Model železničního přejezdu AŽD71 se závorami

MODEL ŽELEZNIČNÍHO PŘEJEZDU AŽD71

Potřeboval jsem pro svůj model, sestavený ze stavebnic Klubu modelářů železnic Brno, vytvořit vhodný pohon, který by pohyboval závorovými břevny. Volba padla na motorický pohon, který ovšem musí splňovat několik požadavků, a to především jednoduchost konstrukce a co nejvěrnější napodobení reálného pohybu závor.

Provedení pohonu závor

Použil jsem dva stejnosměrné motory s převodovkou, na jejichž hřídele jsou nalisována ozubená kolečka s 24 zuby. Ta otáčí ozubenými kolečky se 48 zuby, která jsou nalisována na dvě samostatné hřídele o průměru 4 mm, které jsou vůči sobě umístěné do kříže v rozdílných výškových úrovních. Tím je zajištěn nezávislý pohyb obou dvojic závor. Výsledná rychlost otáčení je 6 otáček za minutu. Zvedání či spouštění závor, tzn. otočení hřídele o 180°, trvá 5 s.

Pro jednoduchost a dostupnost jsem se rozhodl k některým částem konstrukce pohonu použít díly z české stavebnice MERKUR, konkrétně díly č. 1039 (spojovací deska malá zahnutá), 2039 (spojovací deska velká zahnutá) a 1041 (kolo 30 mm ploché s dírkami). Jako hřídel jsem použil dva kusy mosazné kulatiny o průměru 4mm a délce 30mm. Smaltované přívodní vodiče pro napájení výstražníků jsou upevněny a chráněny pomocí černé izolační pásky.

Každá závora je vybavena táhlem tvořeným z měděného drátu o průměru 0,4 mm, který je ve vzdálenosti 10 mm od konce ohnut pod úhlem 90° a je zasunut do bužírky s vnitřním průměrem 0,5 mm, která je umístěna vždy na konce hřídele. Otočením hřídele o 180° dojde k posunu táhla o 4,2 mm, tedy o průměr hřídele a tloušťku stěny bužírky, což má za následek pohyb břevna závory.

Řídící elektronika přejezdu

Řídící elektronika byla navrhnuta tak, aby co nejvěrohodněji napodobovala funkci reálného zabezpečovacího zařízení. Lze jej ovládat ručně tlačítky nebo automaticky jízdou vlaku. V takovém případě pomocí optických senzorů detekuje vlak, aktivuje přejezd (světelná a zvuková signalizace), sklápějí se závory. Automatické ovládání bude dokončeno až po instalování přejezdu do kolejiště. Do té doby bude možné ovládat přejezd pouze tlačítky.

Řídící elektroniku přejezdu je možné rozdělit do čtyř obvodů. První je obvod snímačů polohy (obvod optozávor), který dává informace řídícímu obvodu o poloze hřídelí pohonu. Tím je zajištěna zpětná vazba. Druhý je řídící obvod, který přímo řídí a kontroluje stav přejezdu. Třetí je obvod světelné signalizace, který zajišťuje kmitání červených světel výstražníků. Poslední obvod zajišťuje zvukovou signalizaci.

Obvod snímače polohy

K zajištění požadovaného otočení hřídele je využito světelné závory, jejíž detekční mezerou prochází ploché kolečko (č. 1041) za stavebnice MERKUR s otvory, kterými může procházet světelný paprsek. Při tomto způsobu detekce není kladen pohybu hřídele mechanický odpor, jako při použití mikrospínačů. K detekci je použito dvou nezávislých obvodů, každý pro jednu hřídel.

Jako senzor je použita vidlicová světelná (optická) závora TCST1103, kde zdroj a detektor světla jsou umístěny proti sobě v jedné optické ose. Provozní vlnová délka světla je 950nm. Jako detektor světla je použit fototranzistor.

