DE2305112B2

DE2305112B2 - Anordnung zur gleichzeitigen und unabhängigen Steuerung von zwei oder mehreren elektromotorisch betriebenen und aus einer gemeinsamen Speiseleitung versorgten Spielfahrzeugen, insbesondere elektrischen Modelleisenbahnen

Info

Publication number: DE2305112B2
Application number: DE2305112A
Authority: DE
Inventors: Karlhorst Ing.(Grad.) 8505 Roethenbach Waegner; Hellmut 8459 Neutras Zorn
Original assignee: Deg Datensysteme und Electronic Gesellschaft Waegner & Zorn 8505 Roethenbach
Current assignee: Deg Datensysteme und Electronic Gesellschaft Waegner & Zorn 8505 Roethenbach
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1973-02-02
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2305112C3; US3955129A; DE2305112A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur gleichzeitigen und unabhängigen Steuerung von zwei oder mehreren elektromotorisch betriebenen und aus einer gemeinsamen Speiseleitung versorgten Spieifahr· zeugen, insbesondere elektrischen Modelleisenbahnen, wobei die Fahrgeschwindigkeit des ersten Fahrzeuge« durch Veränderung der Amplitude der Speisespannung und die Fahrtrichtung durch Polaritätswechsel der diesem Fahrzeug zugeordneten Speisespannung oder durch Überspannungsimpulse derselben bestimmt wird und das zweite und jedes weitere Spielfahrzeug seine Fahrenergie sowie die Steuerinformation für Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit in Form einer der Speisespannung des ersten Spielfahrzeuges im Fahrbahnstromkreis überlagerten Speisewechselspannung zugeführt erhält, deren Frequenz höher ist als die der Netzwechselspannung.

Bekannt wurde eine Anlage dieser Art durch die j Veröffentlichung in der Zeitschrift »Funkschau«, Jahrg. 1965, Heft 16, S. 441/442. Hierbei erhält das erste Spielfahrzeug als Speisespannung eine Gleichspannung veränderlicher Amplitude und Polarität Zum Betrieb des zweiten Spielfahrzeuges wird eine Speisewechsel-

υ spannung konstanter Amplitude dieser Gleichspannung überlagert, deren Frequenz von ca. 3 bis 1OkHz veränderbar ist Der in dem zweiten Spielfahrzeug eingebaute Empfänger enthält 2 Resonanzkreise, von denen einer auf die obere und einer auf die untere Frequenz abgestimmt ist Je nach der eingestellten Frequenz der Speisewechselspannung wird entsprechend der gewünschten Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit einer der beiden Resonanzkreise mehr oder weniger stromdurchlässig, so daß über je eine Graetz-Gleichrichteranordnung und gesteuerte Leistungstransistoren der Motor des zweiten Spielfahrzeuges in der einen oder anderen Richtung mit Gleichstrom durchflossen wird. Wenn die Frequenz auf einen mittleren Wert eingestellt wird, so sperren beide Resonanzkreise und der Motor bleibt stromlos. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt in der kritischen Einstellbarkeit der Geschwindigkeit des zweiten Spielfahrzeuges, die einerseits eine hohe Konstanz der jeweils eingestellten Frequenz fordert und andererseits hohe Forderungen an die Durchlaßkurve der Empfängerfilter stellt

Außerdem erreicht die Speisewechselspannung wegen des zu überstreichenden großen Frequenzbereiches so niedrige Frequenzen (3 kHz) und durch die im Empfänger verwendete Graetz-Gleichrichterschaltung eine so hohe Amplitude, daß beim direkten Anlegen dieser Spannung an den Motor des ersten Fahrzeuges dieser in kurzer Zeit wegen Überhitzung zerstört würde. Deshalb muß neben dem selbstverständlichen

■to Einbau einer Empfängerschaltung in das zweite

Spielfahrzeug auch das erste mit einer Vorschaltdrossel

versehen werden, um die Speisewechselspannung vom

Motor fernzuhalten. Eine ähnliche Anordnung wurde bekannt durch die

französische Patentschrift 10 26123, bei der das erste Spielfahrzeug als Speisespannung eine Gleichspannung veränderlicher Amplitude und Polarität erhält, während das zweite Spielfahrzeug über die gleiche Zuleitung mit einer Speisewechselspannung versorgt wird, die der

Gleichspannung überlagert ist. Über die gleichen Zuleitungen können auch noch weitere Spielfahrzeuge zusätzlich betrieben werden, indem der Gleichspannung mehrere Speisewochselspannungen mit verschiedenen Frequenzen überlagert werden. Jedes Spielfahrzeug erhält dann einen Empfänger, der ein selektives Filter enthält, welches auf eine dieser Frequenzen abgestimmt ist. Die Umschaltung der Fahrtrichtung erfolgt dabei in bekannter Weise durch Überspannungsimpulse, welche ein im Empfänger des zweiten Spielfahrzeuges einge bautes Relais umschalten.

