Analogelektronik

Dieser Artikel erklärt grundlegende Elektronikschaltungen, wie sie vor allem bei herkömmlich (d. h. nicht digital) betriebenen Anlagen eingesetzt werden können. Dabei setzt er bereits Grundkenntnisse über elektronische Bauteile voraus (z. B. Widerstände, Dioden, Transistoren etc. ). Die angegebenen Schaltpläne sind nicht für einen direkten Nachbau gedacht, sondern sollen lediglich das Prinzip demonstrieren und zum Nachvollziehen von Schaltplänen anregen, die in Zeitschriften, Büchern oder im Internet veröffentlicht sind. Es soll helfen, bei Modifikationen die notwendigen Dimensionierung z. B. für Belastbarkeit oder Kühlkörper abzuschätzen. Für einen Nachbau von konkreten Schaltungen wird auf entsprechende Webseiten verwiesen, die vollständige Schaltungen publiziert haben. Siehe hierzu jeweils die Links am Ende der Abschnitte. Eine Gewähr für die Funktionsfähigkeit der in den Links angegebenen Schaltungen kann nicht übernommen werden.

Sicherheitshinweis: Als Trafos zur Versorgung der Modellbahn und der Elektronik dürfen nur Modellbahntrafos verwendet werden, die gegen Überlastung geschützt sind und über eine entsprechende Isolierung gegenüber der Netzspannung verfügen! Die Benutzung anderer Trafos ist wegen der anliegenden Netzspannung lebensgefährlich und kann außerdem bei Kurzschlüssen zu Bränden führen. Bei der Elektroinstallation sind grundsätzlich die einschlägigen Normen (z. B. VDE 100) zu berücksichtigen.

Spannungsversorgung

Brückengleichrichtung

Spannung eines Trafos am Lichtausgang

Die Elektronik muß mit einer geeigneten Spannungsversorgung betrieben werden. Normale Modellbahntrafos sind hierfür ohne zusätzliche Maßnahmen im allgemeinen nicht geeignet. Elektronikschaltungen werden normalerweise mit Gleichspannung betrieben. Dazu ist die Ausgangsspannung des Modellbahntrafos (auch bei "Gleichstromtrafos") zunächst gleichzurichten, d. h. in Gleichspannung umzuwandeln. Dies geschieht mit Hilfe eines sogenannten Brückengleichrichters, der 4 Dioden enthält:

Schaltbild eines Brückengleichrichters

Bei der Auswahl des Brückengleichrichters ist auf den maximal zulässigen Strom und die zulässige Spannung zu achten. Ein B40C1500 ist z. B. für maximal 40 V Spannung bei 1,5 A Strom geeignet. Hinter dem Brückgleichrichter haben wir es nun mit einem pulsierenden Gleichstrom zu tun, der noch geglättet werden muß. Dazu schaltet man hinter den Gleichrichter einen Kondensator. Als Daumenregel soll er pro Ampere Strom ca. 2200 - 4700 µF Kapazität besitzen. Die Spannungsfestigkeit muß mindestens das 1,5fache der Eingangsspannung vor dem Brückengleichrichter besitzen. Die Spannung U_C, die am Kondensator anliegt, beträgt

UC = (UTrafo - 2 * 0,7 V ) * sqrt(2) 
   = (UTrafo - 1,4 V ) * 1,4

wenn U_Trafo der Effektivwert der Trafospannung ist. Die 1,4 V Spannungsabfall werden durch den Brückengleichrichter verursacht. Die um den Faktor 1,4 höhere Spannung ergibt sich aus dem Spitzenwert der Eingangsspannung, die um diesen Faktor über dem üblicherweise angegebenen Effektivwert liegt. In der Praxis dimensioniert man die Nennleistung des Transformators um den Faktor 1,2 - 2 höher als die geforderte Gleichstromleistung.

Zwischen dem Trafo und der Gleichspannung am Ausgang des Brückgleichrichters darf keine weitere Verbindung mehr hergestellt werden.

