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Das 29855 E40 Soundmodul

Inhalt

Vorwort

Seit Ende 2001 bietet Märklin sein zweites Premium Digital Starter Set, Nummer 29855, an, das eine Dampflok BR 18.4 und eine E-Lok BR E40 enthält. Beide Loks haben ein Soundmodul eingebaut.

Auf dieser Seite wird das Soundmodul der E40 im Detail analysiert. In seiner ursprünglichen Form produziert das Soundmodul zwei verschiedene Hup-Geräusche. Ihre Auslösung ist etwas ungewöhnlich: Die Digitalfunktion f2 wirkt wie ein Wahlschalter, und f3 ist der Auslöser des gewählten Geräusches. Nachfolgend finden sie einen Schaltplan, Geräuschaufnahmen, sowie Anregungen für Umbauten, um weitere Geräusche, die auf dem IC gespeichert sind, zu nutzen.

Technische Details

Soundplatine und Decoder sind zwei getrennte Platinen. Die Soundplatine ist in eine technisch aufwendige, vierlagige Platine. Die beiden äußeren Lagen werden für Signalverbindungen genutzt, die inneren beiden Lagen für Masse und Versorgungsspannung (des Sound-ICs). Dies ermöglicht eine gute Schirmung und erlaubt eine hohe Bauteil-Packungsdichte. Es werden durchweg SMD-Bauteile verwendet, mit Bauteilgrößen für Widerstände und Kondensatoren bis gerade mal "0603". Das sind verdammt kleine Dinger! Die Platine ist beidseitig bestückt, die SMD Bauteile sind aber nicht extra geklebt.

Die Größe des Soundbausteins ist: 58 mm × 22 mm × 4 mm.

Der Decoder wird einfach auf dem Rücken des Soundmoduls in einem Plastikclip gehalten. Der Decoder ist identisch zum 60902, hat aber nicht nur die Funktionsausgänge f1 und f2, sondern zusätzlich noch f3. Die Funktion f1 ist nicht benutzt und frei verfügbar, f2 und f3 sind mit dem Soundmodul verbunden.

Ein Foto der "Bauteilseite" der Soundplatine:
photo of sound pcb side 1,
32kB

Und ein Foto der "Lötseite":
photo of sound pcb side 2, 29kB

Schaltplan

Hier ist der Schaltplan des 29855 E40 Soundmoduls:
schematic of 29855 E40, 36kB
Der Schaltplan ist auch als PDF-Datei verfügbar.

Der Bestückungsplan der Bauteilseite
placeplan side 1, 44kB

Der Bestückungsplan der Lötseite
placeplan side 2, 37kB

Die Schaltung ist prinzipiell identisch zum Soundmodul der V160, 602749. Ich wiederhole ihn hier mit entsprechenden Anpassungen der Pinnummern und Bauteilwerte:

Die Versorgungsspannung kommt von J1(Vcc) über Diode D1 in den Pufferkondensator C5. Die Bauteile T1, R15, IC4, R20, R16 bilden einen Spannungsregler. IC4 ist eine "konfigurierbare Zenerdiode". Sie passt ihre Kathodenspannung so an, dass der Kontrollpin (nach rechts) 2.5 Volt hat, d.h. der Spannungsteiler R20, R16 liefert 2.5 Volt. Dies ist aber nur der Fall, wenn der Emitter von T1 auf 3.9 Volt liegt. IC1 ist ein Schwellschalter. Wenn vom Spannungsteiler R8, R9 eine Spannung unter 1.3 V an Pin 6 anliegt, geht der Ausgang Pin 7 auf low, was den Audioverstärker IC3 über den Shutdown Pin 1 aktiviert. Wenn also die Versorgungsspannung zu weit ansteigt, wird der Audioausgang abgeschaltet (vermutlich um eine Zerstörung von T1 durch Überhitzung zu vermeiden). Ähnlich ist es mit dem Spannungsteiler R11, R12. Wenn er eine Spannung über 1.3 V an Pin 3 liefert, geht der Ausgang Pin 1 auf low, was T2 durchschalten lässt, so dass Versorgungsspannung vom Emitter zum Kollektor fließt und am Soundchip IC2 anliegt. Das Feedback über R13 führt zu einer Hysterese, so dass ein Schmitt-Trigger-Verhalten erreicht wird.

