Von Modellbauläden und im In­ter­net werden immer wieder sehr preis­werte Mo­dell­bau­ser­vos an­geboten. Es liegt nahe, diese Ser­vos für das vorbildgerechte langsame Stellen von Weichen und Sig­nalen auf der Mo­dell­bahn zu ver­wenden. Diese preis­güns­ti­gen Mo­dell­bau­ser­vos verfügen über Kunst­­stoff­zahnräder und sind nicht di­rekt flüsterleise. Wer aber mal neben einer Vollbahnweiche ge­stan­den hat, als diese umgelegt wurde, weiß, dass beim Vorbild die Weichen auch nicht gerade leise sind. Ich brauchte also einen De­co­der, wie die üblichen 4-fach Weichen­de­co­der für Mag­net­­spu­len oder mo­to­rische Wei­chen­­an­trie­be, nur mit 4 Impuls­aus­gän­gen für Servos statt mit 4 Leistungs­ausgängen. Das war die Grundidee in 2005, als die Auswahl an Servodecodern noch nicht so groß war wie heute und sich eigent­lich nur auf einen Hersteller beschränkte. Deswegen sah mein er­ster Servodecoder so ähnlich aus wie die da­maligen WDecD-90 und WDecN-90 Selbst­bau­decoder. Später wurde daraus der weiter unten abgebildete Decoder für nur einen Servo.


Prinzip der Servosteuerung

Das Steuerungsprinzip ist bei allen Servos für Modell­bau­zwecke gleich. Alle 20 ms wird ein Im­puls ausgegeben, dessen Länge (Dau­er) die Position des Stellarms oder des Stell­ra­des definiert. Nor­ma­ler­wei­se werden Modellbauservos funk­fern­ge­steu­ert. Der Funk-Empfänger bietet meistens bis zu 8 Kanäle für 8 Servos an. Um im 20 ms Rhythmus 8 Servos bedienen zu kön­nen, stehen also pro Servo 20 / 8 = 2,5 ms zur Verfügung. Die Im­puls­län­ge kann dem­nach maximal 2,5 ms betragen. Das ist aber Theo­rie und in der Pra­xis erreichen die Servos bei Impuls­zeiten von 2 bis 2,3 ms ihre lin­ke End­lagen (gegen Uhr­zei­ger­sinn). Damit die Elek­tro­nik im Ser­vo über­haupt den Impuls erkennt, ist eine mi­ni­ma­le Im­puls­län­ge von ca. 1 ms er­for­der­lich. Auch hier gibt es wieder Ab­wei­chun­gen und erreichen die Servos ihre rechte End­lage in ei­nem Be­reich von 0,7 bis 1 ms. Somit wird der gesamte Stell­be­reich des Servos (ca. 180°) mit Im­puls­län­gen von ca. 0,7 bis 2,3 ms definiert. Die Mit­tel­lage des Servo-Arms wird bei einer Impulsdauer von ca. 1,3 bis 1,6 ms er­reicht. Innerhalb der Zeitspanne von 0,7 bis 2,3 ms kann der Arm an jede be­lie­bi­ge Position gebracht werden. Die er­reich­ba­re Stell­ge­nau­ig­keit wird von der Auf­lö­sung des Impulses, der Qualität der in­ter­n­en Servoelektronik, aber vor allem der Mechanik bestimmt.


Timing des Servosignals
Timing des Servoimpulses

Der Servoantrieb

Im Inneren des Servos agiert ein klei­ner 5V Gleich­strommotor, der über ein hoch untersetztes Getriebe den Stellarm zwi­schen beiden mechanischen Anschlägen bewegt. Mit dem Stellarm ist ein Dreh­po­ten­tiometer gekoppelt, das die aktuelle Po­si­tion an die Ser­voelek­tro­nik zurückmeldet. Der Motor wird so lang an­ge­steu­ert, bis die Lage des Po­ten­­tio­meters und damit die Lage des Stellarms der für die Impuls­länge pas­senden Position ent­spricht. Hat der Ser­vo seine Po­si­tion erreicht, steht der Mo­tor und geht die Strom­ab­nah­me zurück. Wird der Arm durch eine externe Kraft aus seiner Po­si­tion gebracht, versucht der Motor den Arm wieder auf die alte Po­si­tion zu bringen. Aufgrund der großen Ge­trie­be­un­ter­set­zung können die dabei auftretenden Kräfte be­acht­lich werden.


