Übersicht Fahrregler

Hobby-Elektronik:

Eine allgemeine Übersicht zu Fahrreglern für gleichspannungsbetriebene Modelleisenbahn-Lokomotiven

Bauteilliste zu Bild 2
R1,R2= o,47Ohm, P1=10k, C1,C2=2200u, D1,D2,D3,D4=1N4002,
T1=BC548C, T2=BD375, T3=BC548B, T4=BC558C, T5=BD376, T6=BC558B,
Tr= Trafo, sekundär ca. 2 x 10 Volt für Z-Loks

Auf den folgenden Seiten werden verschiedene elektronische Fahrregler für Modelleisenbahn-Lokomotiven vorgestellt. Zum besseren Verständnis der Schaltungen und zur Erleichterung der Auswahl einer Schaltung für den individuell gewünschten Zweck wird auf dieser Seite hier eine allgemeine Übersicht über die Schaltungstechnik elektronischer Fahrregler für gleichspannungsbetriebene Lokomotiven gegeben.
Die einfachsten Fahrregler bestanden früher aus einem Transformator mit verschiedenen wählbaren Spannungsabgriffen oder einem Regelwiderstand als Potentiometer oder Vorwiderstand. Der Nachteil eines Gerätes mit Regelwiderstand ist die starke Lastabhängigkeit der Fahrspannung. Statt dieser einfachen Geräte werden heute fast ausschließlich elektronische Fahrregler eingesetzt.

1) Einfache elektronische Fahrregler
Bei den elektronischen Fahrreglern übernimmt meist ein nicht vom Fahrstrom belastetes Potentiometer mit nachgeschaltetem Emitterfolger als Stromverstärker die Fahrspannungs-Regelung. Diese sogenannte Längsregelung wird auch bei elektronischen Netzgeräten angewandt. Die Grundschaltung eines solchen Fahrreglers zeigt Bild 1. Die am Regler-Potentiometer P1 abgegriffene Spannung wir über R1 auf die Basis von T1 gegeben. T1 und T2 bilden einen sogenannten Darlington-Emitterfolger als Stromverstärker. Der Emitter von T2 "folgt" der an P1 abgegriffenen Spannung (vermindert um ca. 1,4 Volt zufolge des Spannungsabfalls an den Basis-Emitterstrecken von T1 und T2) und liefert diese über R2 und den Fahrtrichtungsumschalter PW (Schalter 2 x UM) ans Gleis. (Zur Verdrahtung des PW siehe z.B. die Schaltung auf den folgenden Seiten unter (b).)
Kein Fahrregler ohne Strombegrenzung bei Kurzschluß am Gleis ! Übersteigt der Spannungsabfall an R2 ca. 0,65 Volt, so öffnet T3 und zieht die Basis von T1 nach Masse. Der Kurzschlußstrom beträgt Ik = 0,65 Volt/R2. Wählt man z.B. R2 = 0,47 Ohm, so ergibt sich ein Kurzschlußstrom von Ik = 1,4 Ampere.
Da, wie bereits gesagt, die Fahrregler den elektronischen Netzgeräten ähneln, läßt sich auch das einstellbare Spannungsregler-IC LM 317 als Fahrregler verwenden. Dessen Grundschaltung siehe weiter oben auf der Seite "Grundschaltungen mit Festspannungsreglern ...". Weitere Schaltungen mit LM 317 siehe auf den folgenden Seiten unter (g) und (h).

2) Fahrregler mit Einknopfbedienung
Während der Fahrregler nach Bild 1 einen Schalter (PW) zur Umpolung der Fahrspannung benötigt, ist dieser bei dem Fahrregler nach Bild 2 nicht erforderlich. Die Schaltung liefert in Mittenstellung des Reglerpotis P1 die Fahrspannung Null, bei Rechtsdrehung aus der Mittenstellung eine positive Fahrspannung, bei Linksdrehung eine negative Fahrspannung für Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrt. Die Schaltung besteht im Prinzip aus zweimal der Schaltung nach Bild 1 in komplementärer (spiegelbildlicher) Anordnung. Zur Spannungsversorgung benötigt man einen Trafo mit Mittelanzapfung auf der Sekundärseite oder mit zwei gleichen Sekundärwicklungen, aus denen mit zwei Zweiweg-Gleichrichtern eine positive und eine negative Betriebsspannung gewonnen wird.
Eine weitere Schaltung mit Einknopfbedienung siehe auf den folgenden Seiten unter (d).

