schreiben Sie mir! -> mailto:peter [period] bickel [snail] orange [period] fr?subject=Gartenbahn  © Peter Bickel 2009...2018 Revision 2018 PMWiki V 2.2.105 |
Hüpfersteuerung (Widerstands-Steuerung) für Gleichstrom-MotorenDer Selbstbau eines Schleifring- oder NockenfahrschaltersIch habe mir lange den Kopf darüber zerbrochen, wie ein funktionstüchtiger und zuverlässiger Schleifring- oder Nockenfahrschalter für eine Gartenbahnlok konstruiert werden könnte. Die Sache ist wegen der hohen Ströme nicht einfach, denn bei bis zu 50 Ampère entstehen Lichtbögen beim Schalten, welche die Kontakte in kürzester Zeit abbrennen, wenn sie nicht sehr robust gebaut sind. Wir stossen hier wieder einmal ans bekannte Problem, dass wir nicht massstabgetreu bauen und gleichzeitig die Funktionalität erhalten können. Auch fühlte ich mich durch die feinmechanische Aufgabe eher überfordert. Aber vielleicht fühlt sich ein Leser dieser Seiten herausgefordert!? Was ich Ihnen hier vorstelle, ist darum kein Direkt-Kontroller, sondern eine Hüpfersteuerung. Die Schaltaufgabe ist an Relais delegiert, wie sie im Autobedarf günstig zu haben sind. Diese Lösung hat ausserdem den Vorteil, dass die Leitungen zwischen dem Fahrzeug und dem Steuerpult keine grossen Ströme führen, das Verbindungskabel also leicht und flexibel sein kann. Ausserdem können Sie Ihren Zug auch vom hintersten Wagen aus steuern, wenn Sie das lustig finden... Zuerst eine Entwarnung: So ein Fahrschalter enthält keine Elektronik, alles funktioniert mechanisch und elektro-mechanisch. Was Sie brauchen, ist etwas elektrisches Verständnis für die Schaltung und etwas handwerkliches Geschick für den Aufbau des ganzen. Niemand soll Sie davon abhalten, das Rezept zu ändern oder zu ergänzen: Es zeigt nur das Prinzip, alles andere bleibt Ihnen überlassen! Sie finden alle Teile im Versandhandel, zum Beispiel bei Conrad oder Reichelt. Die Kosten liegen um EUR 50.- und sind natürlich abhängig vom Inhalt Ihrer Bastelkiste. Die Zimmermann-SteuerungBevor ich mein eigenes Lied anstimme, möchte ich Sie auf die Produkte der Firma Zimmermann aufmerksam machen. Zimmermann glaubt an die Widerstands-Steuerung und verkauft die zum Aufbau nötigen Schalter und Widerstände. Es sind Industriebauteile von bester Qualität und entsprechend teuer und langlebig. Es ist hier vielleicht nicht der Ort für eine breite Diskussion der Widerstandssteuerung. Trotzdem: Es spricht vieles für und nur wenig gegen sie!
 Das Konzept meines BauvorschlagsDie hier beschriebene Hüpfersteuerung bietet die klassischen Funktionen Fahren und Bremsen, wie das alle historischen Fahrschalter machen. Drehen im Uhrzeigersinn bedeutet Fahren, wobei zwei Stufen Serie und Parallel durchlaufen werden, Drehen im Gegenuhrzeigersinn bedeutet Bremsen. Beim Fahren werden die Motoren über Vorwiderstände an den Akku gelegt, beim Bremsen werden die Motoren über Bremswiderstände kurzgeschlossen und damit abgebremst. Sie brauchen natürlich zwei gleiche Motoren, damit Sie das Konzept Serie-Parallel umsetzen können. Im ersten Teil der Kurbeldrehung sind die Motoren in Serie geschaltet, sie erhalten also nur die halbe Versorgungsspannung, in der zweiten Hälfte sind sie parallel geschaltet und liegen an der vollen Betriebsspannung. Beim Bremsen sind die Motoren immer in Serie geschaltet. Mein Bauvorschlag ist keine narrensichere Bauanleitung, sondern eher eine Anregung. Ich habe vier Fahr- und vier Bremsstufen vorgesehen, das ist natürlich das absolute Minimum. Beim Vorbild waren acht Stufen das Minimum, es gab aber Konstruktionen mit über zwanzig Fahrstufen. Sie sehen: