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Elektrische Zugbeleuchtung für Spielzeugeisenbahnen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Zugbeleuchtung für mit Gleichstrom betriebene Spielzeugeisenbahnen mit Steuertransformator und Gleichrichter, bei der im Stillstand der Bahnen die Glühlampen mit Wechselspannung brennen, und bei der während der Fahrt wenigstens bis vor Erreichung der Höchstgeschwindigkeit eine Mischung von Gleich-und Wechselstrom wirkt.
An den bisher bekannten Geräten wird die Mischung von Gleich- und Wechselstrom im Steuertransformator vorgenommen. Dieser wird dadurch teuer, schwer und kompliziert.
Nach der Erfindung wird der Wechselstrom durch einen Isoliertransformator oder eine Isolierdrossel und einen parallel zum Gleichrichter gelegten Kondensator in den Gleichstromkreis eingespeist. Isoliertransformator und Kondensator werden dabei zweckmässigerweise in einem Zusatzgerät untergebracht, das entweder an die schon in den Händen der Spielzeugeisenbahner befindlichen Transformatoren unmittelbar oder nach Einbau verhältnismässig einfacher Zusätze angeschlossen werden kann. Der Kondensator im Zusatzgerät kann beispielsweise eine Kapazität von 500 bis 1000 nF aufweisen.
Der Isoliertransformator, der auch durch eine Isolierdrossel ersetzt werden kann, ist notwendig, damit die erzeugte und in Reihe mit der Fahrspaunung liegende Wechselspannung nur mit dieser einpolig, aber mit keiner weiteren Spannung der Anlage verbunden ist, weil sonst durch Ausgleichsströme Unzuträglichkeiten auftreten. Der parallel dem Gleichrichter liegende Kondensator hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass der Wechselstrom am Gleichrichter vorbeigeführt wird. Ohne Kondensator würde der Wechselstrom durch den Gleichrichter gehen und von ihm eine Halbwelle gleichgerichtet werden. Es würde dann auch in der Nullstellung an den Schienen keine Wechselspannung, sondern pulsierende Gleichspannung herrschen und der Bahnmotor nicht zum Stillstand kommen.
Es gibt nun für das Zusatzgerät zwei Grundausführungen :
Bei der einen wird die Wechselspannung so niedrig gehalten, dass bei stillstehendem Motor dieser nicht unzulässig erwärmt wird und auf eine vor dem Anker liegende Schutzdrossel verzichtet werden kann.
Die Lampen brennen im Stillstand dunkler als bei maximaler Fahrgeschwindigkeit. Wenn dann noch die Wechselspannung fest und nicht steuerbar gemacht wird, so bleiben auch die Bahntransformatoren unver- ändert.
Bei der zweiten Grundausführung ist die Wechselspannung so hoch, dass im Stillstand die Lampen so hell wie bei maximaler Bahngeschwindigkeit brennen. Dann muss in jede Lokomotive eine vor dem Anker liegende Drossel eingebaut werden, um ihn vor unzulässiger Erwärmung zu schützen. Die in den Händen von Spielzeugeisenbahnern befindlichen Lokomotiven müssten nachträglich entsprechend umgebaut werden. Bei der zweiten Grundausführung gibt es wieder zwei Möglichkeiten.
Entweder wird bei Einbau einfacher Mittel ein Trafo in Kauf genommen, dass die Lampen nur im Stillstand, sowie bei der Maximalgeschwindigkeit mit voller Helligkeit und bei dazwischenliegenden Geschwindigkeiten etwas dunkler brennen oder die im Trafo einzubauenden zusätzlichen Mittel werden umfangreiche und die Lampen brennen vom Stillstand bis zu maximaler Geschwindigkeit praktisch gleich hell.
Obwohl die Einrichtung durch den Isoliertrafo eine zusätzliche Leistung verbraucht, wird die Leistung des Bahntransformators nicht vermindert, sondern sogar erhöht. Durch den parallel zu dem Gleichrichter liegenden Kondensator, der den Wellenstrom weitgehend glättet, wird die Leistung um weit mehr als dem Verbrauch des Isoliertrafos erhöht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung erläutert, die einige Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
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Kennlinien des Spannungsverlaufes, Fig. 3 ein Schaltbild einer Stromversorgungseinrichtung für Wechsel- stromzugbeleuchtung, Fig. 4 eine Drossel, die mit Kondensatoren zu einem gesonderten Bauteil vereinigt ist, Fig. 5 einen in zwei Regelbereiche unterteilten Regeltransformator, Fig. 6 eine Sttomversorgungseinrich - tung für mit Wechselstrom betriebene Bahnen mit Gleichstromzugbeleuchtung, Amigo 7 eine besondere Ausführungsform eines Steuertransformators.