Bauteilliste zu Bild 3 und Bild 4
R1=220Ohm, R2=0,47Ohm/1W, R3=3,3k, R4,R5=1k,
P1=10k Potetiometer,
D1 bis D6=1N4002, D7,D8,D9=1N4148,
T1=BC548C, T2=BD375, T3=BC548B,
Tr=Trafo, sekundär ca. 10 V~ für Z-Loks,
PW=Schalter 2 x UM

3) Fahrregler mit Halbwellenimpulsen
Während die unter 1) und 2) beschriebenen Fahrregler mit reiner Gleichspannung arbeiten, liefern die Fahrregler nach Bild 3 und 4 aus der Trafospannung gewonnene positive Halbwellenimpulse, die das Anfahren der Lokomotive erleichtern sollen.
Während beim Regler nach Bild 3 die Halbwellenspannung durch einen unsymmetrischen Brückengleichrichter gewonnen wird, wird beim Regler nach Bild 4 über D5, R1 eine Halbwellenspannung auf die Darlington-Stufe T1, T2 gegeben.
Im Anfahrbereich geben diese Regler eine positive Halbwellenspannung ab, die im mittleren Fahrbereich in eine Mischung aus Halb- und Vollwellen und im oberen Bereich in eine Vollwellenspannung übergeht.
Einen weiteren einfachen Fahrregler dieser Art, der sich besonders für die Märklin-Spur Z-Lokomotiven sehr bewährt hat und dessen Nachbau daher zu empfehlen ist, siehe auf den folgenden Seiten unter (b).

Bauteilliste zu Bild 5 R1=220Ohm, R2=22k, R3=10Ohm, R4=150Ohm, R5=0,47Ohm, P1=10k Potentiometer, C1=2200u, C2=100u, D1,D2=1N4148, D3=1N4002, T1=BC548C, T2=BD375, T3=BC548B, S1=1 x UM, S2=Taster, PW=Schalter 2 x UM, + Ub ca. 10 V für Z-Loks
Bauteilliste für Bild 6 R1=2,2k, R2=10k, R3,R4=100k Trimmer, R5=47k, R6=180Ohm, R7=0,47Ohm, R8=4,7k, P1=10k Potentiometer, C1=2200u, C2=100u, D1,D2=1N4148, D3=1N4002, T1=BC548C, T2=BD375, T3=BC548B, T4=2N3819 (N-Kanal-FET), S1=1 x EIN, PW=2 x UM, + Ub ca. 10 V für Z-Loks

