APPARATUS FOR SUPPLY AND CONTROL OF SEVERAL ELECTRICALLY DRIVEN MODEL VEHICLES

Abstract: 1. A device for supplying power to and controlling several electrically operated model vehicles (7) on one circuit (8) using a stationary control circuit (5) which transmits the control pulses to the circuit (1) in the form of positive and negative pulses and, at the same time, provides the electrical energy to be supplied to the model vehicles (7) in those pulses, characterized in that the pulses separated from one another by pulse intervals are delivered to the circuit (1) via one or more capacitors (6) to permit the simultaneous operation of conventional d.c.-operated model vehicles (4) ; in that, in those periods when no information is being transmitted, power is supplied to the model vehicles (7) in the form of the alternately positive and negative pulses transmitted at the transmission frequency ; and in that the pulse frequency selected is so high that the inductance of the conventional d.c.-operated electric motors of the model vehicles (4) represents such a high resistance to the pulse sequences transmitted that the model vehicles (4) are not affected by those pulse sequences of which the energy consumption is minimal.

Description: Verfahren zur gleichzeitigen selektiven Obertragung von digitaler Information und elektrischer Leistung auf mehrere elektrische Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen selektiven Obertragung von digitaler Information und elektrischer Leistung auf mehrere elektrische Modellfahrzeuge (z.B. Modelleisenbahnen oder Autos auf Modellrennbahnen), bei dem mehrere Fahrzeuge zusammen mit konventionellen gleichspannungs- oder netzfrequent-gesteuerten Fahrzeugen betrieben und gesteuert werden. Diese Aufgabenstellung liegt in der Spielwarentechnik vor. Bei dem Betrieb einer Modelleisenbahn ist beispielsweise dassgleichzeitige voneinander unabhängige Fahren mehrerer Züge erwünscht. Bisherige Lösungen erreichen dieses Ziel nur mit Einschränkungen. 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. Ein häufig verwendetes Prinzip zum Steuern eines zusätzlichen Zuges auf ein und demselben Stromkreis bedient sich einer dem konventionellen Gleichstromkreis überlagerten Wechselspannung. 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. Einige moderne Vorschläge benutzen die Trennung zwischen Energiezufuhr und Steuerung der Fahrmotoren. Die Energie wird zumeist mit konstanter Wechselspannung über den Stromkreis zugeführt. Jedes Modell mit einem Fahrmotor enthält eine elektrische Empfänger- und Steuerschaltung, die von einem Bedienteil selektiv angesprochen wird und die Fahrenergie für den Fahrmotor aus der anliegenden Wechselspannung in geeigneter Weise dosiert und durch Gleichrichterschaltung in Gleichstrom umwandelt, der für Gleichstrommodellbahnmotoren geeignet ist. Neben diesem ferngesteuerten Betrieb ist zum Teil gleichzeitig ein konventioneller Betrieb mit gleich- oder netzfrequentem Wechselstrom möglich, bei dem das Fahrzeug durch die Spannung der zugeführten Energie gesteuert wird. In diesem Fall sind passive Siebglieder zum selektiven Empfang nötig, die unerwünschten Platzbedarf und Kosten sowie eine Justage erfordern. Andere Systeme, die diesen Nachteil nicht aufweisen, lassen wiederum den konventionellen Betrieb nicht zu. Gelegentlich werden auch Schaltungen benutzt., die eine Pulslängenmodulation aufweisen und passive Zeitglieder erfordern, die sich schlecht in integrierte Schaltungen umsetzen lassen. Erfindungsgemäss werden die Nachteile der bekannten Verfahren dadurch gelöst, dass ein besonderes Verfahren zur gleichzeitigen Obertragung von Energie und digitaler Information zum Betrieb der Fahrzeuge angewendet wird und dass über einen oder mehrere Trennkondepsatoren in zeitlicher Folge Impulse mit jeweils einer kurzen Pause dazwischen auf den Stromkreis gelegt werden und dass die mit den Impulsen gelieferte Energie zum Betrieb der ferngesteuerten Fahrzeuge benutzt wird und dass der Gleichstrommittelwert der Impulsfolge verschwindet und die Impulsfrequenz so hoch ist, dass konventionelle Gleichstrommotoren infolge ihrer Induktivität einen hohen.Widerstand für die Impulsfolge darstellen und weder konventionelle Gleichstrommotoren durch die Impulsfolge noch das Senden der Impulsfolge durch konventionelle Gleichstrommotoren gestört werden und dass die Impulse verschiedenen Vorzeichens von den Empfängern als entgegengesetzte logische Werte aufgefasst werden und dass die Trennung zweier Impulse mit Hilfe der zwischen Ihnen vorhandenen Impulspause erfolgt und dass ein Fahrzeug, dessen zwei Anschlüsse durch Umdrehen auf der Schiene vertauscht werden, was ein Invertieren der Impulsfolge bezüglich des Empfängers bewirkt, trotzdem eine gültige Information erhält und dass.