Seit geraumer Zeit bastle ich - als vollständiger E-Technik-Laie - an einer Funk-Fernbedienung für eine Modell-Garteneisenbahn. Zum Einsatz kommen in der Hauptsache ATMEGA-4809 sowie das RFM-69 Modul von Hope (433 MHz). Mit meinen bisherigen Ergebnissen bin ich zufrieden.
Ich bin an einem Punkt angekommen, an dem ich eine tragfähige Lösung für die Bahn-Signale benötige. Anders gewendet: Einfache Datenübertragung von der Strecke an die Loks.
Da es sich um eine Gartenbahn handelt, sind folgende Eckpunkte zu berücksichtigen:
• Möglichst unempfindlich gegen äußere Einflüsse (Verschmutzung etc.).
• Robust geht vor schön: Lieber wenig Bauteile mit sicherer Funktion als eine ausgeklügelte, aber empfindliche Schaltung.
• Maximale Größe einer halben Streichholzschachtel (mit THT-Bauteilen).
Damit scheiden schon einmal die üblichen Verdächtigen wie Infrarot oder Ultraschall aus. Auch Funk mit (künstlich) schlechter Antenne ist wegen möglicher Störung der Fernsteuerung keine Lösung.
Zunächst habe ich eine Lösung mit RFID gearbeitet. (Loks lesen RFID-ID aus, erhalten über Gruppen-Funk Signal-Bedeutung der jeweiligen ID’s.) Diese Lösung habe ich als zu unzuverlässig verworfen, was auch an den weiteren Eckpunkten liegt:
• Übertragungsdistanz mindestens 4 cm, max. aber etwa 10 cm. (Distanz konnte ich mit Elektromagnet und Hall-Sensor nicht überbrücken.)
• Zeitfenster für die Datenübertragung im ungünstigsten Fall (bei 5 cm Reichweite und Spitzengeschwindigkeit der Lok) 10 ms.
• Hinsichtlich der Datenmenge reichen 3 Bit, 4 Bit wären schön (300 - 400 Bit/s). Im Zweifel würde es auch reichen, drei oder vier unterschiedliche Signale zu unterscheiden.
• Signalstärke ändert sich während des Empfangs deutlich, weil sich der Abstand ändert. (Lok mit Empfänger überfährt Sender im Gleisbett.)
• Bei Gartenbahnen muss ein relativ großer Toleranzbereich berücksichtigt werden. Sender und Empfänger können durchaus um 1 bis 3 cm in der Höhe „verrutschen“. Eine (halbwegs) parallele Ausrichtung sollte allerdings erreichbar sein.
Soweit die Vorgeschichte und die Eckpunkte. Ich hoffe, ich habe mögliche Hinweis-Geber durch die Länge des Vorspanns noch nicht vergrault.
Mein Ansatz ist nunmehr eine induktive Datenübertragung. Dazu nutze ich einen Colpitts-Oszillator (siehe Schaltskizze).
Auf dem Steckbrett funktioniert dies (bis auf die Daten-Demodulation) gut:
Mit den in der Schaltskizze angegebenen Werten wird die errechnete Frequenz (12,3 kHz) erreicht; die Spannung an der Sender-Spule beträgt ca. 18 V (Spitze-Spitze), an der Spule des Empfängers werden zw. 0,2 V (5 cm Abstand) bis 8 V (1 cm Abstand) induziert; es handelt sich um saubere Sinussignale; trotz 10 % Kerkos hinreichend genau genug …
(Was auf dem Steckbrett funktioniert, ist i. d. R. auch robust genug für den Garten …)
Jetzt zu den Punkten, an denen ich feststecke. Zunächst in Bezug auf die Colpitts-Schaltung.
Die beigefügte Schaltung ist sehr tolerant. Solange ich die Werte der Widerstände und Kondensatoren in etwa in der dargestellten Größenordnung wähle und die Verhältnisse untereinander einhalte, funktioniert’s - zumindest in der Simulation. Auch hinsichtlich der Versorgungsspannung des Senders habe ich einen weiteren Toleranz-Bereich feststellen können (5 V bis 12 V sind kein Problem).
In finde allerdings keinen rechten Ansatz, die Dimensionierung der Bauteile zu optimieren.
Ich gehe davon aus, dass die Induktivität möglichst groß sein sollte, um eine große Reichweite zu erzielen. (Anmerkung: Luftspule auf Empfänger-Seite scheidet wg. Größe eher aus.) Auf dem Steckbrett habe ich ein Funk-Entstördrossel mit 6,8 mH verwendet. Diesen Wert werde ich noch auf 1,0 mH reduzieren, damit der Oszillator schneller einschwingt (derzeit: fast 4 ms; Ziel: unter 1 ms wegen OOK-Datenmodulation). Auch git es wohl, eine möglichst hohe Spannung an der Spule zu erzeugen. Als obere Grenze gilt weiter wohl der Sättigungsstrom der Spule (… und letztlich die Vfg. 109/ 2021 (Allgemeinzuteilung für induktive Geräte)).