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die Anschlüsse 3' und 4' Wechselstrom zugeführt.Vorzugsweise wird Kleinspannung an das Steuergerät in der Grössenordnung von beispielsweise 15 V gelegt. Die Speisung der nichtgezeigten Gleisanlage erfolgt von den Klemmen 5'und 6'des Zusatzgerätes 2'aus.
Das Steuergerät umfasst den Regeltransformator 7', von dem aus die regelbar Wechselspannung an den Gleichrichter 8'gelangt. Die entstehende Gleichspannung wird dem Umpoler 9'zugeleitet, von wo aus sie an die Anschlussklemmen 10'und 11'gelangt.
Das Zusatzgerät 2'umfasst den Isoliertransformator 12'und den Kondensator 13'. Es ist über seine Klemmen 14'und 15'an das Steuergerät l'angeschlossen. Die Wicklung 16'des Isoliertransformators 12'ist unmittelbar an die Klemmen 3'und 4'angeschlossen. Die Wicklung 17" ist in die von der Klemme 14'des Zusatzgerätes 2'nach der Klemme 5'führende Leitung gelegt. Die Klemme 6' steht unrnittelbar mit der Klemme 15'in Verbindung. Der Kondensator 13'liegt zwischen den Klemmen 14 und 15.
An die Wicklung 16'des Isoliertransformators 12'gelangt dauernd Wechselstrom. Der hiedurch in der Wicklung 17'induzierte Wechselstrom gelangt einerseits unmittelbar an die Klemme 5'Md ander"" seits über den Kondensator 13'an die Klemme 6'. Ausserdem gelangt an die Klemmen 5'und 6'Gleich- strom, der dem Wechselstrom überlagert ist. Der Gleichstrom ist in der Spannungshöhe änderbar, während der Wechselstrom in der Spannungshöhe konstant bleibt.
Fig. 2 zeigt die Kennlinien des Spannungsverlaufs in Abhängigkeit von der Steuerspannung U =. usa ist die eingespeiste, von den Klemmen 3'und 4'kommende konstante Wechselspannung und U eff a ist die an den Klemmen 5'und 6'herrschende und zu den Schienen geführte Effektivspannung. Sie ist bei der maximalen Gleichspannung etwas höher als 15 V und kann den Glühlampen noch zugemutet werden. Die Wechselspannung beträgt im Stillstand 7, 5 V-sie könnte auch noch etwas höher sein-, wobei die Lampen für einen stillstehenden Zug noch hell genug brennen.
In Fig. 3 ist eine Einrichtung dargestellt, bei welcher der eingespeiste Wechselstrom mit steigender Steuerspannung absinkt. Aus Fig. 2 ist zu ersehen. wie U-b einer Geraden folgt und von 8 V im Stillstand auf 0 bei maximaler Geschwindigkeit abfällt. Die Effektivspannung verläuft hiebei nach der Kennlinie U eff b und steigt nicht mehr über 15 V. Die Übersetzung des Trafos kann aber auch so abgestimmt werden, dass die eingeprägte Wechselspannung nach U-, c und die Effektivspannung nach U eff c verläuft.
Es stellt 1 das Steuergerät mit Regeltransformator dar. Dessen Sekundärwicklung 2 weist zwischen Wicklungsanfang und Wicklungsende die Spannung U auf. Diese kann mittels des Abgreife1ementes3 abge- griffen werden, so dass an die Gleichrichter 4 eine zwischen Null und einem Grösstwert änderbare Spannung gelegt werden kann. Diese zwischen Wicklungsanfang und dem Abgreifelement 3 herrschende Wechselspannung ist in der Zeichnung mit U1 bezeichnet. Die gleichstromseitigen Ableitungsstränge 5 und 6 der Gleichrichter 4 führen über den Polwender 7 nach den Anschlusselementen 8 und 9. Die zwischen 8 und 9 vorhandene Gleichspannung ist mit U=. bezeichnet. Von dem Abgreifelement 3 führt eine Verbindungsleitung 10 nach dem Anschlusselement 11.