Pokud není paprsek světelné závory přerušen, fototranzistor je sepnut, do báze tranzistoru VT4 (VT5) neteče téměř žádný proud, na výstupu je log. 0. Pokud je parsek světelné závory přerušen, fototranzistor se stává nevodivým, do báze tranzistoru VT4 (VT5) teče proud přes rezistor R4 (R7), LED dioda LED1 (LED2) se rozsvítí, na výstupu je log. 1.

Pro zajištění přesného otočení hřídele 1, jsou všechny otvory, kromě dvou vzájemně otočených o 180°, v kolečku zaslepeny, aby znemožňovaly průchod světelného paprsku, pokud se břevno závory nenachází ve svislé nebo vodorovné poloze. Kolečko na hřídeli 2 má zaslepeny všechny díry až na jednu, která umožňuje průchod světelného paprsku pouze, pokud je břevno závory ve svislé poloze. Informace o poloze hřídelí dále zpracovává řídící obvod.

Řídící obvod

Je tvořen pouze diskrétními součástkami. Logické funkce jsou realizovány pomocí relé a jejich kontaktů. Relé patří mezi nejstarší spolehlivé elektrotechnické součástky používané jako řízené spínací prvky. Malým proudem se ovládá elektromagnet přepínající soustavu galvanicky oddělených výkonových kontaktů. Oproti polovodičovým bezkontaktním spínacím součástkám má relé dosud nepřekonatelně malý odpor v sepnutém stavu, který u rtutí smáčených kontaktů dosahuje až 10mΩ, a zanedbatelnou vodivost při rozepnutých kontaktech. Doba spínaní je ovlivněna jednak přechodovým dějem RL obvodu a jednak mechanickou setrvačností kontaktů. Většinou se pohybuje řádově v milisekundách. Dalšími důležitými parametry je napěťové a proudové zatížení kontaktů a s tím související životnost relé.

K řízení je použito celkem 11 kusů miniaturních relé M4‑12H

Výstražný stav PZZ

Přejezd se aktivuje (uvede do výstražného stavu) stisknutím tlačítka TL1 “zapínací tlačítko“, což způsobí přitažení relé K8. Dále způsobí sepnutí tranzistoru VT3, který sepne relé K7, které zůstane v sepnutém stavu díky svému přídržnému kontaktu k7. Pokud přejezd přechází do výstražného stavu, relé K11 není sepnuté (světelný paprsek závory OK2 není přerušen), jeho zapínací kontakt je zapojený paralelně k zapínacímu kontaktu k2 v obvodu relé K7, což znamená, že proud prochází pouze kontaktem k2 (sepnut díky relé K2) do doby, než díky otočení motoru sepne relé K11 (po vybití paralelně zapojených kondenzátorů C1 a C2 odpadá relé K2 a obvod je uzavřen pouze přes kontakt k11). Spínací kontakt relé K7 ovládá výstražníky přejezdu (jsou zapnuty stiskem TL1, vypnuty odpadnutím relé K11 - viz dále)

Dále se přitažením relé K8 nabijí kondenzátory C1, C2 a C3, které se následně vybíjejí přes rezistory R1 a R2 do bází tranzistorů VT1 a VT2. V zapojení jsou zapojeny paralelně kondenzátory C1 a C2 pro zvýšení výsledné kapacity, což způsobí, že tranzistor VT1 je sepnut o okamžik déle než tranzistor VT2. Vhodným zapojením kontaktů relé K2 a K3 vznikne impuls, který krátce sepne relé K4. To přemostí zapínací kontakt relé K1, které po odpadnutí relé K4 (vybití kondenzátorů C1 a C2) zůstane přitažené díky svému samopříznému kontaktu k1. Kontakt k10, stejně jako v předešlém případě, je v klidovém stavu přejezdu rozpojen, proto má paralelně zapojený kontakt k4, díky kterému se může relé K1 přitáhnout a zůstat přitažené. V této chvíli se roztáčí oba motory - M1 i M2. Jsou v pohybu díky zapínacímu kontaktu relé K1. Současně s pohybem motorů je přitáhnuto i relé K6, které svým rozpínacím kontaktem zabraňuje roztočení motoru M2, dokud nebude motor M1 zpět v klidové poloze. Kontakt k6 se využívá až při zvedání závor (viz dále). M2 je v pohybu díky přepínacímu kontaktu k5, který v klidové poloze připojuje motor M2 paralelně k motoru M1. Oba motory se tedy pohybují společně až do doby než odpadne relé K1 díky zapínacímu kontaktu k10 (hřídele se otočí o 180° což způsobí umožnění průchodu světelného paprsku závory OK2 skrz dírku a následné odpadnutí relé K10). Po zastavení obou motorů stále trvá výstražný stav přejezdu, protože nebyla aktivována světelná závora OK1, která by způsobila odpadnutí relé K7, tzn. světla výstražníků stále kmitají, závory jsou v uzavřené poloze.

