Hobby-Elektronik: Fahrregler mit Impuls-Betrieb während des Anfahrens und Anhaltens

Diesen interessanten Fahrregler fand ich zufällig in einem älteren Heft der amerikanischen Zeitschrift MODEL RAILROADER, Heft Oktober 1978, S. 88 ff. Er erfüllt im Prinzip die gleiche Funktion wie der auf der vorhergehenden Seite beschriebene "Kombinierte Gleichspannungs-Halbwellenregler". Die leicht modifizierte und ergänzte Schaltung ist zwar aufwendiger, scheint dafür aber mehr Anpassungs-Möglichkeiten an die Fahreigenschaften der Lokomotiven zu bieten. Die Bauteile sind z.T. entsprechend dem auf dem europäischen Markt Erhältlichen geändert.

Funktionsbeschreibung
Die auf den Bildern 1 bis 3 dargestellten Teilschaltungen bilden insgesamt den Fahrregler und sind an den bezeichneten Punkten a,b,c,A,B,C,D miteinander zu verbinden. Das Kernstück der Schaltung zeigt Bild 1, die Leistungsendstufe Bild 2, ein Relais-Umschalt-FlipFlop Bild 3.
Der Fahrregler liefert Rechteckimpulse zum langsamen Anfahren und Anhalten der Lokomotive. Die Impulse erscheinen, wenn das Fahrpoti R13 wenig aufgedreht wird, bei Erhöhung der Gleichspannung durch weiteres Aufdrehen von R13 verschwinden die Impulse und erscheinen wieder, wenn R13 wieder zurückgedreht wird.
Das Fahrpoti R13 liegt an der Betriebsspannung + Ub. Die mit dem Schleifer abgegriffene Spannung wird über D3 den Transistoren T2, T1 (T1 auf Bild 2) zugeführt, die eine Darlingtonstufe bilden. Diese speist über das Polwende-Relais K1 das Gleis.
Die Impulse werden von dem als astabilen Multivibrator geschalteten Timer-IC NE 555 erzeugt. Die Pulsfrequenz beträgt ca. 70 Hz bei einem Pulspausenverhältnis von ca. 1:1. Die Impulse gelangen über R4 und R6 an T3 und von dessen Emitter an die Basis von T2, wo sie sich dem Gleichspannungspegel überlagern. Die Impulse werden durch T6 und T7 nur bei wenig aufgedrehtem Fahrpoti R13 vom 555 zur Basis von T3 durchgeschaltet. Bei höherer mit R13 abgegriffener Gleichspannung werden die Impulse über T7 nach Masse kurzgeschlossen. Mit dem Poti R10 läßt sich die Schwelle festlegen, bei der die Impulse erscheinen bzw. verschwinden. Damit läßt sich die Impulssteuerung an die speziellen Fahreigenschaften der Lokomotiven anpassen. T8 läßt die LED D2 aufleuchten, wenn (bei weiter aufgedrehtem Fahrpoti R13) keine Impulse mehr vorhanden sind und reiner Gleichspannungsbetrieb besteht.
T4 und T5 schalten die Impulse aus, wenn der Abgriff von R13 an Masse liegt, d.h. der Fahrregler auf Halt steht.
Die Schaltung von Bild 3 hat mit dem eigentlichen Fahrregler nichts zu tun, sie dient lediglich dazu, das Polwende-Relais mit einem Taster Ta umschalten zu können. Mit zwei der vier Gatter des 4011 ist ein einfaches FlipFlop aufgebaut, das mit Ta hin und her geschaltet wird und über T10 das Relais K1 für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt umsteuert. Die LEDs D4, D5 zeigen die Fahrtrichtung an.
Wer sich anstelle des Relais K1 mit einem einfachen handbetätigten Schalter 2 x UM begnügt, kann die Schaltung nach Bild 3 einfach weglassen.
Der Fahrregler hat noch kein Netzteil, das zusätzlich zu erstellen ist. Die Betriebs-Gleichspannung +Ub sollte für den Betrieb von Z-Lokomotiven ca. +10 bis +12 Volt betragen.
Die Schaltung besitzt ferner noch keine Kurzschluß-Strombegrenzung, die unbedingt vorzusehen ist. Im einfachsten Fall kann in die Emitterleitung von T1 ein Halogen-Lämpchen oder eine Kfz-Soffitten-Lampe12 Volt/10 Watt eingesetzt werden, die den maximalen Strom auf ca. 1 Ampere begrenzt.
(Seite erstellt 27.2.02, überarbeitet 13.3.09)

