DE3418616C1 - Einrichtung zum Umsteuern der Fahrtrichtung von elektromotorisch betriebenen Spielzeuglokomotiven - Google Patents

Description

• Da bei der erfindungsgemäßen Sicherungsschaltung während der Verzögerungs- und Schaltimpuls-Zeit die Steuerausgänge zum Motor gesperrt sind, wird nicht nur eine eindeutige Erkennung eines Überspannungs-Umsteuerimpulses möglich, sondern es wird auch erreicht, daß durch diesen Überspannungsimpuls nicht andere angeschlossene Einrichtungen betätigt werden; es wird beispielsweise vermieden, daß durch diesen Überspannungsimpuls die Beleuchtungslämpchen der Lokomotive kurzzeitig aufleuchten, wie dies bisher bei Verwendung mechanischer Relais ohne Ausgangssperre der Fall ist. Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann in IC-Technik sehr einfach und billig als Massenprodukt hergestellt werden und vermeidet jegliche mechanischen Kontakte, da nicht nur die Spannungsdetektoren, sondern auch die eigentlichen Umschaltkreise für die Umsteuerung des Motors in reiner Halbleitertechnik aufgebaut sind. Eine solche Einrichtung. ist damit auch völlig wartungsfrei. Der geringe Stromverbrauch der Schaltelemente der IC-Schaltung gewährleistet auch, daß bei längerer Betriebsunterbrechung über Tage oder Wochen die einmal eingegebene Schaltstellung gespeichert und beibehalten wird und die Lokomotive also bei Wiederinbetriebnahme mit der gleichen Einstellung wieder weiterbetrieben werden kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist für alle gängigen Spielzeugeisenbahn-Systeme geeignet, und zwar für den Gleich- und Wechselspannungsbetrieb. Bei Wechselspannungs-Systemen ist lediglich die Vorschaltung eines üblichen Gleichrichters vor die IC-Schaltung nötig.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung; F i g. 2 zeigt das zugehörige Impulsdiagramm.
• Die Fahrtrichtungs-Umsteuerschaltung nach F i g. 1 ist in C-MOS-Schaltungstechnik aufgebaut und als kleiner Chip-IC unmittelbar in die über einen Elektromotor 1 über Gleichstrom angetriebene Spielzeuglokomotive eingebaut. Die Betriebsspannung für den Antriebsmotor 1 wird von den Gleisen des Eisenbahnsystems über die Umsteuer-Transistoren 2 zugeführt; gleichzeitig wird damit der Eingang 3 der eigentlichen Umsteuerschaltung beaufschlagt.
• Die Bauelemente der IC-Schaltung sind durch eine nicht dargestellte kleine Knopfbatterie von beispielsweise 3 Volt gespeist. Die Umsteuereinrichtung besteht aus einer Eingangsschaltung 4, die mit mehreren Transistoren bestückt ist. Das reduzierte Eingangssignal wird zwei Spannungsdetektoren 5 und 6 zugeführt, die auf unterschiedliche Schwellwerte eingestellt sind. Der Spannungsdetektor 5 (im folgenden: L-Detektor genannt) spricht an, wenn die am Eingang 3 anliegende Betriebsspannung Uden Spannungswert L überschreitet, der unterhalb der maximal möglichen Fahr- bzw.