IC2 ist Märklin's Sound-IC. Pin 7 ist der Audioausgang, der übrigens nicht tiefpass-gefiltert ist, sondern ein "Treppenstufen"-Signal ausgibt. Das Signal geht durch Potentiometer P1, Entkopplungskondensator C7, einen Tiefpass R17, C11, zum Verstärker IC3, an dessen Brückenendstufe der Lautsprecher angeschlossen wird. Im Vergleich zu einem einfachen Verstärkerausgang erhöht dies die Audioleistung um Faktor 4 (das sind 6 dB), und Kondensatoren am Ausgang werden überflüssig. Die Bauteile R18, R19, C8 bilden ein weiteres Tiefpassfilter. Dies wird klar wenn man bedenkt, dass IC3 ein invertierender Op-Amp vom Inputpin 4 zum Outputpin 5 ist.

Der Soundchip IC2 liefert ein Audiosignal am Ausgang Pin 7, nachdem durch einen entsprechenden Triggereingang, t1 bis t8, Pins 13-20, eine Auslösung erfolgte. Einige dieser Pins wirken jedoch nicht als Trigger, sondern als Auswahleingang. Details folgen weiter unten. Diese Pins sind auf high gezogen und werden aktiviert, indem man sie auf low schaltet, beispielsweise durch Verbinden mit Masse. Offensichtlich werden hier nicht alle Eingangspins benutzt, sie sind über 47k Widerstände auf high gezogen.

Pin 12 von IC2 scheint ein Ausgang zu sein, der einen "power good" Zustand signalisiert. Nach Anlegen einer Versorgungsspannung geht dieser Pin kurz auf high, schaltet aber dann auf low in einem Bruchteil einer Sekunde. Nach der Wiedergabe eines Effektsounds (Hupe oder Türenschließen) kann diser Ausgang high oder low sein. Das Platinenlayout lässt seine Verwendung erahnen: Wenn das Bauteil X2 mit einem Null-Ohm-Widerstand bestückt würde, würde der low Ausgang von PG den Trigger t5, Pin 17, auslösen und so das Dieselmotorgeräusch starten.

Alle Geräusche, auch die die nicht in dieser Lok verwendet werden, sind weiter unten in einer Tabelle mit Hörbeispielen aufgeführt. Wenn sie mal schnell testen wollen, welche Sounds auf ihrem Modul sind, nehmen sie einfach einen normalen Widerstand, Wert etwa 3k bis 22k, nehmen ein Ende zwischen ihre Finger (oder besser an Masse J2 anschließen), und mit dem anderen Ende berühren sie den entsprechenden Pin von IC2, oder gleichbedeutend die Lötfläche des zugehörigen Pull-Up-Widerstands. Ihre Körperkapazität zieht den Pin dann auf low. Die Lok muss dazu natürlich auf stromversorgter Schiene stehen.

Einige der Triggereingänge, nämlich t4, t6, t7 und t8, sind über einen Null-Ohm-Widerstand geführt. Dies ist im Schaltplan durch eine dickere Verbindung mit der Bezeichnung "0" verdeutlicht. Der Sinn ist mir nicht klar. Der Eingang t7, Pin 19, ist über R2 mit dem Decoderfunktionsausgang F3 verbunden. Ein Kondensator gegen Vcc, C2, filtert den Triggerimpuls, um eine unerwünschte Auslösung durch mögliche eingestreute Spannungsspitzen zu unterdrücken. Der Eingang t1, Pin 13, ist über R26 auf high gezogen, und wird durch T3 auf Masse geschaltet. Die Basis von T3 ist mit dem Decoderfunktionsausgang F2 verbunden. Damit kann dieser Funktionsausgang den Zustand von Eingang t1 umschalten.

