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Hüpfersteuerung: Bauanleitung Teil 3

Der Hüpferteil: Verdrahtung und Inbetriebnahme

Folgen Sie jetzt dem Schema Verdrahtung Hüpfersteuerung (PDF 156kB), und verdrahten den Leistungsteil mit einem Draht oder einer Litze von 1.5mm² oder besser 2.5mm² Querschnitt, beides sollten Sie im Baumarkt bekommen. Conrad bietet Lausprecherlitze von 2.5mm² an (607878 schwarz, 607827 weiss, 609005 grau) oder schneiden Sie ein Netzkabel auf...

Bemessen der Vorwiderstände

Eine kleine Knacknuss sind die Widerstände R1...R4. Deren Bemessung ist nicht ganz einfach, ihre Werte hängen natürlich von der Stärke der Motoren ab. Wenn Ihnen die Zusammenhänge nicht mehr geläufig sind, lesen Sie den Abschnitt Steuerung von Kommutator-Motorren. Ich folge hier einem Papier von SMEX.net : Control of Model Electric Locomotives. Diese Seite der australischen Modellbahner ist voll guter Tips und darum sehr empfohlen! Ich kann Ihnen im Folgenden etwas Turnen am Ohmschen Gesetz und etwas Ausprobiererei nicht ersparen, das ausführlich dargestellte Beispiel sollte die Sache aber verständlich machen.

Sie müssen als erstes den inneren Widerstand eines Ihrer Motoren bei Stillstand messen, dieser Widerstand bestimmt die Stromaufnahme beim Anfahren. Dieser Stall Current ist wesentlich höher als der Motorenstrom unter normaler Belastung, den Sie vielleicht aus dem Datenblatt kennen, er kann bis zum zwanzigfachen der Stromaufnahme im normalen Betrieb ausmachen.

Widerstände 'Eigenbau' und Kauf, Prüflampe 12V

Bei guten Motoren finden Sie den Wert des inneren Widerstands bei stehendem Motor im Datenblatt. Andernfalls haben Sie zwei Möglichkeiten:

• Sie verbinden ein Ohmmeter mit den Motorklemmen und lesen den Widerstandswert ab. Dies ist keine sehr exakte Methode, weil zum Messen so kleiner Widerstände ein Spezialinstrument nötig ist, sie genügt aber fürs unsere Zwecke. Den Anlaufstrom berechnen Sie dann nach der Formel I = U / R (Anlaufstrom = Akkuspannung geteilt durch den Innenwiderstand).
• Sie blockieren den Motor, sodass sich die Achse nicht drehen kann, und verbinden ihn dann für zwei, drei Sekunden mit dem Akku. Ein Ampèremeter zeigt Ihnen den Strom an, den der stillstehende Motor im Moment des Anlaufens aufnimmt (engl Stall Current). Den inneren Widerstand berechnen Sie dann nach der Formel R = U / I (Innenwiderstand = Akkuspannung geteilt durch den gemessenen Strom). ACHTUNG: Das ist ein gefährliches Manöver! Der Motor liefert bei diesem Versuch sein maximales Drehmoment, seien Sie also vorsichtig!

Beispiel:
Meine Ventilatormotoren aus einem Lieferwagen zeigen folgende Werte:
Innenwiderstand gemessen mit einem Vielfachmessinstrument: 0.8Ω
der Anlaufstrom ist dann 12V / 0.8Ω = 15A

In unserem Kontroller sind die beiden Motoren beim Anfahren aus dem Stillstand in Serie geschaltet (siehe Bild):
der innere Widerstand ist also 2 * 0.8Ω = 1.6Ω
der Anlaufstrom ist dann 12V / 1.6Ω = 7.5A
mit einem Vorwiderstand von 3Ω ist der Gesamtwiderstand gleich 1.6Ω + 3Ω = 4.6Ω
der Anlaufstrom ist jetzt noch 12V / 4.6Ω = 2.6A

Ich habe die drei Widerstände gleich gross gemacht, was aber keine Notwendigkeit ist. Probieren Sie andere Kombinationen aus, wenn Sie mögen!

Beschaffen der Vorwiderstände

Hochbelastbare Drahtwiderstände liegen in der Regel nicht in der Bastelkiste herum und Konstantan-Draht zum Selbermachen ist ziemlich teuer. Ich habe also meine Widerstände aus Blumendraht von 0.9mm Durchmesser auf ein PVC-Rohr gewickelt, ein Meter ergibt ziemlich genau ein Ohm. Das sieht zwar nicht elegant aus, versieht aber den Dienst und ist zum Ausprobieren des Widerstandswerts ideal.