Frage 1)
Sind meine im letzten Absatz aufgeführten Annahmen richtig? Wo irre ich?
Frage 2)
Welche Werte nehme ich (neben UBE = 0,7 V und Schwingkreiswerten) als festgelegt an, um den Rest der Werte zu berechnen?
Frage 3)
Gibt es weitere Tipps zur Optimierung der Schaltung?
Der zweite Punkt, an dem ich nicht weiter komme, ist die Daten-Demodulation.
Das Ziel ist es, aus der empfangene Sinusspannung das Rechteck-Signal der OOK-Modulation „herauszufiltern“. Anders gewendet: Positive Spannung, solange Signal anliegt, keine Spannung, wenn Signal nicht anliegt.
Ich dachte, dass sich dies mit einem einfachen Diodendektor, wie in der Schaltskizze enthalten, bewerkstelligen lässt. Soweit ich es verstanden habe, muss das RC-Glied so dimensioniert werden, dass
$$f_\RC-Glied = \sqrt{Trägerfrequenz x Datenfrequenz}$$
erreicht wird.
So viel ich auch rechne und ausprobiere, mehr als ein pulsierende Gleichspannung (halbe Sinus-Welle) kriege ich nicht hin.
Frage 4)
Welche Schaltung kann ich nutzen, um aus dem empfangenen Sinussignal das OOK-Signal als Rechteck-Signal herauszufiltern? Trägerfrequenz: zw. 10 kHz und 45 kHz. Datenfrequenz etwa zw. 500 Hz und 1 kHz.
Sollte ein Daten-Demodulation nicht gelingen, wäre die Alternative, Sender mit unterschiedlichen Frequenzen zu verwenden und den Empfänger (durch Umschaltung von Kondensatoren?) die unterschiedlichen Frequenzen „abtasten“ zu lasten. Die Lösung schmeckt mir aber aus unterschiedlichen Gründen nicht wirklich.
Für alle Hinweise, die mich weiterbringen können, wäre ich aufrichtig dankbar!
Aber wenn du bei der induktiven Übertragung bleiben willst,
würde ich die Sendespule größer machen, 1m Durchmesser oder
auch mehrere Meter Durchmesser. Die kannst du auch in der
Erde eingraben.
Bei niedrigen Frequenzen ist ein Meißner-Oszillator von
Vorteil, oder auch ein Gegentakt-Meißner-Oszillator.
Schwingkreispule mit Anzapfung machen und einen
stärkeren Strom einspeisen vielleicht so 100mA.
Stärkere Transistoren verwenden, zum Beispiel BD135.
Bei deinen Empfangsdemodulator RH nicht zu klein machen,
mindestens so groß wie der Resonanzwiderstand des Schwingkreises.
Besser ist es, die Empfangsfrequenz erst zu verstärken und
dann erst demodulieren.
So viel ich auch rechne und ausprobiere, mehr als ein pulsierende
Gleichspannung (halbe Sinus-Welle) kriege ich nicht hin.
Ein Schmitt-Trigger nachschalten, der macht daraus Rechteckimpulse.
Wie wäre es denn hiermit, 433MHz Sender und Empfänger?
Ein 433 Mhz-Modul (Hope RFM69) verwende ich bereits für die eigentliche Fernsteuerung (Richtung, Geschwindigkeit, Sonderfunktionen). Ich möchte keine Störung durch die Übertragung der Bahnsignale einbringen.
Aber wenn du bei der induktiven Übertragung bleiben willst,
würde ich die Sendespule größer machen, 1m Durchmesser oder
auch mehrere Meter Durchmesser.
Für die Übertragung der Bahnsignale macht nur eine (mehr oder weniger) punktförmige Übertragung Sinn. Die Spurweite (Abstand zwischen den Schienen) beträgt 45 mm. Die Bahn-Signale sollen richtungsabhängig (rechte | linke Seite) übertragen werden. Da ist nicht wirklich viel Platz; daher auch der Hinweis auf die halbe Streichholzschachtel.
Ich habe eine Handskizze beigefügt ("Positionen"). Möglicherweise wird's damit etwas deutlicher.
Bei niedrigen Frequenzen ist ein Meißner-Oszillator von
Vorteil, oder auch ein Gegentakt-Meißner-Oszillator.
Danke für den Hinweis. Darauf wurde ich erst aufmerksam, nachdem ich mir eine ganz grobe Vorstellung von der Funktionsweise der Colpitts-Oszi erarbeitet hatte. Bin froh, dass der tut was er soll und stelle Meißner zunächst zurück.
Schwingkreispule mit Anzapfung machen
Aufgrund der Anzahl der Bahn-Signale scheiden Eigenbauten faktisch aus.
Stärkere Transistoren verwenden, zum Beispiel BD135.
Werde ich bei meiner nächsten Bestellung berücksichtigen.
Bei deinen Empfangsdemodulator RH nicht zu klein machen,
mindestens so groß wie der Resonanzwiderstand des Schwingkreises.
Werde ich probieren.
Besser ist es, die Empfangsfrequenz erst zu verstärken und
dann erst demodulieren.