Widerstand R21 beeinflusst die Abtastrate (d. h. die Wiedergabegeschwindigkeit). Ein niedrigerer Wert erhöht die Abtastrate, so dass alle Geräusche schneller und in höherer Tonlage gespielt werden. Höhere Werte haben einen gegenteiligen Effekt. Das ist so, wie wenn sie bei einer Schallplatte den Drehteller beschleunigen oder abbremsen. Hörbeispiele lassen vermuten, dass Märklin auch diesen Trick benutzt, um eigentlich identische Geräusche etwas zu ändern, und auf anderen Soundmodulen wieder zu verwenden.

X1 ist ein nicht-bestücktes Bauteil. Es bietet eine Schaltungsvariante: Man bestückt X1 mit 3.3k, lässt R2 weg, setzt einen Kondensator an die Stelle von R3 und setzt 47k an die Stelle von C2. Auf diese Weise wird die Anschlussfläche J4 an den Eingang t8 statt t7 geführt. X3 ist ein nicht-bestücktes Bauteil. Damit kann man t1 auf low ziehen, wenn Anschlussfläche J3 nicht benutzt wird.

Hörbeispiele

Die folgende Tabelle listet alle Geräusche auf, die im hier verwendeten Sound-IC MKL 502 602 V1.0 gespeichert sind. Die Hörbeispiele sind WAV- oder MP3-Dateien aus eigenen Aufzeichnungen, sowie von Märklins Webseite. Die verfügbaren Geräusche lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Effektgeräusche und Dieselmotorgeräusch.

Diese erste Tabelle enthält die Effektgeräusche:

Trigger
Eingang
Auswahl
Eingang
Sound Abtast
rate
märklin WAV meine
Aufnahme
Mode Märklin Modell Märklin Nummer
t7   Zweiton Hupe 8.0 kHz E-HO_01.WAV
E-HO_02.WAV
t7.wav einmal E40, viele andere E-Loks 29855, viele andere
t7 t1 Einton Hupe 8.0 kHz - t7t1.wav einmal E40 29855
t8   Türenschließen (verrauscht) 8.0 kHz E-HO_03.WAV t8.mp3 einmal ICE 43747
t8 t1 Türenschließen (schneller) 8.0 kHz - t8t1.mp3 einmal - -

Diese zweite Tabelle enthält das Dieselgeräusch mit allen Optionen und Varianten.

Trigger
Eingang
Auswahl
Eingang
Sound Abtast
rate
märklin WAV meine
Aufnahme
Mode Märklin Modell Märklin Nummer
t5   Langer Start, 2 Motoren 10.0 kHz V-MO_06.WAV 2dieselstd.mp3 dauer V188, V200 37284, 37803, 39821
t5 t6, t3 Schnellstart, 1 Motor 10.0 kHz - 1dieselkurz.mp3 dauer
t5 t6, t3, t2 unter Last;
bei Fahrt
10.0 kHz - 1diesellast.mp3
dieselspeed.mp3
dauer

Bedeutung der Tabelleneinträge:

Trigger-Eingang gibt an, welcher Eingang zur Auslösung auf low gebracht werden muss. Alle anderen Eingänge müssen dazu auf high sein.

Auswahl-Eingang gibt an, welcher Eingang auf low liegen muss, wenn der Trigger-Eingang aktiviert wird. Nicht aufgeführte Auswahl-Eingänge müssen auf high liegen.

Mode gibt an, wie die Funktion aktiviert wird. Grundsätzlich, wenn sie eine Funktion an der Control Unit betätigen, schalten sie den Funktionsausgang des Decoders an; eine weitere Betätigung schaltet den Funktionsausgang wieder ab. Geräusche mit einmal Mode spielen das Geräusch einmal in voller Länge beim Einschalten. Beim Ausschalten passiert nichts. Geräusche mit dauer Mode spielen so lange, wie sie die Funktion ein lassen. Beim Ausschalten wird auch das Geräusch beendet.