Ausserdem führt von der Sekundärwicklung 2 eine Leitung 12 nach einem Anschlusselement, das mit 13 bezeichnet ist. Zwischen dem Abgreifelement 3 und der Leitung 12 herrscht die Spannung U2. Diese Spannung U2 steht an den Anschlusselementen 11 und 13 zur Verfügung.
In Fig. 3 ist noch ein weiterer Bauteil zu erkennen, der mit 14 bezeichnet ist. Dieser Bauteil nimmt einen Isoliertransformator 15 auf. Dessen Primärwicklung ist an die Anschlusselemente 16 und 17 geführt, die über Leitungen18 und 19 an den Anschlusselementenll und 13 angeschlossen sind. Die Sekundärwick-
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den. Die Leitung 23 verbindet die Anschlusselemente 9 und 22 miteinander. Der Bauteil 14 nimmt neben dem Isoliertransformator 15 und den Anschluf3e1ementen16, 17, 21,22 noch die Anschlusselemente 24, 25 und den Kondensator 26 auf, der zwischen die Leitung 27 und die von der Sekundärwicklung 20 nach dem Anschlusselement 22 führende Leitung 28 gelegt ist. Die Anschlusselemente 8 und 24 sind durch die Leitung 29 miteinander verbunden.
Die Stromleiter, mit welchen die Stromabnehmer der Bahn zusammenwirken" werden an die An-
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schlusselemente 21 und 25 angeschlossen. Im Betriebszustand liegt an diesen Anschlusselementen eine Spannung, die sich aus der Gleichspannung U= und der Wechselspannung Us zusammensetzt.
Fig. 4 zeigt, dass der Isoliertrafo durch eine Isolierdrossel ersetzt werden kann, wenn dieselbe über Kondensatoren 31, 32 mit dem Steuertrafo verbunden wird. Die Kondensatoren sperren den vom Gleichrichter kommenden Gleichstrom von dem Wechselstromerzeuger ab, so dass keine schädlichen Ausgleichsströme die Leistung des Steuertransformators herabsetzen können.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch die Einrichtung für konstante Effektivspannung. Die eingespeiste Wechselspannung folgt hiebei der gekrümmtenKennlinie U- d und die Effektivspannung der Geraden parallel der Horizontalen.
Das in Fig. 5wiedergegebene Steuergerät unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Steuergerät dadurch, dass für die zu dem Gleichrichter 4 führende Wechselspannung U1 ebenso wie für die zu den Anschlusselementen 11 und 13 führende Wechselspannung tL'ein eigenes Abgreifelement zur Verfügung steht. Das zum Steuern der Spannung U'dienenden Abgreifelement ist mit 34 und das zum Steuern der Wechselspannung U'dienende Abgreiielement ist mit 35 bezeichnet. Beide Abgreifelemente sind als Kurbeln gestaltet und über einen starren Lenker 36 miteinander verbunden. Infolgedessen wird beim Verstellen des einen Abgreifelementes zwangsläufig das andere Abgreifelement mitverstellt.
An dem Steuergerät nach Fig. 5 ist insofern noch eine Besonderheit vorhanden, als die Spannung U1'und Uz'an unterschiedlichen Stellen der Sekundärwicklung 2'abgegriffen werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den Erfindungsgedanken bei einer Spielzeugbahn zu verwenden, die mit Wechselstrom betrieben wird und zu deren Beleuchtung Gleichstrom dient. Eine für eine solche Spielzeugbahn geeignete Schaltung zeigt Fig. 6. In dieser sind die wesentlichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren angegeben. Im übrigen bezeichnen Uf die Fahrspannung und Ub die Beleuchtungsspannung.
Bei der Schaltung nach Fig. 6 ist noch ein Schalter Sü vorgesehen, über welchen in an sich bekannter Weise der Spielzeugbahn Überspannung zugeführt werden kann, um beispielsweise ein Schaltrelais zu betätigen.
Besondere Verhältnisse treten auf, wenn für eine Steuerung wie in Fig. 3 beschrieben, ein Steuertransformator mit der Schaltung nach Fig. 7 verwendet wird. Der Transformator besitzt auf seinen beiden Schenkeln die Primärwicklungen 46 und 46'. Die Sekundärwicklungen sind aufgeteilt in Wicklungen 47, 47'und 47"471'. Die letzteren liegen unzugänglich, während 47, 47'an der Oberfläche blank gemacht, aussen liegen und durch das metallische und drehbare Steuerglied V bestrichen werden. In der bis- herigen Ausführung besitzt ein solcher Trafo die Zuleitungen an X mit den ihnen zugeordneten Klemmen, sowie die Kontakte a, b und die Widerstände R nicht, weil für einen Betrieb ohne das Zusatzgerät diese Teile nicht benötigt werden.