Grundsatz: Wenig Bauteile. Den Verstärker auf der Empfänger-Seite habe ich im Sinn; wäre aber dankbar, ohne ihn auszukommen. In Hinblick auf die gemessenen Werte bin ich (noch) zuversichtlich.
So viel ich auch rechne und ausprobiere, mehr als ein pulsierende
Gleichspannung (halbe Sinus-Welle) kriege ich nicht hin.
Ein Schmitt-Trigger nachschalten, der macht daraus Rechteckimpulse.
Um Missverständnisse zu vermeiden: Die halben Sinuswellen, die ich bekomme, entsprechen der Trägerfrequenz (genauer: der Hälfte davon). Es geht mir nicht darum, aus der Trägerfrequenz Rechteckimpulse zu generieren. Mit OOK (On-Off-Keying) hatte ich gemeint, dass der Sender ein- und ausgeschaltet werden soll. Es gilt, diese "Datenfrequenz" herauszufiltern; im Prinzip wie beim DCF-Signal, nur schneller. Um sicher zu gehen, auch hierzu eine Handskizze ("OOK").
Wenn ich die "Datenfrequenz" zu packen habe, kann ich einen Schmitt-Trigger nachschalten oder ggf. den Analog-Komparator des Mikrocontrollers nutzen.
Für die Übertragung der Bahnsignale macht nur eine (mehr oder weniger)
punktförmige Übertragung Sinn.
Das ist mit induktiver Übertragung nicht möglich.
Die Bahn-Signale sollen richtungsabhängig
(rechte | linke Seite) übertragen werden.
So eng lassen sich die Magnetfelder nicht begrenzen,
daß sie nicht auf der anderen Seite der Schiene kommen.
Da bleibt dann nur die Übertragung mit Licht (LED)
übrig. Wenn das Licht nicht zu sehen sein soll, es
gibt infrarot LEDs.
Die halben Sinuswellen, die ich
bekomme, entsprechen der Trägerfrequenz (genauer: der Hälfte davon)
Dann ist dein Tiefpas (C5) falsch bemessen, oder die Diode ist
kaputt oder RH zu klein. Wie lang sind denn die Datenimpulse?
Fahrradtachos uebertragen ihre Schaltpulse bei 125 kHz ueber einen
halben Meter. Scheint also keine Raketentechnik zu sein.
Den Oszillator selbst modulieren zu wollen, ist Falschgeiz.
Mit nur einem Transistor/Bauelement mehr bekommst du leicht
eine schnelle(re) Modulation hin.
Mit einem 125 kHz Traeger kannst du problemlos mit einigen kHz
modulieren. Benutze als Modulation etwas, was ein Controller
einfach und zuverlaessig dekodieren kann. Z.B. Manchestercodes.
Genau wie frueher die Programme auf ein Tape gespeichert wurden,
wenn es schneller als lahme FSK sein wollte.
Dann brauchst du das Eingangssignal nur hinreichend, also bis
zur eintretenden Begrenzung, verstaerken. Pegelschwankungen
werden so zuverlaessig unterdrueckt.
trotz 10 % Kerkos hinreichend genau genug
Nur auf dem Steckbrett. Zwischen Frost und praller Sonne ist
noch viel Platz fuer Fehlfunktion im Garten.
Also: Frequenzbestimmende Kerkos nur in NP0 oder eben keine Kerkos.
die Induktivität möglichst groß sein sollte
Im Prinzip ja, aber es kann dir passieren, dass die resultierende
Bandbreite dann so schmal wird, dass die Datensignale nicht mehr
lesbar sind. Also einfach nicht uebertreiben.
Und: Irgendwelche "Entstoerdrosseln" sind eigentlich untauglich.
Benutze z.B. Ferritkerne aus AM-Bandfiltern (455 kHz).
P.S.
Du solltest eine 100%ige Modulation vermeiden. Ein Empfaenger
braucht gewissermassen immer(!) ein Eingangssignal wenn er
wirklich gut funktionieren soll. Zumindest im Empfangsbereich.
Als Versuch eine Simulation zum Eingangspost um die Probleme
zu sehen.Die "Entfernung" Sender / Empfänger wird über K1 eingestellt.
Der Empfänger ist breitbandig, ein Schwingkreis dürfte zu lange Zeit
für Ein- Ausschwingvorgänge brauchen.Möglicherweise würde dann
die Wahl einer höheren Frequenz helfen.
Man wird probieren müssen, ob es so vereinfacht gesehen gehen könnte.
Die Bauform der Spulen ist sicher wesentlich mit entscheidend,
käufliche Spulen sind üblicherweise nicht für induktive
Übertragung ausgelegt.Die Spulen für Induktives Laden sind "etwas"
überdimensioniert von der Leistung.
Die Transistoren brauchen keine besondere Leistung aushalten.
Abermals vielen Dank für die Reaktionen und Hinweise!
Eine Menge Stoff. Der Reihe nach ...
===
@ Günter:
Zur "mehr oder weniger punktförmig" sowie "richtungsabhängig" schriebst Du, dass dies nicht möglich sei, weil sich Magnetfelder nicht derart begrenzen ließen.
