Hobby-Elektronik: Kombinierter Gleichspannungs-Halbwellen-Fahrregler für Z-Loks (V.6)

(8.7.2002: Version 6 mit Änderungen gegenüber Version 5 bei Tr1, Tr2, R4, C2, C4)

Funktionsbeschreibung
Einfacher Fahrregler mit kombinierter Gleichspannungs-Halbwellensteuerung für Z-Lokomotiven, Version 6. (Verwendung für N- und H0-Gleichstromsysteme s.u.)
Der Fahrregler besteht im wesentlichen aus einem Gleichrichterteil, dem Fahrregler-Potentiometer P1, einem Darlington-Emitterfolger (T4,T5) als Stromverstärker und einem Polwendeschalter S2 für Vorwärts/Rückwärtsfahrt, für den zweckmäßigerweise ein Relais verwendet wird. Als Spannungsversorgung kann, falls kein geeigneter Trafo zur Verfügung steht, der Lichtstrom/Magnetartikel-Ausgang (ca. 10 Volt Wechselspannung) eines Märklin-Miniclub-Fahrgerätes verwendet werden.
Der Gleichspannungs-Teil der Schaltung ist mit wenigen Bauelementen um eine Halbwellensteuerung erweitert. Hierzu wird die 50 Hz-Wechselspannung an einem Ende der Sekundärwicklung des Trafos abgegriffen, mit der Diode D5 zu einer positiven Halbwelle gleichgerichtet und über R4, Tr2, C2 dem Fahrregler-Eingang zugeführt. Die ebenso einfache wie geniale Idee, die leider nicht von mir stammt, ist hierbei folgende: Ist das Fahrregler-Poti P1 ganz nach links gedreht (Schleifer-Abgriff am unteren Ende), wird die positive Halbwelle über R1 und den Schleifer praktisch nach Masse kurzgeschlossen. Dreht man den Schleifer von P1 nun langsam hoch, wird einerseits der Kurzschluß der positiven Halbwelle nach Masse mehr und mehr aufgehoben und andererseits eine positive Vorspannung an den Darlington Emitterfolger (T4, T5) zur Überwindung der Schleusenspannungen der Basis-Emitterdioden von T4 und T5 gegeben, so daß T4, T5 leitend werden und am Reglerausgang eine mit weiterem Aufdrehen von P1 schnell ansteigende 50 Hz-Halbwelle erscheint, die dem Z-Motor den erwünschten "Anlauf-Kick" erteilt (vgl. die folgenden Oszilloskop-Bilder). Wird P1 nun weiter aufgedreht, so "folgt" der Fahrregler-Ausgang gleichspannungsmäßig der mit dem Schleifer von P1 abgegriffenen Gleichspannung und die Halbwellenimpulse "versinken" mehr und mehr im steigenden Gleichspannungspegel am Ausgang, d.h. nachdem die Lok mittels kräftiger Impulse den Anfahr-Kick bekommen hat, geht die Fahrspannung mehr und mehr in eine Gleichspannung über, die einen ruhigen und verlustarmen Motorlauf gewährleistet. Und das ist genau das, was gebraucht wird !
Mit dem Trimmer Tr2 wird die Amplitude der Halbwellenspannung eingestellt.
Die Zenerdiode D6 begrenzt die Spannung am Gleis auf einen Höchstwert von ca. 8,5 Volt. Mit dem Trimmpoti Tr1 läßt sich bei geöffnetem Schalter S1 der Regelbereich von P1 für langsame Rangierfahrten spreizen. Tr1 ist nach eigenem Geschmack einzustellen.

Zu den vorstehenden Oszillogrammen, aufgenommen am Gleis an einem Ersatzwiderstand von 22 Ohm anstelle einer Lok (von links nach rechts): a) Regler-Poti wenig aufgedreht: 50 Hz-Halbwellen-Impulse erheben sich über der 0 Volt-Linie. b) Poti etwas weiter aufgedreht: Die Halbwellen-Impulse sind größer geworden und der Gleichspannungspegel hat bereits 2 Volt über der Null-Linie erreicht. c) Poti weiter aufgedreht: Die Halbwellen-Impulse "versinken" im steigenden Gleichspannungspegel. d) Poti ganz aufgedreht: Die Halbwellenimpulse sind verschwunden. Der Gleichspannungspegel hat 8 Volt erreicht und zeigt eine geringe Restwelligkeit bei Belastung.


