Fotografie
Der Blick für das Schöne
Fahrtegler für analoge Modelleisenbahnen
Wir beschreiben hier einen analogen Fahrtregler für Modelleisenbahnen, den wir vor Jahrzehnten entwickelt haben, als es noch keine Digitalanlagen gab.
Natürlich haben wir auch mit umfangreicheren Schaltungen mit mehr Ausstattungsmerkmalen experimentiert. Heutzutage hat aber wahrscheinlich niemand ein Interesse an dem Nachbau eines Gerätes, dessen Umfang den einer aktuellen Digitalsteuerung übersteigt, und das nur zur Steuerung eines einzigen Stromkreises dienen kann.
Die beschriebene Schaltung läßt sich bequem in ein kleines Gehäuse als Handregler einbauen. Sie schaltet sich bei Überlastung automatisch dauerhaft ab und kann durch Tastendruck wieder in Betrieb genommen werden. Eine Nothalttaste ist vorhanden. Zur Stromversorgung dient ein Wechselstromtransformator, an den mehrere Handregler zur unabhängigen Steuerung mehrerer Stromkreise angeschlossen werden können. Sicherungsabschaltung und Nothalt wirken jeweils nur auf den betreffenden Stromkreis.
Die Besonderheit des Reglers liegt in dem weiten Regelbereich und den sehr guten Langsamfahreigenschaften. Um diese zu realisieren, darf kein handelsübliches Steckernetzteil benutzt werden. Dies funktioniert zwar auch, verhindert aber den Spaß am rangieren.
Der zu benutzende Wechselstromtransformator muss für Spur H0 und N eine Ausgangsspannung von 14 Volt haben, für Spur G eine Ausgangsspannung von 24 Volt. Für Spur G sind einige Werte anzupassen.
Dies betrifft u.a. den Wert des Widerstandes 0,47 Ohm. Der angegebene Wert ist für eine Ansprechschwelle der automatischen Sicherung von 1,5 Ampere ausgelegt. Der halbe Wert verdoppelt die Ansprechschwelle, der doppelte halbiert sie und so weiter.
Der abzugebende Strom des Transformators richtet sich nach der Anzahl der angeschlossenen Fahrtregler. Er sollte mindestens 0,5 Ampere je Fahrregler abgeben können, wobei selbst bei einem einzigen Fahrtregler ein 1-Ampere-Trafo benutzt werden sollte.
Laienhaft erklärt werden die guten Langsamfahreigenschaften folgendermaßen erreicht:
Der Gleichstrom baut in einem Elektromagneten ein Magnetfeld auf, das sich gegen die Kraft eines Permagnentmagneten durchsetzen muss, um sich abzustoßen. Dadurch wird die Lok in Bewegung gesetzt.
Das in-Bewegung-setzen ist aufgrund der Masseträgheit zu Beginn besonders schwer. Jeder weiß, dass ein Auto beim Anfahren mehr Benzin verbraucht als bei Halten einer bereits erreichten Geschwindigkeit. Legen Sie sich auf den Rücken und heben Sie den Oberkörper an. Im ersten Moment brauchen Sie viel mehr Kraft, als wenn der Körper bereits in Aufwärtsbewegung ist. Das liegt an der 'Trägheit der Masse'.
Die Spannung, bei der sich die Lok in Bewegung setzt, ist daher ohne geeignete Maßnahmen recht hoch. Da nach dem Anfahren die Masseträgheit nicht mehr wirkt, fährt die Lok gleich mit recht hoher Geschwindigkeit los. Insbesondere bei einer geglätteten Gleichspannung ist eine Langsamfahrt gar nicht möglich.
Es geht nun darum, die Anfahrspannung zu überschreiten, der Lok aber trotzdem möglichst wenig Energie zuzuführen. Wir nutzen hierzu den Umstand, dass die Versorgungsspannung eine gleichgerichtete Wechselspannung ist.
Ursprünglich steigt die Wechselspannung aus dem Stromnetz 50-mal in der Sekunde sinusförmig 'langsam' an, fällt nach erreichen des höchsten Punktes ab, geht nach passieren des Nullpunktes in den negatven Bereich, und dort spielt sich das selbe ab wie vorher im positiven Bereich.
Durch Gleichrichtung der Spannung wird der nach unten gerichtete Wellenteil nach oben geklappt. Dadurch entstehen 100 positive Wellenberge ja Sekunde.
Da die Anfahrspannung bei dieser Wellenform nicht permanent, sondern nur zeitweise überschritten wird, setzt sich die Lok in Bewegung, jedoch erheblich langsamer als bei einer geglätteten Gleichspannung. Aufgrund des zwischenzeitlichen Unterschreitens des Schwellenwertes ist die zur Verfügung gestellt Energie erheblich geringer. So funktionieren die meisten handelsüblichen analogen Fahrtregler.