Nun, nach meinen Tests bin ich verhalten optimistisch. Die bis zu fünf Zentimeter Reichweite, die ich ereicht habe, sind hinreichend genau. Wichtiger jedoch: Sobald sich Sender- und Empfangsspule in Hinblick auf die Längsachse nicht mehr überschneiden, fand auch keine Übertragung mehr statt. Bei 16 mm Spulenbreite könnten 45 mm Spurweite reichen. Ansonsten "ab in die Mitte" und es gibt ein Vorsignal "nächstes Signal ignorieren" (siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Zugsicherung_auf_Schmalspurbahnen_in_der_Schweiz#ZST-90)
Dann ist dein Tiefpas (C5) falsch bemessen
Richtig. Da muss ich offensichtlich nochmal ran.
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@ Motopick:
Scheint also keine Raketentechnik zu sein.
Wohl war! Induktive Hörgeräte (T-Coil), "Tapetenschalter" in den 70'er, NFMI ... Auf die Idee bin ich gekommen, als ich auf die chinesisch Gimmicks "wireless LED" gestoßen bin.
Mit nur einem Transistor/Bauelement mehr bekommst du leicht
eine schnelle(re) Modulation hin.
Schnell muss es wirklich nicht sein. Wie geschrieben, reichen 4 Bit in 10 ms (als Größenordnung). Wenn ich das hinbekomme, bin ich zunächst zufrieden. Zudem: Ich bin ernsthaft ein "elektronisch Unbeleckter". Bevor ich mit dem Projekt der Fernsteuerung angefangen habe, hatte ich noch nie einen Lötkolben in der Hand, wußte nicht, was ein Mikrocontroller ist ...
Das Aufmodulieren einer Nutzfrequenz könnte ich möglicherweise irgendwo abkupfern, aber nicht nachvollziehen / an eigene Bedürfnisse anpassen. Unbefriedigend.
Hierüber (https://www.best-microcontroller-projects.com/inductive-data-transfer.html?utm_content=cmp-true) bin ich während meiner Recherchen gestolpert. Allein: Mein Hirn ist ausgestiegen.
Zwischen Frost und praller Sonne ist noch viel Platz fuer Fehlfunktion im Garten.
Auch sehr richtig! Es ist kaum zu glauben, mit welcher Kraft Mutter Natur Sachen kaputt kriegt, von denen man meint, sie seien für die nächsten 10 Jahre gebaut.
Dann brauchst du das Eingangssignal nur hinreichend, also bis
zur eintretenden Begrenzung, verstaerken. Pegelschwankungen
werden so zuverlaessig unterdrueckt.
Hmm. In Hinblick auf die Pegelschwankungen komme ich nicht ganz mit. Pegelschwankungen werde ich allein durch den Aufbau nicht zu wenig haben. Die Spulen bewegen sich aufeinander zu (Empfänger Richtung Sender) und auch wieder voneinander weg. Dann liegt ein Stein in Weg, die Lok macht einen Hopser. Die AM-Modulation müsste sich also deutlich von diesen Schwankungen unterscheiden lassen.
Die Manchester-Codierung habe ich als Möglichkeit in Blick. Unterschiedliche lange "Lücken" wie bei DCF halte ich auch für eine Option.
Frequenzbestimmende Kerkos nur in NP0 oder eben keine Kerkos.
NP0 in den von mir verwendeten Kapazitäten habe ich nicht gefunden. "Keine Kerkos"? Polarisierte (richtiger Begriff?) Kondensatoren wie Elkos können - soweit ich es verstanden habe - bei der Schaltung nicht funktionieren. Wären Folienkondensatoren die bessere Wahl?
Darauf bin ich zwischenzeitlich auch gestoßen. Bei einem Modulationsgrad von 1 (was bei OOK wohl der Fall ist), soll es u. a. auch Schwierigkeiten mit der Hüllkurvendemodulation geben.
====
@ Dieter:
Aufrichtigen Dank, für die Mühe, die Du Dir gemacht hast!
Mit der Schaltung kann ich etwas anfangen.
Mal sehen, ob ich's halbwegs verstanden habe ...
a) L2, C3 und R7 bilden einen Reihenschwingkreis, der Widerstand bestimmt die obere und die untere Grenzfrquenz. Dadurch die höhere Bandweite. Richtig?
b) Der Transistor verstärkt das Signal (Emitter-Schaltung - richtig erkannt?). D1, C6 und R8 bilden Diodendektor / Hüllkurvendemodulator.
c) C5 entkoppelt den Gleichspannungsanteil des linken Teils der Empfänger-Schaltung von der rechten Seite. Richtig?
d) R4 bleibt mir ein Rätsel.
===
Da bislang keiner wegen der von mir gewählen Widerstände die Hände über den Kopf zusammengeschlagen hat, gehe ich davon aus, dass hier kein wirklicher Optimierungsbedarf besteht.
Abschließend nochmals Danke an alle, die sich die Zeit nehmen, sich mit dem Haufen Gedanken zu beschäftigen, die in meinen Kopf schwirren!