Servo am 3-begriffigem Signal

Prototyp des Servodecoders und Conrad Servo bedienen ein Viessmann Rangiersignal

Funktion des Servodecoders

Der Servodecoder versorgt auch die in­ter­ne Elektronik des Servos mit 5V Gleich­spannung. Diese 5 Volt werden mit einem 7805 Längs­regler oder fast ver­lust­frei mit einem Schalt­reg­ler aus der digitalen Gleis­spannung ge­won­nen. Die minimale Stellzeit eines Ser­vos be­trägt ca. 0,4 bis ca. 1s für einen Stellbereich von ca. 180°. Das ist für die meisten Vorgänge auf der Modellbahn viel zu schnell. Um die für die Vor­gän­ge auf der Modellbahn erforderlichen lang­samen Be­we­gungen zu erreichen, müs­sen stetig ver­än­der­liche Positionen vor­gegeben wer­den. Der Servo nimmt so alle 20 ms eine neue Po­si­tion ein und täuscht damit eine langsame, stetige Be­we­gung vor. Die minimale „stetige“ Ge­schwin­dig­keit, die man so er­rei­chen kann, liegt daher bei einem Zeit­in­kre­ment pro 20 ms. Da der vor­lie­gende Decoder den Gesamtweg von 180° intern in ca. 1500 In­kre­mente auflöst, ist eine Stellzeit von 1500 × 20 ms = 30 s rea­li­sierbar. Der Einfluss der Ver­sor­gungs­span­nung auf die Stellzeit wird durch die­ses Prinzip aufgehoben.


Prototyp des Servodecoders mit Conrad Servo als Signalantrieb unter der Anlagenplatte
Servo-Aktor aus dem 3D-Drucker

Hardware der Servodecoder

Die Versuche mit den 4-fach Ser­vo­de­co­dern wurden zu­gun­sten eines 1-fach Decoders auf­ge­ge­ben. Das hatte kom­mer­ziel­le und tech­ni­sche Gründe. Tech­nisch wurden die Ka­bel zu den 4 Servos zu lang und/oder hätten über Modul­grenzen hinweg ver­legt werden müssen.
Die Baumuster der 1-fach Servodecoder wurden in gemischter Bau­weise in SMD Technik auf einer ein­seitigen Pla­ti­ne auf­gebaut und messen ca. 35 × 39 × 20 mm (B × H × T). Auf der Oberseite der Pla­ti­ne befinden sich sämtliche Anschlüsse und der Spannungsregler mit seinem Kühl­kör­per. Der Decoder wird komplett aus der Gleis­span­nung versorgt. Für meine Tillig Weichen auf der Modulbahn habe ich eine etwas abweichende Variante gebaut, die ent­spre­chend der Weichen­lage, das Herzstück der Weiche mit um­polt. Auf der Abbildung unten ist dieser Decoder rechts abgebildet. Er misst 43 × 45 × 20 mm. Mittlerweile ist die gesamte Modulanlage auf Ser­vo umgerüstet. Die meisten Viessmann Signale (Con­rad/­Völk­ner-Bau­sätze) sind mit einem Servo­decoder und einem Servo aus­­ge­stat­tet. Eine sehr zuverlässige Lösung!


Der Standard Servodecoder SerDecX-TN und eine Variante
mit Relais SerDecRX-TN für die Herzstückumschaltung.
Oben der Conrad Servoantrieb.

Zwei Hardwarevarianten, vier Firmwarevarianten

Eigenschaften SerDecD-TN DCC und SerDecRD-TN DCC

  • Unterstützt NMRA Basic Accessory Decoder DCC Formate (Broadcast / Output / Operations Mode Pro­gram­ming)
  • Einsatz für Weichen, Formsignale, Entkuppler, Schuppentore, Bahn­schran­ken, usw.
  • Stellzeit über CV einstellbar bis ca. 30 s.
  • Adressierung der Weichen, nicht des Decoders. 1 Adresse pro Servo spart Zubehöradressen
  • Einfache Adressierung mit einem externen Taster
  • Endlage links und Endlage rechts über CV einstellbar.
  • Endlagen auch über externe Tasten einstellbar
  • Einstellbarer Vorschub für die manuelle Justage der Endlagen.
  • Hauptgleisprogrammierung wird unterstützt
  • Lesen und Schreiben Byteweise und Bitweise aller CVs am Pro­gram­mier­gleis
  • Speicherung der letzten Position bei Spannungsausfall
  • Optionale Erhaltung des Servo­im­pul­ses zum Halten der erreichten Soll­position auch unter Belastung
  • Konfigurierbarer Nachlauf zum Aus­regeln