• Betriebsspeisespannung B des Motors 1 liegt. Bei einem üblichen Spielzeugeisenbahn-System ist die Fahrspannung B beispielsweise durch einen entsprechenden Regler zwischen 0 und 16 Volt (Gleich- oder Wechselstrom) veränderbar. Durch einen Uberspannungsimpuls S von beispielsweise 24 Volt kann die Fahrtrichtung umgepolt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Spannungsdetektor 5 beispielsweise auf eine Eingangsspannung U von 2 Volt eingestellt. Der Spannungsdetektor 6 ist auf einen Schwellwert Heingestellt, der über der maximalen Betriebsspannung B liegt, beispielsweise auf einen Spannungswert von 20 Volt. Der L-Detektor weist einen Schmitt-Trigger 7 auf, um am Ausgang möglichst steile Ausgangsimpulse zu erhalten. Diese Ausgangsimpulse werden einem Verzögerungsglied 8 zuge- führt, das eine Kippstufe 9 sowie eine damit zusammengeschaltete, aus Halbleiter-Bauelementen zusammengestellte Verzögerungsschaltung 10 aufweist. Diese Verzögerungsschaltung 10 ist so dimensioniert, daß ein am Eingang eingegebener Eingangsimpuls um eine vorbestimmte Zeit t, beispielsweise 20 ms, verzögert wird.
• Das Ausgangssignal des L-Detektors 5 wird außerdem den Kippstufen 11 und 12 einer logischen Schaltung 13 zugeführt, in welcher auch die Ausgangssignale der H-Kippstufe 6 und das im Verzögerungsglied 8 erzeugte verzögerte Prüfsignal ausgewertet werden, wie dies nachfolgend anhand F i g. 2 näher erläutert wird. Das Ausgangssignal der Sperr-Kippstufe 12 steuert den einen Eingang von NAND-Gliedern 18 und 19 einer Sperrschaltung 14, deren Ausgänge Schalttransistoren 15 und 16 ansteuern, die ihrerseits die eigentlichen Leistungs-Schalttransistoren 2 der Motorumsteuerung steuern. Die anderen Steuereingänge der NAND-Glieder 18 und 19 sind mit den invertierten Ausgängen einer weiteren Kippstufe 20 verbunden, die über den Ausgang der Umschalt-Kippstufe 11 angesteuert ist.
• Die Eingangsspannung U ist im normalen Fahrbetrieb (Abschnitt I nach F i g. 2) zwischen 0 und ihrem maximalen Wert B veränderbar und dadurch kann die Drehzahl des Motors 1 entsprechend reguliert werden.
• Wenn die Fahrtrichtung umgesteuert werden soll, wird, wie im Bereich II angedeutet ist, ein Überspannungsimpusl S erzeugt, und zwar ist es hierzu bei den meisten Eisenbahnsystemen nötig, den Fahrtregler zunächst auf 0 zurückzudrehen. Wenn, beginnend von 0 Volt, also durch entsprechende Betätigung der Umsteuertaste der Impuls S erzeugt wird, wird zunächst über den L-Detektor 5 das Überschreiten des unteren Schwellwertes L festgestellt und damit auch das Verzögerungsglied 8 angesteuert, das an seinem Ausgang während der Verzögerungszeit t ein entsprechendes Ausgangssignal an die Logikschaltung 13 liefert. Wird während dieser Verzögerungszeit t der obere Schwellwert H überschritten, spricht auch der H-Detektor 6 an und die Logik 13 erkennt aus den Ausgangssignalen der beiden Detektoren 5 und 6 sowie der Verzögerungsschaltung 8, daß es sich um einen Umsteuerimpuls S handelt. Während der Verzögerungszeit t kann hierdurch jedoch noch nicht eine Umschaltung der Schalttransistoren 15, 16 ausgelöst werden, da die Sperrschaltung 14 durch die Sperrkippstufe 12 noch gesperrt ist. Die Sperrkippstufe 12 erzeugt an ihrem Ausgang noch nicht das Ausgangssignal F, durch das erst eine Umschaltung der Transistoren 15, 16 möglich ist. Nach der Verzögerungszeit t entsteht am Ausgang der Umschalt-Kippstufe 11 ein Ausgangsimpuls von der Zeitdauer x, der von der Dauer des Schaltimpulses S abgeleitet ist. Während dieser Zeit x ist die Sperrschaltung 14 noch weiterhin gesperrt, da immer noch nicht das Ausgangssignal Fder Sperrkippstufe 12 zugeführt wird, so daß zwar die Kippstufe 20 umgepolt werden kann, durch deren