Erläuterungen zu den Triggereingängen

t7 ist ein Triggereingang und t1 ein zugehöriger Auswahleingang. t7 funktioniert nicht, wenn zuvor ein Diesel (t5) gespielt wurde. Es wird eine Hupe wiedergegeben.

t8 ist ein Triggereingang und t1 ein zugehöriger Auswahleingang. t8 funktioniert nicht, wenn zuvor ein Diesel (t5) gespielt wurde. Es wird das Piepsen beim Türenschließen wiedergegeben.

t5 ist ein Triggereingang und t2, t3, t4, t6 sind zugehörige Auswahleingänge. Es wird das Dieselmotorgeräusch gespielt, wie es zuerst im Modell der V200 eingebaut wurde. Die Bedeutung aller Auswahleingänge ist tabellarisch aufgeführt:

Eingang Pegel Effekt
t5 low Diesel einschalten nach Vorschmierung
high Diesel ausschalten
t2 low Motor unter Last. Wenn Motor aus, sofortiger Start mit 1 Motor (t6, t3 ignoriert)
high Motor im Leerlauf. Siehe auch t4
t3 low Start mit 1 Motor
high Start mit 2 Motoren
t4 low wenn Motor im Leerlauf (t2 = high), Motor automatisch nach ca. 10 Sekunden abstellen.
high kein automatisches Abstellen des Motors
t6 low 1 Sekunde Vorschmieren
high 3 Sekunden Vorschmieren

Die Wahl zwischen einmotorigem oder zweimotorigem Diesel ermöglicht t3. Der Unterschied liegt aber nur im Anlassen des Motores, alles andere (Leerlauf, unter Last, Abschalten) ist gleich!

t4 erlaubt das automatische Abstellen des Motors, wenn die Lok mehr als 10 Sekunden steht. t2 legt fest, ob die Lok steht (t2 = high) oder fährt (t2 = low). Wenn der Motor abgestellt wurde, und die bisher stehende Lok losfährt, wird der Diesel sofort gestartet, ohne Vorschmierung und stets einmotorig.

Das Geräusch des Diesels unter Last ist vom Leerlaufgeräusch abgeleitet. Die Wiedergaberate wurde allmählich verringert (auf etwa 91 % des Leerlaufs) und die Lautstärke um 6 dB erhöht. Um einen zu gleichmäßigen Motorklang zu vermeiden, sind mehrere Motorgeräuschstücke auf dem Chip gespeichert, die dann in zufälliger Folge abgespielt werden.

Das Dieselgeräusch des MKL 502 601 Soundchips, der z. B. auf dem V160 Soundmodul oder dem BR 18.4 Soundmodul sitzt, ist identisch mit diesem Dieselgeräusch, jedoch ohne Vorschmierung, nur einmotorig, ohne Übergang von Leerlauf auf Last, und ohne Motorabschaltung.

Umbau auf Türenschließen-Geräusch

Das Soundmodul kann einfach umgebaut / erweitert werden, um das Piepsen der schließenden Türen wiederzugeben, wie es beim ICE und modernen Reisezugwagen üblich ist. Dazu muss der Triggereingang t8, Pin 20, mit einem Decoderfunktionsausgang verbunden werden, so wie auch bei t7, Pin 19. Verbinden sie dazu eine Decoderfunktionsausgang über einen 3.3k Widerstand an den Soundchip Triggerpin 20, oder gleichbedeutend an die Lötfläche des Pull-Up Widerstands R3. Wenn sie es perfekt machen wollen, fügen sie noch einen 10 - 100 nF Kondensator zur Glättung ein, der den Pull-Up Widerstand ersetzt, oder sie belassen den Widerstand und löten den Kondensator parallel, also huckepack. Normalerweise funktioniert alles auch ohne den Kondensator, zumindest bei mir. Der Eingang Lötfläche J3 erlaubt die Auswahl von einem der beiden Türsirenen.

Das Türenschließen funkioniert auch neben der Hupe, aber nicht zusammen mit dem Diesel. Sobald der Diesel mal gespielt wurde, wird die Auslösung eines Effektgeräuschs ignoriert, bis die Versorgungsspannung ausgeschaltet wird.

Der Umbau von Hupe auf Türenschließen ist auch direkt auf der Platine möglich. Dazu bracht man aber einen (oder zwei zum Entlöten) Lötkolben mit sehr feiner Spitze. Entlöten sie R2 und löten in ein bei Position X1. Tauschen sie R3 und C2 gegenseitig aus (d. h. R3 weg, C2 weg und dahin wo R3 war, R3 dahin wo C2 war). Auf diese Weise haben sie die Anschlussfläche J4 nun zum Eingang t8 anstatt t7 geführt.