Eigenschaften SerDecM-TN V1.2 MM und SerDecRM-TN V1.2 MM

  • Unterstützt das „Marklin-Motorola“ Gleisformat für bis zu 319 Weichen (Zubehöradressen)
  • Einsatz für Weichen, Formsignale, Entkuppler, Schuppentore, Bahnschranken, usw.
  • Stellzeit über externe Tasten einstellbar bis ca. 30 s.
  • Adressierung der Weichen, nicht des Decoders. Eine Weichen­adresse pro Servo spart Zubehöradressen.
  • Einfache Adressierung mit einem externen Taster
  • Endlage links und Endlage rechts über externe Tasten ein­stell­bar
  • Speicherung der letzten Position bei Spannungsausfall
  • Rücksetzen auf Werkseinstellung über Adresse 320

Eigenschaften SerDecF-TN und SerDecRF-TN

  • NMRA -kompatibel, versteht die gängigen DCC-Telegramme für Funktionsdecoder / Fahrzeugdecoder
  • Unterstützt NMRA Basic Funktionsdecoder DCC Formate für die Funktionen FL (vorw./rückw.), F1 – F28
  • NMRA Adressierung von 1 – 127 (kurze Adressen) und von 128 – 10240 (lange Adressen)
  • Function Mapping nach NMRA für Fl (vorw.), Fl (rückw.), F1 – F28
  • Einsatz als Steller für Stromabnehmer, Fahrzeugkuppler, Schiebetüren, Bahnschranken, usw. aber auch für Weichen und Signale
  • 16 über CV einstellbare individuelle Positionen, Pausen und Stellgeschwindigkeiten für eine Ablaufsteuerung
  • Schrittschaltwerk/Ablaufsteuerung für Nachwippen und andere Effekte
  • Werkseinstellung 2 Positionen. F-Funktion aktiv -> Position 1, F-Funktion inaktiv -> Position 2
  • Hauptgleisprogrammierung wird unterstützt
  • Lesen und Schreiben byteweise und bitweise aller CVs am Programmiergleis
  • Speicherung der letzten Position bei Spannungsausfall
  • Decodierung auch während des Stellvorgangs. Der zuletzt eingegangene Befehl wird anschließend ausgeführt
  • Optionale Erhaltung des Servoimpulses zum Halten der erreichten Sollposition auch unter Belastung
  • 1 Servoantrieb pro Decoder
  • Elektrische Auflösung: ca. 1500 Schritte
  • Schutz gegen Überschreiben auch im Mehrdecoderverbund (Decoder ID)
  • Genauigkeit: mechanisch, abhängig vom eingesetzten Servo
  • Spart DCC-Digital-Strom, Servo wird nur während des Stellvorgangs versorgt.

Eigenschaften SerDecMulti 1.3 und SerDecRMulti 1.3

  • 2 bis 8 programmierbare Positionen bzw. 16 programmierbare Positionen bei Verwendung der Extended Accessory Decoder Telegramme
  • 16 Stellgeschwindigkeiten den Positionen 1 – 16 fest zugeordnet
  • Unterstützt NMRA Basic Accessory Decoder DCC Formate (Standard, Broadcast, Operations Mode Programming und Service Mode Programming) und verwendet dabei die Decoderadressierung
  • Unterstützt NMRA Extended Accessory Decoder Formate (Standard, Broadcast, Operations Mode Programming und Service Mode Programming) und verwendet dabei die Ausgangsadressierung.
  • Universell einsetzbar für Weichen, Formsignale, Entkuppler, Schuppentore, Bahnschranken und andere Funk­tions­modelle mit 2 oder mehr Positionen.
  • Stellgeschwindigkeit einstellbar in einem Regelbereich von ca. 1:50 (minimal 1µs/20ms, maximal ca. 50 µs/20 ms).
  • Decoderadressierung: Je nach Anzahl der konfigurierten Positionen belegt der Decoder 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5 oder 4 Weichenadressen. Eine Decoderadresse kann mehrfach verwendet werden.
  • Ausgangsadressierung: Es wird immer nur eine Weichenadresse verwendet, unabhängig von der Anzahl der konfigurierten Positionen
  • Hardware-Variante SerDecRMulti mit 2 Relais, die mittels CV jeder Position zugeordnet werden können.
  • Lesen und Schreiben Byteweise und Bitweise aller CVs am Programmiergleis
  • Speicherung der letzten Position bei Spannungsausfall
  • Hardware-Ansteuerung der Positionen 1 – 8 über 3 Binäreingänge. Konfigurierbar in CV2.
  • Decodierung auch während des Stellvorgangs. Der zuletzt eingegangene Befehl wird anschließend ausgeführt
  • Optionale Erhaltung des Servoimpulses zum Halten der erreichten Sollposition auch unter Belastung
  • Optionaler Nachlauf des Servos.
  • Schutz gegen Überschreiben und Auslesen, auch wenn sich mehrere SerDecMultis eine Decoderadresse teilen.