Auch bei dieser Anordnung muß bereits in der einfachsten Ausführung einer Zweizugsteuerung jedes Spielfahrzeug umgebaut werden, da in das erste Spielfahrzeug eine Sperrdrossel mit Gleichrichteran- Ordnung und in das zweite ein Sperrkondensator und ein Umschaltrelais eingebaut werden müssen.

Die für das zweite und jedes weitere Spielfahzeug verwendete Fahrtrichtungsumsteuerung durch Über-

Spannungsimpulse hat zudem den bekannten Nachteil, daß die jeweils eingestellte Fahrtrichtung erst beim Losfahren erkennbar ist und nicht, wie beim Gleichstrombetrieb bereits durch die Stellung eines Schalters oder die Drehrichtung des Fahrtreglers.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur gleichzeitigen und unabhängigen Steuerung von zwei oder mehreren elektromotorisch betriebenen und aus einer gemeinsamen Speiseleitung versorgten Spielfahrzeugen, insbe- sondere elektrischen Modelleisenbahnen, der bekannten vorgenannten Art so auszubilden, daß durch die Wahl der Steuerungsmittel die genannten Nachteile in der Fahrtrichtungsiimsteuerung des zweiten Spielfahrzeuges vermieden werden und mindestens ein für Einzelbetrieb vorgesehenes Spielfahrzeug sowie dessen zugehörige Stromversorgung ohne zusätzliche Einbauten oder Umbauten mitbetrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Fahrgeschwindigkeit oes zweiten und jedes weiteren Spieifahrzeuges in bekannter Weise durch die Amplitude der jeweils zugeordneten niederfrequenten Speisewechselspannung gesteuert wird und daß dessen Fahrtrichtungsumsteuerung durch die Auswertung der für Vor- und Rückwärtsfahrt unterschiedlichen Kurvenform der zugehörigen Speisewechselspannung unabhängig von deren Frequenz und Amplitude erfolgt

Dabei versteht es sich von selbst, daß bei mehr als einem zusätzlichen Spielfahrzeug die Speisewechselspannungen für jedes der zusätzlichen Spielfahrzeuse unterschiedliche Frequenzen aufweisen müssen.

Durch z. B. die Verstellung eines Potentiometers im zweiten Fahrpult zur Steuerung der Amplituden des Speisewechselstroms ist es ähnlich wie beim deichstrombetrieb möglich, die Fahrtrichtung durch die Art der gewählten Kurvenform vorherzubestimmen. Da die für das zweite und jeweils weitere Spielfahrzeug gewählte Frequenz der Speisewechselspannung sich mit der Fahrtrichtung oder Fahrgeschwindigkeit nicht mehr verändern muß, kann sie zweckmäßkg an den oberen Rand des von der Post freigegebenen Tonfrequenzbereiches von 10 kHz gelegt werden. Außerdem hat man durch die Wahl einer geeigneten Gleichrichterschaltung im Empfänger des zweiten Spielfahrzeuges (z. B. Spannungsverdopplerschaltung) die Möglichkeit, die zum Betrieb des Motors benötigte Amplitude der Speisewechselspannung erheblich kleiner zu halten.

Durch die höhere Frequenz und die geringere Amplitude der Speisewechselspannung wird der im Motor des ersten Spielfahrzeuges unerwünscht fließende Wechselstrom durch dessen normal vorhandene Wicklungsinduktivität so gering gehalten, daß bei allen handelsüblichen Spielzeugmotoren auf eine zusätzliche Schutzdrossel verzichtet werden kann. Damit sind am ersten Spielfahrzeug keinerlei Um- oder Einbauten notwendig, d. h. es kann in der handelsüblichen Form verwendet werden.