Wenn der Auswahleingang t1 (Anschlussfläche J3) nicht benötigt wird, lassen sie entweder J3 offen, oder verbinden es fest mit Masse (J2, violettes Kabel).

Sie können mit dem Klang experimentieren, in dem sie (geringfügig!) den Wert des Widerstands R21 verändern.

Man kann das Soundmodul auch in einen Personenwagen oder Triebwagen einbauen. Ein 60960 Funktionsdecoder ermöglicht dann die Auslösung des Türschließsignals.

Umbau auf Dieselmotor-Geräusch

Zur Aktivierung des Dieselmotorgeräusches müssen nachstehende Schritte ausgeführt werden. Bedenken sie, dass die Hupe nicht mehr funktioniert (es sei denn, sie schalten die Versorgungsspannung ab) wenn sie zwischenzeitlich den Diesel gespielt haben. Dieser Schaltplan verdeutlicht den Umbau: schematic of E40 modification, 20kB
Der Schaltplan ist auch als PDF-Datei verfügbar.

Versorgungsspannung

Der Diesel läuft ja dauernd. Das heizt den Transistor T1 stark auf, der aber keinen nennenswerten Kühlkörper besitzt. Ich empfehle daher, einen 47 Ohm (oder weniger), 1 Watt, Widerstand in das orange Anschlusskabel nach J1, einzufügen, siehe R91 im Schaltplan. Die Wärmeabfuhr wird so von T1 zu R91 verlagert, die gesamte Wärmeabfuhr ändert sich dadurch übrigens nicht.

Aktivierung des Dieselmotorgeräuschs

Der Diesel wird über den Eingang t5, Pin 17 angesteuert. Diesen Pin können sie an einen Decoderfunktionsausgang anschließen, was ferngesteuertes Ein- und Ausschalten ermöglicht. Sehen sie mal, wie t7, Pin 19, angeschlossen ist. So muss es nun auch mit t5 gemacht werden. Verbinden Sie den Decoderfunktionsausgang über einen 3.3k Widerstand entweder mit dem Soundchip Triggerpin 17, oder gleichbedeutend mit der Lötfläche des Pull-Up Widerstands R5. Wenn sie es perfekt machen wollen, fügen sie noch einen 10 - 100 nF Kondensator zur Glättung ein, der den Pull-Up Widerstand R5 ersetzt, oder sie belassen den Widerstand und löten den Kondensator parallel, also huckepack. Normalerweise funktioniert alles auch ohne den Kondensator, vgl. R92 im Schaltplan.

Alternativ kann man selbständig den Diesel starten lassen, sobald das Soundmodul Strom bekommt. Dazu wird der Power-Good Ausgang, Pin 12, mit dem Eingang t7, Pin 17 verbunden. Hierzu muss ein niederohmiger (sagen wir mal 50 Ohm) oder Null-Ohm Widerstand auf die Position X2 eingelötet werden, oder man brückt die beiden Lötpads von X2 with etwas Draht. Vgl. den Schaltplan ganz oben.

Konfiguration des Geräuschs

Mit den Auswahleingängen t3, t4 und t6 kann das Verhalten individuall angepasst werden. Die Eingänge sind auf high Pegel über ihre 47k Pull-Up Widerstände voreingestellt. t3 wählt die ein- oder zweimotorige Variante. Wollen sie die einmotorige Ausführung, müssen sie t3 auf Masse legen, d. h. verbinden sie Pin 15 mit Masse. Massespannung ist erhältlich von Anschlussfläche J2 des violetten Kabels. t4 ermöglicht die Variante mit automatischer Abschaltung des Motors. Wenn sie das wollen, müssen sie t4 auf Masse legen, verbinden sie entweder Pin 16 mit Masse, oder anstatt an Pin 16 zu löten verwenden sie Lötfläche J8 und verbinden diese mit Masse. t6 wählt die verschiedenen Vorschmierzeiten. Wenn sie die kurze Variante wollen, müssen sie t6 auf Masse legen, d. h. verbinden sie entweder Pin 18 mit Masse oder anstatt an Pin 18 zu löten verwenden sie Lötfläche J9 und verbinden diese mit Masse. Dies ist durch die drei Schalter im Schaltplan verdeutlicht.