Ausgangsimpulse J jedoch noch nicht die Transistoren 15, 16 umgeschaltet werden. Erst wenn die Betriebsspannung den unteren Schwellwert L unterschritten hat und dann anschließend mit steigender Betriebsspannung wieder überschreitet, wie dies in der Betriebsphase II1 dargestellt ist, also wieder das Verzögerungsglied 8 über den Detektor 5 angesteuert wird und am Ausgang des Verzögerungsgliedes 8 wieder während der Verzögerungszeit t ein entsprechendes Ausgangssignal an die Logik 13 geliefert wird, ist eine Umschaltung der Transistoren 15, 16 möglich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel war während der Betriebsphase 1 der Transistor 16 durchgeschaltet (Vorwärtsfahrt). Durch den Umschaltimpuls S während der Betriebsphase II wird die Kippstufe 20 gesetzt, ihre Ausgangsimpulse können die Transistoren 15, 16 jedoch noch nicht umschalten, da die Sperrschaltung 14 gesperrt bleibt. Wenn anschließend dann die Betriebsspannung Dadurch den Regler erhöht wird und wieder der untere Schwellwert L überschritten wird, wie dies in der Betriebsphase III angedeutet ist, bleiben zwar während der Verzögerungszeit t die Ausgänge 15, 16 noch weiterhin gesperrt, nach dieser Verzögerungszeit t wird aber dann die Sperrschaltung 14 durch den Impuls F freigegeben. Wenn nämlich während der Verzögerungszeit t der H-Schwellwert nicht überschritten wird und daher der H-Detektor 6 nicht anspricht, sondern nur vorher der L-Detektor 5 angesprochen hat, wird nach der Verzögerungszeit t die Sperrkippstufe 12 gesetzt und erzeugt an ihrem Ausgang den Freigabeimpuls F; über welchen die Sperrschaltung 14 dann freigegeben wird. Der Freigabeimpuls Fwird also immer erst nach Ablauf der Verzögerungszeit t erzeugt, und zwar immer nur dann, wenn innerhalb dieser Verzögerungszeit t der H-Schwellwert nicht überschritten wird. Damit erkennt in diesem Fall die Logikschaltung 13, daß kein Umsteuerimpuls S vorliegt, sondern eine normale relativ langsame Betriebsspannungserhöhung durchgeführt wird, die innerhalb der Zeit t nicht ihren Maximalwert erreichen kann. Nach Freigabe der Sperrschaltung 14 werden dann die Transistoren 15, 16 umgeschaltet, also in dem Beispiel vom Transistor 16 auf den Transistor 15 umgeschaltet, was einer Umschaltung von Vorwärtslauf auf Rückwärtslauf der Lokomotive entspricht.
• Im Betriebsbereich III sind der eigentlichen Betriebsspannung des Motors einige Störimpulse Z überlagert, die den oberen Schwellwert H überschreiten. Ein Auslösen der Umschalteinrichtung durch solche Störimpulse Z wird jedoch verhindert, da bei deren Auftreten nicht vorher auch der untere Schwellwert L überschritten wurde, also auch nicht der L-Detektor mit der zugehörigen Verzögerungszeit anspricht. Nur wenn beginnend von 0 zunächst der L-Detektor und anschließend dann der H-Detektor ausgelöst werden, und zwar innerhalb der Verzögerungszeit 4 erkennt die Logik, daß es sich um einen Umschaltimpuls handelt. Alle anderen Überspannungsimpulse werden als Störimpulse erkannt und lösen keine Umsteuerung aus. In gleicher Weise können, wie in der Betriebsphase IV angedeutet ist, kurze Fahrspannungsunterbrechungen Y als Störimpulse erkannt werden. Tritt ein solcher Kurzschluß Yauf und wird unmittelbar danach wieder der L-Schwellwert überschritten und damit die Verzögerungszeit ausgelöst, nicht jedoch der obere Schwellwert H überschritten, erkennt die Logik, daß es bei der gewählten Umschaltung bleiben soll (im Beispiel nach F i g. 2 Rückwärtsfahrt 15). Nach der kurzen Unterbrechungszeit y wird dann der Motor wieder weiterbetrieben.
