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PWM-Steuerung - so funktionierts

Das Bild rechts stellt eine PWM-Steuerung dar. Der Taster, den Sie früher gesehen haben, ist jetzt durch einen Leistungs-Transistor ersetzt. Statt Ihrer Hand gibt jetzt ein Impulsgeber den Takt an und durch ein Stellglied teilen Sie der Steuerung Ihre Wünsche nach schneller oder langsamer Fahrt mit. Diese drei Teile werden wir jetzt genauer betrachten.

Der Leistungs-Transistor

In modernen PWM-Steuerungen kommen Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistors oder eben MOSFETs zum Einsatz. Das wunderbare Wort sagt etwas über ihren inneren Aufbau aus, was uns aber hier nicht näher beschäftigen muss. MOSFETs haben gegenüber anderen Transistoren zwei entscheidende Vorteile:

  • sie brauchen nur eine kleine Steuerspannung um grosse Ströme zu schalten,
  • sie schalten extrem schnell und arbeiten darum verlustarm, dh sie erwärmen sich kaum.

Sie ersetzen also den Taster auf fast ideale Weise, sie haben die früher üblichen normalen Leistungstransistoren verdrängt.

Wenn Sie Ihre Kenntnisse über MOSFETs vertiefen wollen, schauen Sie einmal hier nach:

Der Impulsgeber

In dieser BlackBox entsteht das PWM-Steuersignal für die MOSFETs, sie übersetzt also gewissermassen Ihre Eingabe am Stellglied in die PWM-Impulse. Es gibt dafür verhältnismässig einfache Lösungen, heute werden aber gern MikroProzessoren eingesetzt, obwohl das mE nicht zwingend ist. Der Impulsgeber enthält ausserdem meist

  • eine Einrichtung zum Ändern der Drehrichtung des Motors,
  • eine Sicherung, welche die MOSFETs vor Überlastung schützt,
  • einen Tiefentladeschutz für den Akku,
  • evt einen Verpolungsschutz für den Akku.

Diese Zusatzfunktionen sind nicht unbedingt erforderlich. Sie erleichtern Ihnen aber das Leben und verlängern die Lebensdauer Ihrer Steuerung und Ihres Akkus signifikant. Und wenn Kinder mit Ihrer Bahn fahren dürfen, können Sie nie genug Sicherheit einbauen.

Das Stellglied

Das Stellglied ist im einfachsten Fall ein Dreh- oder Schieberegler - also ein Potentiometer -, wie Sie ihn von Ihrer HiFi-Anlage kennen, oder ein Pedal, ähnlich dem einer Nähmaschine. In diesen Fällen bleiben Sie mit Ihrer Lok über ein Kabel verbunden.

Möchten Sie lieber drahtlos fernsteuern? Alles ist möglich: Von der Infrarot-Fernsteuerung ähnlich derjenigen beim Fernseher bis zu einer Flugmodell-RC-Steuerung ist alles denkbar. Die verschiedenen Systeme unterscheiden sich vor allem in der Reichweite und sicher im Preis.

Ein-, zwei oder vier Quadranten?

Die PWM-Steuerung kann in drei verschiedenen Varianten aufgebaut werden. Es wichtig, diese zu kennen, denn sie unterscheiden sich in der Leistungsfähigkeit und im Preis.

ein Quadrant

Dies ist die einfachste Form der elektronischen Steuerung, Sie erkennen im Bild rechts sofort die obere Skizze wieder! In einem einzigen Kreis fliesst der Strom von der Batterie durch den Motor und den MOSFET zurück in die Batterie. Er ist mit Fahrt bezeichnet, diese Steuerung hat nur einen Fahrkreis. Wenn Sie rückwärts fahren wollen, müssen Sie den Motor umpolen. Links:

zwei Quadranten

Für das Fahren erkennen Sie die gleiche Anordnung wie bei der ein-Quadrant-Steuerung. Auch hier gilt: Rückwärtsfahren nur mit Umpolen des Motors. Der zusätzliche Kreis ermöglicht Ihnen, zu bremsen und die Energie in die Batterie zurückzuspeisen (Nutzbremse, Rekuperation).

  • VorwärtsFahrt: MOSFET 'Fahrt' erhält ein PWM-Signal, MOSFET 'Freilauf' sperrt
  • VorwärtsBremse: MOSFET 'Fahrt' erhält ein PWM-Signal, MOSFET 'Freilauf' führt die Energie zurück zum Akku.

Links zu 4QD:

Bitte übersehen Sie nicht: Für diese 1- und 2-Quadrant-Steuerungen brauchen Sie einen Umpolschalter, wenn Sie auch rückwärts fahren wollen. Solche Schalter für 50...100A sind schnell teurer als der Mehrpreis einer vier-Quadrant-Steuerung!

vier Quadranten

Die vier Transistoren wirken zusammen als PWM-Steuerung für Fahrt und Bremse sowie Motor-Umsteuerung:

  • VorwärtsFahrt: MOSFET 1 leitet, MOSFET 4 erhält ein PWM-Signal, der Strom fliesst entsprechend der blauen Linie
  • RückwärtsFahrt: MOSFET 3 leitet, MOSFET 2 erhält ein PWM-Signal, der Strom fliesst entsprechend der grünen Linie
  • VorwärtsBremse: MOSFET 4 leitet, MOSFET 2 erhält ein PWM-Signal, MOSFET 1 leitet den Strom zum Akku
  • RückwärtsBremse: MOSFET 2 leitet, MOSFET 4 erhält ein PWM-Signal, MOSFET 3 leitet den Strom zum Akku

Links zu 4QD:

Zusammenfassung

Die Beispiele habe ich der Webseite von 4QD entnommen, die Steuerungen müssen für Gartenbahnen wenigstens 20A Dauerleistung bei 24V Akkuspannung liefern können, das genügt für einen 400W-Motor. Nutzbremsung ist nur mit PermanentMagnet-Motoren möglich.

Optionen ein Quadrant zwei Quadranten vier Quadranten
Vorwärtsfahrt ja ja ja
Rückwärtsfahrt mit Umpoler mit Umpoler ja
Nutzbremse nein ja ja
Kosten gering mittel hoch

Erhältlichkeit
Preisbeispiele 2010

ELV: 24V/20A € 23.-
4QD: 12-48V/35A £ 35.-
4QD: 12-48V/70A £ 45.-

4QD: 12-56V/35A £ 40.-
4QD: 12-36V/70A £ 45.-
4QD: Uni-Series £ 50.-...80.-

4QD: 12-36V/150A £ 190.-
4QD: 12-36V/200A £ 200.-
4QD: Uni-Series £ 55.-...80.-

ACHTUNG: 2018 - Preise nicht mehr aktuell!

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Page last modified on 2018-03-06, um 10:53