In einem Schattenbahnhof oder Fiddleyard gibt es häufig Stumpfgleise, die z.B. für Wendezüge genutzt werden können. Eine der in diesem Zusammenhang zu lösenden Aufgaben ist es, den einfahrenden Zug vor dem meist unnachgiebigen Gleisende sicher anzuhalten, egal, ob sich die Lok vorne oder hinten befindet.
Idealerweise sollten dabei keine Metallradsätze, Stromverbraucher oder ähnliches vorausgesetzt werden.
Andererseits darf die verwendete Methode die Ausfahrt des Zuges nicht behindern.

Die bei Gleichstrombetrieb übliche Lösung eines Stopgleisabschnittes, der in Ausfahrtrichtung durch eine Diode überbrückt wird, funktioniert nur, wenn die Lok - oder zumindestens der alleinige Stromabnehmer – in Einfahrrichtung vorne fährt, was ja, wie gefordert, nicht unbedingt der Fall ist.

Damit ergeben sich drei Aufgaben:

1. sicheres Erkennen des Zuganfangs vor Erreichen des Gleisendes, nach Möglichkeit ohne Gleislänge zu verschwenden
2. Bei Erkennung des Zuganfangs sicheres (ggf. sofortiges) Anhalten des Zuges
3. Bei Fahrtrichtung "Ausfahrt" keine Einwirkung auf den Zug

Als Erweiterung kann noch gefordert werden, dass die Lösung sowohl bei Stumpf- als auch bei Durchgangsgleisen funktioniert.

1. Zuganfangsdetektor

Die einzige Eigenschaft, die jedes handelsübliche Fahrzeug aufweist, ist sein Schatten, der sich glücklicherweise sehr leicht mit Hilfe einer Lichtschranke erkennen läßt. Ordnet man diese senkrecht an (Sender über dem Gleis, Empfänger darunter), reicht ggf. schon die Kupplung aus, um den Lichtweg zu unterbrechen und ein eindeutiges Signal abzugeben. Dies funktioniert sogar durch eine befahrbare Train-Safe®-Röhre (rechts).
Das resultierende Signal muss dann bei Einfahrt den Zug stoppen, bei Ausfahrt jedoch ignoriert werden.
Damit diese Lichtschranke von der Raumbeleuchtung unabhängig ist, empfiehlt sich die Verwendung von Infrarotlicht.

2. Anhalten des Zuges

Bei analogem Betrieb ist sicher die einfachste Methode, das komplette Gleis abzuschalten, wenn die Lichtschranke unterbrochen wird.
Bei Digitalbetrieb gäbe es andere Wege, einen Zug anzuhalten, die aber alle von zusätzlichen Einstellungen (z.B. Bremsverzögerung) abhängig sind. Es spricht aber nichts dagegen, auch hier die Gleisspannung abzuschalten, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass der abgestellte Zug keinen Strom mehr verbraucht.
Das Abschalten selbst geschieht am simpelsten über ein Relais, das bei Unterbrechen der Lichtschranke abfällt.

3. Freie Ausfahrt

Hier gilt es zunächst einmal festzustellen, wann eine Einfahrt und wann eine Ausfahrt stattfindet. Was bei einfachem Gleichstrom durch die Polarität definiert wird, ist jedoch bei digitaler Steuerung nicht mehr ohne Weiteres zu detektieren.
Eine andere Möglichkeit bietet der Zustand des Gleises:
Wenn es bei Beginn der Fahrt (z.B. Einstellen der Fahrstraße auf das Gleis) "frei" ist, findet eine Einfahrt, wenn es "besetzt" ist, eine Ausfahrt statt, was unabhängig von der tatsächlichen Fahrtrichtung ist und somit auch bei Durchgangsgleisen funktioniert.
Bei Einfahrt wird also die Fahrspannung eingeschaltet und bei Erreichen der Lichtschranke wieder ausgeschaltet, bei Ausfahrt bleibt sie eingeschaltet, bis z.B. die Fahrstraße wieder aufgelöst wird.

Damit sind die grundsätzlichen Vorgehensweisen geklärt, es folgt die praktische Umsetzung.

Umsetzung

Altgediente Modellbahner sind sicher in der Lage, das Ganze nur mit Relais zu realisieren.
Heutzutage bieten sich dazu auch Microcontroller an, die den Vorteil besitzen, bei Bedarf Änderungen ohne Umlöten, sondern nur duch Umprogrammieren vorzunehmen.
Ein häufig verwendeter Kandidat ist z.B. der Arduino, der ohne weitere Hilfsmittel zu programmieren ist. Da dieser jedoch für den genannten Fall viel zu mächtig (und zu teuer – 10-15€) ist, kommt hier ein PIC16F18313 von Microchip zum Einsatz (0,80€). Dieser erfordert zwar ein spezielles Programmiergerät ( PICkit™, ca. 80€), das steht mir jedoch von früheren Projekten noch zur Verfügung.

Die restliche Elektronik beschränkt sich dann auf ein Relais, einen Transistor zu dessen Ansteuerung, und ein paar Widerstände.
Damit das Microcontrollerprogramm debuggt werden kann, wird noch ein Stecker für das Programmiergerät hinzugefügt und außerdem eine lokale 5V-Spannung erzeugt, um die im Modellbahnbetrieb (Weichenspulen, Motore) immer vorhandenen Störungen zu unterdrücken. (Vollständiger Schaltplan)

Die Funktionsweise ist dann wie folgt:

• Nach Drücken der Taste "START" fragt das Programm ab, ob das Gleis besetzt ist.
• Wenn nicht, erfolgt eine Einfahrt:
  • Das Relais wird eingeschaltet und das Programm wartet darauf, dass die Lichtschranke unterbrochen wird. Dann wird das Relais wieder ausgeschaltet und der Ablauf beendet.
• Wenn das Gleis besetzt ist, findet eine Ausfahrt statt:
  • Das Relais wird eingeschaltet und das Programm wartet darauf, dass das Gleis frei wird. Wenn alle stromaufnehmenden Fahrzeuge das Gleis verlassen haben, wird die Fahrspannung nicht mehr benötigt, abgeschaltet und der Ablauf beendet.
• Mit der Taste "LÖSEN" kann das Warten jederzeit abgebrochen und das Relais ausgeschaltet werden. Alternativ kann die LED der Lichtschranke kurz ausgeschaltet werden.
• Der Ausgang "LOCKED" kann z.B. benutzt werden, um den Status der Schaltung im Stellpult anzuzeigen. Der Ausgang kann dazu drei Zustände annehmen: L (GND) bei Besetzt, H (+5V) bei Fahrstraße aktiv und offen (Eingang), wenn keins von beiden. Ist das Gleis besetzt und eine Fahrstraße aktiv, schaltet der Ausgang mehrmals pro Sekunde zwischen H und L um.

Das Programm selbst ist in Assembler geschrieben, besteht zur Hälfte aus prozessorspezifischem Setup und ist daher wohl nicht allgemein nachvollziehbar. Auf weitere Erläuterungen wird daher hier verzichtet.

Die ganze Schaltung ist auf einer kleinen Platine aufgebaut, die schmal genug ist, um auch in N bei normalem Parallelgleisabstand unter jedem Gleis angebracht zu werden.