Servodecoder selbst bauen

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.

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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.

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Der Servoantrieb

Im Inneren des Servos agiert ein klei­ner 5V Gleich­strommotor, der über ein hochuntersetztes Getriebe den Stellarm zwi­schen beiden mechanischen Anschlägen bewegt. Mit dem Stellarm ist ein Dreh­po­ten­tiometer gekoppelt, das die aktuelle Po­si­tion an die Ser­vo-Elek­tro­nik 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.

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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.

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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 x 39 x 20 mm (B x H x 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 x 45 x 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!

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Eigenschaften SerDecD-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

• 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

Hardware beider Modelle

• Preisgünstige Komponenten und Platinen
• 500 mA max. Ausgangsstrom für den Modellbauservo
• Leistungsfähiger ATMEL AVR Mikro­prozessor ATTiny2313 bzw. 2313A
• 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

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Seriengeräte

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 ist 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. Mehr Information dazu gibt es auch auf MoBaTron.de. 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.

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Die Downloads der Betriebsanleitungen finden Sie auf MoBaTron.de.

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

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© 2004 – 2021 Gerard Clemens  letzter Update 19.05.2021

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