Das ist ein Pfad für die negative Halbwelle.
Ohne R4 funktioniert die Gleichrichtung nicht.
Es würde sich C5 aufladen und danach kann kein
Strom mehr fließen. Durch ein Kondensator kann
kein Gleichstrom fließen.
Man könnte R4 auch durch eine Diode ersetzen,
Durchlassrichtung für die negative Halbwelle,
und man hätte dann einen Spannungsverdopplungs-
Gleichrichter.
Das macht nuex. Das waren 1000e von Modellbauern die ihre
Fernsteuerungen (un)freiwillig selber bauen mussten am Anfang auch.
So ein "modulierter" Oszillator ist wirklich nur suboptimal.
Modulation mit einer aktiven Stufe mehr, separiert beide Funktionen
und vereinfacht es dadurch.
Orientiere dich z.B. an (ziemlich) alten Schaltungen von
Modellfernsteuerungn.
Mit zu niedriger Frequenz zu modulieren, ist nicht zu empfehlen.
Da muss der Demodulator auch langsame Signale demodulieren,
was nicht unbedingt einfacher ist.
komme ich nicht ganz mit
Es ist das Signal nach dem Demodulator gemeint.
Eine Manchester Variante laesst sich sehr einfach dekodieren.
Kochrezept:
Man startet bei jeder Flanke (0/1 1/0) einen Timer, der nach
75 % der Gesamtzeit das Signal einliest.
Das ist dann schon bis auf eine moegliche Invertierung das
Datensignal. Ob es invertiert ist, muss man entweder schlicht
ausprobieren, oder man benutzt eine "Praeambel" die das
ermoeglicht und korrigiert das dann in der Software.
Unterschiedliche lange "Lücken"
Du wrist sehen, dass wird schwieriger.
Wären Folienkondensatoren die bessere Wahl?
Ja.
Ist so etwas gemeint
Die sind ziemlich klein. Und nur den Kern verwenden!
Und nicht abschirmen :).
Besser waeren wohl welche aus alten Roehrenradios.
Musst du probiern.
a) L2, C3 und R7
L2, C3 sind ein Reihenschwingkreis, der nicht auf Resonanz abgestimmt ist.
Die Schaltung ist breitbandig.R7 ist für Arbeitspunkt Transistor Q1.
b) Ja, R8 soll den ( hier hochohmigen ) Lastwiderstand darstellen.
c) C5 entkoppelt den Gleichspannungsanteil
Die Diode wäre sonst schon leitend.
d) R4 bleibt mir ein Rätsel.
Ist für den Gleichstrompfad der Diode.
Für die Simulation wird hier LTSpice verwendet.
Die Schaltung nochmal ergänzt.Einmal eine Diodenbegrenzung für
schwankende Eingangsspannung am Empfänger, die Betriebsspannung
auf 3V reduziert und ein Transistor als Ausgangsstufe.
Bei zu geringer Eingangsspannung reichts nicht für eine Begrenzung,
bei zu hoher Eingangsspannung werden die Pausendauern kürzer.
Jetzt könnte man die Frequenz auswerten, oder mit einem Tiefpass
Ein- oder Auszustand erhalten.
Das Ganze ist hier nur als Simulation vorhanden und nicht als
Aufbau getestet.Für die Transistoren reichen einfache wie etwa
2N3904 oder ähnliches.An Punkt E ist das Signal invertiert, bei
Sender Aus Spannung, bei Sender Ein Impulse oder nach Tiefpass
keine Spannung.
So, heute bin ich dazu gekommen, die Hinweise und konkreten Schaltungsvorschläge auf's Steckbrett zu bringen...
Dieser Hinweis von Dieter
Ist für den Gleichstrompfad der Diode.
hat mich meine Urspungsschaltung nochmals überprüfen lassen und zu einer Korrektur geführt. Und siehe da: Es funktioniert.
(siehe Simulation von Datenübertragung ohne Verstärker sowie Photo von Ausgang an Diode, 3 cm Abstand der Spulen).
Dann habe ich noch die Schaltung von Dieter (25. Apr. 2023, 11:53 Uhr) aufgebaut. (Was für eine Hilfe!)
Sehr große Vorteile: Der Ripple ist im Verhältnis zur Spannung wesentlich kleiner. Der mögliche Abstand mit sauberem Signal steigt auf gut 10 cm.
Einziger Nachteil, die ich entdecken konnte: Bei einem Abstand unter 2 cm, verändert sich das Signal an der Spule (Punkt "B" auf Dieters Plan) auf erstaunliche Weise. Ich habe es "Elephanten" genannt (siehe Photo). Das Rechteck am Ausgang fängt auf dem "Weg nach unten" deutlich an zu schleifen (siehe Photo, Abstand ca. 1 cm). Ab ca. 2 cm Abstand sieht's es - so finde ich - aus, als ließe sich das Signal gut verarbeiten (siehe Photo, Abstand ca. 3 cm).