- wenn keine Information übertragen werden soll - eine Folge von Null- und Eins-Impulsen zur Speisung der Fahrzeuge gesendet wird. 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 über lagerten Wechselstrom jedoch einen grossen Widerstand. Hierdurch wird ein Abfliessen von Wechselströmen über die Gleichstromquelle vermieden. Diese Anordnung reicht bereits aus zum Betrieb eines konventionell glelchstrombetriebenen Zuges 4. Zur Erzeugung einer Impulsfolge zur Steuerung und gleichzeitigen Energieversorgung eines oder mehrerer zusätzlicher ferngesteuerten Züge ist eine Impulsquelle 5 in Reihe mit einem Trennkondensator 6 parallel auf das Schienenpaar 1 geschaltet. Der Trennkondensator 6 verhindert, dass die Impulsquelle 5 von Gleichstrom oder netzfrequentem Wechselstrom durchflossen wird. Die Impulsfrequenz liegt in diesem Ausführungsbeispiel über der menschlichen 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 Erwarmung noch eine mechanische Beanspruchung bewirkt. Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Impulsquelle 5. Die Information über den gewünschten Fahrzustand stellt der Bediener über Stell-knopfesein, von denen je einer einem Zug zugeordnet ist. Die Einstellung wird von einer logischen Schaltung 9 in ein Datenwort umgewandelt, das in eiuer Folge von Nullen und Einsen eine Information trägt, welchem der Züge die Information zugeordnet ist und ob dieser Zug vorwärts oder rückwärts fahren soll. Der Parallel-Seriell-Wandler 10 wandelt das Datenwort in eine serielle Impulsfolge um, indem er über die vier Schalter 12, 13, 14 und 15 das Schienenpaar 1 über den Kondensator 6 wechselseitig an die Spannungsquelle 11 legt, so dass eine Folge von positiven und negativen Impulsen an dem Schienenpaar entsteht. Zwischen zwei Impulsen wird durch das Schliessen der Schalter 13 und 14 für kurze Zeit eine Nulispannung erzeugt. Figur 3 zeigt eine typische Folge von Impulsen zur Obertragung der Information an Fahrzeuge. Das Impulsdiagramm besteht aus sechzehn Impulsen. Diese enthalten Information darüber, welche Empfängerschaltung gemeint ist, die Adresse, und ob vorwärts oder rückwärts gefahren werden soll. Empfängt ein Fahrzeug eine gültige, d.h. an deren Empfänger adressierte Information, wird der Fahrstrom für eine feste Zeit auf den Motor geschaltet. Ein gleichmässiges Fahren wird durch periodisches Ansprechen des Fahrzeugs bewirkt. Die Frequenz bestimmt die Fahrgeschwindigkeit. In diesem Ausführungsbeispiel ist die gesendete Information in folgender Weise aufgebaut; Das Impulsdiagramm beginnt mit einer Folge aus acht Impulsen, die stets in der wahren oder invertierten Form gesendet werden. Die wahre Folge wird in allen Empfängern als Information vorwärts, diç invertierte Folge als "Rückwärts" dekodiert und vorgemerkt. Gleichzeitig ist das Ende dieser Folge, die im folgenden "Sync-Zeichen" genannt wird, das Zeichen, dass die folgenden 8 Impulse als Adresse gelten. Diese wird mit einer der Empfängerschaltung eingeprägten Impulsfolge verglichen. Bei Obereinstimmung wird die bei Erscheinen des Sync-Zeichens vorgemerkte Fahrtrichtung gültig und der Fahrstrom für eine feste Zeit durchgeschaltet. Die gesendete Information wird von dem Fahrzeug über die Schienen abgenommen. Durch die Möglichkeit, dieses in zwei verschiedenen Fahrtrichtungen auf die Schiene zu setzen, wird die Zuordnung zwischen den Empfängeranschlüssen und den Schienen unbestinunt. Hierdurch wird ein Impulstelegramm entweder in seiner wahren oder in seiner invertierten Fqrm aufgenommen. Damit ein Fahrzeug sicher angesprochen wird, sendet die Impulsquelle 5 die Adresse nacheinander in wahrer und invertierter Form jeweils geführt durch ein Sync-Zeichen Der Benutzer der Anlage kann wählen, ob er die Fahrtrichtung in Bezug auf das Fahrzeug bestimmen möchte. Dann wird zunächst das zur Fahrtrichtung gehörende Sync-Zeichen mit der wahren Adresse und anschliessend beides invertiert gesendet. Oder er kann die Fahrtrichtung schienenbezagen wählen. Dann wird ein und dasselbe Sync-Zeichen mit der wahren