Mittelpunktschaltung

Schaltbild eines Mittelpunktgleichrichters zur Erzeugung einer positiven und einer negativen Spannung aus einem Trafo

Die Brückengleichrichtung erzeugt aus einer Wechselspannung eine (positive) Gleichspannung. Wenn man jedoch zusätzlich auch eine negative Gleichspannung benötigt, kann man folgende Verfahren einsetzen:

• Zweiter Trafo mit Brückengleichrichtung. Der positive Ausgang des 2. Gleichrichters wird mit dem 0 V-Ausgang des ersten verbunden. Am negativen Ausgang des 2. Gleichrichters kann man nun die negative Spannung abnehmen. Nachteil: es sind 2 Trafos bzw. 2 getrennte Trafowicklungen notwendig
• Mittelpunktgleichrichtung. Bei der Mittelpunktschaltung werden die positven und die negativen Halbwellen getrennt verarbeitet:

Da der nachfolgende Kondensator dabei nur während der halben Zeit (im Vergleich zur Brückengleichrichtung) geladen wird, muß er größer dimensioniert werden. Die beiden Spannungen sind nur mit dem halben Ausgangsstrom des Trafos belastbar.

Stabilisierung

Die so gewonnene geglättete Gleichspannung ist allerdings noch unstabilisiert, d. h., sie kann sich mit der Belastung (Stromaufnahme) ändern. Häufig verträgt eine Elektronik jedoch nur Spannungsabweichungen von maximal 5 %. Die Spannung muß daher noch auf einen konstanten Wert geregelt werden. Dazu dienen integrierte Spannungsregler wie z. B. die Typen 78xx, wobei xx für den Spannungswert steht. Diese Typen sind für viele gängige Spannungen erhältlich. Diese Spannungsregler müssen noch um zwei Kondensatoren von je 100 nF am Ein- und Ausgang ergänzt werden, um kurze Lastschwankungen aufzufangen und die Schwingneigung zu unterdrücken. Die gesamte Schaltung sieht nun wie folgt aus:

Schaltbild der Spannungsversorgung

Die Spannungsregler müssen häufig gekühlt werden. Ihre Verlustleistung bestimmt sich aus der maximalen Differenz der Eingangs- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem maximalen Strom.

Beispiel:

• Spannungsregler 7805 für 5 V Ausgangsspannung
• 12 V Eingangsspannung
• 1 A Ausgangsstrom
• 30 °C Umgebungstemperatur

Hierfür muß der Kühlkörper mit einem maximalen Wärmewiderstand von

Rthk = (180 °C - 30 °C) / ( (12 V - 5 V ) * 1 A ) - 0,7 °C/W
     = 150 °C / 7 W - 0,7 °C/W 
     = 20,7 °C/W 

ausgelegt werden. In der Praxis bleibt man ca. 20 % unterhalb dieses Wertes. Wir wählen daher einen Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von weniger als 16 K/W (16 °C/W). Man findet diese Angabe in den Katalogen der Elektronikversender. Wenn man sicher ist, daß die angeschlossene Elektronik weniger als den Maximalstrom des Spannungsreglers benötigt, kann man natürlich auch mit einem entsprechend kleineren Wert rechnen. Es ist dann auch nur ein kleinerer Kühlkörper notwendig.

Geschwindigkeitssteuerungen

Allgemeines

Spannung eines Trafos am Fahrstromausgang

Die Geschwindigkeit der Modellzüge wird über die am Motor anliegende Spannung beeinflußt. Bei kleinen Spannungen fahren die Züge langsam, bei großen Spannungen schnell. Im Gleichstromsystem beträgt die Fahrspannung zwischen 0 und 12 V. Die Fahrtrichtung wird durch die Polung bestimmt. Dabei ist die in Fahrtrichtung rechte Schiene positiv. Normale Fahrtrafos geben eine pulsierende Gleichspannung ab.