Die Widerstände gibt es auch zu kaufen (zB Conrad 421235 1Ω/25W oder 421545 1Ω/50W): Sie sind in einen Kühlkörper aus Aluminium montiert, müssen aber natürlich auf ein ausreichend grosses Kühlblech montiert werden. Sie sind viel kompakter als die selber gemachten und bereiten weniger Sorgen wegen des Berührungsschutzes.

Ich gehe davon aus, dass Sie nur in den Stufen 4/Serie und 4/Parallel fahren und die Stufen 1...3 rasch durchschalten. Die Widerstände werden dabei kurzzeitig überlastet, was sie aber einige Sekunden lang aushalten. Im Zweifel nehmen Sie solche mit 50 Watt Belastbarkeit.

Zusammenschalten und Ausprobieren

Versuchsaufbau: [1] Akku, [2] Lampe als Sicherung,
[3] Ampèremeter, [4] Widerstände, [5] Kontroller
[6] Hüpfer [7] Motoren

Der Versuchsaufbau auf dem Tisch dient der Prüfung des Schaltungsaufbaus, Sie dürfen also ruhig mit Laborkabeln und Krokodilklemmen hantieren, wenn Sie vorsichtig sind und an die Übergangswiderstände denken. Legen Sie dann das Ganze über die Autolampe an den Akku und probieren Sie den Kontroller aus. Die Lampe leuchtet auf, die Relais werden klappern und die Motoren werden brummen oder langsam drehen. Behalten Sie beim Schalten das Ampèremeter im Auge und schalten Sie sofort ab, wenn der Strom zu gross wird.

Und dann beginnt die Fehlersuche, bei der Ihnen eine kleine Prüflampe wie im Bild oben nützliche Dienste leistet. Ich habe an dieser Stelle einen Vormittag lang nach einem Fehler gesucht, der eindeutig unter die Kategorie Murphy gehört: Ich hatte die Relais mit ihren Nummern bezeichnet - leider falsch. Die meiste Zeit geht dahin fürs Finden des Fehlers, behoben ist er dann schnell.

Dann habe ich die Glühlampe kurzgeschlossen und die Schaltung durchgemessen. Wenn Sie die Tabelle anschauen, bedenken Sie, dass die Motoren unbelastet laufen. Unter Belastung werden die Ströme höher sein. An den Motoren liegen die 12V Akkuspannung an, der Grund liegt in den Laborkablen und Krokodilklemmen. In Serieschaltung sollten sich die beiden Motoren natürlich brüderlich in die Gesamtspannung teilen, was sie bei mir nicht taten. Offenbar laufen nicht beide gleich gut, unter Belastung wird sich das aber ausgleichen.

Ein sich drehender Motor ist ein komplexes dynamisches Gebilde, das durch Messungen mit dem Multimeter und Berechnungen nach dem Ohmschen Gesetz kaum erfasst werden kann. Bitte bedenken Sie das beim Lesen der folgenden Tabelle. Den meisten von uns ist die höhere Mathematik unzugänglich, es bleibt also nur Ausprobieren. Was wir ja von anderen Gelegenheiten gewohnt sind!

Messwerte zum Versuchsaufbau im Bild (Leerlauf, Spannung und Strom über beide Motoren)

Fazit

Ich habe im Moment (SEP-2011) kein Fahrzeug, in dem ich die Steuerung einbauen und unter Last erproben kann. Aus diesem Grund fehlt auch Widerstand R4 für die elektrische Bremse. Das wird sich aber bald ändern.

Beim Aufbau der Versuchsschaltung habe ich einige Einsichten gewonnen - hier sind sie:

• verwenden Sie ordentliche Mikroschalter, ich würde die billigen Miniaturschalter nicht mehr kaufen
• ein digitales Multimeter gehört heute selbstverständlich zur Ausrüstung, überfordern Sie es aber nicht: es ist ungenau und für Ströme über 5A absolut ungeeignet
• verwenden Sie nur Autorelais mit Umschalter, es vereinfacht die Verdrahtungsarbeit und sie sparen nichts mit den einfacheren
• im Schema sind keine Sicherungen eingezeichnet, es ist aber good engeneering practice solche vorzusehen; verwenden Sie Autosicherungen, zu denen es auch Halterungen gibt, es gibt sie bis 200A
• auf einen der Pole des Akkus gehört obligatorisch ein Hauptschalter mit einer Leistung von 100A (zB Conrad 85 48 88)

Eine aufwendige und zeitraubende Angelegenheit, der Bau dieses Fahrschalters. Keine Frage, eine PWM-Steuerung ist schneller zusammengelötet und erst noch billiger, aber halt ohne jedes Abenteuer... Berichten Sie mir von Ihren Erfahrungen!