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"Bahrspannungsregler" (Zusatz zu DSP ........ Patentanmeldung P 23
06 603.7) Die Erfindung betrifft einen Fahrspannungsregler, insbesondere für Modellbahnen,
mit einem vorzugsweise über einen ransformator mit der Netzspannung verbundenen
Vollweg-Gleichrichter und einem in dessen Gleichspannungs-Ausgangsleitung liegenden
steuerbaren elektronischen Bauelement, an dessen Steuerelektrode beim Hochregeln
die einzelnen Halbwellen in unterschiedlicher Höhe anliegen, um beim Hochregeln
einen kontinuierlichen aber gang von Halbwellen- auf Vollwellenbetrieb zu erreichen.
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Beim Hauptpatent wird die für den uebergang von Halbwell-en-auS Vollwellenbetrieb
erforderliche unterschiedliche Aussteuerung des in der Gleichspannungs-Ausgangsleitung
liegenden steuerbaren elektronischen Bauelements dadurch erzielt, daß die einen
Halbwellen ständig in voller Höhe an einem Potentiometer anliegen,
dessen
Schleifer mit der Steuerelektrode des steuerbaren Bauelements verbunden ist, während
die zweiten Halbwellen nach.Maßgabe des von der Potentiometer-Schleiferstellung
abhängigen Öffnungsgrades eines zweiten steuerbaren Bauelements an das Potentiometer
angelegt sind.
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Dieses Steuerungsprinzip läßt sich erfindungsgemäß in noch einfacherer
Weise unter Einsparung einer Reihe von Bauelementen dadurch erzielen, daß die Steuerelektrode
des qlektronischen Bauelements sowohl mit dem Nittelabgriff eines einen regelbaren
Widerstand enthaltenden, zwischen Masse und dem positiven Gleichrichterausgang liegenden
ersten Spannungsteilers, als auch dem Mittelabgriff eines zwischen Masse und einem
Wechselspannungsanschlußpunkt des Gleichrichters liegenden zweiten Spannungsteilers
verbunden ist, wobei die Spannungsteiler so ausgelegt sind, daß die in der Ausgangsstellung
des regelbaren Widerstandes die an die Steuerelektrode angelegte Spannung überwiegend
vom zweiten Spannungsteiler, in der Endstellung überwiegend vom ersten Spannungsteiler
bestimmt ist.
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Beim eriindungsgemäßen Aufbau wird insbesondere das beim Hauptpatent
benötigte zweite steuerbare elektronische Bauelement eingespart. Außer dem bei eier
Regelung grundsätzlich erforderlich eSstilbaren Widerstand werden lediglich einige
einfache ohmsche Widerstände sum Aufbau der Spannungsteiler benötigt.
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Der Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Fahrspannungsreglers
läßt
sich im einzelnen dadurch verwirklichen, daß die beiden Spannungsteiler einen gemeinsamen
festen Massezweig auf-Wechselstrom-Anschluß des weisen und daß der am/Gleichrichtershängende
Widerstand des zweiten Spannungsteilers kleiner ist als der Maximalwi-derstand des
am positiven Gleichrichterausgang hängenden regelbaren Widerstandes im ersten Spannungsteiler,
aber größer als der Widerstand im Massesweig.
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Zum Schutz des steuerbaren elektronischen Bauelements gegen einen
zu großen schädlichen Stromfluß über seine Steuerelektrode kann in jusgestaltung
der Erfindung zwischen dem gemeinsamen Mittelabgriff der beiden Spannungsteiler
und der Steuerelektrode des steuerbaren elektronichen Bauelements ein Schutzwiderstand
eingeschaltet sein.
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Der in besonders einfacher Weise als Potentiometer ausgebildete Widerstand
kann mit besonderem Vorteil parallel geschaltete Endanschlüsse aufweisen, so daß
in der im Hauptpatent beschriebenen Weise die Betätigungsachse zur Verstellung des
regelbaren Potentiometerabgriffs mechanisch mit einer Umschaltvorrichtung zur Umpolung
der Ausgangaspannung des Pahrspannungs reglers gekoppelt sein kann.
