Ein leistungsfähiges Fahrpult

CoolerCrawler - Ein leistungsfähiges Fahrpult
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Ein leistungsfähiges Fahrpult
von Rich Weyand, mit Bill Piste110 und Bill Reid
Ubersetzung von Bons Kusche1
CoolerCrawler ist ein eingetragenes Warenzeichender Firma
Ein modulares elektronisches Schaltungskonzept
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Dies ist die zwölfte und letzte Ausgabe in unserer Serie von Artikeln, welche ein Set von
Elektronikschaltungen beschreiben, die wir zur Steuerung unserer Mdellbahnanlagen entworfen
haben: meiner N&W Anlage, Bill Pistello's Union Pacific Anlage, und die Cumberland Valley
Anlage der Gebrüder Reid. Dieser Artikel schließt die Serie mit der Beschreibung eines
leistungsfähigen Fahrpultes ab, welches ausgezeichnete Langsamfahreigenschaften besitzt, ohne die
Motoren der Lokomotiven zu erhitzen oder zu zerstören.
Wir präsentieren diese Schaltungen mit einem Schaltplan und Layout, um den Lesern die
Möglichkeit zu geben, die Schaltung selbst aufmbauen oder eigene Platinen m ätzen.
...
Das Problem mit den Fahrpulten
Fahrpulte sind die uneingeschränkten Steuerelemente einer Modelleisenbahn. Der Zug ist der
Mittelpunkt unserer Modelleisenbahnanlagen, und die Lokomotive verleiht ihm "Leben". Die
Steuerung eines Motors einer ModellbahnIokomotive bei niedrigen Geschwindigkeiten ist eine
echte Herausforderung. Nur so kann das reale Verhalten einer Lokomotive simuliert werden und
die Illusion einer realen Eisenbahn entstehen. Ein Weg, um dieser Herausforderung gerecht zu
werden, ist die Technik der Impulsbreitenmodulation (PWM).
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Die Impulsbreitensteuerung löst zwei wirkliche Probleme bei der Entwicklung von Falpulten: Das
Zerhacken der Spannung mit Hilfe der Impulsbreiten-Technik pulst den Motor mit der vollen
Spannung des Fahrpults. Die Langsamfahreigenschaften sind hervorragend, da die Impulse
kontinuierlich den Motor "anstoßen" und damit die magnetischen Verluste des Ankers
kompensieren. Außerdem wird der Ausgangstransistor des Fahrpults nicht so heiß, als würde eine
kontinuierliche Gleichspamung geliefert werden. Der Transistor ist entweder EIN oder AUS: Die
Spannung über dem Transistor ist 0, wenn er eingeschaltet ist, und der Strom durch den Transistor
ist 0, wenn er ausgeschaltet ist. Die Verlustleistung des Transistors ist deshalb 0, außer wenn er
sich im Ubergang von einem Schaltzustand in den anderen befindet, und deswegen wird der
Transistor nicht so heiß.
Dennoch laufen manche Motoren heißer, wenn sie mit der Impulsbreitensteuerung angesteuert
werden. Einige Motoren werden so heiß, daß sie zerstört werden können, wenn sie mit langsamen
Geschwindigkeiten über eine längere Zeit betrieben werden. Diese Effekte sind abhängig von der
Ausfuhrung der Impulsbreitensteuerung, der Spannungshöhe, der Kurvenverläufe von Strom und
Spannung, dem Motorentyp, dem Einsatzgebiet der Lokomotive und vieler anderer Parameter.
Doch die Gefahr der Zerstörung einer teuren Rangierlokomotive, welche dauerhaft mit niedrigen
Geschwindigkeiten fährt, ließ uns etwas anderes benutzen.
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Wir wollten ein Fahrpult, welches die Langsamfahreigenschaften der Impulsbreitensteuening
liefert, aber die Motoren nicht heiß werden Iäßt. Eine Rangierlokomotive, die sehr langsam fährt,
kam damit mühelos einen Fahrbetrieb von finf und mehr Stunden bewältigen. Und wir wollten die
Walkaround-Steuerung, die Speicher- Funktion, das Drehmoment, die Tast- oder Reglersteuerung
und den 4poligen Anschluß nicht vermisssen.
