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"Pahrspannungsregler insbesondere für Modellbahnen" Die Erfindung
betrifft einen Fahrspannungsregler, insbesondere für Modellbahnen, mit einem vorzugsweise
über einen Transformator mit der Netzspannung verbundenen Gleic-hrichter und einem
in dessen Meichspannungsausgangsleitung liegenden steuerbaren elektronischen Bauelement,
um beim Hochregeln einen kontinuierlichen Übergang von Halbwellen- auf Vollwellenbetrieb
zu erhalten.
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Die Mehrzahl der bekannten Gleichspannungsmotoren für Nodellbahn-Triebfahrzeuge
zeigt bekanntlich ein verhältnismäßig schlechtes Anlaufverhalten, d.h. man kann
kaum langsamste Fahrbewegungen wie sie insbesondere zum Rangieren benötigt werden,
durchfuhren.
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Die Triebfahrzeuge laufen erst bei einer bestimmten Anlauf-Schwellenspannung
an und fahren - einmal in Schwung gekommen -mit
zu hoher Geschwindigkeit
weiter, woran auch ein Zurückdrehen des Fahrreglers nichts ändern kann, da dann
eine Anhalte schwellen spannung unterschritten wird und das Fahrzeug stehenbleibt,
statt lediglich langsamer zu fahren. Die genannten Verhältnisse werden um so ungünstiger,
je geringer die Welligkeit des Gleichstroms ist.
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Bei höheren Fahrspannungen verhalten sich auf der- anderen Seite die
Gleichstrommotoren im Modellbahnbetrieb um so günstiger, je geringer die Welligkeit
des Fahrstroms ist. Die Fahrt wird dann ruhiger und geräuschärmer. Es besteht somit
das Problem, beiden einander entgegengesetzten Forderungen gerecht zu werden.
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Um die ungünstigen Langsam-ahreigenschaften zu verbessern, ist es
bereits bekanntgeworden, im Halbwellenbetrieb zu arbeiten, bei dem an Stelle der
in den Modellbahnfahrpulten ueblichen Voll weg-Gleichrichtung eine Halbwellengleichrichtung
verwendet wird, durch die der Fahrstrom eine größere Welligkeit erhält. Der Motor
wird somit impulsmäßig angestoßen, wobei die Impulse die Schwellenspannting überschreiten
können, während auf der anderen Seite die resultierende geringe Effekti9spannung
doch zu einer niedrigen Drehzahl führt, da der Motor immer aufs neue angestoßen
wird.
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Dieser Halbwellenbetrieb hat jedoch den Nachteil, daß bei höher werdender
Effektivspannang und damit höherer Fahrgeschwindigkeit der Fahrtauf unruhiger, d.h.
geräuschvoller, wird. Außerdem muß bei einer Halbwellenspannung die Spitzenspannung
wesentlich erhöht sein, um zu der gleichen Effektivspannung zu kommen, wie bei
einer
Vollweggleichrichtung. Hohe Spitzenspannung bringen aber Kommutierungsschwierigkeiten
bei den Motoren mit sich, so daß die Konstruktion der Motoren zwangsläufig aufwendiger
und teures bzw. der Gesamtwirkeungsgrad der Motoren schlechter wird.
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Zur Vermeidung dieses Nachteil der mit einer Halbwellengleichrichtung
arbeitenden Fahrspannungsregler ist es bereits worgeschlagen worden, entweder einen
Schalter oder einen regelbaren Widerstand vorzusehen, um die Halbwellenschaltung
zu einem geeigneten Zeitpunkt in eine Vollweg-Gleichrichtung überführen zu können.
Bei der Verwendung eines Schalters erfolgt der Übergang sprungartig, wodurch auch
die Fahrgeschwindigkeit ruckartig größer wird. Dies ist schon deshalb unerwünscht,
da es nicht dem Vorbild-Fahrverhalten entspricht.
