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Funkfernteuerung für Gartenbahn

(C) 2014 Peter Rachow
Ich betreibe u. a. eine Modellbahn im Maßstab 1:22,5 (LGB). Was mich dabei immer störte war, dass die Steuerung der Lok immer nur von einem Punkt aus erfolgen konnte, denn das Steuerpult war immer fest mit der Schiene verdrahtet. Versuche mit einem längeren Anschlusskabel erwiesen sich als frustrierend, da sich dieses immer wieder verwickelte und man regelmäßig irgendwo hängen blieb. So beschloss ich, mir eine Funkfernsteureung zu bauen mit der ich die Fahrteinstellungen der Lok von einem beliebigen Punkt aus kontrollieren konnte. Ziel des Projektes war daneben noch das "old-style"-Design (Tonfrequenzsteuerung) und moderne Mikrocontrollertechnik zusammenzubringen.


Achtung: Dieses Projekt verwendet Funksignale zum Fernwirken. Überprüfen sie, ob Sie nach den Gesetzen Ihres Landes berechtigt sind, eine derartige Anlage aufzubauen, zu besitzen und in Betrieb zu nehmen.


Projektüberblick

Die Anlage besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Sie überträgt ihre Steuerbefehle mithilfe von abwechselnd 3 Sinustönen, denen jeweils eine Funktion zugeordnet ist:

(1) Geschwindigkeit erhöhen,
(2) Geschwindigkeit vermindern,
(3) Nothalt.

Je Fahrtrichtung stehen dabei 16 verschiedene Geschwindigkeitsstufen zur Verfügung:
  • Vorwärts: 0..16
  • Rückwärts: 0...-16
Wird die Geschwindigkeit z. B. aus Vorwärtsfahrt heraus immer weiter vermindert bis der Wert 0 erreicht ist, schaltet ein Relais die Richtung um und die Lok wird wieder schneller. So wird ein handelsübliches Modellbahnfahrpult emuliert, bei dem die Mittelstellung auch Stillstand der Lokomotive bedeutet.

Technik der Anlage

A Sender
  • 3-stufiger Sender für AM, ca. 250mW Ausgangsleistung
  • Modulation durch Längstransistor der beiden letzten Senderstufen
  • Mikrocontroller ATMega 8 als Sinusgenerator
B Empfänger
  • Empfänger in Superhettechnik mit SO42P in der Eingangsstufe und MC 1350 als Zwischenfrequenzverstärker
  • Tonauswertung mit 3 x LM567
  • Steuerung mit Microcontroller ATMega16
  • DA-Wandlung des Ausgangssignals über R2R-Netzwerk
  • Leistungsverstärker max. 4A
  • LCD-Display mit Feldstärkeanzeige, Fahrstromanzeige etc.

Die Schaltungen im Einzelnen

Der Sender

Die Senderschaltung musste kompakt sein, damit der Handsender nicht zu große Abmessungen bekam. Die Schaltung ist einfach. Sie besteht aus dem Hochfrequenzteil und dem Sinusgenerator mit einem ATMega 8. Der HF-Teil wiederum besteht aus einer Oszillatorstufe und 2 nachgeschalteten Verstärkerstufen.




(Schaltung des Senders - Klicken für Vergrößerung)


Der Quarz ist ein Oberwellenquarz für die beabsichtigte Sendefrequez (hier im 27 MHz-Band). Die Spulen sind abgestimmte Kreise für diese Frequenz mit einem Windungsverhältnis von 4:1. Verwendet man das 27-MHz-Fernsteuerband für den Betrieb alssen sich die Spulen auch aus alten CB-Funkgeräten ausbauen.

C-Programmcode für den Sinusgenerator mit dem ATMega8

Der Empfänger

Der Empänger verwendet das IC SO42P als Mischer mit integriertem Quarzozillator. Die Frequenz des Quarzes liegt um den Betrag der vewendeten Zwischenfrequenz (hier 455 kHz) tiefer. Der Zwischenfrequenzverstärker ist das bekannte IC MC1350 von Motorola. Alle IC sind im Shop von funkamateur.de erhältlich.



(Schaltung des Empfängers (HF-Teil) - Klicken für Vergrößerung)

Im Zwischenfrequenzteil lässt sich die ZF-Verstärkung mit dem Regler VR1 enstellen. LC1 ist ein Bandfilter (schwarze Kennung) für 455 kHz. Der AM-Demodulator benutzt zwei Germaniumdioden.

Der Auswertungsteil beginnt mit 3 Tonauswertern mit dem Decoder-IC NE 567, die mit dem Ausgang der Audiostufe des Hochfrequenzteiles verbunden werden. Für die Einstellung der Freqeunz muss für die 20k-Potenziometer zwischen Anschluss 5 und 6 der ICs unbedingt ein Spindeltrimmer benutzt werden, da sonst die Stabilität der zu detektierenden Frequenz nicht ausreichend ist.

Der Microcontroller AT Mega 16 wertet die von den Tondecodern erzeugten Digitalsignale aus und steuert per Software entsprechend das R2R-Netzwerk an. Die dort erzeugte Gleichspannung wird durch einen OP vom Typ LM 358 vorverstärkt und von 2 weiteren Leistungstransistoren auf eine für den Betrieb der Modellbahn ausreichende Stromstärke verstärkt. Der Transistor BD239 ist unbedingt zu kühlen!

C-Programmcode für den Empfängerteil mit dem ATMega16


(Schaltung des Empfängers (NF- und Gleichstromteil) - Klicken für Vergrößerung)
Antennen

Für den Sender bietet sich eine verkürzte Antenne an. Man nimmt einen handelsüblichen Kunststoffstab, wie er im Baumarkt erhältlich ist. Der Durchmesser sollte 6 bis 8 mm betragen. Er wird auf 30 cm gekürzt. Dann wickelt man am unteren Ende sa. 30 Windungen Kupferlackdraht auf (2 kleine Bohrungen am Anfang und Ende der Spule durch den Stab bohren!). Der Rest des Drahtes wird durch das Innere des Stabes geführt. Wer Lust hat, kann das SWR-Verhältnis bestimmen. Dann sollte man allerdings testweise eine zweite Dipolhälfte mit 2,65m an die Abschirmung des Koaxialkabels anlöten (für 27 MHz).

Für den Empfänger reicht eine handelsübliche Stabantenne mit 1,50 Metern Länge. Eine genaue Anpassung ist nicht erforderlich. Alternativ kann auch eine korrekt verkürzte CB-Funk-Antenne verwendet werden (z. B. eine DV 27).