Im Wechselstromsystem erfolgt die Fahrtrichtungswahl durch ein in der Lokomotive eingebautes Relais bzw. eine entsprechende Elektronik, die bei einem Spannungsimpuls von 24 V die Richtung umschaltet. Die normale Fahrspannung liegt hingegen zwischen 0 und 16 V. Da die Wechselstrommotoren von Märklin Allstrommotoren sind, können sie auch mit Gleichspannung betrieben werden.

Einfache Spannungssteuerung

Schaltplan eines einfachen Fahrreglers

Die einfachste Spannungssteuerung besteht aus einem Potentiometer und einem Leistungstransistor. Der Leistungstransistor wird in der sogenannten Kollektorschaltung betrieben. Diese Schaltung ist durch eine hohe Stromverstärkung und eine Spannungsverstärkung von knapp 1 gekennzeichnet. Die Spannung am Emitter folgt der Basisspannung, die mit dem Potentiometer eingestellt wird. Daher wird diese Schaltung auch Emitterfolger genannt. Da Leistungstransistoren oftmals nur relativ geringe Stromverstärkungsfaktoren besitzen, betreibt man sie häufig in der sogenannten Darlington-Schaltung. Dabei schaltet man vor die Basis des Leistungstransistors einen weiteren Transistor in Kollektorschaltung. Dieser verstärkt den Basisstrom und damit auch den Ausgangsstrom des Leistungstransistors. Bei sogenannten Darlingtontransistoren sind beide Transistoren bereits in einem Bauteil integriert. Die Ausgangsspannung solcher Darlingtonschaltungen liegt etwa 1,4 V unterhalb der Kollektorspannung, also der Versorgungsspannung.

Der Leistungstransistor muß mit einem Kühlkörper versehen werden, der für eine Verlustleistung entsprechend dem Produkt aus Versorgungsspannung und dem maximalen Ausgangsstrom ausgelegt ist. Beispiel:

• BD677 als Darlingtonleistungstransistor
• 30 °C Umgebungstemperatur
• 15 V Eingangsspannung
• 1 A Ausgangsstrom

Damit beträgt die maximale Verlustleistung 15 V * 1 A = 15 W.

Rthk = (180 °C - 30 °C) / ( 15 V * 1 A ) - 3,5 °C/W
     = 150 °C / 15 W - 3,5 °C/W 
     = 6,5 °C/W 

Abzüglich 20 % Sicherheit wählt man einen Kühlkörper mit maximal 5,2 K/W.

Bei einem Stromverstärkungsfaktor des Darlingtontransistors von ca. 1000 beträgt der Basisstrom bei 1 A Ausgangsstrom nur 0,001 A (1 mA). Der Querstrom durch das Potentiometer soll mindestens das 10fache des Basisstroms betragen, also größer sein als 10 mA. Nach dem Ohmschen Gesetz R = U / I ergibt sich als Maximalwert 15 V / 10 mA = 1,5 kOhm. Wir wählen also 1 kOhm, so daß sich ein Strom von I = U / R = 15 V / 1kOhm = 15 mA errechnet. Die Belastbarkeit des Potis muß mindestens 15 V * 15 mA = 225 mW = 0,225 W betragen. Typischerweise haben Standardpotis 0,25 W als zulässige Belastung.