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Verwendet man dagegen einen Regler, so müssen entweder zwei getrennte
Bedienungselemente betätigt werden (Hauptfahrregler und Zusatzregler) oder beide
Regler müssen mit einem erhöhten mechanischen Aufwand über eine gemeinsame Bedienungsachse
gekoppelt werden. Ein weiterer Nachteil dieser mit Hilfe von Widerstandsreglern
vom Halbwellenbetrieb zur Vollweggleichrichtung überleitenden Fahrspannungsregler
liegt darin, daß die Widerstandsregler für den maximalen Fahrstrom bzw. sogar für
den Kurzschlußstrom ausgelegt sein müssen, was mit kleinen und billigen Schichtpotentiometern
nicht möglich ist. Die Widerstandsregler werden somit volumenmäßig sehr groß, was
zu Platzschwierigkeiten bei der Unterbringung im Fahrspannungsregler-Gehäuse führt
und
darüberWinaus sehr aufwendig und teuer.
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Schließlich ist auch bereits ein Fahrspannungsregler der eingangs
genannten Art bekanntgeworden, bei dem durch Einfügen eines Tyristors in den Gleichrichterzweig
des Fahrstromgleichrichters ein stetiger Übergang von Halbwellen- auf Vollwellenbetrieb
erzielt werden kann und zwar mit Hilfe einer sogenannten Phasen-Anschnittschaltung.
Eine derartige Phasen-Anschnittschaltung hat jedoch den Nachteil, daß sie infolge
ihrer Kurvenform verhältnismäßig starke Funkstörungen hervorruft, die nicht einfach
zu unterdrücken sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrspannungsregler
insbesondere für aus der Netzspannung mit Gleichstrombetriebene Modellbahnen zu
schaffen, der die Nachteile der bislang bekannten Fahrtregler vermeidet und sowohl
günstige Fahreigenschaften bei Langsam- als auch bei Schnellfahrt gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Fahrspannungsregler der eingangs
genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Steuerelektrode des elektronischen
Bauelements mit dem regelbaren Abgriff eines Potentiometers verbunden ist, das direkt
mit den einen Halbwellen des gleichgerichteten Wechselstroms beaufschlagt ist, während
die anderen Halbwellen nach Maßgabe eines von der Abgriffspannung gesteuerten zweiten
regelbaren elektronischen Bauelements am Potentiometer liegen.
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Beim Hochregin des Fahrspannungsreglers öffnet das (erste) elektronische
Bauelement nur während der direkt am Potentiometer liegenden Halbwellen und läßt
somit
die eine Hälfte der Halbwellen auf der Gleichspannungs-Ausgangsleitung nach Maßgabe
der Abgriffsspannung zum Reglerausgang gelangen, während die anderen Halbwellen
zunächst überhaupt nicht durchgelassen werden.
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Erst mit stärkerem Aufdrehen des Potentiometers wird die Abgriffsspannung
groß genug, um das zweite elektronische Bauelement zu öffnen'und damit die anderen
Halbwellen vom Gleichrichter an das Potentiometer anzulegen, so daß das erste elektronische
Bauelement auch (im gewünschten kleineren Ausmaß) die vorher unterdrückten Halbwellen
durchläßt. Bei höheren Fahrspannungen ist schließlich auch das zweite elektronische
Bauelement voll geöffnet, so daß die bei höheren Fahrgeschwindigkeiten erwünschte
Vollweggleichrichtung am Reglerausgang erscheint.
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Zur gegenseitigen Entkopplung der beiden unterschiedlichen Halbwellen
können in Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Gleichrichter und dem Potentiometer
bzw. dem zweiten elektronischen Bauelement nur für jeweils eine der Halbwellen durchlässige
Stromrichter, insbesondere Dioden, vorgesehen sein.
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Die Steuerung des zweiten regelbaren elektronischen Bauelements durch
die Abgriffspannung am Potentiometer erfolgt mit Vorteil dadurch, daß die Steuerelektrode
des zweiten elektronischen Bauelements über eine Diode mit dem regelbaren Abgriff
des Poten-und tiometersAuber einen Kondensator mit Masse verbunden ist0 Das
verzögerte
Öffnen des zweiten elektronischen Bauelements gegenüber dem ersten elektronischen
Bauelement ergibt sich dabei.dadurch, daß der am Abgriff des Potentiometers erscheinende
Bruchteil der direkt am Potentiometer liegenden Halbwellen zu einer Aufladung des
Kondensators führt, die ab einer bestimmten Abgriffspannung auch noch während der
zunächst gesperrten zweiten Halbwellen als Spannung am Kondensator wirksam ist,
so daß im entsprechenden Maß das zweite elektronische Bauelement öffnet.
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Die beiden steuerbaren elektronischen Bauelemente können mit Vorteil
als in Basis schaltung betriebene Transistoren ausgebildet sein.