Da die Fahrtrichtungsumschaltung des zweiten Spielfahrzeuges mit Überspannungsimpulsen entfällt, ist es zudem nicht notwendig, einen aufwendigen Spezialtransformator mit Überspannungabgriffen anzuschaffen. Zum Betrieb des ersten Spielfahrzeuges kann jedes handelsübliche Gleich- oder Wechselstromfahrpult ohne Umbau verwendet werden. Der bei diesen Fahrpulten meist vorhandene zusätzliche Wechselspannungsausgang, z. B. zur Versorgung von Lampen, Weichen, Relais usw. kann als Energiequelle für die Erzeugung der niederfrequenten Speisewechselspannung zum Betrieb des zweiten Spielfahrzeuges verwendet werden. Hierzu kann ein zusätzliches elektronisches Fahrpult, welches zum Betrieb des zweiten Spielfahrzeugs dient, in die Verbindungslekungen vom ersten Fahrpult zum Gleis einfach dazwischen geschaltet werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zum Betrieb des zweiten Spielfahrzeuges benötigte Speisewechselspannung eine unsymmetrische Kurvenform aufweist und daß die Polarität des Mittelwertes aus den Spitzenspannungswerten dieser Speisewechselspannung gegenüber deren arithmetischen Mittelwert zur Festlegung der Fahrtrichtung dient

Dadurch kann in besonders einfacher Weise die Fahrtrichtung durch Umpolen der Speisewechselspannung geändert werden, wie es vom bekannten Gleichstrombetrieb her jedermann bekannt und vertraut ist Der genannte Mittelwert aus den Spitzenspannungswerten läßt sich auf einfache Art an einem ohmschen Spannungsteiler abgreifen, der an die Ausgangsspannung der im Empfänger ohnehin benötigten Spannungsverdopplerschaltung angeschlossen ist

Da im allgemeinen die beim Anfahren eines Spielfahrzeugs benötigte Kraft wesentlich höher ist als die zum Einhalten einer gleichmäßigen Geschwindigkeit erforderliche Kraft benötigt der Motor zum Anfahren meist eine höhere Spannung, als es für den extremen Langsamfahrbetrieb (Rangieren) erforderlich ist. Dies hat zur Folge, daß das Spielfahrzeug (z. B. eine Modelleisenbahn) aus dem Stand heraus »anspringt« und sofort mit relativ hoher Geschwindigkeit losfährt ohne daß sich diese Geschwindigkeit ohne weiteres durch Zurückdrehen des Fahrtreglers (Potentiometers) stark verlangsamen läßt da dann wiederum eine Anhalte-Schwellenspannung unterschritten wird und der Zug sofort anhält Eine wesentliche Verbesserung der Langsamfahreigenschaften des zweiten Spielfahrzeugs läßt sich in Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielen, daß die Speisewechselspannung bei geringen Amplituden aus jeweils nur mehrere Schwingungen umfassenden Impulspaketen besteht deren Folgefrequenz zweckmäßig aus der Netzfrequenz abgeleitet ist, wobei mit steigender Amplitude der Speisewechselspannung die Breite dieser Impulspakete bei konstanter Impulsfolgefrequenz zunimmt so daß ein stetiger Übergang vom Impulsbetrieb beim langsamen Anfahren zur Dauerwechselspannung für volle Geschwindigkeit entsteht

Hierdurch wird dem Motor eine zur Überwindung der Haftreibungen und zum Beschleunigen ausreichend große Spannung zur Verfügung gestellt, die aber jeweils nur kurz andauert und deshalb das Fahrzeug impulsartig anstößt. Bei geeigneter Wahl der Impulsfolgefrequenz, ζ. B. entsprechend der einfachen oder doppelten Netzfrequenz, wird somit ein einwandfreies, naturgetreu langsames Anfahren des Spielfahrzeugs erreicht, was besonders bei Modellbahnanlagen sehr erwünscht ist

Beim Betrieb mit voller Geschwindigkeit bei dem die Beibehaltung dieser impulsförmigen Energiezufuhr sowohl zu ungünstig hohen Impulsspannungen im Motor und damit zu einem schlechten Motorwirkungsgrad, sowie zu einer unruhigeren und weniger leisen Schnellfahrt führt nimmt mit steigender Amplitude der Speisewechselspannung die Breite dieser Impulspakete bei konstanter Impulsfolgefrequenz zu, so daß ein

stetiger Übergang vom Impulsbetrieb beim langsamen Anfahren zur Dauerwechselspannung für volle Geschwindigkeit des Spielfahrzeugs entsteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische ausschnittsweise Darstellung einer Anlage für Zweizugbetrieb;

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Stromlaufs im elektronischen Fahrpult zur Steuerung des zweiten Zuges;

Fig.3 eine schematische abstrahierte unsymmetrische Kurvenform für die Speisewechselspannung zum Ansteuern des zweiten Zuges;

F i g. 4 den gegenüber F i g. 3 invertierten Spannungsverlauf, der der umgekehrten Fahrtrichtung des zweiten Zuges entspricht;

Fig.5 eine schematische Impulsfolge der Speisewechselspannung, wobei der Zeitmaßstab gegenüber F i g. 3 und F i g. 4 verkleinert ist;

Fig.6 den Verlauf der Speisewechselspannung in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen, wobei der Zeitmaßstab gegenüber Fig.5 nochmals verkleinert worden ist.