und der invertierten Adresse nacheinander gesendet. Neben dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist auch die Lösung möglich, dass das Fahrzeug die wahre und die invertierte Adresse gleichzeitig erkennen kann. Dabei ergibt sich die Wahl der..Fahrtrich- tungszuordnung nicht. Figur 4 zeigt die Erkennung von gesendeten positiven und negativen Impulsen aus dem Impulsdiagramm. Mit Hilfe zweier Schwelloperationen gemäss der in Figur 4 dargestellten Schwellen wird bei überschreiten der Schwelle 15 das Signal S15 gleich 1 und bei überschreiten der Schwelle -16 das Signal S16 gleich 1. Wird dem Impulsdiagramm eine Gleichspannung zum Betrieb eines konventionellen Modellfahrzeugs überlagert, werden die. Schwellen mitgeführt, so dass die Schwelle 15 zimmer oberhalb und die Schwelle 16 immer unterhalb des Gleichspannungsmittelwertes liegt. - Figur 5 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung der aus positiven und negativen Impulsen entstandenen Schwellensignale S15 und S16 in eine logische Folge. An dem logischen Gatter 17 entsteht genau dann eine logische 1, wenn S15 = 0 und S16 = 1 ist. Ein Obergang von der logischen 0 zur 1 entsteht am Ausgang am Ende eines positiven oder negativen Impulses auf der Schiene. Der Ausgang des Gatters 17 ist mit dem dynamischen Takteingang des bistabilen Speichers 18 verbunden, der auf steigende Flanken reagiert. Der vorbereitende Dateneingang des Speichers ist mit dem Signal S15 verbunden. Während eines positiven Impulses ist S15 = 1. An dem Speicher 18 wird die logische 1 vorbereitet. Am Ende des positiven Impulses entsteht die positive Flanke am Takteingang des Speichers, so dass die 1 am Ausgang des Speichers erscheint. Während eines negativen Impulses ist S15 = O, so dass die logische Null vorbereitend an den Speicher gelegt wird. Am Ende des negativen Impulses erzeugt der Übergang von Null auf Eins des Schwellensignals S16 die Taktflanke zum Abspeichern der Null im Speicher 18. Dem Speicher 18 ist ein seriell-parallel wapdelndes Schieberegister 19 nachgeschaltet, das mit dem gleichen Takt beaufschlagt wird wie der Speicher 18. Am Ausgang des Schieberegisters steht die gesendete Impulsfolge als paralleles Datenwort zur Verfügung. In einer Schaltungsvariante ist der Speicher 18 mit dem ersten Speicherelement des Schieberegisters identisch.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur gleichzeitigen selektiven Obertragung von digitaler Infor mation und elektrischer Leistung auf mehrere elektrische Modellfahrzeuge auf einem Stromkreis bei gleichzeitigem Betrieb konventioneller spannungs gesteuerter Fahrzeuge dadurch gekennzeichnet, dass die Information über einen oder mehrere Kondensatoren in Form von positiven und negativen Impulsen seriell an die Schienen gelegt werden und die Impulse voneinander durch Impulspausen getrennt sind und in den Zeiten, in denen keine Information übertragen werden soll, posi tive und negative Impulse in wechselnder Folge gesendet werden und die elektrische Energie in den Impulsen zur Energieversorgung fernge steuerter Verbraucher dient. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfrequenz so hoch gewählt ist, dass die Induktivität konventionell betriebener Elektromotoren für Modellfahrzeuge gegenüber den gesendeten Im pulsfolgen einen so hohen Widerstand darstellen, dass sie durch. die Impuls folgen nicht beeinflusst werden und den Impulsfolgen vernachlässigbar wenig Energie entziehen. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der G,leichspannungsmittelwert der Impulsfolge verschwindet. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulstelegramm zur Beeinflussung eines ferngesteuerten Verbrauchecs aus einem ersten Teil zur Bestimmung der Fahrtrichtung besteht, dessen Ende den Beginn eines zweiten Teiles zur selektiven Ansprache des Empfän gers bezeichnet. 5. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zur selektiven Ansprache des Empfängers vorhandene Teil des Impuls diagramms in seiner wahren und invertierten Form erkannt wird, so dass eine Erkennung unabhängig von der Polung des Empfängers erfolgt. 6. Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zur selektiven Ansprache des Empfängers vorhandene Teil des Impuls diagramms in seiner wahren und invertierten Form nacheinander gesendet wird, so dass der Empfänger unabhängig von der Polung angesprochen wird.

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