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Neuerdings hat sich die sogenannte Einknopfbedienung durchgesetzt,
wobei der Schalter für die Fahrtrichtung und der Regler für die Fahrgeschwindigkeit
in einem Bedienungselement gekoppelt sind. Eine Linksdrehung des Bedienungselements
von der Nullstellung bedeutet beispielsweise Rückwärtsfahrt, eine Rechtsdrehung
dagegen Vorwärtsfahrt, während in der Nullstellung die Fahrspannung Null oder nahezu
Null ist. Diese Einknopfbedienung erfordert bislang einen verhältnismäßig hohen
mechanischen Aufand, weil die Schleiferbahn (bei den bisherigen Reglern ist dEs
im allgemeinen die Sekundärwicklung des Transformators), während des Drehvorgangs
vom Vollausschlag links (Rückwärtsfährt) über die Nullstellung bis zum Vollausschlag
rechts (Vorwärtsfahrt) praktisch zweimal vollkommen abgetastet werden muß.
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Diese komplizierte Mechanik kann in Ausgestaltung der Erfindung
dadurch
entfallen, daß die Potentiometerschleifbahn eine Mittelanzapfung und parallel geschaltete
Endanschlüsse besitzt und daß die Betätigungsachse zur Verstellung des regelbaren
Abgriffs gegenüber der Potentiometerschleifbahn mechanisch mit einer Umschaltvorrichtung
zur Umpolung der Ausgangsspannung des Fahrspannungsreglers gekoppelt ist. Die Umschaltvorrichtung
kann in einfac-her Weise mechanisch ausgebildet sein und eine Mittelstel-Zungsrastung
aufweisen, so daß die Bedienungsperson des Fahrspannungsreglers sich voll auf die
Beobachtung des Zuges konzentrieren kann und nicht gleichzeitig die Skala des Fahrpultes
ablesen muß, um das Brreickeer Nullstellung bzw. das Verlassen der Nullstellung
sofort zu erkennen.
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Zur Absicherung des Fahrspannungsreglers gegen Kurzschlüsse kann in
die gemeinsame Rückleitung für den Verbraucher und die Regelelektronik zu dem vorzugsweise
als Brückengleichrichter aufgebauten Gleichrichter ein elektromechanisches oder
elektronisches Sicherungsglied eingefügt sein, wobei die Anordnung dieses Sicherungsgliedes
in der Rückleitung den Vorteil hat, daß für die-Absicherung sowohl des Verbrauchers
als auch der Regelelektronik lediglich ein Sicherungsglied erforderlich ist.
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Das Sicherungsglied kann in weiterer Ausbildung der Erfindung mit
einem automatischen Strombegrenzungsregler verbunden sein, der sich bei einem erfindungsgemäß
aufgebauten Fahrspannungsregler in besonders einfacher Weise dadurch erzielen läßt,
daß er ein stromabhängiges Ausgangssignal erzeugt, welches die Steuerspannung an
der
Steuerelektrode des (ersten) elektronischen Bauelements entsprechend dem in der
gemeinsamen Rückleitung fließenden Strom verkleinert.
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Ein besonders gedrängter einfacher Aufbau eines erfindungsgemäßen
Fahrspannungsreglers ergibt sich dadurch, daß alle Bauteile der Regelelektronik
und der Wechselspannungsgleichrichtung, einschließlich des Regelpotentiometers auf
einer gemeinsamen Sohaltplatine angeordnet sind und daß auf dieser Schaltplatine
neben den Kontaktbahnen für die Schalteinrichtung der Fahrspannungsumpolung auch
ein Rastanschlag der Mittelstellungsrastung, bestehend aus wenigstens einer Ausstanzung,
Bohrung oder einer Erhebung untergebracht ist.