Kein Fahrregler ohne Kurzschlußstrom-Begrenzung ! Übersteigt der Spannungsabfall an R11 (z.B. zufolge Kurzschluß am Gleis) ca. 0,65 Volt, öffnet T2 und begrenzt den Ausgangsstrom der Darlington-Endstufe. R11 (in Ohm) berechnet sich allgemein gemäß R11 = 0,65 / Ik, wobei Ik der zugelassene Kurzschlußstrom in Ampere ist. Mit dem hier gewählten Wert von 1 Ohm beträgt Ik = 0,65 Ampere, was auch für eine Doppeltraktion noch ausreichen sollte. Die LED D7 dient zur Kurzschluß-Anzeige.
Eine andere sehr einfache Kurzschlußstrom-Begrenzung läßt sich mit einer 12 Volt/10 Watt-Halogenlampe oder -Kraftfahrzeug-Sofittenlampe realisieren, die in die bei X aufgetrennte Leitung eingefügt wird. Die Bauteile R5 bis R11, T1 bis T3 und D7 entfallen dann, R11 ist durch eine Drahtbrücke zu ersetzen.
Wer will, kann zur Fahrtrichtungs-Anzeige noch zwei verschiedenfarbige, antiparallel geschaltete LEDs in Reihe mit einem 330 Ohm-Widerstand parallel zum Gleis hinzufügen (vgl. Schaltplan (e) Superfahrregler ...).

Abgleich der Größe der Halbwellenspannung mit Trimmer Tr2 (Dabei ist S1 zu schließen)
Abgleich mit Oszilloskop: statt einer Lok ersatzweise einen 22 Ohm-Lastwiderstand am Gleisausgang anschließen, P1 soweit aufdrehen, bis der Gleichspannungspegel am Ersatzwiderstand sich ca. 0,8 V über die Null-Linie erhebt, jetzt Tr2 so verstellen, daß die Halbwellenamplitude ca. 6 V beträgt.
Abgleich mit Digitalvoltmeter: statt einer Lok ersatzweise einen 22 Ohm-Lastwiderstand am Gleisausgang anschließen; Voltmeter (im Gleichspannungsmeßbereich) an Ersatzwiderstand anschließen. Leitung vom Trafo nach Diode D5 irgendwo auftrennen; P1 so weit aufdrehen, daß ein Gleichspannungspegel von ca. 0,8 V gemessen wird. Verbindung vom Trafo nach Diode D5 wiederherstellen; Tr2 so verstellen, daß am Voltmeter ca. 2,2 V bis 2,5 V gemessen werden.
Abgleich ohne Meßinstrument: eine Lok aufs Gleis setzen und für einwandfreien Kontakt sorgen; Tr2 auf Maximalwert stellen, P1 etwa 10 % bis 20 % aufdrehen; jetzt Wert von Tr2 langsam verkleinern, bis die noch stehende Lok ein leichtes Brummen hören läßt und gerade anfährt. Die richtige Stellung von Tr2 ist etwas weniger als die Hälfte des Gesamtwertes, etwa 2,2 kOhm bei 10 V~ des Trafos. Die Einstellung ist unkritisch und kann auch je nach Fahrverhalten der Lok oder eigenem Geschmack verändert werden. Fügt man probehalber vor der Diode D5 einen EIN/AUS-Schalter ein, kann man die Wirkung der Halbwellen-Impulse im Vergleich zum reinen Gleichspannungsbetrieb testen.
Hinweis zum Abgleich: Der Wert von Tr2 hängt wesentlich von der Trafospannung ab. Der hier angegebene Wert wurde bei Verwendung des Lichtstrom-Ausgangs (ca. 10 V~) eines Miniclub-Fahrgerätes als optimal ermittelt. Bei Verwendung eines Trafos mit höherer Spannung ist gegebenfalls für Tr2 ein größerer Trimmer (10 bis 50 kOhm) einzusetzen.
Eine ausführliche Baubeschreibung und ein Testbericht des Fahrgerätes sind auf der Website www.armadillo.ch von Patrick Gürtler zu finden. Zwei Bilder der auf einer kleinen Lochraster-Platine realisierten Schaltung sind auf der folgenden Seite zu sehen.
Hinweis zur Verwendung der Schaltung für andere Gleichstrom-Systeme:
Die Schaltung läßt sich fast unverändert für N- und H0-Spur-Gleichstrom-Systeme einsetzen. Es ist lediglich ein Trafo entsprechend höherer Spannung erforderlich, der Wert der die Ausgangsspannung begrenzenden Zenerdiode D ist zu anzupassen und evtl. der Vorwiderstand R5 der LED D7 zu erhöhen.

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