Die Fahrspannung wird dabei durch Verdrehen des Steuergliedes im Uhrzeigersinn nicht von 0 bis Maximalspannung stetig geregelt, sondern von 0 bis zu einer Mindestspannung sprunghaft und erst von da an stetig. Die von den Spulen 471 und 471'abgegebene Mind stspannung - etwa 1/4-1/3 der Maximalspannung-ist so bemessen, dass mit ihr die Lokomotive gerade noch mit kleinster Geschwindigkeit fährt oder gerade steht. Durch die versteckte Anordnung der Wicklungen 471'471'steht für den steuerbaren Bereich der grösste erreichbare Weg zur Verfügung. Infolge der geringen Windungszahl kann der Kupferquerschnitt des Drahtes gross und sein Widerstand klein gemacht werden.
Sobald nun dem Transformator ein Isoliertransformator entsprechend Fig. 3 zugeordnet wird und er nach den Kennlinien U-b und U eff b oder U-c und U eff c steuern soll, ist es nicht zulässig, das Steuerglied V von der Mindestspannung in die Ausschaltstellung zu bringen. Denn sobald das Steuerglied V von der gezeichneten Stellung etwas gegen den Uhrzeigersinn verdreht den Kontakt mit den Wicklungen 47 und 47'verliert, ist die Primärspule des Isoliertransformators durch die Anschlüsse bei X an die volle Spannung gelegt und die Lokomotive würde nicht stehenbleiben, sondern mit maximaler Geschwindigkeit laufen. Dem Übelstand könnte nur durch unterbrecherloses Schalten auf den Kontakt b abgeholfen werden, wobei jedoch in der Zwischenstellung die Wicklungen 471 und 471'kurzgeschlossen werden.
Wenn dann das Steuerglied Vin dieser Stellung versehentlich stehenbleibt, so verbrennen die kurzgeschlossenen Wicklungen. Um dem abzuhelfen, müsste das Steuerglied V sprunghaft von der Mindestspannung auf b und von b auf Mindestspannung schalten. Will man diese mechanische Komplizierung nicht in Kauf nehmen muss der kritische Weg über Schutzwiderstände zurückgelegt werden, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Wenn das Steuerglied V von Mindestspannung auf 0 geschaltet werden soll, verbindet ein Schleifschuh V am Steuerglied V die Wicklung47 mit dem Kontakt a, wobei die Wicklungen 471 und 471'über den Widerstand R kurzgeschlos- sen werden.
R ist so bemessen, dass derhiebeifliessende Strom die Spulen nicht unzulässig erwärmt, wenn das Steuerglied V versehentlich in der Stellung stehenbleibt. Durch Weiterschalten auf die dem Kontakt b entsprechende Endlage wird dann auch dieser Zustand beseitigt.
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InSchalterstellung wird im Isoliertransformator eine niedrige Wechselspannung induziert, wie sie der Anordnung nach Fig. 3 oder den Kennlinien U-b und U eff b entspricht. Wird der Schalter vonC nach d umgelegt, so wird die höhere Wechselspannung induziert, wie sie U-, u : id U eff c oder U-d nad U eff d zugeordnet ist.
Die Schalterkontakte c und d können auch als Klemmen ausgeführt sein, an welche wahlweise die zum Steaertrafo führenden Leitungen angeschlossen werden. Die in Fig. 7 an der Primärspule angeordnete Anzapfung kann natürlich auch an der Sekundärspule liegen. Dann wird bei der höheren Spannung die ganze Sekundärspule und bei der niedrigeren Spannung nur ein Teil derselben angeschlossen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Zugbeleuchtung für mitgleichstcom betriebene Spielzeugeisenbahnen mit Steuertransformator und Gleichrichter, bei der im Stillstand der Bahnen die Glühlampen mit Wechselspannung bren-
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von Gleich- und Wechselstrom wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom durch einen Isolertransformator oder eine Isolierdrossel und einen parallel zum Gleichrichter gelegten Kondensator in den Gleichstromkreis eingespeist wird.