DEVICE FOR THE SIMULTANEOUS CONTROL OF SEVERAL ELECTRICALLY POWERED MODEL VEHICLES RUNNING ON ONE CIRCUIT ONLY

Abstract: 1. An arrangement for the simultaneous remote control of several electrically operated model vehicles on a common circuit (1), vehicles of a first type (4) being intended for operation by means of a d.c. voltage or low-frequency a.c. voltage at the same time as and independently of vehicles of a second type (11) using a stationary electronic control circuit and electrical circuits in each vehicle of the second type (11) to which information for the required operational states is transmitted from the stationary circuit and a feed a.c. voltage source (5) from which a pulsating current with a direct component is delivered to the motors of the vehicles of the second type (11) according to the required direction of rotation and power and of which the frequency is selected high enough for the vehicles of the first type not to be affected, characterized in that the information is fed into a first stage (15-17) of the electrical circuit together with the rail voltage and this first stage switches the voltage by means of a switch assembly (13) ( or 19 to 22) in dependence upon the information and the momentary voltage level in such a way that the feed a.c. voltage is delivered to the motor (14) and the d.c. or low-frequency a.c. voltage simultaneously superimposed on the feed a.c. voltage is converted into a pulsed voltage having alternating polarity, a mean value of zero and the same frequency as the feed a.c. voltage so that the vehicle motor (14) is prevented from taking up energy from the d.c. voltage or low-frequency a.c. voltage.

Description: Einrichtung zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer elektrisch angetriebener Modell fahrzeuge auf einem Stromkreis Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. 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. 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. Eine häufig verwendete Anlage zum Steuern eines zusätzlichen Zuges auf ein und demselben Stromkreis bedient sich einer dem konventionellen Gleichstromkreis überlagerten Wechsel spannung. Diese liefert die vom zweiten Zug benötigte Energie und steuert durch Variieren der Amplitude und Phasenlage 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. 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. 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. 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. 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 Mi niaturisierung dar und erlauben nicht die Integration in eine Schaltung, die in Modelle der Spurweite N passt. 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. 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. Aus den dargestellten Mängeln der bestehenden Systeme ergibt sich die Aufgabenstellung. 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. Die Erfindung vermeidet die oben genannten Nachteile und ist durch die im Anspruch 1 beschriebene Einrichtung gekennzeichnet. Vorteilhafte Einzelheiten sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel nach Figur 1. 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. 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. 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 Übertragungsinterface 9 weitergegeben. Dieses sen det die Information in pulscodierter Form auf die Schiene, wobei die Kopplung über den Kondensator 10 erfolgt und die Pulsdauer so kurz gewählt wird, daB die Drossel 3 und das Siebglied 6 für die Signale eine hohe Impedanz darstellen. In diesem Ausführungsbeispiel gelangt die Information über den gewünschten Fahr zustand 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 Leistungsstel ler 15 legt. Dieser betätigt die einzelnen elektronischen Schalter der Schaltergruppe 13 zur Erzeugung des gewünschten Fahrstroms am Motor 14. Die Form der Informationsübertragung ist hier in einem Beispiel geschildert. Sie kann aber auch in vollig anderer Weise nach bekannten Verfahren erfolgen. 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. 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. 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, PunktA, 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. 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. Figur 4 zeigt die Wirkungsweise der Schaltergruppe 13 auf einen an A und B gelegten Gleichstrom UG Werden die Schalter u 19 und 21 bzw. 20 und 22 im gegenseitigen Wechsel periodisch mit EMI7.1 Tastverhältnis/geschlossen, entsteht eine Wechselpulsfolge UGs mit der Schaltfrequenz und dem Gleichwert null. 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 Null durchgänqe-qleichzeitig erfolen und minimal wird, wenn die EMI7.2 Schaltzeitpunkte um eine vierter Periodendauer perzögertV sind. Uw bedeutet Speisewechselspannung, Uws der Fahrstrom bei maximaler und Uwso der bei minimaler Leistung. 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 gleich aussehende Einheit auszutauschen, die die Punkte aA und bB untereinander durch zwei Brücken verbindet. 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. Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt eine Realisierung der Schaltergruppe 13, desLeistungsstellers15 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. Figur 6 zeigt diese Anordnung. 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. Der Leistungssteller15 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 ent steht, 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. Um ein Abfliessen der durch die Induktivität des Motors 14 bedingten Freilaufströme zu ermöglichen, sind die Dioden 28 bis 31 und der Uberspannungsableiter 32 vorgesehen. 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 denLeistungssteller15 kann dann entfallen.

Claims: Patentansprüche 1. Einrichtung zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer elek trisch angetriebener Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis, wobei Fahrzeuge eines ersten Fahrzeugtyps mittels Gleich oder niederfrequenter Wechselspannung und Fahrzeuge eines zweiten Fahrzeugtyps gleichzeitig und unabhängig vonein ander betrieben werden sollen unter Verwendung einer stationären elektronischen Steuer schaltung und von auf jedem Fahrzeug des zweiten Fahrzeug typs befindlicher elektrischer Schaltungen, denen Informa tionen für die gewünschten Fahrzustände von der stationä ren 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 EMI10.1 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 Drehrichtungund Leistung dem Fahrmotor/zugeführt wird und dass die der Speisewechselspannung gleichzeitig überlagerte Gleich- oder niederfrequente Wechsel spannung in eine Puls spannung mit wechselnder Polarität, dem Gleichwert Null und der Frequenz der Speisewechselspannung umgewandelt wird, so dass eine Energieaufnahme des Fahrzeugmotorsyaus 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 Steue rung der Schaltergruppe für den Fahrstrom weitere Einrich tungen zum Empfang von Informationen zur Steuerung weiterer Verbraucher und Steuerung der zu den jeweiligen Verbrau chern 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 mög lich ist, insbesondere gegen ein äusserlich gleich aufgebau tes 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 t dadurch gekennzeichnet dass die Speisewechselspannung eine Rechteckspannung ist, die betragsmässig stets grösser ist, als die Gleich oder niederfrequente Wechselspannung der Spannungs quelle (2) für die Fahrzeuge des ersten Fahrzeugtyps. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass zur Einstellung der Fahrleistung die Schaltzeit- punkte der Schalter 19 und 21 bzw. 20 und 22 im gegen seitigen Wechsel periodisch gegenüber den Nulaurch- gängen der Speisewechselspannung variiert werden.

Inventors: LUBBERT, ULRICH, DIPL.-ING., Lübbert, Ulrich, Dipl.-Ing.
Applicants: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
Application year: 1980
Main classification: A63H19
IPC codes: A63H19