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Eine noch weitergehende Vereinfachung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen
Fahrspannungsreglers ergibt sich in busgestaltung der Erfindung dadurch, daß der
Schleifer eines zwischen dem positiven Gleichrichterausgang und Masse liegenden
Potentiometers Silber einen Schutzwiderstand mit der Steuerelekts
de
des elektronischen Bauelements und diese über einen Widerstand, der wesentlich größer
als der Schutzwiderstand aber kleiner als der Gesamtwiderstand des Potentiometers
ist, mit einem Wechselspannungsanschlußpunkt des Gleichrichters verbunden ist. Im
Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Ansteuerschaltung, bei der zum Aufbau der
beiden Spannungsteiler ein.Potentiometer und drei Widerstände notwendig sind, kommt
man bei dieser Art des Schaltungsaufbaus mit einem Potentiometer und lediglich zwei
Widerständen aus.
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Um bei diesen Aufbau die weiter oben angesprochene mechanische Verkopplung
mit einer Umschaltvorrichtung zur Umpolung der Ausgangsspannung des Fahrspannungsreglers
erzielen zu können, kann das Potentiometer vorteilhafter-weise einen geerdeten Mittelabgriff
und parallel geschaltete Endanschlüsse aufweisen.
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Das steuerbare elektronische Bauelement kann im einfachsten Fall ein
Transistor sein, doch ist es vorteilhaft, das steuerbare elektronische Bauelement
als Darlington-Schaltung zweier Transistoren auszubilden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele sowie an Hand
der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Fahrspannungsreglers und
Fig. 2 das Schaltbild
einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrspannungsreglers.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Fahrspannungsregler wird die vom Transformator
T korkende Wechselspannung mit dem Brückengleichrichter G gleichgerichtet und der
Kollektor-Exitter-Stecke des als steuerbares elektronisches Bauelement dienenden
Transistors T zugeführt. Solange an der Basis des Transistors jedoch keine Spannung
ansteht, bleibt dieser gesperrt und die Ausgangsspannung am Lastwiderstand bzw.
dem Motor M ist prakt tisch Null.
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Das Potentiometer P und der Widerstand R1 bilden einen ersten Spannungsteiler.
dn Punkt 1 steht eine beide gleichgerichteten Halbwellen umfassende Spannung, die
von der Einstellung des Potentioneters P anhängig ist. Diese Spannung wird über
den Schutzwiderstand R2 an die Basis des Transistor T gegeben, so daß dieser öffnet
und dann au Motor N eine Spannung ansteht, die in etwa der as Punkt X entspricht.
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Der Widerstand R1 im flasisiweig des ersten Spannungsteilers ist wesentlich
kleiner als der volle Widerstand des Potentiometers P, so daß an Punkt 1 bzw. an
der Basis des Transistors ? bik Maxisalwiderstand des Potentioseters P in der gezeigten
Mittelstellung des Schleifers S nur eine so kleine Steuerspannung ansteht, daß die
Spannung am Motor M vernachlässigbar ist, d.h. der Motor M noch nicht anläuft, da
der Transistor T noch gar nicht geöffnet wird. Erst wenn der Widerstand des
Potentiometers
P infolge der Verschiebung des Schleifers S gegen einen der Endanschlüsse kleiner
wird, steigt die Spannung im Punkt X und damit auch am Motor M an und hat beim Wert
P = O den voilen Wert, wie er vom Gleichrichter G abgegeben wird.
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im Der mit dem/Basiszweig des ersten Spannungsteilers liegenden Widerstand
R1 einen zweiten Spannungsteiler bildende Widerstand R9 ist mit dem Wechselspannungsanschlußpunkt
W1 des Gleichrichters verbunden und erhält, da dieser zweite Spannungsteiler auf
der anderen Seite an Masse liegt, über den Wechselspannungsanschlußpunkt W1 lediglich
eine der beiden Halbwellen (Halbwelle 1 genannt) zugeführt, da die Diode für die
Jeweils andere Halbwelle den zweiten Spannungsteiler gegen Masse kursschließt und
somit während dieser zweiten Halbwellen lediglich die vernachlässigbare Durchlaßspannung
der-Diode Dt an zweiten Spannungsteiler anliegt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
daß dieses autonatische Auasieben einer der Halbwellen an den Wecheelepannungsanschlubpunkten
nur unter der Voraussetzung gilt, daß der zweite Spannungsteiler an Masse liegt
und der den negativen Gleichspannungsanschlußpunkt des Gleichrichters G mit Masse
verbindende Sicherungswiderstand Si vernachlässigbar klein ist.