4) Anfahr- und Bremsverzögerung (Massensimulation), Anfahr- und Bremsautomatik
Eine Schaltung zur Anfahr- und Bremsverzögerung, die mit RC-Gliedern (Widerstands-Kondensator-Kombination) zu realisieren ist, bewirkt, daß die Fahrspannung beim Anfahren und Anhalten verzögert einer Änderung der Fahrpoti-Stellung folgt. Sie soll damit elektronisch die träge Masse einer Lokomotive oder eines Zuges simulieren, was mechanisch auch mit Glockenanker-Motoren und einer Schwungmasse erreicht wird. Eine solche Anfahr- und Bremsverzögerung zeigt Bild 5. Bei Höherdrehen des Fahrpoti P1 wird zunächst C2 über R2 langsam aufgeladen, d.h. die Spannung an der Basis von T1 folgt verzögert der Einstellung von P1. Beim Herunterdrehen von P1 muß sich zunächst C2 über R2, R1, P1, D1, D2 entladen. S1 wird hierbei nicht benötigt und bleibt in der gezeigten Position (Verwendung von S1 siehe weiter unten). Eine Anfahr- und Bremsverzögerung ist auch bei dem auf den folgenden Seiten unter (e) wiedergegebenen Super-Fahrregler realisiert.
Eine Anfahr- und Brems-Automatik (meist auch mit geeigneten RC-Gliedern realisiert) dient dazu, einen Zug auf einer Blockstrecke vor einem Haltesignal bei Rot automatisch langsam abbremsend anzuhalten und bei Grün automatisch langsam anfahren und dann mit der durch den Fahrregler eingestellten Fahrgeschwindigkeit weiterfahren zu lassen. Ein mit einer solchen Automatik ausgestatteter Fahrregler benötigt also einen zusätzlichen Schalteingang, der durch das betreffende Signal betätigt wird.
Bild 6 zeigt eine vielfach bewährte Anfahr- und Bremsautomatik mit einem als variablen Widerstand wirkenden Feldeffekt-Transistor (FET). Der FET (T4) hat die Eigenschaft, daß dessen Widerstand zwischen Source (S) und Drain (D) von der am Gate (G, Eingangs-Pin des FET) liegenden Spannung abhängt. T4 in Reihe geschaltet mit P1 bildet so einen Spannungsteiler, so daß die an P1 anliegende Spannung vom Widerstand der Drain-Source-Strecke von T4 abhängt. Wird R1 über den vom Signal betätigten Schalter S1 an + Ub gelegt (Blockstellen-Signal geht auf Grün für Weiterfahrt), so steigt die Gatespannung mit der durch R3, C2 vorgegebenen Zeitkonstanten, der Widerstand der Drain-Source-Strecke des FET sinkt, die Spannung an P1 steigt und der Zug fährt langsam an und fährt mit der durch die Schleiferstellung von P1 vorgegebenen Fahrspannung weiter. Wird S1 geöffnet (Signal geht auf Rot für Halt), so entlädt sich C2 über R4, die Spannung am Gate von T1 sinkt usw. und der Zug kommt mit der durch C2, R4 vorgegebenen Zeitkonstante langsam zum Stehen. Die Anfahr- und Bremszeiten lassen sich hier separat mit den Trimmern R3, R4 einstellen
Der FET kann selbstverständlich auch bei anderen Fahrregler-Schaltung in Reihenschaltung mit dem Fahrpotentiometer eingesetzt werden.
Auch die Schaltung nach Bild 5 läßt sich unter Verwendung von S1 als Anfahr- und Bremsautomatik verwenden.
Die zuverlässige Funktion einer Anfahr- und Brems-Verzögerung oder -Automatik setzt einen sicheren Stromabnahme-Kontakt zwischen Lokomotive und Schiene voraus, da es sonst passieren kann, daß beim langsamen Anhalten der Lok diese gerade an einer Stelle mit momentaner Kontakt-Unterbrechung stehen bleibt (die Gefahr hierfür ist umso größer, je langsamer die Lok fährt) und dann natürlich auch nicht wieder anfahren kann. Die Funktion der Automatiken ist daher für Z-Lokomotiven wegen der nicht immer ganz sicheren Stromabnahme unter Umständen problematisch.

Zu Bild 7
Mit dem IC1 = 4011 (4fach CMOS-Nand-Gatter mit je 4 Eingängen, Anschlußschema siehe unten links) ist ein freilaufender Rechteckgenerator mit variablem Puls/Pausenverhältnis realisiert. Dieses wird mit dem Poti P1 verändert, das als Fahrpotentiometer dient. R3, R4, C2 bilden ein Tiefpaßfilter, über das die stromverstärkende Endstufe mit T1, T2, T3 angesteuert wird. PW ist ein Polwendeschalter (2 x UM) zum Wechseln der Fahrtrichtung. Die Schaltung ist nicht mit einer Kurzschluß-Strombegrenzung versehen !
Bauteilliste zu Bild 7
R1,R2=22k, R3,R4=10k, R5=39Ohm, R6=4,7k, R7=220Ohm, R8=10k, P1=100k, C1=0,15u, C2,C3,C5=0,1u, C4=4,7u
D1,D2=1N4148, D3=1N4002, T1=BC558, T2=BC548C, T3=BD375 (mit Kühlblech), IC1=4011
Betriebsspannung +Ub = +10 bis +12 V (für Z-Loks)