Die Basiseinheit
Die Basiseinheit des Fahrpults, welche wir CoolerCrawler nennen, ist in Bild 1 dargestellt. Diese
Schaltung ist die schwierigste im Verständnis; und sie ist außerdem die komplizierteste in unserer
Serie von Elektronikschaltungen, aber fur diejenigen, die es wissen möchten:
Bild 1: CoolerCrawler-Schaltplan:
DIR
I
POS
XNRl
XFMR2
SPD
~4
== C l
GND
Figure 1- CoolerCrawler Throttle Base Unit
;---
Der Kondensator C1 dient zur Steuerung der Geschwindigkeit. Die Spannung über dem
Kondensator bestimmt die Höhe der Ausgangsspannnung des Fahrpults. Dieser Kondensator dient
als Speicher- und Verzögerungselement der Fahrpultschaltung. Die Transistoren Q1 und 4 2 sind in
Darlingtonschaltung und dienen zur Verstärkung und zur Steuerung der Amplituden. Q3 ist der
Treiber der Endstufe und Q4 bildet die Endstufe. Beachten Sie, daß Q3 intern auch ein DarlingtonTransistor ist. Q4 ist der Ausgangstransistor und wird auf einem entsprechendem Kühlkörper
montiert, um die entstehende Verlustwäme abmfuhren, da der Transistor nicht mit Impulsen
angesteuert wird. Der Kondensator C2 dient zur Glättung der Ausgangs- Amplituden.
Relais1 ist das Polwenderelais, mit der Diode D3 als Freilaufdiode und R5 als Vorwiderstand. DG
fir das Relais in der Stückliste h i n bestimmter T p angegeben ww&, muJ gegebenfalls der
WiderstandR5 dem von Ihnen verwendeten Relais angepaßt werden. Die Diode D4 ist eine Z Diode, die den Ausgangsstrom begrenzt, indem Basisstrom vom Transistor Q3 abgeleitet wird,
wenn der Spannungsabfall über Q3, Q4 und dem Ausgangsreihenwiderstand R3 groß genug ist. R4
ist ein Ausgangsparallelwiderstand, der verhindert, daß die Spannung im Leerlauf zu groß wird.
Beachten Sie, daß der Brückengleichrichter DB 1 und die Dioden D1 und D2 jeweils
unterschiedliche positive Spannungen bereitstellen. DB1 liefert die Spannung fur 4 4 und D1D2
liefern die Spannung fur den Rest der Schaltung.
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BAUTE1L
Stück
WERT
..................................................................
Halbleiter
Q1, Q2
43
Q4
DB1
D1 - D3
D4
Kondensatoren
Cl, C 2
1
1000pF / 35V / elektrolyt / axial
R3
R4
R5
1
1
1
1
1
56kOhm / 0 , 2 5 W
220 Ohm / 0,25W
1 Ohm / 10W
IkOhm / 0,5W
330 Ohm / 0,5W
Sonstiges
Relais
Kühlkörper
1
1
12v / 2xUM
für T03-Gehäuse
Widerstände
R1
R2
Aufbau der Basiseinheit
Für diejenigen, die lieber eine Platine ätzen, als die Schaltung auf einer Lochrasterplatine
die Atzvorlage sowie den Bestückungsplan der Platine. Der
aufiubauen, zeigt
Bestückungsplan enthält außerdem die Position der Bohrlöcher, um die Verdrahtung zu
erleichtern. Beachten Sie, daß die Ätzvorlage, gernaß dem Industriestandard, immer so gezeigt
wird, als sehe man von der Komponentenseite auf die Schaltung. Dies ist die Lötseite, welche
spiegelverkehrt auf der Platine erscheinen muß, damit Text und Bild korrekt erscheinen.
Auf der Platine befindet sich viel Platz fur einen großen Kühlkörper fiir Transistor 44.
Grundsätzlich gilt: Je größer der Kühlkörper, desto besser, vorausgesetzt, der Kühlkörper paßt auf
die Platine. Auf der Platine befinden sich zwei Paar Befestigungslöcher fbr 44, ein Paar parallel zur
Platinenkante und ein Paar um 45" versetzt, damit verschiedene Kühlkörper benutzt werden
können. Befestigen Sie den Transistor mit M3x20 Zylinderkopfschrauben und M3 Muttern.