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Dieser Aufbau ermöglicht eine sehr einfache Kühlung der elektronischen
Bauteile dadurch, daß die aus isolierendem Material bestehende Schaltplatine, gegebenenfalls
beidseitig, in den für die Schaltungsbahnen nicht benötigten Bereidienfeine gegenüber
den Schaltungsbahnen isolierte metallische Beschichtung aufweist, die als wärmeabstrahlende
Kühlfläche dient. Die metallische Beschichtung kann dabei auf galvanischem oder
mechanischem (Aufbringen einer entsprechenden Metallfolie) Weg erfolgen, wobei mit
Vorteil auch eine zunächst vollkommen metallisierte Schaltplatine verwendet werden
kann, aus welcher die Leiterbahnen herausgeätzt werden.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben
sich
aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Aus£ührungsbeispiele sowie an Hand der
Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrspannungsreglers;
Fig. 2 einen Ausschnitt der Schaltung nach Fig. 1 mit Mittelabgriffspotentiometer
und damit gekoppelter Umschaltvorrichtung zur Umpolung der Fahrspannung und Fig.
3 eine perspektivische Ansicht einer Schaltplatine für einen erfindungsgemäßen Fahrspannungsregler.
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,Die Netzspannung wird in bekannter Weise durch einen Transformator
t auf die Sr den Betrieb einer Modellbahn erforderliche Ausgangsspannung herabtransformiert
und durch einen Gleichrichter 2 in ebenfalls bekannter Weise gleichgerichtet. Von
Plus-Pol des Gleichrichters 2 fließt dann der Strom über die Kollektoremitterstrecke
des Transistors 21 zu den Ausgangsklemmen A und B des im allgemeinen als Fahrpult
ausgebildeten Fahrspannungsreglers und zum Verbraucher 4. Soweit entspricht der
erfindungsgemäße Fahrspannungsregler dem Grundprinzip der bereits bekanntgewordenen
Anordnungen, bei denen die Beeinflussung des durch den Transistor T1 fließenden
Fahrstroms über die Basis dieses Transistors erfolgt. Der erfindungsgemäße Fahrspannungsregler
arbeitet dabei nach dem Prinzip der Transistor-Spannungsstabilisiebung, bei der
die Ausgangsspannung zwischen dem Emitter - inman n un des Transistors und Masse/entsprlcht.
Nacht man diese Basis
spannung regelbar, so ist damit auch die
Ausgangsspannung regelbar.
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Von dem einen Wechselstromanschluß 5 des Gleichrichters 2 wird über
die Diode 6 jeweils nur eine der Halbwellen ausgesiebt und dem oberen Anschluß des
Potentiometers 7 zugeführt. Über den Schleifer 8 dieses Potentiometers 7 wird ein
Teil dieser Spannung abgegriffen und über den Schutzwiderstand 9 der Basis des Transistors
T1 zugeführt. Da in diesem Stromkreis 5-6-7-8-9-T1 keinerlei Glättungsmittel, wie
z.B, Kondensatoren od.dgl., liegen, entspricht die Kurvenform der Steuerspannung
an der Basis des Transistors T1 stets der Kurvenform der betreffenden Halbwelle,
die auch am Plus-Aus-gang des Gleichrichters 2 besteht.
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Nur die Höhe dieser Spannung ist durch die Regelung des Potentiometerschleifers
vorgegeben.
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Von dieser Halbwellen-Steuerspannung wird am Schleifer 8 ein Teil
über die Diode 12 abgezweigt und über einen Schutzwiderstand 13 der Basis des Transistors
T2 zugeführt. Dabei wird der an Masse liegende Kondensator 14 etwas aufgeladen und
sorgt dafür, daß diese Spannung nicht nur während der Zeit der ersten Halbwelle
an der Bais des Transistors T2 liegt, sondern auch noch während der im Transistor
zunächst noch unterdrückten zweiten Halbwelle. Dementsprechend wird ein Bruchteil
der zweiten Halbwelle vom Wechselspannungsanschlußpunkt 9 des Gleichrichters 2 abgenommen
und über die Diode 11 sowie den Transistor 2 zusätzlich zur ersten Halbwelle dem
Potentiometer 7 zugeführt.
Die Abhängigkeit der Steuerspannung
an der Basis des Transistors T2 von der Stellung des Potentiometerschleifers 8 wirkt
sich dabei folgendermaßen aus: Je näher der Schleifer 8 dem Massepunkt liegt, desto
geringer ist die Abgriffsspannung im Verhältnis zur Ausgangsspannung im oberen Anschlußpunkt
des Potentiometers.
