Do IT yourself! - Märklin V200 mit Mikrocontroller-Steuerung über Bluetooth oder WLAN

Inhaltsverzeichnis

Projektidee

Material

Schaltplan

Do IT yourself!

Die WLAN-Variante (WEMOS D1 mini)

Fazit

Projektidee: Märklin V200 mit Mikrocontroller-Steuerung über Bluetooth oder WLAN

Die teilweise "Digitalisierung" einer bestehenden (analogen) Märklin-Eisenbahn ist mit den Projekten Märklin (AC) und Märklin (DC) immerhin schon möglich - aber hier können Lokomotiven auf einem Gleisstromkreis nicht unabhängig voneinander gesteuert werden, wie es beispielsweise mit einer digitalen Märklineisenbahn möglich wäre.

Eine Mikrocontroller-Lösung wäre, die komplette Schaltung in die Lok selbst einzubauen - inklusive Spannungsregelung, Arduino-Board und Bluetooth-Modul! Außerdem lässt sich auch die Beleuchtung digitalisieren: Jeweils in Fahrtrichtung weiß, während die Rücklichter rot leuchten. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass genug Platz im Lokgehäuse vorhanden ist - wie etwa bei einer älteren (analogen) Diesellok V200.

Der Schaltungsaufbau selbst ist durch die geringen Abmessungen des Gehäuses nicht ganz einfach und will wohl überlegt sein - auch auf eine ausreichende Isolierung der empfindlichen Gleichstromkomponenten rund um den Arduino sollte peinlichst geachtet werden, da das Gehäuse und seine metallführenden Teile nach wie vor mit den 16V~ des Märklin-Trafos verbunden sind.

Für dieses Projekt diente die Schaltung für die DC-Märklin-Eisenbahn als Vorbild, welche entsprechend umgebaut und durch weitere Komponenten ergänzt wurde.

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Schaltplan

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Do IT yourself!

Da die Stromversorgung der Lokomotive über den Fahrstrom eines Märklin-Trafos erfolgen soll, muss ein Brückengleichrichter auf der Platine verbaut werden, damit sowohl der Motor der Lok, als auch das Arduino-Board mit Gleichstrom versorgt werden (letzteres entsprechend herunterreguliert).

Aufgrund der individuellen Abmessungen innerhalb des Lokgehäuses kann hier keine Platine im Breadboard-Layout verwendet werden; stattdessen kommt hier eine Lochrasterplatine zum Einsatz, die die größtmögliche Flexibilität beim Platinenlayout ermöglicht, gleichzeitig muss hier aber jede Leiterbahn manuell gelötet werden.

Während der Arduino selbst auf Buchsenleisten gesockelt sitzt, befinden sich zusätzlich auf jeder Seite des Arduino Nanos Steckerleisten. Diese dienen später dem Anschluss des Motortreibers, der LEDs sowie des Bluetooth-Moduls.

Der Lötaufwand beträgt mindestens 120 Minuten, da neben einer Überprüfung der Isolierungen auch immer auf die Abmessungen der verbauten Komponenten geachtet werden muss, damit sie noch in das Gehäuse hineinpassen. Ansonsten sollte nach dem Schema "von klein nach groß" gelötet werden. Auch ist darauf zu achten, dass möglichst alle (hitze-)empfindlichen Komponenten der Schaltung, auf jeden Fall aber der Arduino Nano und der Motortreiber, gesockelt werden (sofern genügend Platz im Gehäude vorhanden ist!).

Wie im Projekt Märklin (DC) wird auch die V200 zu einer "Gleichstromlokomotive" umgerüstet, damit der Originalmotor über den eingebauten Motortreiber (hier: L293D) angesteuert werden kann. Dazu wird das für den Fahrtrichtungswechsel benötigte Stromstoßrelais ausgebaut (was auch mehr Platz im Lokgehäude schafft) und die Motorspulen werden so mit dem Motortreiber verbunden, dass dessen einer Ausgang mit 2 Dioden mit jeweils umgekehrter Polarität verbunden sind; die anderen Seiten der Dioden werden dann jeweils mit einer der beiden Motorspulen verbunden. Der andere Ausgang des Motortreibers wird mit dem Motoranker verbunden. Auf diese Weise wird bei einem Polaritätswechsel des Motortreibers immer die jeweils andere Motorspule mit Strom versorgt, was automatisch zu einem Fahrtrichtungswechsel führt. Die Regulierung der Geschwindigkeit wird mittels PWM-Signal seitens des Motortreibers realisiert. Ein erster Schaltungstest (hier noch ohne LEDs) verlief erfolgreich:

Die LEDs (jeweils eine rote und eine weiße LED) werden auf einer kleinen Streifenrasterplatine mit gemeinsamem Minuspol und den benötigten 220-Ohm-Widerständen untergebracht. Diese Platinen werden nach Ausbau der ursprünglichen Lampenfassungen auf deren Sockel jeweils mit doppelseitigem Klebeband auf die beiden Stirnseiten geklebt:

Nach Abschluss aller notwendigen Isolationsarbeiten und vielen erfolgreichen (z.B. ob der Bluetooth-Empfänger trotz des Metallgehäuses der Lokomotive Daten von und zum Smartphone senden bzw. empfangen kann) sowie weniger erfolgreichen Tests (z.B. kann das Gehäuse nicht vollständig geschlossen werden, da dies zu einem Kurzschluss führt - die Schraube am Gehäuseboden muss einige Umdrehungen offen bleiben!) ist die Schaltung der V200 komplett fertig:

Der hier ausgeführte Arduino-Sketch steuert die V200 mittels Bluetooth-Befehlen (der Fahrtstrom muss dafür auf Maximum, d.h. 16V~ eingestellt sein): Die Buchstaben "V" oder "v" lassen die Lok vorwärts fahren, die Buchstaben "R" oder "r" lassen die Lok rückwärts fahren und "0" lässt die Lok stoppen. Gleichzeitig ist immer die weiße LED in Fahrtrichtung und die rote LED auf der jeweiligen Rückseite der V200 eingeschaltet. Auf diese Weise lässt sich die Märklin-Modelleisenbahn mittels Smartphone steuern, wobei hier die Android-App "Serial Bluetooth Terminal" von Kai Morich genutzt wurde, da sie sowohl klassische als auch BLE-Bluetooth-Geräte (z.B. Arduino Nano BLE Modelle) ansteuern kann und Terminalbefehle auch mittels frei konfigurierbarer Hotkeys gespeichert werden können:

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Die WLAN-Variante (WEMOS D1 mini)

Eine weitere Möglichkeit, eine V200 von Märklin zu steuern, funktioniert über WLAN: Hierzu wurde statt eines Arduinos der leistungsfähigere Mikrocontroller WEMOS D1 mini mit einem eingebauten ESP8266 Modul verwendet. Die Platine wurde in diesem Projekt vertikal statt horizontal verbaut, zusätzlich wurde für die Platine eine Halterung mittels 3D-Druck erstellt, was die Befestigung in der Lok stabilisierte und gleichzeitig vor Kurzschlüssen von der Bodenplatte und den Gehäusewänden der Lok schützte; auch die Stirnseiten-LEDs erhielten in diesem Projekt 3D-gedruckte Halterungen zwecks Stabilisierung und Isolation.:

Im Vergleich zum Bluetooth-Modell der V200 ergeben sich folgende Änderungen beim Material:

Der Schaltplan weicht ebenfalls nicht groß vom Bluetooth-Modell der V200 ab und kommt insgesamt mit etwas weniger Bauteilen aus:

Die Programmierung erfolgte hier mittels MicroPython über die Thonny-IDE, während die V200 mittels Browser über WLAN gesteuert werden sollte. Dazu wurde in der Datei boot.py ein WLAN-AP eingerichtet, während in der Datei main.py der eigentliche Webserver eingerichtet wurde, der eine HTML-Seite zur Verfügung stellt, auf der Hyperlinks zu den entsprechenden Steuerungsbefehlen und zu immer derselben HTML-Seite verweisen:

V200 Control

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Fazit

Dieses Projekt ist nicht ganz einfach zu realisieren und funktioniert nur dann zuverlässig, wenn eine Unterbrechung des Fahrstroms (z.B. durch Weichen) nicht dafür sorgt, dass der Arduino jedes Mal wierder neu startet und erneut per Bluetooth verbunden werden muss. Die Verwendung eines Superkondensators in der 5V - Leitung des Arduinos überbrückt in diesem Fall problemlos alle Stromschwankungen im Fahrstrom, die Bluetooth-Verbindung bleibt stabil. Auch in Verbindung mit dem WEMOS D1 mini überbrückt der Superkondensator zuverlässig alle Fahrstromunterbrechungen.

Dieses Projekt zeigt, dass es mit ein wenig Aufwand möglich ist, vorhandene (analoge) Märklin-Lokomotiven individuell zu digitalisieren und mit Bluetooth oder WLAN auszustatten. So wäre es theoretisch auch möglich, beliebig viele Loks mittels Smartphone-Steuerung auf einem einzigen Fahrstromkreis zu steuern - oder mittels fest eingebauter Programmierung z.B. auf in die Modelleisenbahn eingebauten Sensoren zu reagieren (Stichwort: Autonome Steuerung).

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