Einstellung der Motordrehzahl

Jetzt kommt der schwierigste Schritt, bei dem zwei Dinge zu lösen sind. Erstens muss dem Soundmodul mitteilt werden, ob die Lok steht oder fährt, indem der Auswahleingang t2, Pin 14, entsprechend angesteuert wird. Diese Information muss aus dem Motorausgang des Decoders abgeleitet werden. Eine mögliche Lösung, geeignet für die Märklin Decoder 60901, 60902, 60904, und deren baugleiche Äquivalente, ist im Schaltplan abgebildet, vgl. Bauteile D91-92, R96-98, C91, und T91. Die positiven Pulse des Motorausgangs laden C91 und schließen so T91, was t2 auf low legt.

Zweitens muss die Tonhöhe des Diesels passend zur Geschwindigkeit angehoben werden. Dazu muss der Widerstand R21, der die Wiedergaberate vorgibt, verändert werden. Schließt man einen Photowiderstand (LDR) parallel, verringert sich der Gesamtwiderstand mit zunehmender Beleuchtung des LDR. Das Licht stammt von einer Märklin 610080 Glühbirne (eine 610040 sollte auch geeignet sein), L91, verbunden über Widerstände R95 und P91 mit dem Motorausgang des Decoders. P91 ermöglicht die Einstellung der "Empfindlichkeit". Eine besonders feinfühlige Einstellung ist möglich, wenn P91 durch ein Mehrgang-Präzisionspotentiometer ersetzt wird (200 - 500 Ohm) - R95 kann dann entfallen. Die rechte Seite des Schaltplans umfasst einen LDR, R94, in Serie mit R93. Dieses Widerstandsnetzwerk liegt parallel zu R21. Höhere Geschwindigkeit macht L91 heller, das reduziert den Widerstand von R94 von fast-unendlich auf sehr kleine Werte, was wiederum den Gesamtwiderstand am Anschluss Rosc von IC2, Pin 23, reduziert. R93 ermöglicht die Einstellung der "Höchstgeschwindigkeit". Ist R93 zu niedrig, kann IC2 "verwirrt" sein und aufhören zu arbeiten - In diesem Falle unterbrechen sie die Stromversorgung zum Soundmodul für einen Moment, damit es sich zurücksetzt. Ersetzen Sie dann R93 durch einen etwas höheren Wert, z. B. 91k - 100k. Als Test empfiehlt sich, den LDR R94 zu überbrücken, so dass das Geräusch in Höchstgeschwindigkeit läuft. Die Verkabelung zwischen Soundmodul und R93, R94 sollte möglichst kurz und kompakt geführt werden! Das Sound-IC ist nämlich sehr empfindlich gegenüber eingefangener Störspannung (z. B. von den Motorzuleitungen).

Der "Optokoppler" von Glühbirne und LDR muss lichtdicht verpackt werden, der LDR reagiert nämlich schon auf sehr geringe Helligkeit! Dazu nehmen sie am besten einen Schrumpfschlauch, stecken LDR und Glühbirnchen so hinein, dass sie sich anstrahlen, und schrumpfen den Schlauch mit Heißluft. Die Schlauchenden müssen nun noch dicht gemacht werden, z. B. mit Dichtungssilikon oder Knetmasse.

Tip: Bevor Sie mit P91 das Geräusch an die Lokgeschwindigkeit anpassen, empfehle ich, auf dem Dekoder die Höchstgeschwindigkeit des Modells auf ein realistisches Maß zu reduzieren (fast Minimalstellung).

Bild (Scan) vom Umbau

photo diesel conversion, 33kB

Hier habe ich eine Märklin BR 216 (genaugenommen eine 218) umgebaut. R95 wurde weggelassen, P91 ist ein Präzisionspoti auf der Rückseite der Lochrasterplatine. Die Einstellschraube spitzelt noch oben heraus. Der Optokoppler ist nicht zu sehen, er ist auf der anderen Seite der Lok. Die Bauteile sind auf der Lötseite der Lochrasterplatine aufgelötet.