Als Signal habe ich ein Rechteck mit 1,5 ms Pulsweite verwendet, Frequenz: 333 Hz. Die Induktivität habe ich auf 1mH reduziert, die Kondensatoren auf 100 nF / 22 nF geändert. Neben der höheren Frequenz schwingt die Schaltung dadurch deutlich schneller ein.
Das demodulierte Signal ist - unabhängig von der Schaltung - etwas kürzer (ca. 1,25 ms ein zu 1,75 ms aus) als das Original. Dies scheint jedoch konstant zu sein und daher bei der Auswertung über einen Mikrocontroller beherrschbar.
Bei der Dimensionierung des Diodendetektors bin ich von den Werten von Dieter abgewichen. Grober Rechenweg: Quadratisches Mittel von Träger- und Datenfrequenz. RC-Glied als Tiefpass berechnet. Scheint brauchbare Ergebnisse zu zeitigen.
In den kommenden Wochen werde ich zunächst beruflich und danach privat sehr eingespannt sein. Daher wird es leider dauern, bis ich mich wieder der induktiven Datenübertragung widmen kann.
Sollte es zu brauchbaren Ergebnissen kommen oder ich erneut feststecken, werde ich mich nochmals hier melden.
Auch wenn ich diesmal nicht auf alle Punkte eingegangen bin: Ich hab's gelesen und mich damit beschäftigt.
P.S.: Bei der Schaltung ohne Verstärker ist das Ausgangssignal in Natura ausnahmsweise mal wesentlich sauberer als in der Simulation. Schöne Überraschung!
Wenn bei der Simulation nur vereinfachte Rechenmodelle verwendet
werden, wie im Beispiel NPN oder Schottkydiode, dann dürfte der
reale Aufbau andere Ergebnisse liefern.Der Koppelfaktor K 0.5 erscheint
mir zu gross, er ändert sich auch mit der Entfernung zwischen den Spulen.
Der Widerstand R4 wäre nicht mehr nötig, L2 ist bereits ein
Gleichstrompfad.R4 würde ich zumindest deutlich größer probieren,
so 10k.Es sollte dadurch am Ausgang die Spannung höher werden,
die Kurvenform könnte aber gleichzeitig schlechter werden.
Was die Versuchsschaltung mit Verstärker betrifft, vielleicht ist
für diese Entfernung schon schlicht die Betriebsspannung am
Sender zu groß ( 6V ), 3V probieren?
Heute bin ich endlich dazu gekommen, weiter zu probieren und zu basteln ...
Auch wenn mir eine Lösung hier nicht gelungen ist, hier meine Zwischenergebnisse:
Schaltung mit Verstärker
Die Hauptschwierigkeit scheint mir die große Bandbreite an induzierten Spannungen zu sein. In der Realität habe ich beim Empfänger (jeweils Amplitudenspannung angegeben) zwischen 0,005 V (5cm) Abstand und 3,0 V (1 cm Abstand) gemessen. Das ist immerhin ein Faktor von satten 60! Das macht die Dimensionierung der Verstärker-Schaltung schwer. Wenn bei großem Abstand wenige mA "hoch getrieben" werden müssen, ist eine sehr große Verstärkung bei geringem Abstand fatal (kleinste Einschwing-Signale werden zu einer logischen 1).
Ergebnis: Bei geringem Abstand wird ein Signal von 1,5 ms Dauer zu 2,0 ms; bei großem Abstand zu 1,0 ms.
Genial wäre ein Verstärker, der, unabhängig von den Eingangsgrößen, auf eine bestimmte Spannung anhebt... Oder ein Komparator, der sich an der induzierten Spannung orientiert...
Spannungsbegrenzung direkt hinter der Empfangsspule haben genauso wenig gebracht (schwache Signale weg) wie hinter dem Versträker (es werden halt nur die Spitzen begrenzt; minimale Eingangsspannungen bleiben zu groß).
Schaltung mit Lastmodulation
Da die (Spannungs-)Bedingungen am Sender, im Gegensatz zum Empfänger, kontrolliert sind, habe ich die Rollen getauscht. Der Ex-Empfänger schaltet nur noch die Spule kurz. Beim Ex-Sender steigt dann die Spannung, weil in diesen Zeiträumen massiv weniger Energie übertragen wird. Das ist, falls ich es richtig verstanden habe, wohl auch das Prinzip bei RFID (zzgl. Energieübertragung für den Controller auf dem Tag).
Schöne, saubere Signale. In der Realität aber kein sicher messbarer Spannungsabfall ab 1,5 cm Abstand.
Diese Lösung werde ich daher nicht weiterverfolgen; ist aber vielleicht mal etwas für eine simple, home-made RFID-Lösung.
Schaltung ohne Verstärker
In Hinblick auf die Signale sehr sauber, für größere Entfernungen durch den Spannungsabfall an der Gleichrichter-Diode nicht zu gebrauchen.
Auch andere Spulen (RFID-Luftspule und stehende Induktivtät) brachten keine wesentliche Änderung.