Die Langsamfahreigenschaften lassen sich aber noch erheblich verbessern, indem man im unteren Fahrbereich nur den ursprünglich positiven Wellenberg verwendet (Halbwellensteuerung). Hier fehlen zusätzlich weitere 50 % der Energie, und die Frequenz liegt nur bei 50 statt 100 Hertz.
Bei Erhöhung der Reglerstellung kommt die zweite Halbwelle immer mehr hinzu (Vollwellensteuerung).
Wie die beiden Halbwellen je nach Reglerstellung gemischt werden, zeigt folgendes Bild:
Selbst wenn die erste Halbwelle bereits bei 6 Volt liegt, ist die zweite noch kaum wirksam. Durch die kontinuierliche Zumischung der zweiten Halbwelle wird ein feinfühliches Regeln über den gesamten Reglerbereich erzielt. Wichtig ist, dass ein logarythmisches Potentiometer verwandt wird.
Um die Fahreigenschaften des Reglers mit wenig Aufwand zu testen, können Sie den gesamten rechten Sicherungsteil zunächst weglassen ab der Diode 1N4148 und dem 10 K-Widerstand. Der 0,47 Ohm-Widerstand kann durch eine Drahtbrücke ersetzt werden. Ein Kurzschluß auf dem Gleis ist dann zu vermeiden.
Hier nun der Schaltplan:
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Hier noch ein Tip für den Anschluß mehrerer Fahrtregler an einen Wechselstromtrafo (Beispiel 2 Regler, bei mehr Reglern handelt man in der Folge entsprechend):
Bei Belastung eines Trafos durch einen zweiten Verbrauer reduziert sich zwangsläufig dessen Ausgangsspannung. Egal ob man eine zweite Lok auf dem selben Stromkreis dazuschaltet oder den zweiten Fahrtregler aufdreht, die erste Lok wird etwas langsamer. Schließen Sie die Kabel des zweiten Fahrtreglers entsprechen nachfolgender Abbildung vertauscht gegenüber dem ersten an den Trafo an. So wird der Effekt kaum wahrnehmbar, weil der eine Fahrtregler überwiegend die eine und der andere Fahrtregler überwiegend die andere Halbwelle benutzt.
Wir beschreiben hier einen analogen Fahrtregler für Modelleisenbahnen, den wir vor Jahrzehnten entwickelt haben, als es noch keine Digitalanlagen gab.
Natürlich haben wir auch mit umfangreicheren Schaltungen mit mehr Ausstattungsmerkmalen experimentiert. Heutzutage hat aber wahrscheinlich niemand ein Interesse an dem Nachbau eines Gerätes, dessen Umfang den einer aktuellen Digitalsteuerung übersteigt, und das nur zur Steuerung eines einzigen Stromkreises dienen kann.
Die beschriebene Schaltung läßt sich bequem in ein kleines Gehäuse als Handregler einbauen. Sie schaltet sich bei Überlastung automatisch dauerhaft ab und kann durch Tastendruck wieder in Betrieb genommen werden. Eine Nothalttaste ist vorhanden. Zur Stromversorgung dient ein Wechselstromtransformator, an den mehrere Handregler zur unabhängigen Steuerung mehrerer Stromkreise angeschlossen werden können. Sicherungsabschaltung und Nothalt wirken jeweils nur auf den betreffenden Stromkreis.
Die Besonderheit des Reglers liegt in dem weiten Regelbereich und den sehr guten Langsamfahreigenschaften. Um diese zu realisieren, darf kein handelsübliches Steckernetzteil benutzt werden. Dies funktioniert zwar auch, verhindert aber den Spaß am rangieren.
Der zu benutzende Wechselstromtransformator muss für Spur H0 und N eine Ausgangsspannung von 14 Volt haben, für Spur G eine Ausgangsspannung von 24 Volt. Für Spur G sind einige Werte anzupassen.
Dies betrifft u.a. den Wert des Widerstandes 0,47 Ohm. Der angegebene Wert ist für eine Ansprechschwelle der automatischen Sicherung von 1,5 Ampere ausgelegt. Der halbe Wert verdoppelt die Ansprechschwelle, der doppelte halbiert sie und so weiter.
Der abzugebende Strom des Transformators richtet sich nach der Anzahl der angeschlossenen Fahrtregler. Er sollte mindestens 0,5 Ampere je Fahrregler abgeben können, wobei selbst bei einem einzigen Fahrtregler ein 1-Ampere-Trafo benutzt werden sollte.