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Aufgrund des Spannungs-Stabilisierungsprinzips stellt sich am Emitterausgang
des Iransistors T2 in etwa die gleiche Spannung ein wie an seiner Basis, d.h. im
unteren Regelbereich ist die über den Transistor T2 an das Potentiometer 7 angelegte
Spannung der zweiten Halbwelle wesentlich kleiner als die der vollanliegenden ersten
Halbwelle, so daß demzufolge der Transistor T1 während der zweiten Halbwelle wesentlich
weniger aufgeretwird als während der ersten. Je mehr nun der Schleifer 8 des Potentiometers
7 dem oberen Anschluß zugedreht wird, desto höher wird auch die Basis-Steuerspannung
für den Transistor T2 und damit seine an das Potentiometer 7 angelegte Ausgangs
spannung. Folglich wird auch die vom Schleifer 8 abgegriffene und der Basis des
Transistors T1 zugeführte Steuerspannung während der zweiten Halbwelle vergrößert
und damit auch die Ausgangsspannung am Emitter des Transistors 11.
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Insgesamt ergibt sich somit die gewünschte Regelwirkung, bei der am
Anfang des Potentiometersdrehbereichs im wesentlichen nur eine der Halbwellen an
den Verbraucher gegeben wird, und die zweite Halbwelle um so stärker hinzugefügt
wird je mehr das Potentiometer in den oberen Regelbereich gedreht wird. In der Endstellung
des Potentiometers sind dann beide Halbwellen in praktisch
gleicher
Höhe an den Ausgangsklemmen A und B verfügbar.
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Die Diode 12 hat die Aufgabe, die im Kondensator 14 gespeicherte Ladung
am Abfließen in die Basis des Transistors T1 zu hindern, damit dieser ausschließlich
entsprechend der Spannungs-Kurvenform am Potentiometerschleifer 8 gesteuert wird.
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In der gemeinsamen Rückleitung 15 für den Verbraucher 5 und die Regelelektronik
ist ein elektromechanisches oder elektronisches Sicherungsglied 16 eingefügt, um
den Fahrspannungsregler gegen Kurzschlüsse abzusichern. Das Sicherungsglied 16 liegt
dabei als Widerstand im Eingangskreis eines Strombegrenzungsreglers 17, dessen Ausgangsleitung
18 mit der Basis des Transistors T1 verbunden ist, um die dort anliegende Steuerspannung
entsprechend dem Anwachsens des Stroms in der gemeinsamen Rückleitung 15 abzusenken.
Steigt der Strom beispielsweise infolge eines Kurzschlusses im Motor stark an, so
erhöht sich damit die Eingangsspannung am Strombegrenzungsregler 17, so daß seine
Ausgangsspannung negativer wird und damit den Transistor T1 sperrt.
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Nach Beseitigung des Kurzschlusses ist dann der Fahrspannungsregler
sofort wieder funktionsbereit.
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Durch richtige Dimensionierung des Kondensators 14 ergibt sich eine
sinusähnliche Kurvenform der an das Potentiometer 7 angelegten zweiten Halbwelle.
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Die Fig. 2 zeigt zunächst den durch den gestrichelten Kasten II
umrahmten
Teil der Schaltung nach Fig. 1, wobei in Fig. 2 das Potentiometer 7 einen Mittelangriff
und parallel geschaltete Endanschlüsse besitzt. Der drehbare Schleifer 8 ist mit
dem zwei Schleifkontakte 19 und 20 tragenden Arm 21 eines mechanischen Umschalters
22 gekoppelt, so daß die Fahrspannung an den Ausgangsklemmen A und B automatisch
umgepolt wird, wenn der Schleifer 8 seine Mittelstellung durchläuft. 23 sind mit
Vorteil auf einer Schaltplatine angeordnete, als gedruckte Leitungen ausgebildete
Leiterbahnen, während mit 24 ein Rastnocken bezeichnet ist, der in der Mittelstellung
des Schleifers 8 und damit des Umschalters 22 in eine Vertiefung 25 der Schaltplatine
einfällt.
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Die Fig. 3 zeigt die geometrische Anordnung des mit einem Mitteltgriff
versehenen Potentiometers 7 gemäß Fig. 2 mit dem auf der Schleiferwelle 26 sitzenden
Arm 21 des Umschalters 22.
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Auf der das Potentiometer 7 und den Umschalter 22 tragenden Schaltplatine
27 sind gedruckte Verbindungsleitungen für die auf der anderen Seite der Schaltplatine
27 angeordneten Bauteile eines erfindungsgemäßen Fahrspannungsreglers zu erkennen.