Ihrer eigenen Fantasie und Schaffenskraft sind kaum Grenzen gesetzt... Und jetzt gehts los!Meine Steuerung besteht aus zwei mechanisch getrennten Teilen, dem Kontroller mit dem Fahrschalter und dem Wendeschalter und der Hüpfersteuerung mit den Leistungsrelais, eben den Hüpfern. Der Kontroller gibt die Befehle zum Schalten, die Hüpfersteuerung führt sie aus. Die beiden Teile sind durch ein leichtes und flexibles, beliebig langes Kabel miteinander verbunden. Den Kontroller montieren Sie in die Kommandozentrale Ihres Fahrzeugs oder in einen Steuerwagen, die Hüpfersteuerung liegt in der Lok so nahe wie möglich beim Akku und bei den Motoren, damit die Leitungen kurz bleiben. Den Fahrschalter können Sie auf den beiden Bildern oben gut erkennen, er ist als Hebel oder als Handrad ausgeführt. Drehen Sie den Fahrschalter im Uhrzeigersinn, arbeiten die Motoren und das Fahrzeug beschleunigt. Drehen im Gegenuhrzeigersinn bremst das Fahrzeug. Der kleine Hebel rechts ist der Wendeschalter, er hat drei Stellungen: in der Mitte Halt, rechts und links davon vorwärts und rückwärts.  Fragen Sie mich nicht, warum die Relais hier Hüpfer heissen und nicht Relais, Schützen oder Leistungsschalter - ich weiss es nicht. Im Lokomotivbau sind das einfach Hüpfer, vermutlich weil irgendein unbekannter Ingenieur ihnen diesen Namen gab. Bei der Geburt dieser Hüpfersteuerungen in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts lagen die Leistungsschalter aneinadergereiht auf einer Linie wie Hühner auf der Stange und wurden einer nach dem anderen aktiviert. Das muss wohl die Assoziation zum Hüpfen oder Springen gegeben haben. Insbesondere auch weil das Weiterschalten mit erheblichem Lärm verbunden war. Ich werde diese Schaltelemente hier konsequent Hüpfer nennen, schliesslich bauen wir Lokomotiven. Real sind es gekapselte Leistungsrelais, wie sie im Autobau Verwendung finden. Es gibt sie mit einem Arbeits- oder einem Umschaltkontakt. Die HüpfersteuerungIch stelle Ihnen zuerst die Hüpfersteuerung vor, also den Teil der Schaltung, wo die hohen Motorströme fliessen. Stellen Sie sich die Schalter im Schema als Hüpfer, also als magnetbetriebene Schalter vor. Aus didaktischen Gründen sind rechts aussen die einzelnen Schaltungsteile getrennt gezeichnet und werden auch so vorgestellt. Die Gesamtschaltung der Hüpfersteuerung können Sie als PNG herunterladen: Schaltschema (135kB). Die Teilschaltungen für Fahren und BremsenDie beiden Schaltungen unterscheiden sich nur darin, dass beim Fahren der Akku als Energielieferant und beim Bremsen der Widerstand R4 als Last im Motorenkreis liegen. R1...R3 sind die Fahrwiderstände, R1...R4 die Bremswiderstände. R1...R3 werden also für beide Funktionen genutzt. S1...S4 sind die Hüpfer und M steht für die Fahrmotoren. Fahren: In der gezeichneten Hüpferstellung fliesst kein Strom, das Fahrzeug steht still. Stellen Sie sich jetzt vor, dass Sie den Hüpfer S1 schliessen: Es fliesst Strom durch die Widerstände R1+R2+R3, der Motor beginnt sich zu drehen. Wenn Sie S2 schliessen, wird R1 überbrückt und es liegen noch R2+R3 im Stromkreis. So werden die Widerstände nach und nach ausgeschaltet, bis nach dem Schliessen von S4 der Motor an der vollen Akkuspannung liegt. Unser Fahrzeug kann jetzt fahren und bremsen, es hat aber streng genommen nur eine Fahrstufe bei geschlossenem S4, denn R1, R2 und R3 sind lediglich Anfahrwiderstände. In der Praxis werden die Stufen S1, S2 und S3 rasch durchgeschaltet, dann kann mit geschlossenem S4 beliebig lange und ohne Verluste in den Widerständen gefahren werden. Unser Fahrzeug kann auch noch nicht rückwärts fahren, es gibt noch keine Möglichkeit zum Umpolen der Fahrmotoren.  