• In gleicher Weise wie die Motor-Umsteuerung können natürlich auch andere Verbraucher des Eisenbahn-Systems geschaltet werden, wie dies beispielsweise für das Betätigen einer automatischen Kupplung mit dem Ausgang 21 schematisch angedeutet ist. Dazu dient noch eine weitere zusätzliche Kippstufe 22, die nach jedem zweiten Überspannungs-Schaltimpuls S über ein weiteres NAND-Glied 17 der Sperrschaltung 14 den Transistor 21 durchschaltet, was definitionsgemäß bei vielen Eisenbahnsystemen die Betätigung einer beispielsweise elektromagnetisch betätigbaren Kupplung bedeutet.
• Die erfindungsgemäße und gegen Fehlsteuerungen gesicherte Einrichtung ist nicht nur zur Fahrtrichtungsumsteuerung bei Spielzeuglokomotiven geeignet, sondern überall dort, wo ein Verbraucher durch Uberspannungsimpulse seiner Betriebsspannung steuerbar ist.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zum Umsteuern der Fahrtrichtung von elektromotorisch betriebenen Spielzeuglokomotiven mit einer in integrierter Schaltungstechnik aufgebauten Umsteuerschaltung, die eingangsseitig an der veränderbaren Betriebsspannung des Lokomotivenmotors liegt und über deren Steuerausgänge Halbleiterschaltelemente für die Motorumsteuerung schaltbar sind, wenn durch einen Überspannungs-Schaltimpuls die Eingangsspannung einen über dem Maximalwert der Betriebsspannung liegenden oberen Schwellwert überschreitet, d a -durch gekennzeichnet, daß die Umsteuerschaltung neben dem auf den oberen Schwellwert (H) ansprechenden Spannungsdetektor (6) einen zweiten auf einen unterhalb der maximalen Betriebsspannung (B) liegenden unteren Schwellwert (L) ansprechenden Spannungsdetektor (5) aufweist, dessen Ausgang mit einem einen Prüfimpuls (V)vorbestimmter Dauer (t) erzeugenden Verzögerungsglied (8) verbunden ist, die beiden Spannungsdetektoren (5, 6) und das Verzögerungsglied (8) mit einer die Halbleiterschaltelemente (2) des Motors (1) steuernden Logikschaltung (11, 12, 13) verbunden sind, der eine Sperrschaltung (14) zugeordnet ist, die über eine von den beiden Spannungsdetektoren (5, 6) und dem Verzögerungsglied (8) gesteuerte Sperr-Kippstufe (12) gesteuert ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß während der Dauer (f) des Prüfimpulses (V) sowie während der Dauer (x) des Überspannungs-Schaltimpulses (S) jeweils eine Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente (2) des Motors (1) gesperrt ist und die Logikschaltung (11, 12, 13) nur dann umgeschaltet wird, wenn während der Dauer (t) des Prüfimpulses (V) der obere Schwellwert (H) des ersten Spannungsdetektors (6) überschritten wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spannungsdetektor (5) einen Schmitt-Trigger (7) zur Erzeugung eines steilen Ausgangssteuerimpulses aufweist.
3. 3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalt-Kippstufe (11) eine dritte Kippstufe (22) steuert, über deren Ausgang ein weiteres Halbleiterschaltelement (21) für eine Zusatzsteuerung der Lokomotive steuerbar ist (Entkuppeleinrichtung).