In F i g. 1 sind mit 1 die beiden Schienen eines Gleises für ein zweileiter-Zweischienen-Stromversorgungssystem für einen mit Gleichspannung betriebenen ersten Zug angedeutet, dessen Antriebsmotor M\ von der an die beiden Schienen 1 angelegten Gleichspannung versorgt wird. Diese Gleichspannung wird in ihrer Höhe und Polarität von einem handelsüblichen Fahrpult F\ gesteuert, das an die Netzspannung angeschlossen ist und wird den Schienen 1 über die Verbindungsleitungen 2 zugeführt

Um auf dem durch die Schienen 1 gebildeten Fahrbahnstromkreis einen weiteren Zug unabhängig vom ersten Zug fahren lassen zu können, ist in die Verbindungsleitungen 2 ein zweites Fahrpult F₂ eingeschaltet, welches eine niederfrequente Speisewechselspannung mit höherer Frequenz als die Netzfrequenz erzeugt, die zum Antreiben des Motors M₂ der Lokomotive bzw. des Triebfahrzeugs des zweiten Zuges bestimmt ist. Das zweite Fahrpult F₂ ist außerdem durch zwei zusätzliche Leitungen 3 an den Wechselspannungsausgang des ersten Fahrpultes Fi angeschlossen, so daß es kein eigenes Netzteil mehr zu enthalten braucht Die Speisewechselspannung für den zweiten Zug wird im Fahrpult F₂ kapazitiv auf die Verbindungsleitungen 2 zu den Schienen gekoppelt Diese kapazitive Ankopplung unter Einschaltung eines Kondensators C(F i g. 2) stellt sicher, daß keine Gleichspannungsanteile der Speisewechselspannung für den zweiten Zug mit auf die Verbindungsleitungen 2 gelangen können, so daß dadurch eine störende Beeinflussung des Fahrverhaltens des ersten Zuges ausgeschlossen ist Eine Drossel L in der Gleichstromleitung verhindert andererseits eine Belastung der Speisewechselspannung durch den Gleichstrom des Gleichstromfahrpultes F\.

In der Frequenzstufe 4 des zweiten Fahrpultes F₂ wird aus der über die Leitungen 3 dem ersten Fahrpult Fi entnommenen Wechselspannung mit Netzfrequenz eine zwar höherfrequente, aber dennoch im NF-Bereich liegende Speisewechselspannung erzeugt, deren Amplitude durch den Potentiometerregler 5, der mit dem Betätigungsdrehknopf 6 verbunden ist, gesteuert werden kann. In der Mittelstellung des Drehknopfes 6 erfolgt ein Wechsel der Kurvenform der Speisewechselspannung (Fig.3+4), so daß der Motor M₂ der Lokomotive des zweiten Zuges von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt bzw. umgekehrt umgeschaltet wird.

Die Speäsewechselspannung wird in der Empfängerschaltung 8 der Lokomotive des zweiten Zuges durch Kondensatoren von der Gleichspannung für den ersten Zug abgetrennt und beispielsweise einem gesonderten Gleichrichter zugeführt, so daß Amplitudenänderungen der Speisewechselspannung eine Änderung der Gleichspannung zum Hctrieb des ebenfalls als Gleichspannungsmotor ausgelegten Antriebsmotors M₂ bewirken.

Die Einstellung für die gewünschte Fahrtrichtung wird durch eine spezielle unsymmetrische Kurvenform der verwendeten Speisewechselspannung erreicht, die in Fig.3 zum besseren Verständnis vereinfacht als unsymmetrische Rechteckspannung dargestellt ist. Die Spitzenspannungswerte der beiden Halbwellen (Ui und U₂) dieser unsymmetrischen Rechteckspannung sind, bezogen auf den zeitlichen Mittelwert Um, verschieden groß, wobei die Höhe dieses zeitlichen Mittelwertes völlig unbeachtlich ist, da dieser Gleichspannungsanteil vom Kondensator C im Fahrpult F₂ abgeblockt wird. Außerdem wird umgekehrt die Gleichspannung für den ersten Zug durch in der Empfängerschaltung 8 der Lokomotive des zweiten Zuges vorgesehene Kondensatoren abgeblockt Damit ist der arithmetische Mittelwert U_m der unsymmetrischen Rechteckspannung nach der Abtrennung des Gleichspannungsanteils in der Empfängerschaltung 8 praktisch die Nullvolt-Abszisse. Betrachtet man als Speisewechselspannung somit nur den eigentlichen Wechselspannungsanteil unabhängig von etwaigen Gleichspannungsanteilen, so ergibt sich als Fahrtrichtungskriterium die Polarität des Mittelwertes U_Si der beiden auf die Nullvolt-Abzisse bezogenen Spitzenspannungen U\ und U₂ (siehe F i g. 3 + 4).