V této chvíli obvod čeká na stisknutí tlačítka TL2, které ruší výstrahu na přejezdu.

Klidový stav PZZ

Stisknutím tlačítka TL2 “vypínací tlačítko“ se přitáhne relé K9. K tomuto relé je paralelně zapojen kondenzátor C4, který způsobí zpoždění odpadnutí relé. Kontakt tohoto relé je zapojen paralelně ke kontaktu relé K2, což způsobí krátké sepnutí relé K4 (relé je sepnuto, dokud se nevybije kondenzátor C4). Relé K1 se tedy, stejně jako v případě spouštění závor, díky kontaktům relé K4, přitáhne a zůstane přitažené pomocí svého přídržného kontaktu. Druhý kontakt relé K9 je zapojen paralelně k přídržnému kontaktu relé K5. Přítah relé K5 způsobí, že se po sepnutí relé K1 začne pohybovat pouze motor M1. (Motor M2 je nyní díky kontaktu relé K5 napájen přes rozpínací kontakt relé K6, které je sepnuto, pokud je motor M1 v pohybu.) Po zastavení motoru M1 (závory na levé straně vozovky zvednuty) odpadne relé K6, přes jehož kontakt je nyní napájen motor M2 - motor se pohybuje. Zastavuje se díky odpadnutí relé K11 - odpadne relé K5 díky rozpojení zapínacího kontaktu k11 (hřídel se pootočí o 180°, což způsobí aktivování světelné závory SZ1). Druhý kontakt relé K11 způsobí odpadnutí relé K7, opět díky rozepnutí zapínacího kontaktu k11. Odpadnutí relé K7 způsobí ukončení výstrahy (astabilní klopný obvod, určený pro blikání světel výstražníků, je napájen přes spínací kontakt relé K7). Přejezd je nyní v klidovém stavu. Po stisknutí TL1 se přejezd opět uvede do výstražného stavu, celý proces se opakuje.

Obvod světelné signalizace

Světelný obvod je spolu s obvody světelné závory umístěn přímo na desce modelu železničního přejezdu. Pro komunikaci s řídícím obvodem je použit sériový D‑SUB kabel. Devíti pinový konektor CAN1, pro připojení D-SUB kabelu, je umístěn přímo na desce světelného obvodu.

Pro kmitání světel výstražníků je použit astabilní klopný obvod. Tento obvod neustále osciluje (překlápí se) mezi jedním a druhým stavem podle časové konstanty. Po přivedení napětí (sepnutí relé K7) se začnou oba kondenzátory C5 a C6 nabíjet a tranzistory VT6 a VT7 se začnou otevírat, Jelikož jsou použity skutečné tranzistory, které mají (vlivem nedokonalé výroby) mírně odlišné parametry, jeden z tranzistorů se otevře dříve. Za předpokladu, že se dříve otevře tranzistor VT6, kondenzátor C5 se začne vybíjet, čímž uzavře tranzistor VT7. Kondenzátor C6 se nabíjí a ještě více otevírá VT6 (kladná zpětná vazba). V okamžiku, kdy se C5 přebije na opačnou polaritu, vzroste na bázi VT7 napětí a ten se začne otevírat. Toto způsobí nabíjení kondenzátoru C5 a vybíjení C6. V tomto okamžiku se obvod skokově překlopí a na výstupu (kolektor jednoho z tranzistorů) se objeví opačná úroveň napětí. Doba, po jakou bude na výstupu jeden nebo druhý stav je závislá na hodnotách použitých součástek.

