Minuspol (Streifen mit - Zeichen) auf dem Bestückungsplan ist allerdings der Pluspol vermerkt.

Die Einbau Richtung des Schalters ist funktional unerheblich, aber um Verwirrung zu vermeiden sollte er so eingesetzt werden, dass die Schalter bei "Ein-Stellung" zur Platinenmitte zeigen. Das heißt der Schalter mit der Nummer 4 ist der am Transistor T1.

SV3 wird nicht bestückt.

Nun folgen die restlichen Bauteile. Bei den Dioden Dx ist die Kathode sowohl im Bestückungsplan als auch auf dem Bauteil durch eine Linie gekennzeichnet. Der Gleichrichter B1 muss wie im Bestückungsplan eingezeichnet eingesetzt werden. Die Bezeichnung der Pins sind auf seinem Gehäuse gedruckt und zusätzlich ist der + Anschluss länger als die anderen. D2 wird nicht bestückt.

IC1 und 2 werden in der Richtung der Halbmondförmigen Einbuchtung auf Plan und Bauteil eingesetzt. IC3 mit der Metallseite zur nächsten Platinenkante. Die Einbaurichtung des Quarzes von Q1 ist egal.

Anschluss

Die LEDs werden mit den Pins von SV1 je nach Konfiguration verbunden. Wichtig ist, dass die LEDs Kathode und Anode haben. Bei einer einzelnen LED, wird die Anode (Pluspol, langes Bein) mit Pin 14 (Ledspannung) von SV1 (Pin 3 bis 8 oder Pin 10) und die Kathode mit dem jeweiligen LED Ausgang an SV1 verbunden.

Bei serieller Anordnung wir jeweils die Anode einer LED mit der Kathode der nächsten LED verbunden. Und die Anode bzw. Kathode der beiden LEDs an den Enden werden so an SV1 angeschlossen als sei es nur eine große LED

Bei paralleler Anordnung werden die Anoden aller LEDs eines Stranges verbunden und eben so alle Kathoden. Diese werden dann so an SV1 angeschlossen als sei es nur eine große LED

Möchte man Schalter für das manuelle Starten/Beenden des Rennens oder der Gelbphase verwenden, so benötigt man zwei schließende Taster (das sind die ganz normalen).

Die zwei Ausgänge Rennen und Gelbphase zeigen den jeweiligen Status als High-Pegel an.

Der eine Anschluss des Tasters wird mit Pin 1 von SV1 (Gelbphase) oder Pin 2von SV1 (Start/Ende) und der andere mit Pin 13 von SV1 (Masse) verbunden.

Der Anschluss von SV4 wurde oben beschrieben - aber nochmal der Vollständigkeit halber.

Test

Nach dem Einschalten sollte, beginnend mit Rot 1, jeder Strang einmal auf leuchten.

Konfiguration

Die Startampel hat vier Schalter über die sie sich konfigurieren lässt.

• Schalter 1 wählt zwischen dem Bahnprotokoll. "Ein" bedeutet SCX Digital und "Aus" Carrera Digital Betrieb. Für Analogbetrieb ist die Stellung des Schalters unerheblich.
• Schalter 2 wählt den Gelbphasenmodus. "Ein" bedeutet die Gelbphase wird über den gelben LED Strang angezeigt, "Aus" lässt die Rote und grünen LEDs blinken.
• Schalter 3 schaltet den Ton ein oder aus.
• Schalter 4 wird zur Zeit nicht verwendet.

Verbindung mit dem Rechner

Der TTL-232R USB-Serial Converter der Fa. FTDI (erhältlich z.B. über segor) hat eine Buchse die genau auf SV2 passt. Dabei ist zu beachten, dass die schwarze Leitung am Konverter auf Pin 1 von SV2 gehört.

Alternativ kann man auch eine PC-Unit bzw. ein PC-Unit kompatibles Kabel verwenden. In diesem Falle wird an der Stelle für die Diode D3 eine Drahtbrücke eingelötet und man verwendet am Besten einen kleinen Adapter in Form einer MinDin6 Buchse auch PS2 Buchse genannt. Die Zuordnung ist auf dem Bild rechts zu sehen.

Unabhängig von der verwendeten Hardware, erscheint die PC-Unit bzw. der Seriell-USB Konverter dem Rechner wie eine serielle Schnittstelle. Die Einstellungen sind 115200 Baud, 8 Bit, 1 Stopbit, Keine Parität.

Damit das funktioniert müssen natürlich die Treiber des Herstellers installiert sein. Im Falle der PC-Unit und des TTL-232R USB-Serial Converter handelt es sich um die selben Treiber, erhältlich von der FTDI Webseite. Sollten die Treiber für die PC-Unit schon installiert sein, so müssen sie nicht erneut installiert werden.

Für den ausschließlichen Betrieb als Startampel wird keine Verbindung mit dem Rechner benötigt, es muss also auch kein Kabel angeschlossen werden.