Die Teilschaltung für die Serie-Parallel-UmschaltungDie erste Ergänzung ist eine zusätzliche Fahrstufe, indem wir die Motoren zuerst in Serie und dann parallel betreiben. Zwei Umschalter sind dafür nötig, die gleichzeitig umschalten. In der gezeichneten Stellung liegen die beiden Motoren parallel, jeder erhält die volle Akkuspannung. Werden beide Schalter umgelegt, liegen die Motoren in Serie und erhalten nur noch die halbe Akkuspannung. Denken Sie sich diese Teilschaltung jetzt an den Punkten A und B in den Schemata Fahren/Bremsen eingefügt. Das Anfahren erfolgt in Serie mit den Anfahrwiderständen R1...R3, dann öffnen die Hüpfer S1...S4 und es wird auf Parallel umgeschaltet. Nochmals schliessen die Schalter S1...S4 sukzessive, bis beide Motoren die volle Akkuspannung erhalten. Auf dem Kontroller haben wir zwei Fahrstufen Serie und Parallel mit je drei Anfahrstufen, im Hintergrund werden aber die drei Anfahrstufen zweimal durchlaufen und dazwischen die Motoren umgeschaltet. Eine genial einfache Lösung!  Die Teilschaltung zur Umschaltung der FahrtrichtungUnserem Fahrzeug fehlt jetzt noch die letzte Funktion, die Umschaltung der Fahrtrichtung. Der Fahrtrichtungs- oder Wendeschalter, wie er bei den Lokomotivbauern heisst, ist ein Umpolschalter. aufgebaut aus vier Hüpfern: S7a und S7b sind elektrisch gekoppelt und schalten gleichzeitig, ebenso S8a und S8b. Wenn alle vier Kontakte offen sind, ist die Anlage stromlos, der Wendeschalter arbeitet also gleichzeitig als Hauptschalter. Denken Sie sich jetzt den Serie-Parallel-Umschalter an den Punkten A und B des Wendeschalters angeschlossen - er sitzt dann im kleinen Rechteck - und wird vom Wendeschalter umschlossen. Mit den Anschlüssen C und D kommt das ganze schliesslich an die Punkte A und B der Fahren/Bremsen-Schaltung. Ihre Hüpfersteuerung ist betriebsbereit! Sie haben recht: Man könnte die vier Hüpfer S7 und S8 durch zwei Umschalter ersetzen. Dann ist aber in der Ruhestellung der Umschalter aber ein Kontakt geschlossen, unser Wendeschalter hätte also keine AUS-Stellung. Ich habe darum die gezeichnete Lösung gewählt, obwohl sie etwas mehr Aufwand verlangt. Die Gesamtschaltung der Hüpfersteuerung können Sie als PNG herunterladen: Schaltschema (135kB). Wenn Sie die Funktion verstanden haben, wird es Ihnen nicht schwer fallen, weitere Anfahr- und Bremsstufen hinzuzufügen und so die Regelung weicher zu machen. Die Zahl der Stufen beim Fahren und Bremsen muss übrigens nicht gleich sein. Bei der Strassenbahn Wien sind es bis zu zwölf Stufen beim Fahren und bis zu 16 beim Bremsen. Grundsätzlich gilt: Je stärker die Motoren und je schwerer der Zug, desto mehr Stufen sind wünschenswert. Der Kontroller Mit dem Kontroller geben Sie der Hüpfersteuerung die Befehle. Er hat drei Aufgaben:
Die Teilschaltung der elektrischer VerriegelungWenn Sie sich für eine elektrische Verriegelung entscheiden, brauchen Sie einen zusätzlichen Kontakt auf der Schaltwalze, der die Nullstellung signalisiert (Schalter S9 im Schema), denn nur in dieser Stellung darf die Fahrtrichtung geändert werden. Ausserdem sind zwei kleine 12V-Relais mit je einem Arbeitskontakt nötig. Die Relais können natürlich auch die bekannten Autorelais sein, sofern der Platz in der Kontrollerbox reicht; es genügt aber jedes Relais mit 12V-Spule (Spulenwiderstand um 300Ohm), es fliessen ja nur wenige mA über die Kontakte. So funktioniert der Wendeschalter mit elektrischer Verriegelung:
Die Gesamtschaltung des Kontrollers finden Sie hier: Kontroller (136kB) |