LED3 až LED10 jsou LED diody uvnitř výstražníků. Použil jsem červené miniaturní SMD LED diody v pouzdru 0603. Jako přívodní vodič pro napájení LED diod byl použit tenký smaltovaný drát z cívky elektromagnetu. K pocínování konců vodiče byla použita “Pájecí kapalina na tenké vodiče“, která umožňuje rychlé odstranění smaltované izolace bez oslabení vodiče, vzniklé mechanickým oškrábáním izolace.

Konektor JUM5 je určen k připojení motorů, výstupů a napájení obvodů světelných závor. Na svorkovnici X2-3 je připojen miniaturní reproduktor 8Ω/0,5W, který je použit pro zvukovou signalizaci výstražného stavu přejezdu.

Obvod zvukové signalizace

Zvuková výstraha musí trvat po celou dobu výstrahy na výstražníku bez závor, a pokud je výstražník doplněn závorami, tak do jejich sklopení. Dává se houkačkou, údery výstražného zvonu nebo elektronicky. Při zvedání závor je akustická signalizace vypnuta.

Z pochopitelných důvodů není možné použít elektromechanický vyzváněč, který se používá u reálných PZZ typu AŽD71. Bylo nutné vymyslet řešení, které by i přes jednoduchost konstrukce a malé rozměry věrně simulovalo zvuk skutečného PZZ.  Jako zdroj zvuku pro model přejezdu jsem pro jednoduchost a dostupnost použil modul záznamu zvuku. Tento zvukový modul s ISD1760 umožňuje záznam zvuku, pomocí vestavěného mikrofonu, dlouhý až 60sec.

Modul vyžaduje stabilizované napájecí napětí v rozmezí 2,4 až 5,5V. Jelikož je napájecí napětí celé elektroniky přejezdu 12V, je potřeba toto napětí snížit na požadovanou hodnotu. To zajišťuje stabilizátor 7805, který je umístěn na samostatné DPS.

Po stisknutí tlačítka REC se začne zaznamenávat zvuk, který se původně nahrával za pomoci vestavěného mikrofonu. Při tomto způsobu záznamu je na nahrávce slyšet šum. Pro zlepšení kvality nahrávky byl mikrofon odpájen. Místo něho je připojen zvukový výstup ze zvukové karty PC.

Mikrofonní vstup je příliš citlivý, při přímém spojení výstupu ze zvukové karty PC je nahrávka silně přebuzená, proto je mezi PC a mikrofonní vstup zapojen odporový dělič, který tvoří rezistory o hodnotě 12k, každý v jednom kanálu, a rezistor o hodnotě 220Ω, ze kterého je odváděn signál do mikrofonního vstupu. Kondenzátor 220nF odděluje stejnosměrnou složku signálu. Následně bylo pokusem zjištěno ideální nastavení hlasitosti výstupu, aby byl záznam správně vybuzený. Přípravek byl se zvukovou kartou PC propojen pomocí audio konektoru JACK, který byl připojen do zdířky pro připojení reproduktorů.

Galvanické spojení PC s modulem záznamu zvuku způsobilo během nahrávání značný brum. Z toho důvodu byl modul po dobu nahrávání napájen ze tří sériově zapojených monočlánků, čímž bylo zajištěno galvanické oddělení.

Modul přehrává nahrávku zvukové signalizace skutečného přejezdového zařízení AŽD71. Zvuk byl nahrán pomocí diktafonu a následně upraven na potřebnou délku v programu Audacity.

Zvuk se začne přehrávat stisknutím tlačítka PLAY. Aby byla zahájena zvuková signalizace současně se světelnou signalizací, je paralelně k tlačítku PLAY zapojen tranzistor VT8, který je spínán “zapínacím tlačítkem“ TL1. Délka nahrávky je upravena tak, aby skončila současně se sklopením závor. Není tedy nutné zajištění vypnutí zvukové výstrahy po sklopení závor.