Hardware aller Modelle

  • Preisgünstige Komponenten und Platinen
  • 500 mA max. Ausgangsstrom für den Modellbauservo
  • Leistungsfähiger ATMEL AVR Mikro­prozessor ATTiny2313A
  • Platinen für die Varianten mit und ohne Relais (für z. B. die Um­schaltung der Polarität des Weichenherzstücks)
  • Optionales externes Bedien- / Pro­grammiergerät ist in der BA be­schrie­ben

Der Prototyp Servodecoder mit
Handbedienung bzw. Programmiergerät

Aktuelle Geräte

Eigentlich wurde dieser Decoder für meine private, mo­du­la­re Mo­dell­bahn entwickelt. Schon schnell gab es kom­mer­ziel­les In­te­resse an diesem Decoder und wurde er auf einen einzelnen Ka­nal ab­ge­speckt. Die Relais zur Polarisierung des Wei­chen­herz­stücks mach­ten den Decoder „zu groß und zu teuer“ und wurden ebenfalls aus der Hardware entfernt. In der Soft­ware blieb der Code für die Relais jedoch standardmäßig enthalten. Da der De­co­der nicht mehr kom­­mer­ziell vermarktet wird und die Rechte an Hard- und Soft­ware bei mir liegen, sind programmierte Pro­zes­sor­en und Pla­ti­nen auf Anfrage bei mir erhältlich. Die Aus­füh­rung des Decoders für nur einen Servokanal hat bei meiner Mo­dul­an­la­ge den ent­schei­den­den Vor­teil, dass er direkt unter der Weiche oder unter dem Signal plat­ziert wird und man das stör­emp­find­liche Kabel zum Servo nicht verlängern muss.


Die aktuelle Hardware der Modelle SerDecRX-TN und SerDecX-TN

Aktueller SerDecRX-TN mit Schaltregler, spart Digitalstrom

Der gezeigte Servo-Aktor aus dem 3D-Drucker für mehrbegriffige Formsignale ist in diesem Blog beschrieben.

Informationen für den Nachbau

Gemeinsame Hardware für alle Varianten
SerDecX-TNSerDecRX-TN
Bestückungsplan BottomBestückungsplan Bottom
Bestückungsplan TopBestückungsplan Top
SchaltplanSchaltplan
Stückliste mit BezugsquellenStückliste mit Bezugsquellen
SerDecX Platinen und programmierte Prozessoren sind zum Preis von 5€ verfügbar. Formlose E-Mail an den Autor reicht. Bitte Firmware-Variante angeben.SerDecRX Platinen und programmierte Prozessoren sind zum Preis von 6€ verfügbar. Formlose E-Mail an den Autor reicht. Bitte Firmware-Variante angeben.
Handbedienung Gehäuseboden (3D .STL Datei)
Handbedienung Gehäusedeckel (3D .STL Datei)
Software-Variante DCC Zubehördecoder SerDecD-TN und SerDecRD-TN V3.4
Firmware Version 3.4  (enthält .HEX, .EEP und .ELF Files)
Handbuch SerDecD-TN und SerDecRD-TN V3.4
Excel Tool zum Berechnen der CVs für die Endlagen des SerDecD-TN V3.4 / SerDecRD-TN V3.4
Software-Variante MM Zubehördecoder SerDecM-TN und SerDecRM-TN V2.0
Firmware Version 2.0 vom 1.12.2017  (enthält .HEX, .EEP und .ELF Files)
Handbuch SerDecM-TN und SerDecRM-TN V2.0
Software-Variante DCC Funktionsdecoder SerDecF-TN und SerDecRF-TN V2.0
Firmware Version 2.0 vom 14.12.2018  (enthält .HEX, .EEP und .ELF Files)
Handbuch SerDecF-TN und SerDecRF-TN V2.0
Tool zum Berechnen der CVs für die Positionen SerDecF-TN und SerDecRF-TN V2.0
Software-Variante DCC Funktionsdecoder SerDecMulti und SerDecRMulti V1.3
Firmware Version 1.3 vom 22.03.2021  (enthält .HEX, .EEP und .ELF Files)
Handbuch SerDecMulti und SerDecRMulti V1.3
Alle Informationen, die zum Nachbau benötigt werden.

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