Fahrregler mit Überstromschutz

Damit haben wir unseren ersten elektronischen Fahrregler im Prinzip komplett. In der Praxis muß man ihn aber mindestens noch um eine Überstromsicherung ergänzen, damit die Elektronik nicht bei einem Kurzschluß z. B. infolge einer Entgleisung beschädigt wird. Es empfiehlt sich, diese Sicherung elektronisch aufzubauen. Schmelzsicherung wären auf Dauer zu teuer. Solche elektronischen Überstromsicherungen messen den Ausgangsstrom, indem sie einen kleinen Widerstand in die Ausgangsleitung legen. An diesem Widerstand fällt nun gemäß des Ohmschen Gesetzes eine Spannung ab, die proportional zum Strom ist. Das heißt, daß die Spannung an diesem Meßwiderstand ein genaues Maß für den Strom ist. Überschreitet nun der Strom die festgelegte Maximalgrenze, überschreitet auch die Spannung am Meßwiderstand eine bestimmte Größe. Man wählt nun den Meßwiderstand im allgemeinen so, daß bei dem gewünschten Maximalstrom etwa 0,7 V an dem Meßwiderstand abfallen. Diese 0,7 V reichen aus, um einen Transistor leitend zu machen, der die Ausgangsspannung und damit den Ausgangsstrom der Darlingtonstufe reduziert. Dies geschieht, indem der Stromüberwachungstransistor dem Leistungstransistor die Basisspannung entzieht.

Bei einem maximalen Ausgangsstrom von 1 A ergibt sich ein Widerstand von R = U / I = 0,7 V / 1 A = 0,7 Ohm als Meßwiderstand. Wir wählen 0,68 Ohm als nächsten Normwert aus. Dieser Widerstand muß mit P = U * I = 0,7 V * 1 A = 0,7 W belastbar sein, so daß wir zu einem 1 W-Widerstand greifen.

Wenn wir nun den Fahrregler mit der oben beschriebenen Spannungsversorgung und -stabilisierung kombinieren, fällt auf, daß wir 2 relativ große Kühlkörper benötigen (einen für die Spannungsstabilisierung und einen für den Fahrregler). Durch Änderung der Elektronikspannungsversorgung kann der Kühlkörper für die Spannungsversorgung eingespart werden. Dazu versorgt man lediglich das Poti des Fahrreglers aus der stabilisierten Spannung (in der Praxis sind häufig noch andere Elektronikteile mit dieser Spannung zu versorgen). Der Leistungstransistor wird aus der unstabilisierten (aber geglätteten) Spannung versorgt. Dabei übernimmt der Leistungstransistor gleichzeitig die Stabilisierung der Fahrspannung. Der Kühlkörper für den Leistungstransistor muß nun allerdings für die höhere unstabilisierte Spannung ausgelegt werden. Der Kühlkörper für die Spannungsversorgung braucht dann lediglich für den Strom der Elektronik selbst dimensioniert zu werden, der sehr gering ist. Unter Umständen benötigt man dann keinen Kühlkörper für den 7815 mehr.

Ein Nachteil dieser Schaltung ist, daß sie nur positive Spannungen bereitstellen kann. Das bedeutet, daß Gleichstromloks nur in einer Richtung fahren können. Um in beiden Richtungen fahren zu können, kann man

• einen Polwendeschalter zwischen dem Fahrregler und dem Gleis einbauen. Dabei hat man am Gleis keinen festen Massebezug mehr. Außerdem müssen die Gleisabschnitte durch Trennungen beider Schienen voneinander isoliert werden. Diese Schaltung kann zu Problemen mit Gleisbesetztmeldern führen, die eine feste Masseverbindung benötigen.
• den Fahrregler für negative Spannungen quasi verdoppeln. Dabei bleibt ein Gleis (das linke) ständig mit der Masse (0 V) verbunden.

Im Wechselstromsystem kann man mit einem Umschalttaster 24 V anlegen. Der Fahrreglerausgang darf während des Umschaltimpulses keine Verbindung zum Gleis haben.

Pulsbreitenmodulation (PWM = pulse width modulation)

Stark vereinfacht ist das Drehmoment eines Lokmotors linear von dem Motorstrom abhängig, der durch ihn fließt. Bei niedrigen Fahrspannungen ist daher auch das Drehmoment und die Zugkraft gering. Feinfühliges Rangieren ist bei niedrigen Spannungen wegen der Lagerreibung in den Getrieben kaum möglich. Diese Lagerreibung muß der Motor zunächst überwinden. Dazu muß er ein sogenanntes Losbrechmoment überschreiten. Wenn sich die Lok in Bewegung gesetzt hat, verringern sich die Reibungskräfte und die Lok beschleunigt. Nun kann die Spannung am Fahrregler wieder reduziert werden. Diesen Effekt hat jeder Modellbahner wohl bereits beobachtet.