Benutzen Sie zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper Wärmeleitpaste, damit eine gute
Wärmeableitung erfolgen kann.
Beachten Sie beim Einbau die richtige Polung von C1 und C2; Elektrololyt- Kondensatoren
explodieren bei falscher Polung! Beachten Sie außerdem die Polarität des Brückengleichrichters
DB 1 gemäß dem Schaltplan; beim Vertauschen der Polung dieses Bauteils werden beide
Kondensatoren und aile vier Transistoren zerstört!
Anschlußbelegungen der CoolerCrawler-Basiseinheit
Anschluß
Bezeichnung
Erklärung
1
SPD
2
3
4
XFMRl
X E'MR2
D1R
5
GND
Geschwindigkeitsanschluß zur Handsteuerung
Transformator-Anschluß
Transfomator-Anschluß
Richtungsanschluß zur Handsteuerung
Masse-Anschluß zur Handsteuerung /
Kehrschleifen-Masse
...................................................................
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6
7
8
3
10
Comrnon Rail
Hot Rail
POS
Meter1
Meter2
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Masse-Anschluß des Gleises
Plusschiene des Gleises
Speisespannung für Handsteuerung
Minus-Anschluß des Amperemeters /
Kehrschleifen-Plusschiene
Plus-Anschluß des Amperemeters
Anschluß der Basiseinheit
Die Transformatoranschlüssewerden mit den Pins XFRMRl und XFRMR2 (Pin 2 und 3)
verbunden. Wir benutzen einen 12,6V / 3A Transformator mit Mittelanzapfung fur dieses Fahrpult.
Benutzen Sie aber nicht die Mittelanzapfung, sondern isolieren Sie diesen Anschluß mit
Isolierband, und lassen Sie ihn unbenutzt! Sichern Sie die 230V-Seite des Transformators mit einer
Sicherung (0,2A / iräge) ab.
Die Anschlüsse für das Gleis sind Pin6 und Pin7. Pin6 ist die Masse- Schiene der gesamten Anlage.
Werden mehrere Fahrpulte benutzt, dann werden alle diese Pins mit einander verbunden, und mit
einem Massebezugspunkt, z.B. einem Wasserrohr, verbunden. Pin7 ist der Fahrpultanschluß fir
das Gleis und sollte mit den Fahrabschnittsschaltern der Gleisabschnitte verbunden werden.
Pin5 und Pin9 sind die Anschlüsse für Kehrschleifen. Diese Anschlüsse polen nicht die
Fahrspamung um, wenn die Polung des Fahrpultes geändert wird. Sie sollten dazu verwendet
werden, Kehrschleifen auf der Anlage mit Spannung zu versorgen. Beachten Sie, daß der
Fahrabschnittsschalter für Kehrschleifen beide Anschlüsse der jeweiligen Fahrpulte umschalten
muß. Diese Anschlüsse der Kehrschleifen können nicht in die gemeinsame Masse-Verkabelung der
Anlage mit einbezogen werden.
Pin9 und PinlO sind die Anschlüsse fur das Amperemeter. Wenn ein Amperemeter benutzt werden
soll, muß die Verbindung auf der Platine zwischen Pin9 und PinlO unterbrochen werden, und
zwischen Pin 9 und PinlO kann ein Amperemeter angeschlossen werden.
Die Pins 1 (SPD), 4 (DIR), 5 (GND) und 8 (POS) sind die Anschlüsse für die Handsteuerung.
Diese Anschlüsse sind die vier Steuereingänge für das Fahrpult, welche wir schon im Artikel
"Verbesserungen für Walkaround-Fahrpulte" beschrieben. Bild 3 verdeutlicht diesen
Zusammenhang; vergleichen Sie bitte dieses Bild mit Bild 1 der Fahrpult-Basiseinheit.
