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Elektrik und Elektronik: Fahrtregelung

Impulsbreiten–Modulation

Die Realisation einer Impulsbreitenmodulation (PWM für englisch „pulse width modulation”) wird hier zuerst behandelt. Es wurden mehrere Muster gebaut, mit denen einige Erfahrungen gemacht werden konnten.

Hier wird eine Geschwindigkeits–Steuerung mit Impulsbreiten–Modulation vorgestellt, bei der die Steuerelektronik mit 12 Volt betrieben wird, auch, wenn die eigentliche Betriebsspannung für die Modelleisenbahn eine andere ist (zum Beispiel 20 Volt).

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Grundlagen

Eine Impulsbreitenmodulation besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Ihre Funktion wurde schon bei den Prinzipien erklärt. Ein Taktgeber stellt eine Frequenz f mit der Zykluszeit T zur Verfügung. Ein Modulator schaltet für eine Teilzeit t1 des Zyklus die Versorgungsspannung ein und für eine zweite Teilzeit t2 aus. Eine Endstufe sorgt dafür, dass auch die benötigten Ströme (und Spannungen) geschaltet werden.

Optional kommen noch die Komponenten für eine Link zum Glossar Massensimulation hinzu.

Die Frequenz muss einstellbar sein, um sie an die verwendeten Motoren–Typen anpassen zu können.

Frequenz–Generator und Modulator lassen sich leicht aus einem IC NE556 aufbauen (der Kombination aus zwei Zeitschaltkreisen NE555).

Transistoren als Schalter (in Kollektor–Grundschaltung) sind Leistungsgrenzen gesetzt. So kann der NPN–Transistor 2N3055 - eine preiswerte, weil verbreitete Type - maximal 125 Watt Leistung verarbeiten. Bei einer Fahrspannung von 23,5 Volt ist also bei etwa 5 Ampère Strom Schluss. Kombinierte Darlington–Transistoren (zum Beispiel TIP 140) können Sie meist nicht als Schalter verwenden, weil diese fast immer eingebaute Freilauf–Dioden haben und sich daher nur als Regler eignen, nicht jedoch als Schalter.

Die hier vorgestellte Impulsbreiten–Modulation erläutert nur das Prinzip und ist mit ihrer geringen Frequenz nicht optimal. Es sollte Ihnen nicht zu schwer fallen, geeignete Werte für höhere Frequenzen zu finden. Die nötigen Erklärungen hierzu gibt es bei den Zeitschaltungen.

 

Die Steuerspannung

Wenn Ihre Modellbahn mit mehr 15 Volt oder weniger als etwa 6 Volt fährt und Sie nicht sowieso eine Elektronik–Hilfsspeisung haben, sollten Sie diese jetzt zunächst realisieren, denn die werden Sie noch häufig benötigen. 12 Volt sind für diese Versorgung ideal. Für manche Aufgaben werden Sie auch 5 oder 6 Volt brauchen.

Die folgenden Schaltpläne sind für 12 Volt ausgelegt. Mit „Uv” ist dort diese Steuerspannung gemeint, nicht die Fahrspannung.

Der Schaltplan zeigt die andernorts besprochene Schaltung mit einem Festspannungsregler 7812 für maximal 3 Ampère (A) Strom. Unten wird die Leitungsführung für eine Platinenvorlage (also von unten gesehen) gezeigt. Ob Sie nun 2.200 und 220 µF oder 1.000 und 100 µF für die Glättungs–Elkos nehmen, ist fast schon Geschmackssache. Solange in diesem Stromkreis keine wesentlichen Stromschwankungen eintreten, tut es die „kleine Kombination”. Wichtig ist natürlich, dass die Masse dieser Schaltung mit der der Impulsbreiten–Modulation verbunden wird.

Platinen–Leitungsentwurf für eine stabilisierte Hilfsspeisung. [ ± ].

 

Generator

Eine Hälfte B des NE556 ist als astabiler Multivibrator beschaltet. Er ist der Taktgeber für die Frequenz. Diese wird von R1, R2 und C1 bestimmt. Bei den angegebenen Werten lässt sich der Generator zwischen folgenden Grenzwerten einstellen:

R1 + R2 = 25 k

Frequenz f = 80,8 Hz, An–Zeit 10,2 ms (milliSekunden), Auszeit 0,21 ms, Zykluszeit 12,0 ms und

R1 + R2 = 20 k
Frequenz f = 93,0 Hz, An–Zeit 8,6 ms, Auszeit 0,21 ms, Zykluszeit 10,7 ms,

in der Mitte bei R1 + R2 = 22k5 sind es
Frequenz f = 86,5 Hz, An–Zeit 9,4 ms, Auszeit 0,21 ms, Zykluszeit 11,5 ms.