Impulsbreitenmodulation

Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Motor stets mit der vollen Fahrspannung zu betreiben, so daß sich ein hoher Motorstrom und ein hohes Drehmoment ergibt. Diese Spannung liegt dann jedoch nicht wie bei den oben besprochenen Spannungssteuerungen die gesamte Zeit über an, sondern lediglich in kurzen Impulsen. Das ganze wiederholt sich so schnell, daß aufgrund der Massenträgheit von diesen Impulsen nichts zu merken ist. Je kürzer die Impulse im Verhältnis zur Pause ist, desto langsamer fährt die Lok; je länger sie sind, desto schneller fährt sie. Typischerweise verwendet man hierfür Frequenzen zwischen 50 Hz und einigen 100 Hz. In Digitaldekodern wird dieses Verfahren mit Frequenzen bis 10 kHz und mehr eingesetzt. (Anmerkung: Glockenankermotoren (z. B. von Faulhaber) quittieren diesen Impulsbetrieb ohne zusätzliche Maßnahmen mit einer stark verkürzten Lebensdauer.)

Ein weiterer Vorteil der Pulsbreitenmodulation besteht in der geringen Verlustleistung der Leistungstransistoren. Wie auch bei den einfachen Spannungssteuerungen müssen die Impulse, die von der Fahrreglersteuerung kommen, für den Betrieb von Lokomotiven mit Leistungstransistoren verstärkt werden. Dabei werden sie im Schalterbetrieb eingesetzt, der durch zwei Zustände gekennzeichnet ist:

• aus: Die Spannung und der Strom sind 0
• ein: Am Ausgang liegt die volle Betriebsspannung (abzüglich der Transistorrestspannung) bei maximalem Strom.

Die Verlustleistung des Leistungstransistors beträgt dabei P_Verlust = U_Rest * I. Die Restspannung beträgt entweder 1,4 V bei einem Darlingtontransistor in Kollektorschaltung oder 0,3 V bei einem Leistungstransistor in Emitterschaltung. Daraus resultiert eine sehr geringe Verlustleistung, so daß man häufig sogar ohne Kühlkörper auskommen kann. Vor allem aus diesem Grund wendet man die Pulsbreitenmodulation auch in Digitaldecodern an. Außerdem läßt sich die PWM leicht mit einem Microcontroller erzeugen. Durch die im Lokmotor in den Impulspausen entstehende Gegeninduktionsspannung lassen sich auch Lastregelungen einfach realisieren. Die Pulsbreitenmodulation hat durch die Verwendung in Digitaldecodern erhebliche Verbreitung gewonnen.

Phasenanschnittssteuerungen

Phasenangeschnittener Wechselstrom

Eine weitere Möglichkeit zur Geschwindigkeitssteuerung besteht darin, von den Sinuswellen des Wechselstroms nur Teile zu verwenden. Diese sogenannte Phasenanschnittssteuerung ist sehr einfach aufzubauen. Sie findet u. a. auch in Lichtdimmern und Bohrmaschinen Anwendung.

Spannung eines Trafos am Fahrstromausgang

Wie wir schon gesehen haben, besteht der Fahrstrom herkömmlicher Gleichstromtrafos aus einem pulsierenden Gleichstrom. Auch diese Spannung läßt den Einsatz von Phasenanschnittssteuerungen zu. Aufgrund der einfachen Bauform wird sie häufig als "elektronisches Getriebe" in Loks eingebaut, um eine dauerhafte Geschwindigkeitsreduzierung der Lok ohne Getriebeumbau zu ermöglichen.

Phasenangeschnittener pulsierender Gleichstrom

Solche "elektronischen Getriebe" funktionieren jedoch nicht zusammen mit PWM oder reinen Spannungsreglern, wie sie oben vorgestellt wurden.