   Die Erfindung betrifft eine Einrichtung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

   Bei den bisher üblichen Fahrtrichtungs-Umsteuereinrichtungen von Spielzeuglokomotiven werden mechanische Relais benutzt, die auf einen Überspannungsimpuls der dem Antriebsmotor zugeführten Betriebsspannung (Gleich- oder Wechselspannung) ansprechen und dadurch über mechanische Schaltkontakte den Motor umpolen. Diese bekannten Relais-Umsteuereinrichtungen verbrauchen viel Strom, und wenn mehrere Lokomotiven gleichzeitig angesteuert werden sollen, reicht die vom Betriebstransformator gelieferte Leistung oftmals nicht aus, um ein einwandfreies Umsteuern mehrerer Lokomotiven durchzuführen.

   Es sind in neuerer Zeit zwar auf anderen Gebieten sogenannte elektronische Relais bekanntgeworden, die mit Halbleiterschaltelementen arbeiten und in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut sind (IC-Schaltungen).

   Besonders geringen Stromverbrauch besitzen sogenannte C-MOS-IC-Schaltungen. Der Stromverbrauch solcher IC-Schaltungen ist so gering, daß der einmal gewählte Schaltzustand mittels einer Knopfzellen-Batterie über Jahre hinaus nicht-flüchtig gespeichert werden kann. Solche IC-Schaltungen können als Spannungsdetektor geschaltet werden, der beim Überschreiten eines in der Schaltung eingegebenen Spannungsschwellwertes über zwischengeschaltete Ausgangstransistoren an einem Ausgang eine entsprechende Steuerinformation liefern, also die Funktion eines Relais mit extrem geringen Stromverbrauch besitzen.

   Die Benutzung eines solchen elektronischen Relais anstelle der bisher üblichen mechanischen Relais ist zur Umsteuerung von Spielzeuglokomotiven bekannt (DE-OS 29 28 625). Da ein solches elektronisches Relais jedoch nicht nur den Vorteil eines extrem geringen Stromverbrauches besitzt, sondern, verglichen mit einem mechanischen Relais gewisser Ansprechträgheit, auch noch die Eigenschaft besitzt, daß es sehr schnell auf entsprechende Eingangsinformationen (Überspannungsimpulse) anspricht, ist es in dieser Form nicht für die Fahrtrichtungsumsteuerung von Spielzeuglokomotiven geeignet, da zu befürchten ist, daß über Störimpulse während des Betriebes Umsteuerimpulse vorgetäuscht werden, auf welche das elektronische Relais sofort anspricht und ungewollt eine Fahrtrichtungsumsteuerung auslöst.

   Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Umsteuern der Fahrtrichtung von Spielzeuglokomotiven zu schaffen, die einerseits möglichst wenig Strom verbraucht und die trotzdem mit Sicherheit Fehlsteuerungen durch Störimpulse vermeidet.

   Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Einrichtung laut Oberbegriff des Hauptanspruches, durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

   Bei einer mit Anschnittsteuerung arbeitenden Anordnung zum Steuern des durch eine Last fließenden Stromes ist es an sich bekannt, zur Verhinderung einer Fehlsteuerung durch Störimpulse einen Prüfimpuls vorbestimmter Dauer zu erzeugen, so daß ein Schaltimpuls nur bei zeitlicher Übereinstimmung mit dem Prüfimpuls zur Steuerung des bei dieser Steuerschaltung vorgesehenen Zündkreises der elektronischen Schaltelemente wirksam sein kann(DE-AS 15 63 926).

   Bei der erfindungsgemäßen Umsteuereinrichtung wird ein übliches elektronisches Relais benutzt, das vorzugsweise in C-MOS-Technik als IC-Schaltung aufgebaut ist und daher extrem geringen Stromverbrauch besitzt. Damit können gleichzeitig mehrere Lokomotiven in der Fahrtrichtung umgeschaltet werden, da wegen des geringen Stromverbrauches der zur Umsteuerung erzeugte Uberspannungsimpuls an allen Lokomotiven ausreichend groß ist Trotzdem wird durch die zusätzlich vorgesehene Sicherungsschaltung, die bei einer solchen IC-Schaltung auf einfache Weise billig verwirklicht werden kann, vermieden, daß durch Störimpulse, die während des Fahrbetriebes entstehen und die maximale Betriebsspannung des Motors übersteigen, oder durch kurzzeitige Betriebsspannungs-Unterbrechungen die Umsteuerung des Motors ausgelöst wird.