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Elektrik und Elektronik: Fahrtregelung

Einleitung

Hier werden ausschließlich Gleichstrom–Modellbahnen und ihre analoge Fahrstrom–Versorgung behandelt. Digitale Steuerungen werden in einem eigenen Bereich besprochen.

Das Thema ist so umfangreich, dass es auf mehrere Seiten aufgeteilt wurde. Im ersten Teil geht es um die verschiedenen Steuerungs–Arten.

Jeder muss für sich selbst entscheiden, welches System seinen Ansprüchen am Besten gerecht wird. Versuche mit umschaltbaren Systemen haben gezeigt, dass dies mit vertretbarem Aufwand auch machbar ist.

Sie sollten diese Seiten aufmerksam lesen, wenn Sie sich selbst ein „Fahrpult” bauen oder erweitern wollen, weil eingestreut etliche Tipps und Hinweise mit Lösungen zu finden sind, beispielsweise zu diesen Themen:

Wahlfreie Taster– und Drehknopf–Steuerung · Elektronik–Hilfsspeisung · Darlington–Endstufe als Schalter und als Regler · Parallele Mindestspannungen · Konstantbeleuchtung und –rauch · Multiplexer und Demultiplexer.

Prinzipien

Abschnitte dieser Seite:

Bedingungen und Anforderungen
Stelltransformatore
Transistor–Regelung
Phasenanschnitt–Steuerung
Impulsbreiten–Modulation
Überlagerung
Massensimulation

Bedingungen und Anforderungen

Mit Fahrtregelung ist die Technik gemeint, wie die Geschwindigkeit Ihrer Modellbahn–Triebfahrzeuge gesteuert wird. Die Fahrtrichtungs–Änderung ist Thema eines anderen Beitrags.

An die Geschwindigkeits–Steuerung von Modellbahn–Triebfahrzeugen (TFz) werden allerlei Anforderungen gestellt.

Möglichst stufenlose, zumindest aber feinfühlige Regelung
Ruckfreie Fahrt
Möglichst geringe Mindestgeschwindigkeit
Ruckfreies Anfahren
Wählbare Höchstgeschwindigkeit
Möglichst hohe Zugkraft auch bei geringen Geschwindigkeiten
Keine Störsignale (zum Beispiel Störung des Rundfunkempfangs)
Frei wählbare Bedienungselemente (Drehknopf oder Taster oder beides)
Optional: Programmatische Ansteuerbarkeit (von außen)

Die Erfüllung dieser Bedingungen hängt teilweise stark von den verwendeten Motoren ab. Dreipolige Motoren sind wegen der 120 Grad zwischen den einzelnen Magnetfeldern denkbar ungeeignet, solche mit fünf Polen schon besser, solche mit sieben Polen noch besser. Am besten sind Glockenankermotoren (System „Faulhaber”). Letztere haben kein magnetisches Rastmoment und eine hohe Linearität zwischen Spannung und Drehzahl sowie eine Drehzahl–Konstante (Umdrehungen je Minute je Volt Spannung).

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Stelltransformatore

Die meisten handelsüblichen Modellbahn–Transformatore mit Drehknopf–Steuerung sind Stelltransformatore. An einer Seite der Sekundär–Wicklung sind die Oberseiten des Kupferlackdrahts nicht isoliert. Ein federnder Schleifer an der Unterseite des Drehknopfs greift die Spannung bei weniger oder mehr Wicklungen ab. In der Mitte wird die Fahrtrichtung umgepolt. Dabei entstehen bei mittlerer und voller Fahrt die im Bild gezeigten Spannungsverläufe.

Die Lösung hat den Vorteil, dass a) die Motoren durch die Halbwellen schon recht gut angestoßen werden und b) kein überschüssiger Strom in Wärme umgewandelt wird, weil er gar nicht erst entsteht. Sie hat jedoch den Nachteil einer wenig feinfühligen Regelung, und den, dass die Fahrspannung nicht programmatisch beeinflusst werden kann.

Bei Systemen, bei denen die Spannung geregelt wird, entsteht außerdem immer der Nachteil, dass die Motore bei niedriger Spannung auch nur wenig Strom ziehen können. Die Zugkraft wird also bei Langsamfahrt gering sein. Dementsprechend schwer werden die magnetischen Rastmomente überwunden. Das Anfahrverhalten wird schlechter und die Zugkraft geringer.

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Transistor–Regelung

Sowohl die oben gezeigten Halbwellen als auch geglättete Spannungen können auch über (ausreichend dimensionierte!) Transistoren geregelt werden. Dadurch entstehen entweder die oben oder die in diesem Abschnitt gezeigten, fast und ganz geglätteten Spannungsverläufe.

Die geglätteten Spannungen sind für konventionelle Motoren denkbar ungeeignet, da diese ihre Trägheit am schlechtesten überwinden können. Für vielpolige, bürstenlose und Glockenanker–Motoren ist die Versorgungsform jedoch einigermaßen geeignet.

Ein weiterer - sehr großer - Nachteil ist, dass überflüssiger Strom vollständig in Wärme umgewandelt werden muss. Dazu später mehr.

Die Steuerung über Leistungstransistoren oder gleich Link zum Glossar MOSFETs hat mehrere Vorteile. Es kann problemlos eine Link zum Glossar Massensimulation angesetzt werden. Die Fahrspannung kann von außen programmatisch gesteuert werden, und es ist möglich, auch ohne die Massensimulation den letzten Zustand zu erhalten. Das ist wichtig, damit Handregler im laufenden Betrieb gewechselt beziehungsweise abgezogen und wieder angesteckt werden können. Auch dazu später mehr.