Schaltung ohne Verstäker mit Präzisionsgleichrichter
"Wenn der Spannungsabfall an der Gleichrichter-Diode das Problem ist, könnte doch ein Präzisionsgleichrichter mit OpAmp die Lösung sein", dachte ich. Ergebnis: Bei kleinen Abständen von Sender und Empfänger ein vergleichbares Problem wie bei bei der Schaltung mit Verstärker: Die Signale sind nicht mehr verlässlich auszuwerten.
Zwischenfazit
Die sich deutliche ändernde Entfernung von Sender und Empfänger (und damit zugleich: induzierte Spannung) habe ich (bislang) nicht in den Griff bekommen. Genau diesen Punkt kann ich allerdings bei den gegebenen Rahmenbedingungen nicht ändern.
Falls man die Rahmenbedingungen konstanter halten kann, scheint das Ganze eine sinnvolle Lösung, falls ansonsten Funk, IR etc. ausscheiden. Dann sollten auch wesentlich höhere Übertragungsraten möglich sein (inkl. Amplituden-Modulation, die hier leider auch ausscheidet, weil nicht von starkem / schwachen Signal zu unterscheiden).
Falls ich an einen Punkt komme, der einen Versuch in "echt", sprich auf der Gartenbahn wert ist, melde ich mich wieder. (Kann dauern, Zeit unverändert nicht wirklich vorhanden.)
Ansonsten mögen sich meine Erfahrungen für jemanden, der Ähnliches vorhat, als nützlich erweisen. Daher hier noch ein Link zu einem Buch zur induktiven Kopplung (1974):
https://nvhrbiblio.nl/biblio/boek/Sabrowsky%20-%20Drahtlose%20Schaltgerate.pdf
@Dieter P.:
Da sich Deine Hinweise / Schaltungsvorschläge als besonders nützlich erwiesen haben, möchte ich kurz noch auf ein, zwei Punkte eingehen:
Dieter P.:
Der Widerstand R4 wäre nicht mehr nötig, L2 ist bereits ein
Gleichstrompfad.
Zunächst einmal ist es mir peinlich, so falsch gelegen zu haben.
In der realen Schaltung waren die Signale ohne R4 hinter dem Diodendektor aber bei bestimmten Abständen zwischen Sender und Empfänger tatsächlich nicht auswertbar. Was die Problematik gelöst hat: Ein Widerstand in Reihe zur Empfänger Spule zwisch 10 und 100 Ohm; der kleine Spannungsabfall ist verschmerzbar. Meine laienhafte Erklärung: Der Schwingkreis braucht eine minimale Last, damit er bei Wegfall der Induktion nicht ins "Straucheln" kommt. Anders gewendet: Die Last hilft beim schnellen Ein- und Ausschwingen.
Dieter P.:
Der Empfänger ist breitbandig, ein Schwingkreis dürfte zu lange Zeit
für Ein- Ausschwingvorgänge brauchen.
Auch hier: Peinlich, dass ich die Funktion des Widerstandes hinter Empfänger-Spule und -Kondensator nicht gleich erkannt habe.
Mit breitbandigen Empfängern habe ich in der Realität keine besseren Erfahrungen sammeln können. Mit einem Widerstand in Reihe zur Spule habe ich saubere Empfangssignale (direkt an der Spule) erhalten.
Während meiner Versuche habe ich den unterschiedlichen Oszi-Bildern Namen gegeben. Die "Elefanten" habe ich - auch unter LTSpice - rekonstruieren können. Sie entstehen, bei großer Kopplung / hoher induzierter Spannung, wenn der Kondensator vor dem Transistor eine zu hohe Kapazität aufweist. Bei zu großem Wert ergeben sich "Brüken"; konkret: kein Null-Durchgang mehr. In meinen zuletzt angehängten Schaltungen findet sich ein Kompromisswert.
• Übertragungsdistanz mindestens 4 cm, max. aber etwa 10 cm. (Distanz
konnte ich mit Elektromagnet und Hall-Sensor nicht überbrücken.)
Was hat dein Elektromagnet/Hall-Sensor mit RFID zu tun.
Mit passiv RFID kannst du auch 1m überbrücken. Mit NFC schaffst du das natürlich nicht.
https://www.rfid-basis.de/rfid-technik.html
• Maximale Größe einer halben Streichholzschachtel (mit THT-Bauteilen).
Warum unbedingt THT, wenn es klein werden soll?
• Zeitfenster für die Datenübertragung im ungünstigsten Fall (bei 5 cm
Reichweite und Spitzengeschwindigkeit der Lok) 10 ms.
Ja, so ist das. Wenn man durch einen schmalen Spalt guckt, ist ein kleines Objekt schnell vorbei.
Man kann natürlich aus sportlichem Ehrgeiz das Rad neu erfinden - muss aber eigentlich nicht sein.
Man kann auch die Betriebsspannung der Bahn mit den Schaltbefehlen modulieren sofern das eine Gleichspannung ist. Ein Kollege hat da vor Jahren mit Induktionschleifen und Funk experimentiert ,war aber nicht zufrieden.Erst mein gedanklicher Anstoß mit der Modulation und seine Umsetzung war dann von Erfolg gekrönt. Wie er das aber genau gelöst hat weiß ich leider nicht. Nur dass er Glücklich war damit. Er hatte dafür ein gekauftes Empfängermodul in der Lok,soviel weiß ich noch. Das Problem war das ein und auskoppeln der Modulation,aber er fand dafür eine Lösung.