Praxistest
Die Fotos zeigen das Kernstück des Fahrreglers nach Bild 1 links in einem experimentellen Versuchsaufbau als "Drahtverhau" und rechts die fertig aufgebaute Schaltung auf einem Stück Lochrasterplatine 5 x 10 cm. (Zum rechten Foto: Nur die Baugruppe rechts des mittleren IC ist der Fahrregler nach Bild 1. Die Schaltung links davon mit den beiden ICs sind zwei Anpaß- und Schaltverstärker zum fernbedienten Betrieb des Fahrreglers (siehe (m): "Fahrbetrieb und Anlagensteuerung mit Infrarot-Fernbedienung").
Die Frequenz f der Impulse wird durch R1, R2, C1 bestimmt, als optimaler Wert wird allgemein eine Frequenz zwischen 50 und 100 Hz angesehen. Die Diode D1 sorgt für ein Pulspausenverhältnis von ca. 1:1 (siehe NE555-Schaltungen). Mit den angegebenen Werten beträgt f = ca. 70 Hz. Mit R1 = 13,7 kOhm und R2 = 14,3 kOhm (sorry, ich habe hier günstig erworbene 1%-Widerstände verwendet) ist f = ca. 50 Hz, mit R1, R2 = 6,81 kOhm ist f = ca. 100 Hz. Nach meinen Versuchen scheint der beste Wert für Z-Loks mit 5-Pol-Motor f = 70 Hz zu sein, Loks mit dem alten 3-Pol-Motor liefen jedoch mit 50 Hz etwas besser an. Der Unterschied war jedoch gering.
Mit R9 und dem Trimmer R10 ist der Übergang vom Impulsbetrieb zum reinen Gleichstrombetrieb sorgfältig so einzustellen, daß kein Sprung in der Fahrgeschwindigkeit auftritt. Der Wert für die Summe R9 + R10 scheint etwas vom Verstärkungsfaktor der verwendeten Transistoren abzuhängen, evtl. sind die Werte etwas zu verändern.
Die Amplitude der vom NE555 erzeugten Impulse ist für Loks mit einem gutem Motor zu hoch, so daß die Loks zu schnell anfahren. Ich habe daher den Trimmer R4a zugefügt, der mit R4 einen Spannungsteiler bildet. Mit R4a kann ein sehr sanftes Anfahren der Loks eingestellt werden. Allerdings war für sicheres Anfahren bei Loks mit 3-Poler eine etwas höhere Impulsamplitude als für Loks mit 5-Polern erforderlich. Statt die Amplitude zu verringern, falls die Lok zu schnell anfährt, kann man auch das Pulspausenverhältnis asymetrisch zugunsten längerer Pausen einstellen, indem man unter Beibehaltung des Summenwertes R2 größer und R1 kleiner wählt. Ausprobieren !
Die Kondensatoren C11, C12 bezwecken eine Minderung der Flankensteilheit der Impulse und daher Schonung des Motors.
Die Schaltung kann als festes Fahrpult aufgebaut werden, die Schaltungsteile nach Bild 1 und 2 können aber auch in ein kleines Kästchen als Walk-Around-Regler eingebaut werden, das über ein vierpoliges Kabel (die Verbindungen A,B,C,D) mit der auf der Anlage installierten Leistungs-Endstufe (Schaltung Bild 2) verbunden wird. Ich selbst betreibe den Fahrregler mit einer Infrarot-Fernbedienung eines TV-Gerätes (siehe Schaltung (m): "Fahrbetrieb und Anlagensteuerung mit Infrarot-Fernbedienung"). Dabei entfällt das Fahrpoti R13 und an der Stelle X wird über einen Anpaßverstärker die vom Digital-Analog-Wandler gelieferte Gleichspannung eingespeist.
(13.3.09)