Jednoduchost zapojení nevyžaduje plošný spoj, tranzistor VT8 je připájen přímo na tlačítko na modulu záznamu zvuku, rezistor R22 je ukryt ve smršťovací bužírce.

Model v porovnání s mincí

Konstrukční část     

Rozmístění součástí zapojení

Plošné spoje světelné závory a obvodu blikače jsou umístěny na desce přejezdu. S ostatní elektronikou komunikují pomocí sériového D-SUB kabelu. DPS řídícího obvodu a modulu záznamu zvuku jsou umístěny v plastové krabičce černé barvy KP23 s rozměry 190x138x45mm. Skládá se ze dvou dílů, které se spojí pomocí čtyř vrutů, kterými jsou zároveň připevněny čtyři plastové nožičky.

Vrchní panel

Na vrchním panelu jsou umístěny ovládací a indikační prvky celého zařízení. Pro usnadnění orientace při obsluze modelu je vrchní panel polepen samolepící fólií, na které jsou natištěny popisky funkce jednotlivých prvků.

Hlavním vypínačem se spíná napájecí napětí pro celé zařízení. Je-li zařízení pod napětím, svítí zelená indikační LED dioda NAPÁJENÍ. Vypínač zvukové signalizace umožňuje vypnout zvukovou signalizaci v případech, kdy je na modelu nežádoucí. Stiskem tlačítka UZAVŘENÍ začne na přejezdu výstražný stav. Ve schématech je toto tlačítko značeno jako TL1 (zapínací tlačítko). Po stisku tlačítka OTEVŘENÍ (TL2 - vypínací tlačítko) se zvednou břevna závor a ustane světelná signalizace. Oba stavy přejezdu jsou indikovány pomocí LED diod PŘEJEZD - UZAVŘEN a OTEVŘEN

Zadní panel

Na zadním panelu jsou umístěny konektory pro napájení a vzájemnou komunikaci mezi řídící elektronikou a samotným modelem přejezdu.

Využití zařízení v praxi

Model přejezdu bude umístěn na zhlaví stanice na modelovém kolejišti.

Přejezd bude částečně ovládán ručně tlačítky a částečně jízdou vlaku, což bude zajištěno optickými snímači umístěnými přímo v kolejišti.

Pohon je primárně určen pro model železničního přejezdu za stavebnic KMŽ Brno, konkrétně pro model PZZ AŽD71 v měřítku H0 (1:87). Vzhledem k jednoduchosti provedení má prezentované řešení pohonu univerzální použití i pro jiné typy modelů přejezdových zabezpečovacích zařízení v různých modelových měřítcích.

Drobnými úpravami řídící elektroniky je možné vytvořit ovládací obvod pro jakýkoliv druh přejezdového zabezpečovacího zařízení používaného na českých a slovenských tratích.

Stavebnici závor (bez pohonu a řídící elektroniky) je možné zakoupit zde.

______________________________________________________________________________________

A zase další přejezd...

Odpovědi na nejčastější dotazy

1.    Mohu se zeptat co je to konkrétně za modul a kde byl zakoupen?

• Všechny moduly byly zakoupeny přes aliexpress.com. Funkce jednotlivých modulů je detailně vysvětlena výše v textu.

• Stavebnici závor (bez pohonu a řídící elektroniky) je možné zakoupit na www.kmz-brno.cz . Výrobu pohou a řídící elektroniky popisuje článek výše.

• Stačí změnit (snížit) hodnotu kondezátorů C1 - C3. Musí ovšem dále platiti, že součet kapacit kondenzátorů C1 a C2 je větší než kapacita kondenzátoru C3. Pro doladění délky předzváněcí doby bylo bylo ještě možné nahradit rezistory R1 a R2 trimry. Při této záměně je nutné dát pozor, aby do báze tranzistorů netekl příliš velký proud. Ideálně zapojit do série s trimry rezistor.

• Veškeré dotazy tohoto typu směřujte rovnou na můj mail (záložka kontakt).