Auf der Suche nach einer Lösung das "Nachschwingen" vom eigentlichen Signal zu unterscheiden - bei sich ändernden Signalstärke - habe ich viel Neuland entdecken können. Auf eine Lösung bin ich dabei allerdings nicht gestoßen.
Ich habe mich daher für eine (simple) Lösung mit Frequenzumtastung (FSK) entschieden. Nach einigen Fehlversuchen, wie die Frequenz-Umschaltung sinnvoll realisert werden kann, ist es letztlich die beigefügte Lösung geworden.
Das Ganze funktioniert ausgezeichnet. Der Ausgang kann direkt auf einen Analog Comparator eines µC geleitet und ausgewertet werden (Periodendauer als Zeit zwischen Comparator-Interrupts).
Bei zugeschaltetem, dritten Kondensator, ist das empfangene Signal selbstverständlich deutlich schwächer. Das stört hier allerdings nicht, weil es nur darum geht, auswertbare Pausen zu erzeugen.
Wer eine größere Reichweite benötigt kann auf der Empfänger-Seite noch einen Verstärker (plus Spannungsbegrenzung) einbauen.
Eine Stellungnahme zu Rainer W. möchte ich gerne noch loswerden:
Was hat dein Elektromagnet/Hall-Sensor mit RFID zu tun.
Wie beschriben: Gescheitere Versuche der Signalübertragung. Mehr nicht.
Mit passiv RFID kannst du auch 1m überbrücken.
Sicher gibt es derartige und ähnliche Lösungen. Diese scheiden allerdings aus mehrere Gründen aus: zu groß, zu teuer, ein Zigfaches an Datenübertragung als gebraucht ... Vor allem aber: Mehr als 10cm Reichweite dürfen es nicht werden, sonst erhalten die Loks auf den Nebengleise das Signal - was nicht für sie gedacht ist - gleich mit.
Warum unbedingt THT, wenn es klein werden soll?
Die Größe wird hier maßgeblich durch die Spule bestimmt. Den Rest in SMD auszuführen, bringt keinen entscheidenden Vorteil. Außerdem finde ich, dass es gute Gründe für THT geben kann. Aber das gehört wohl nicht hierher.
Man kann natürlich aus sportlichem Ehrgeiz das Rad neu erfinden - muss
aber eigentlich nicht sein.
Doch, bei der gegebenen Aufgabenstellung ist eine neues Rad dran!
Modellbahnsteuerungen stellen bei Bremssystemen (wozu Signalisierung gehört) überlicherweise auf elektrische Trennung von Schienenstücken vor. Bei Akku-betriebenen Loks schlicht witzlos.
Eine Übersicht der verschiedenen Systeme findet sich hier:
https://www.digital-bahn.de/info_kompo/bremssysteme.htm
Das einzig mir bekannte System, dass nicht mit Trennstellen arbeitet, ist "Lissy" von Uhlenbrock (unten im aufgeführten Link zu finden). Dieses System arbeitet mit Infrarot, was wiederum bei einer Gartenbahn witzlos ist.
Schließlich ist es mir wichtig, dass die Signale direkt an die Lok-Steuerung und nicht über eine Zentrale geleitet werden. Dies soll die Sicherheit auch bei Abriss der Funk-Verbindung sorgen.
P. S.:
Mir ist gerade aufgefallen, dass der Schaltplan noch einen Fehler enthält. Die Spulen auf Sender- und Empfänger-Seite müssen natürlich die gleiche Induktivität aufweisen (also beide 1,5 mH oder beid 2,0 mH).
wie die Frequenz-Umschaltung
sinnvoll realisert werden kann, ist es letztlich die beigefügte Lösung
geworden.
Ich würde Q3 noch eine Diode parallel schalten,
Kathode an Kollektor und Anode an Emitter.
Dann fließt die positive Halbwelle durch den
Transistor und die negative Halbwelle durch die
Diode nach Masse. Das wird die Schwingkreisgüte
verbessern.
Durch C6 fließt ja ein Wechselstrom.
Bei ausschalten des Transistors fließt kein Strom
mehr durch C6.
Vielen Dank für den Hinweis! Werde probieren, ob beim realen Aufbau ein positiver Effekt zu vermerken ist.
Die Schwingkreisgüte auf der Empfänger-Seite musste ich mit dem parallelen Widerstand R5 notgedrungen verschlechtern. Nach meinen Versuchen hat sich als wichtig herausgestellt, das Nachschwingen einer Frequenz so schnell wie möglich zu unterbinden, um Überlagerungen zu vermeiden. Bei dem aktuellen Aufbau sind max. 2 Periodendauern, bis sich die jeweilige Frequenz stabil eingestellt hat.
Der Frequenzhub ist im Übrigen so groß gewählt, dass sich auch bei Bauteilschwankungen eine Auswertung mit dem µC sicher gelingen kann.