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Phasenanschnitt–Steuerung

Die Technik der Phasenanschnitt–Steuerung wird nur der Vollständigkeit halber aufgeführt. Sie hat nämlich nur den Vorteil, dass kein Strom in Wärme umgewandelt werden muss, obwohl über Transistoren (meist Link zum Glossar UJT–Typen) geregelt wird. Die Nachteile überwiegen jedoch: schlechtes Anfahrverhalten und vor allem eine kaum zu kontrollierende Störung des Rundfunkempfangs.

Bei dieser Steuerungsform werden Teile der Halbwellen (Phasen) abgeschnitten, übrig bleibt ein Anschnitt einer Halbwelle (siehe Bild).

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Impulsbreiten–Modulation

Bei der Impulsbreiten–Modulation erhält der Motor stets die volle Versorgungsspannung. Die Drehzahl wird darüber geregelt, wie lang er diese erhält. Es gibt eine feste Frequenz (die über der der Netzspannung von 50 Hz liegen muss). Ein Zyklus setzt sich aus der Einschaltzeit t1 und die Ausschaltzeit t2 zusammen. Ist t1 sehr klein und t2 sehr groß, wird der Motor auf Grund seiner Trägheit sich zwar wohl drehen, aber nur sehr langsam. Während t1 kann er den vollen Strom ziehen.

Anders sieht es aus, wenn t1 länger und t2 kürzer wird wird. Der Motor kann nun innerhalb des Zyklus mehr Arbeit verrichten, er wird sich schneller drehen, da er insgesamt länger mit Strom versorgt wird. Der Strom wird schlagartig ein– und ausgeschaltet, es entstehen also rechteckige Impulse (siehe Bild). Überschüssige Energie wird nicht in Wärme umgewandelt.

Das ist auch der Grund, warum nahezu alle Fahrtregler für Funk–ferngesteuerte Modelle sich dieser Technik bedienen.

Das Anfahrverhalten so angesteuerter Motoren ist natürlich das bestmögliche. Auch die Feinfühligkeit der Regelung ist gegeben. Theoretisch ist damit die Impulsbreiten–Modulation (englisch PWM, „pulse width modulation”) die ideale Steuerungsart.

Leider hat das Verfahren aber auch kleine Nachteile. Die Frequenz muss zum Antrieb passen. Bei zu niedrigen Frequenzen brummt und ruckt der Motor, bei zu hohen kann er deutlich zu heiss werden.

Auch bei einer geeigneten Frequenz werden die Motoren immer noch unangenehm warm und geben bis zu einer Frequenz von etwa 3 kiloHertz (kHz) einen pfeifenden Ton ab. Für sehr leicht laufende Motoren ist die Technik nur geeignet, wenn die Frequenz hoch genug ist, jedenfalls höher als 500 Hertz. Glockenankermotore werden sonst unter Umständen unzulässig belastet.

Es gibt heutzutage Systeme, die zufrieden stellend mit etwa 3 bis 20 kHz arbeiten. Da sollen die angesprochenen Probleme weniger oder gar nicht auftreten.

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Überlagerung

Eine interessante Möglichkeit ergibt sich, wenn einer geglätteten Gleichspannung rechteckige Signale überlagert werden (vergleiche Bild rechts).

Angenommen, ein Motor kann aus einer geglätteten Gleichspannung gerade noch nicht soviel Strom ziehen, dass er sein Trägkeitsmoment überwinden kann, so wird er es tun, wenn eine Art „Hilfsimpuls” einer höheren Spannung eintrifft.

Es ist an sich sinnlos, eine normale Impulsbreiten–Modulation mit einer geglätteten Gleichspannung zu kombinieren. In bestimmten Situation gilt das jedoch nicht, beispielsweise, wenn die Grundspannung schon 1/3 der Versorgungsspannung (Uv) beträgt. Außerdem wäre es denkbar, die Hilfsimpulse nur mit einer sehr niedrigen Frequenz zu überlagern.

Ebenfalls ist es möglich, nur zum Zweck des Anfahrens einen kurzen Impuls mit hoher Spannung „abzufeuern” der der Lok „auf die Sprünge” hilft (Anfahr–Hilfsschaltung).

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Massensimulation

Das Prinzip der Massensimulation wurde schon unter Grundschaltungen kurz besprochen. Dabei dreht es sich darum, nicht vorhandene oder durch hemmende Schneckengetriebe aufgehobene Massenträgheit auf elektronischem Wege zu simulieren. Hierfür werden - wie im Schaltbild rechts - Kombinationen aus Widerständen (R2) und Kondensatoren (C) verwendet.

Diese Technik ermöglicht Vorbild–gerechte Verzögerungen beim Anfahren und Bremsen. Wie die Werte für beides gesondert eingestellt werden können, wird später beschrieben.

Auch diese Technik hat einen kleinen Nachteil. Gelegentlich ist es nämlich nötig, dass ein Triebfahrzeug den Anweisungen direkt folgt, beispielsweise um eine störrische Kupplung zum Einrasten zu bewegen. In solchen Fällen sollte eine vorhandene Massensimulation kurzfristig ausschaltbar sein.

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