Laienhaft erklärt werden die guten Langsamfahreigenschaften folgendermaßen erreicht:
Der Gleichstrom baut in einem Elektromagneten ein Magnetfeld auf, das sich gegen die Kraft eines Permagnentmagneten durchsetzen muss, um sich abzustoßen. Dadurch wird die Lok in Bewegung gesetzt.
Das in-Bewegung-setzen ist aufgrund der Masseträgheit zu Beginn besonders schwer. Jeder weiß, dass ein Auto beim Anfahren mehr Benzin verbraucht als bei Halten einer bereits erreichten Geschwindigkeit. Legen Sie sich auf den Rücken und heben Sie den Oberkörper an. Im ersten Moment brauchen Sie viel mehr Kraft, als wenn der Körper bereits in Aufwärtsbewegung ist. Das liegt an der 'Trägheit der Masse'.
Die Spannung, bei der sich die Lok in Bewegung setzt, ist daher ohne geeignete Maßnahmen recht hoch. Da nach dem Anfahren die Masseträgheit nicht mehr wirkt, fährt die Lok gleich mit recht hoher Geschwindigkeit los. Insbesondere bei einer geglätteten Gleichspannung ist eine Langsamfahrt gar nicht möglich.
Es geht nun darum, die Anfahrspannung zu überschreiten, der Lok aber trotzdem möglichst wenig Energie zuzuführen. Wir nutzen hierzu den Umstand, dass die Versorgungsspannung eine gleichgerichtete Wechselspannung ist.
Ursprünglich steigt die Wechselspannung aus dem Stromnetz 50-mal in der Sekunde sinusförmig 'langsam' an, fällt nach erreichen des höchsten Punktes ab, geht nach passieren des Nullpunktes in den negatven Bereich, und dort spielt sich das selbe ab wie vorher im positiven Bereich.
Durch Gleichrichtung der Spannung wird der nach unten gerichtete Wellenteil nach oben geklappt. Dadurch entstehen 100 positive Wellenberge ja Sekunde.
Da die Anfahrspannung bei dieser Wellenform nicht permanent, sondern nur zeitweise überschritten wird, setzt sich die Lok in Bewegung, jedoch erheblich langsamer als bei einer geglätteten Gleichspannung. Aufgrund des zwischenzeitlichen Unterschreitens des Schwellenwertes ist die zur Verfügung gestellt Energie erheblich geringer. So funktionieren die meisten handelsüblichen analogen Fahrtregler.
Die Langsamfahreigenschaften lassen sich aber noch erheblich verbessern, indem man im unteren Fahrbereich nur den ursprünglich positiven Wellenberg verwendet (Halbwellensteuerung). Hier fehlen zusätzlich weitere 50 % der Energie, und die Frequenz liegt nur bei 50 statt 100 Hertz.
Bei Erhöhung der Reglerstellung kommt die zweite Halbwelle immer mehr hinzu (Vollwellensteuerung).
Wie die beiden Halbwellen je nach Reglerstellung gemischt werden, zeigt folgendes Bild:
Selbst wenn die erste Halbwelle bereits bei 6 Volt liegt, ist die zweite noch kaum wirksam. Durch die kontinuierliche Zumischung der zweiten Halbwelle wird ein feinfühliches Regeln über den gesamten Reglerbereich erzielt. Wichtig ist, dass ein logarythmisches Potentiometer verwandt wird.
Um die Fahreigenschaften des Reglers mit wenig Aufwand zu testen, können Sie den gesamten rechten Sicherungsteil zunächst weglassen ab der Diode 1N4148 und dem 10 K-Widerstand. Der 0,47 Ohm-Widerstand kann durch eine Drahtbrücke ersetzt werden. Ein Kurzschluß auf dem Gleis ist dann zu vermeiden.
Hier nun der Schaltplan:
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Hier noch ein Tip für den Anschluß mehrerer Fahrtregler an einen Wechselstromtrafo (Beispiel 2 Regler, bei mehr Reglern handelt man in der Folge entsprechend):
Bei Belastung eines Trafos durch einen zweiten Verbrauer reduziert sich zwangsläufig dessen Ausgangsspannung. Egal ob man eine zweite Lok auf dem selben Stromkreis dazuschaltet oder den zweiten Fahrtregler aufdreht, die erste Lok wird etwas langsamer. Schließen Sie die Kabel des zweiten Fahrtreglers entsprechen nachfolgender Abbildung vertauscht gegenüber dem ersten an den Trafo an. So wird der Effekt kaum wahrnehmbar, weil der eine Fahrtregler überwiegend die eine und der andere Fahrtregler überwiegend die andere Halbwelle benutzt.
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