5) Fahrregler mit Impulsbreiten-Steuerung
Diese Regler verwenden Rechteckimpulse der vollen Fahrspannungshöhe, die dem Motor als Anfahrhilfe sein volles Drehmoment während der Impulsdauer verleihen. Die mittlere Fahrspannung und damit die Fahrgeschwindigkeit wird vom Verhältnis der Impulsdauer zur Impulspause bestimmt, das mit dem Fahr-Poti verändert wird. Die Regler-Endstufe wird dabei von einem Rechteckgenerator mit variablen Puls/Pausen-Verhältnis angesteuert. Die optimale Impulsfolge-Frequenz für den Betrieb von Modellbahn-Motoren liegt bei etwa 50 bis 150 Hertz. Die Rechteckgeneratoren können dabei entweder freilaufend (astabiler Multivibrator) oder netzfreuenzsynchronisiert (Mono-Flop) sein.
Einen Fahrregler mit Impulsbreiten-Steuerung zeigt vorstehendes Bild 7, weitere Schaltungen siehe auf den folgenden Seiten unter (e), (f), (g) und (h).
Bei Fahrreglern mit reiner Impulsbreitensteuerung besteht die große Gefahr, daß die Elektromotoren aufgrund der in den steilflankigen Rechteckimpulsen enthaltenen höheren Frequenzanteile (Fourier-Zerlegung) durch induktive Wirbelstrom-Aufheizung unzulässig bis zur Zerstörung erhitzt werden. Das Frequenzspektrum ist daher unbedingt durch Tiefpaßfilter zwischen Rechteckgenerator und Regler-Endstufe zu beschneiden. Da die kleinen Z-Motoren nur eine geringe Wärmeabfuhr ermöglichen und deren Kunststoff-Teile (Gehäuse und besonders die Kollektorlamellen-Fassung) hitzeempfindlich sind, ist vom Betrieb mit diesen Fahrreglern unbedingt abzuraten.
Die Vorteile von Fahrreglern mit Impulsbreitensteuerung nutzen und deren Nachteile vermeiden gemischte oder kombinierte Fahrregler, die zum Anfahren und langsamen Anhalten Impulse (konstanter Breite) verwenden und während des normalen Fahrbetriebs zu reinem Gleichstrom übergehen. Ein einfacher Regler dieser Art wurde bereits erwähnt (siehe Schaltung unter (b)), eine weitere etwas aufwendigere Schaltung, die jedoch mehr Einstellmöglichkeiten bietet, ist unter (c) gezeigt. Diese beiden Schaltungen dürften optimal für den Betrieb von Z-Lokomotiven geeignet sein.

Bauteilliste zu Bild 8
R1=1k, R2=560Ohm, R3=100Ohm, R4=10k, R5=22Ohm, P1=100k,
C1,C3=0,1u, C2=0,22u, C4=220u,
D1...D5=1N4002, T1=BC558B, T2=BC548B,
T3=TIC106D (Thyristor mit Kühlblech),
L=Kfz-Soffitten-Glühlampe 12V/10W als Kurzschluß-Strombegrenzung,
PW=Polwendeschalter 2 x UM,
Tr=Netztransformator, sekundär ca. 10 V~ für Z-Loks.
(Schaltung nach J.Köhler, Modelleisenbahn - vorbildgetreu durch Elektronik)

6) Fahrregler mit Thyristor-Phasenanschnittsteuerung
Reglerschaltungen dieser Art mit Thyristor bei Gleichstrommotoren und Triac bei Universalmotoren werden meist bei Kleinmaschinen, z.B. Handbohrmaschinen, (und bei Licht-Dimmern) wegen ihres verlustarmen Betriebs eingesetzt, sind jedoch wegen ihres steilflankigen Phasenanschnitts und der dadurch auch häufig verursachten Störung des Rundfunk- und Fernsehempfangs für den Modellbahnbetrieb wenig geeignet. Der Vollständigkeit halber ist in Bild 8 eine solche für den Modellbahnbetrieb gedachte Schaltung gezeigt.