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Sind diese Vorauss6sungen nicht erfülL, so bedarf es zum Aussieben
einer dem zweiten Spannungsteiler zuzuführenden Halbwellen einer in Serie mit dem
Widerstand R3 liegenden Diode.
Über den zweiten Spannungsteiler,
bestehend aus dem Widerstand R3 und dem Widerstand R1 , der gleichzeitig auch den
Massezweig des ersten Spannungsteilers bildet, entsteht am Punkt X während der Halbwellen
1 eine Basissteuerspannung für den Transistor T, die dem Spannungsteilerverhältnis
R3 zu R1 entspricht. Macht man nun den Widerstand R3 kleiner als den Maximalwiderstand
des Potentiometers P, so wird die Spannung am Punkt X während dieser einen Halbwellen
einen höheren Wert haben als die über das Potentiometer an X gelangende Spannung.
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Das Verhältnis des Widerstands R3 und des Schutzwiderstands R2 ist
so zu dimensionieren, daß bei Einschaltung des maximalen Widerstandes des Potentiometers
P in den ersten Spannungsteiler der Effektivwert der am Motor M anliegenden Halbwellenspannung
nur so groß ist, daß der Motor gerade noch nicht anläuft, oder nur mit geringster
Drehzahl (Schrittgeschwindigkeit). Im letzteren Fall wird die absolute Haltestellung
durch das Abschalten der Ausgangs spannung in der Mittelstellung eines Polwenders
erreicht, der mit der Betätigungsachse des Schleifers S mechanisch gekoppelt ist.
Ein derartiger Aufbau ist im einzelnen in Fig. 2 des Hauptpatents beschrieben. Der
volle Widerstandswert des Potentiometers P ist so groß zu wählen, daß die Ausgangsspannung
der über den ersten Spannungsteiler am Punkt X anstehenden Halbwellen kleiner ist
als die Spannung durch die am festen zweiten Spannungsteiler anliegende Halbwelle
1, nach Möglichkeit nahe 0.
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Wird nun der Widerstand des Potentiometers dadurch verkleinert, daß
man den Schleifer auf einen der Endanschlüsse hin verschiebt, so steigen beide Halbwellenspannungen
am Punkt X an, denn auch während der Halbwelle 1 fließt nun durch den Widerstand
R1 ein größerer Strom, so daß am Widerstand R1 ein größerer Spannungsabfall und
damit am Transistor T eine größere Basissteuerspannung entsteht. Die Spannung der
zweiten Halbwelle wächst jedoch relativ stärker an als die der Halbwelle 1, bedingt
durch die unterschiedlichen Spannungsteilers verhältnisse beider Spannungsteiler.
In dem Fall, in dem der Widerstand des Potentiometers P wesentlich kleiner geworden
ist als der Widerstand R3, stehen beide Halbwellen in gleicher Höhe an der Basis
des Transistors T an, d.h. die Steuerung des Transistors erfolgt nunmehr hauptsächlich
durch den ersten Spannungsteiler mit dem Potentiometer P.
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Bei dem gemäß Fig. 2 aufgebauten Fahrspannungsregler wird wiederum
der vom Transformator 2 kommende Wechselstrom durch den Brückengleichrichter G gleichgerichtet.
Am positiven Gleichspannungsausgang steht eine pulsierende Glejchspannung, bestehend
aus den Halbwellen 1 und 2. Das aus zwei Transistor ren T1 und T2 in Darlington-Schaltung
bestehende steuerbare elektronische Bauelement 2 arbeitet wiederum als Spannungsstabilisator,
dessen Ausgangsspannung, die die Arbeitsspannung für den Motor M darstellt, etwa
gleich der Basisspannung ist.
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Das Potentiometer Pi liegt an der vollen pulsierenden Gleichspannung.
Mit
seinem Schleifer S wird je nach dessen Stellung ein Teil dieser Spannung abgegriffen
und ueber den Widerstand R4 der Basis des Eingangstransistors T1 der Darlington-Scha;-tung
X zugeführt und wirkt hier als Basis-Steuerspannung.
