Wisselaandrijving met behulp van geheugenmetaal

Geheugendraad is een modern materiaal met unieke eigenschappen waardoor het bruikbaar is voor het maken van kleine bewegingen zoals o.a. omzetten van wissels of laten bewegen van scenery. Het ontleent de naam aan een unieke eigenschap: Na vervorming neemt het zijn oorspronkelijke vorm (bij draad is dit lengte) weer aan. Deze lengte kan ongeveer 3% kleiner worden bij verwarming.

Het ene uiteinde wordt vastgezet, het andere wordt met en veer bevestigd. Afhankelijk van de beweging die nodig is, moet er vaak een hefboompje gebruikt worden.

Het verwarmen kunnen we doen door er een stroom door te laten lopen. Boven een bepaalde temperatuur verliest het materiaal zijn geheugenwerking. De stroom moet dan ook beperkt worden tot ca 220mA. Dit zal gebeuren bij een spanning van enkele volts. Bij gebruik van een 12V voeding moet er dan iets aangesloten worden tussen de voeding en de trafo. Omdat de spanning fors omlaag gaat ontstaat er veel warmte in dit onderdeel. Verder heb je voor een goede werking steeds dezelfde spanning nodig. Om afkoeling van het draadje door tocht te voorkomen komt het draadje in een teflon buisje. Het is ook verstandig om de aandrijving later af te schermen met een doosje met een beetje ventilatie.

Natuurlijk zijn er veel manieren om de spanning te verlagen. Een simpele spanningsregelaar die de spanning verlaagt tot 3,5V, waarbij de voeding redelijk mag afwijken. Middels een potmetertje en transistor kan de spanning (en dus de stroom) nauwkeurig worden afgeregeld. Elk draadje heeft een eigen spanningsregelaar en instelling nodig. Als je voldoende zware weerstanden hebt is het ook mogelijk om hier iets van te maken.

Geheugendraad kun je niet solderen. Het moet aan klemmetjes gezet worden, met een knoop voor de zekerheid. Aan de klemmetjes kun je dan de stroomdraden aansluiten.

Wisselaandrijving

Geheugenmetaal heeft diverse voordelen boven wisselspoelen en wisselmotoren. Zo maakt geheugenmetaal helemaal geen geluid. Door de afwezigheid van tandwielen en andere bewegende delen is de aandrijving heel betrouwbaar. De beweging is mooi langzaam en geheugenmetaal is ook nog eens erg voordelig.
Het principe van de aandrijving is heel eenvoudig. Als geheugenmetaal warm wordt, krimpt het met ongeveer 3,5%. Als het afkoelt, wordt het weer langer. Met een stukje geheugendraad van 11 cm krijg je zo een lineaire beweging van ruim 3,5 mm. Dat is ruim voldoende om een H0 wissel om te zetten. De beweging duurt ongeveer 3 seconden.
De complete aandrijving bestaat uit een spijkertje, een veertje, een paperclip, een klembusje, een stukje messing buis van circa 4 cm en een stukje geheugenmetaal. Het veertje wordt gespannen en vastgezet met een spijker, de draad wordt om het messing buisje gewonden. Door het omgebogen buisje te verdraaien kun je de draad verstellen, ook later nog. Het veertje trekt het wissel in de ene stand en houdt de geheugendraad gespannen. Als je spanning op het geheugenmetaal zet, wordt de draad warm. De draad krimpt en trekt het wissel naar de andere stand. Na het uitschakelen van de spanning koelt alles weer af en keert het wissel terug in de eerste stand.
De eerste stap is het frezen van een ondiepe geul onder het wissel. Met een bovenfrees heb je dat zo gedaan. Na het schilderen van de ondergrond wordt de aandrijving in de geul bevestigd. De paperclip wordt verbogen tot een dubbele haak die het veertje en de draad met elkaar verbindt. De lange poot van de haak trekt het wissel om. Wanneer je de baan hebt afgewerkt, is er van de aandrijving niets meer te zien.
Het geheugenmetaal heeft een stroom van 200 mA nodig om maximaal samen te trekken. Je kunt het niet direct op een treintransformator aansluiten, omdat de hoge spanning voor een veel te grote stroom zorgt. Met een beetje elektronica is dat probleem snel opgelost. De LM317 spanningsstabilisator is prima te gebruiken is als constante stroombron. Met een weerstandje wordt de uitgangsstroom begrensd tot 200 mA. Het maakt niet uit hoe lang de draad is. De LM317 wordt gevoed met 12V gelijkspanning en moet voorzien worden van een koellichaam.
De schakeling is genoeg om het wissel te verzetten, maar bij een 2-rail baan moet ook het puntstuk worden omgepoold. Dat is eenvoudig te realiseren door een relais parallel aan de LM317 te zetten. Het relais schakelt de spanning om die op het puntstuk van het wissel staat.
In eerste instantie heb ik beide wisseltongen van de Tillig wissels direct op de digitale spanning aangesloten. In de praktijk veroorzaakten sommige locs echter kortsluiting, omdat de wielen bij het puntstuk even de andere wisseltong raken. Daarom heb ik het puntstuk en de wisseltongen van elkaar geïsoleerd. Extra contacten van het relais zorgen ervoor dat alleen de aanliggende wisseltong van spanning wordt voorzien.
De complete schakeling is makkelijk op een klein printje te bouwen. Je kunt zelf een print etsen of gebruikmaken van strokenprint. De laatste optie is sneller, makkelijker en goedkoper. Ik zaag eerst de printjes op maat en plak een etiket op de bovenkant. Zo weet ik precies waar wat moet komen en hoef ik niet steeds de gaatjes uit te tellen.
Het geheugendraad, de veertjes en de klembusjes zijn verkrijgbaar bij ProRail International. De elektronica kun je bestellen bij de Conrad. In de tabel vind je de bestelnummers van de componenten.
De wisselaandrijving wordt uitgebreid beschreven in de Railhobby van oktober 2004.