Bild 3 : Grundaufbau der Walkaround-Fahrpulte:
THROTTLE HAND UNlT
THROTiLE BASE UNiT
1
GND
I
I
m-I
I
I
I
I n i a I
I
I
- - - - - - - - - - - - J
I
I
I
L
I
-
i
i
i
i
-
i
i
i
-
i
i
i
-
i
-
i
-
-
-
Figure 3. Walkaround Throttle Basics
http://www-user.tu-chemmtz.de/-kbo/tt/cc/cc.
htm
-
-
-
.
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Möglichkeiten der Handsteuerung
Die Basiseinheit kann mit den Handsteuerungen auf verschiedene Arten angesteuert werden. Die
drei wichtigsten sind: Drehpotentiometer-Steuerung, Taster-Steuerung und Fernsteuerung. Die zu
beachtenden Punkte beim Aufbau einer Handsteuerung sind folgende: Die
Geschwindigkeitssteuerungder Lokomotive erfolgt durch Steuerung der Spannung über dem
Kondensator C 1 der Basiseinheit und die Richtungssteuerung der Lokomotive erfolgt durch kurzes
Verbinden der Spule des Relais1 der Basiseinheit mit Speisespannung oder Masse.
Bild 4: Handsteuerung mit Drehpotentiometer:
TOP SPEED
SPEED
%
,-
Figure 4. Rotary Knob Hand Unit
BAUTEIL
Widerstände
R1
R2
R3
R4, R5
R6
Sonstiges
Taster
Stiick
1
1
WERT
1
100kOhm Potentiometer
5kOhm Trimmer
47kOhm Trimmer
10 Ohm / 0,5W
lkOhm / 0,25W
4
Schließer
1
2
Der Schaltplan und die Stückliste fur eine Handsteuerung mit Drehpotentiometer sind in Bild 4
dargestellt. Diese Einheit enthält einen Trimmer zur Einstellung der Höchstgeschwindigkeit (R3)
und einen Trimmer zur Einstellung der Massensimulation (Rl). Wir bevorzugen diesen Typ der
Handsteuerung fur unsere Bahnhofsfahrpulte, da der Drehknopf es ermöglicht, die
Rangiergeschwindigkeiteneinzustellen. Wir können die Betriebsbremse (service break) dazu
benutzen, die Geschwindigkeit der Lokomotive zu steuern. Die Not-Bremse (emergency break) ist
eine zusätzliche Sicherheit, da sie die Massensimulation überbrückt. Sie können mit den
Widerstandswerten Rl, R2, R3 und R6 auch etwas experimentieren, um die von Ihnen gewünschte
Bremswirkung einzustellen.Beachten Sie, daß ein größerer Widerstand die Ansprechzeit der
Schaltung vergrößert und ein kleinerer Widerstand diese verkürzt.
Bild 5: Handsteuerung mit Tastern:
http://www-user.tu-chemmtz.de/-kbo/tt/cc/cc.htm
Figure 5. Pushbutton Hand Unit
BAUTEIL
Widerstände
R1
R2
R3
Stück
WERT
1
1
1
15kOhm / 0,25W
2,ZkOhm / 0,25W
10 Ohm / 0,5W
5
Schließer
Sonstiges
Taster
Der Schaltplan und die Stückliste für eine Handsteuerung mit Tastern ist in Bild 5 dargestellt. Wir
benutzen diesen Typ von Steuerung fur unsere Streckenfahrpulte und steuern die Geschwindigkeit
durch Drücken der entsprechenden Taster. Die Not-Bremse (emergency break) dieser Schaltung
überbrückt auch die Massensimulation. Sie können mit den Widerstandswerten R1 und R2 auch
etwas experimentieren, um die von Ihnen gewünschte Bremswirkung einzustellen.
...
Wir benutzen fur diese Schaltungen keine gedruckten Platinen, sondern verlöten die Bauteile direkt
mit den Potentiometern, Trimmern oder Tastern. Zur Steuerung der Richtung, der Bremsen und
der Geschwindigkeit können verschiedene Taster benutzt werden. Sie sollten verschiedene Taster
probieren, damit Sie ein Gefuhl für die Handsteuerung bekommen. Zur Verbindung zwischen
Handsteuerung und Basiseinheit kann jedes 4poliges Kabel genommen werden. Sichern Sie das
Kabel innerhalb der Handsteuerung mit einer Kabelzugentlastung ab!