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Der Widerstand R4 bildet weiterhin mit dem zwischen dem Schleifer
S und Masse liegenden Teil des Potentiometerwiderstandes den Fußpunktwiderstand
des zweiten Spannungsteilers, zu dem der Widerstand R5 gehört. Der Widerstandswert
von R5 ist kleiner oder höchstens gleich dem des Maximalwiderstandes des Potentiometers
P. Steht nun am Wechselspannungsanschluß W2 des Gleichrichters G die positive Phase
der WechsZspannung (Halbwelle 1) an, dann ergibt sich am Punkt X während der Zeit
dieser ersten Halbwelle eine größere -Spannung,als sie eigentlich der Potentiometerschleiferstellung
bei allein vorhandeneit Potentiometer entsprechen würde und zwar vor allem im unteren
Einstellbereich, wenn der Schleifer dem Masseanschlußpunkt des Potentiometers P1
angenähert ist. Die Widerstände R4 und R5 sind dann nämlich dem oberen leil des
Potentiometers P parallel geschaltet, so daß dann ein größerer Strom durch den unteren
leil des Potentiometers fließt und dort eine entsprechend größeren Spannungsabfall
hervorruft.
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Je kleiner jedoch dann beim Verstellen des Schleifers S zum positiven
Anschluß des Potentiometers hin der obere Widerstand des Potentiometers P wird ,
desto geringer wird der Einfluß der .Parallelschaltung der zum zweiten Spannungsteiler
gehörenden Widerstände R4 und R5, bis schließlich im Endbereich
die
Regelung der Basissteuerspannung praktisch voll von Potentiometer P übernommen wird.
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Steht am Wechselspannungsanschlußpunkt W2 jedoch die negative Phase
der Wechselspannung-(Halbwelle 2) an, dann ist der zweite Spannung steiler, bestehend
aus den Widerständen R5, R4 und dem Potentiometerwiderstand zwischen dem Schleifer
und Masse, in der unteren Stellung des Schleifers S beim Masseanschlag praktisch
durch die zum Gleichrichter gehörende Diode D2 kurzgeschlossen, so daß dann auch
die Spannung am Punkt X über den zweiten Spannungsteiler praktisch'Null"ist.
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Der Transistor ist somit im unteren Regelbereich des Potentiometers
P1 während der Halbwelle 2 gesperrt und die Spannung am Motor M folglich gleich
Null oder nahe Null.
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In der oberen Stellung des Schleifers S (+ Anschlag) steht dagegen
die volle Spannung über die Widerstände R4 und R5 an.
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Da R4 wesentlich kleiner ist als R5 steht damit auch praktisch die
volle Spannung an der Basis des Transistors U1 und die Ausgangsspannung am Motor
M erreicht ihr Maximum.
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Der Widerstand R4 muß als Btsisschutzwiderstand mindestens so groß
sein, daß der maximale zulässige Basisstrom nie überschritten werden kann, darf
aber andererseits im Verhältnis zum Widerstand R5 nur so groß sein, daß die durch
die Halbwelle 1 hervorgerufene effektive Ausgangsspannung am Motor M nur so groß
ist, daß sich M gerade nicht dreht, bzw. nur so
langsam dreht,
daß das vom Motor M angetriebene Fahrzeug gerade eben Schrittgeschwindigkeit einhält.
Im letzteren Fall erfolgt - wie auch bereits bei der Erläuterung der Fig. 1 erwähnt
worden ist - das Abschalten des Fahrstroms für die totale Haltestellung in der Mittelstellung
eines Fahrstrom-Umpolschalters, der mit der Potentiometerachse gekoppelt ist.
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Eine geringe Anfangsapannung für Schrittgeschwindigkeit ist im übrigen
von Vorteil, weil dann der Potentiometerschleiferweg voll für die Fahrtregelung
ausgenützt werden kann und kein oder nur wenig "toter Gang" bis zum Anlaufen des
Fahrzeugs vorhanden ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. So wäre es neben der Verwendung einer Darlington-Schaltung aus zwei
Transistoren an Stelle des Transistors T in Fig. 1 beispielsweise auch möglich,
in Fig. 2 an Stelle des einfachen Potentiometers P1 ein Potentiometer mit geerdeter
Mittelanzapfung und parallel geschalteten Endanschlüssen zu verwenden, um auf diese
Weise die im Hauptpatent näher beschriebene mechanische Kopplung der Achse des Potentiometerschleifers
mit einem Fahrspannungaumpolschalter vorsehen zu können.
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Selbstverständlich wäre es in gleicher Weise möglich, den Widerstand
R3 bei der Anordnung nach Fig. 1 an dem anderen Wechselspannungspunkt W2 anzuschließen,
ebenso wie auch die entsprechende Vertauschung bei der Anordnung nach Fig. 2 möglich
wäre.