Durch diese Art der Auswertung haben weder Amplitude noch Frequenz der Speisewechselspannung Einfluß auf die Polarität des zur Fahrtrichtungsbestimmung herangezogenen Mittelwertes U_s, der beiden auf die Nullvolt-Abzisse bezogenen Spitzenspannungen U\ und U₂, so daß sich die Einstellungen für die Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit auch in keiner Weise beeinflussen können.

Zur Verbesserung der Langsam-Fahreigenschaften des durch die Speisewechselspannung betriebenen zweiten Zuges besteht die Speisewechselspannung aus jeweils mehrere Schwingungen umfassenden Impulsen mit relativ kleiner Impulsfolgefrequenz, die etwa der einfachen oder doppelten Netzfrequenz entsprechen kann. Ein derartiger Impulszug ist in F i g. 5 dargestellt, während in Fig.6 eine mehr den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende Impulsform zu erkennen ist, die gegenüber der idealisierten Rechteckform wesentlich verrundeter ist Die F i g. 6 zeigt dabei die Impulsfolge beim Langsamfahrbetrieb, während die Fig.6b und 6c, den sich beim Hochregeln der Amplitude automatisch ergebenden Obergang vom Impulsbetrieb zur Dauerwechselspannung bei voller Geschwindigkeit erkennen lassen, d. h. die Schaltungsanordnung in der Frequenzstufe 4 ist so getroffen, daß mit der Erhöhung der Amplitude der Speisewechselspannung auch gleichzeitig eine Vergrößerung der Impulsbreite der einzelnen Impulse bei im wesentlichen konstanter Impulsfolgefrequenz stattfindet Dadurch erreicht man auf der einen Seite den vorteilhaften Impulsbetrieb für Langsamfahrt, während auf der anderen Seite bei hohen Geschwindigkeiten eine Dauerwechselspannung zur Verfügung steht, die eine ruhigere Fahrt des Zuges gewährleistet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur gleichzeitigen und unabhängigen Steuerung von zwei oder mehreren elektromotorisch betriebenen und aus einer gemeinsamen Speiseleitung versorgten Spielfahrzeugen, insbesondere elektrischen Modelleisenbahnen, wobei die: Fahrgeschwindigkeit des ersten Fahrzeuges durch Veränderung der Amplitude der Speisespannung und die Fahrtrichtung durch Polaritätswechsel der diesem Fahrzeug zugeordneten Speisespannung oder durch Oberspannungsimpulse derselben bestimmt wird und das zweite und jedes weiten: Spielfahrzeug seine Fahrenergie sowie die Steuerinformation für Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit in Form einer der Speisespannung des ersten Spielfahrzeuges im Fahrbahnstromkreis überlagerten .Speisewechselspannung zugeführt erhält, deren Frequenz höher ist als die der Netzwechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrgeschwindigkeit des zweiten und jedes weiteren Spielfahrzeuges (M 2) in bekannter Weise durch die Amplitude der jeweils zugeordneten niederfrequenten Speisewechselspannung gesteuert wird und daß deren Fahrtrichtungsumsteuerung durch dit: Auswertung der für Vor- und Rückwärtsfahrt unterschiedlichen Kurvenform der zugehörigen Speisewechselspannung unabhängig von deren Frequenz und Amplitude erfolgt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb des zweiten Spieifahrzeuges benötigte Speisewechselspannunt; eine unsymmetrische Kurvenform aufweist und daß die Polarität des Mittelwertes (Ua) aus den Spitzenspannungswerten (Uu t/z) dieser Speisewechselspannung gegenüber deren arithmetischem Mittelwert (U_n) zur Festlegung der Fahrtrichtung dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Lang samfahreigenschaften des zweiten Spielfahrzeuges die Speisewechselspannung bei geringen Amplituden aus jeweils nur mehrere Schwingungen umfassenden Impulspaketen besteht, deren Folgefrequenz aus der Netzfrequenz abgeleitet ist, wobei mit steigender Amplitude der Speisewechselspannung die Breite dieser Impulspakete bei konstanter Impulsfolgefrequenz zunimmt, so daß ein stetiger Übergang vom Impulsbetrieb beim langsamen Anfahren zur Dauerwechselspannung für volle: Geschwindigkeit entsteht.