Die Fernsteuerung wurde im Artikel "Verbesserungen fur Walkaround- Fahrpulte" vorgestellt. Wir
benutzen die Fernsteuerungen fur Streckenfahrpulte, aber den zusätzlichen Einbau eines guten
Funk- Empfängers und -Senders möchte nicht jeder realisieren.
Betrieb des Fahrpultes
Die Ausgangsamplituden des Fahrpultes bei verschiedenen Einstellungen zeigt Bild 6. Beachten
Sie, daß die Amplituden der 50332-Impulse abgerundet und nicht rechteckförrnig sind. Diese
abgerundeten Amplituden verursachen zwar etwas Verlustwärme im Ausgangstransistor 44, aber
die Lokmotivmotoren werden nicht warm, während sie ganz langsam laufen. Durch die
Ausgangsamplituden können zwar einige Motoren ein paar Störgeräusche verursachen, aber keiner
der Motoren wird heiß, auch wenn sie schwere Züge mit niedriger Geschwindigkeit über einen
längeren Zeitraum bewegen müssen.
h t t p : / / ~ ~ ~ - ~ ~ e r . t ~ - ~ h e m n i t ~ . d e /htm
-kb~/tt/~~/~~.
1I.US.UZ
Bild 6: Ausgangsamplituden des Fahrpultes:
Fuli Thr'attle
H i g h ThrcfttJe
Medium ThrotMe
s
Low Throltie
Figure 8. Throttle Voltage Waveforms
Der maximale Fahrstrom beträgt bei diesem Fahrpult drei Ampere, aber dennoch arbeiten wir an
einer "sechs Ampere Version". Die Schaltung begrenzt den Ausgangsstrom bei Kurzschluß auf
maximal drei Ampere, unabhängig davon, wieviel Strom der Transformator liefern kann. Wenn
über einen längeren Zeitraum mit höhen Strömen gefahren wird, dann können 4 4 und der
Kühlkörper etwas warm werden. Wenn der Ausgang für längere Zeit kurzgeschlossen wird, dann
kann auch R.3 etwas warm werden. Diese zwei Bauteile sollten entfernt von anderen
entflammbaren Bauteilen montiert werden, und eine freie Luftzirkulation hilft bei der Kühlung. Um
die Kühiung m erreichen, bauen Sie diese Fahrpulte bitte in kein Gehäuse ein.
Schlußbemerkung
Das hier beschriebene Fahrpult, weiterentwickelt und verbessert während der letzten neun Jahre,
bietet uns hervorragende Langsamfahreigenschaften ohne die Nachteile einer
Impulsbreitensteuerung. Die Leistung all unserer Lokomotiven verbesserte sich erheblich mit
diesem Fahrpult, und die Besucher unserer Anlagen bemerkten immer die vorbildgetreue Fahnveise
der Lokomotiven. Viele denken, daß die billigeren Lokomotiven einen neuen Motor erhalten
müßten, um diese Leistung zu erzielen, aber mit diesem Fahrpult ist das hinfällig.
Mit dem zwölften Artikel beenden wir die Serie, denn wir haben nun alle Elektronikrnodule, die
http://www-user.tu-chemnitz.de/-kbo/tt/cc/cc.htm
11.U3.VZ
CoolerCrawler - Ein leistungsfahiges Fahrpult
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wir benötigen, um Weichen, Signale und Lokomotiven auf unserer Anlage zu steuern. Die
Artikelserie war hervorragend fir uns, um unsere elektronischen Bedürfnisse zu erkennen. Wir
hoffen, daß Sie diese Artikel genau so gerne gelesen haben, wie es uns erfreute, Ihnen diese Artikel
präsentieren zu dürfen. Viel Spaß mit der Modelleisenbahn!
Copyright
Die Schaltungen und Bilder unterliegen dem Copyright von
Schaltpläne und Platinenvorlagen dürfen für den privaten Gebrauch frei benutzt werden.
Das Recht der deutschen Übersetzung (ohne Gewähr) liegt bei: O 1999-2001 Boris Kusche1
Bei Fragen, Anregungen oder Problemen senden Sie bitte eine Mail an:
Diese Seite w r d e zuletzt geändert am: 25.02.2001
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