Während der An–Zeit ist der Ausgang des Generators positiv. Sobald er niedrig wird, wird durch die negative Flanke die zweite Hälfte des IC gestartet, also zwischen 81 und 93 mal je Sekunde. Der Startimpuls für den Modulator sollte nicht unter 0,2 ms abfallen. Es kann also sein, dass sie andere Widerstands–Kombinationen verwenden müssen oder einen anderen Kondensator.

Probieren Sie es eventuell mit einer Kombination aus R1 und Rv aus 10k und 39 k, R2 1k8 und C1 0,33 µF. Diese Werte wurden auch beim „Labormuster” verwendet und ergeben eine Aus–Zeit von 0,4 ms. Ein Online–Berechnungs–Formular finden Sie beim astabilen Multivibrator.

 

Modulator

Die zweite Hälfte A (aus praktischen Gründen hier eigentlich die erste) des NE556 ist der eigentliche Modulator. Sie ist als monostabiler Vibrator (Monoflop) beschaltet. Nach jeder negativen Flanke am Eingang wird der Ausgang für einige Zeit positiv sein. Diese Zeit wird durch R4 (eigentlich 5 + 6) und C3 bestimmt. Bei der hier angegebenen Beschaltung (R 4k7, Poti 25 k und C 0,33µF) wird der Impuls zwischen 1,7 und 10,8 ms betragen.

Der Startimpuls für den Modulator (also die Auszeit des Generators) darf nicht kürzer sein als die Impulsdauer am Ausgang des Modulators, denn sonst würden Zyklen übersprungen, eine gewisse Mindestdauer sollte er aber schon haben (vergleiche oben).

Pin 5 ist der Ausgang des Modulators. Er wird die Transistoren am Ausgang (eine Darlington–Kollektor–Schaltung) treiben. Pin 3 ist der „Control Voltage”–Eingang des NE556 (A). Wie schon beim Innenleben des NE555 erklärt, kann damit die Zykluszeit des Schaltkreises in einem Verhältnis von 1 zu 10 geregelt werden (2/3 Uv bis Uv = länger, GND bis 2/3 Uv = kürzer).

Dies ist bei der Impulsbreiten–Modulation die Stelle, die mit dem Ausgang der Schaltung, die den letzten Zustand erhalten soll, verbunden wird. Daraus ergibt sich die Link zum Glossar hot plug–Fähigkeit des Link zum Glossar WAC, und da wird auch die Link zum Glossar Massensimulation integriert. An dieser Stelle wird die Impulsdauer und damit letztendlich die Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs gesteuert.

 

Schnittstelle

Um den Elko (Elektrolyt–Kondensator), der den aktuellen Zustand der Steuerung speichern soll, möglichst wenig zu belasten, steuert dieser ein als Darlington–Emitterfolger geschaltetes Transistorpaar an. Diese Schaltung ist hier zu sehen. Der Ausgang (ausnahmsweise links) wird mit Pin 3 des NE556 verbunden.

Der Eingang R (ausnahmsweise rechts) kann nun über mehr oder minder große beziehungsweise gar keine Widerstände mit Uv (solange Uv aus diesem Stromkreis stammt!) oder GND (Minus) verbunden werden. Dadurch wird der Elko mehr oder minder schnell ge– und entladen, was die gewünschte Zyklus–Veränderung im Modulator zur Folge haben wird.

 

Endstufe

Die Beschaltung der Darlington–Endstufe am Ausgang hängt von dem zu schaltenden Strom und der Fahrspannung Fs ab. Sie müssen die Basis– und Emitter–Widerstände bei Bedarf gegenüber den Werten rechts anpassen.

Achten Sie bitte unbedingt auf die Freilauf–Diode. Beim Ausschalten der Motoren geben diese Spannungsspitzen von etlichen Dutzend Volt ab, die die Transistoren eventuell schädigen könnten. Hier folgt die gesamte Schaltung im Überblick.

Schaltplan der gesamten Impulsbreiten–Modulation. [ ± ].

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