Wechselspannung schalten

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Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 06 Dez 2011, 02:51

Hallo

Ich experimentiere nebenbei mit verschiedenen Varianten, Wechselspannung ohne Relais zu schalten. Immerhin gibt es in der community mittlerweile zig Varianten, eine Eisenbahn jeglicher Größe aus Fischertechnik zu bauen.

In dem Zusammenhang kommt man ja irgendwann an einen Punkt, auch mal die dazugehörigen Weichen elektrisch zu schalten. Die originale BSB fährt ja auf Lehmann-Gleisen. Hierzu habe ich mir bereits vor Jahren entsprechende Weichenantriebe im Fachhandel gekauft. Und diese immer nur mit einem Relais anzusteuern ist mir auf Dauer zu "primitiv". Und ich denke, daß das mit den großen Weichen von Lehmann, die einige von euch favorisieren, auch nicht anders ist.

Handsteuerungen sind natürlich eine Sache; eine vollständige Automation ist da schon was ganz anderes. Zwei Beispiele von mir waren die 3-Zug-Steuerung von 2006 in Mörshausen sowie die 2-Zug-Steuerung dieses Jahr in Münster. In beiden Fällen hatte ich die Weichen noch via Relais umgeschaltet.

Ein paar Erkenntnisse habe ich bis jetzt "eingesammelt" (zum Glück ohne durchgebrannte Elektronikteile). Wenn also Bedarf besteht, kann ich das ja noch vertiefen. Nur Triacs habe ich nicht zur Hand; dafür müßte mir jemand "auf dieser Schiene" behilflich sein.

Gruß, Thomas :idea:
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon bumpf » 06 Dez 2011, 20:53

Hallo Thomas,

Wäre das nicht etwas für Dich http://www.lgb-fan.de/forum/weichenantr ... t1322.html .
Bei meinem Entkupplungsgleis http://www.ftcommunity.de/details.php?image_id=33612 funktioniert die Schaltung einwandfrei.

Gruss bumpf
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon sven » 06 Dez 2011, 20:56

Hallo!

In Sachen Eisenbahn will ich auch noch mal was machen.
Aber ich denke da in Richtung Steuerung via Interface mit RoboPro. BSB Digital halt.
Habe einige grade und Kurvenstück (original ft bzw. besser gesagt sind es ja Fleischmann).
Nur Weichen fehlen mir noch.

Gruß
Sven
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 08 Dez 2011, 04:59

Hallo

Die Ansteuerung via RoboPro oder was auch immer sollte da kein Problem sein. Mehrere Varianten habe ich bereits getestet. Einige davon benötigen als Verbindungsglied auch einen Optokoppler; die Ansteuerung via RoboPro wäre hiermit also garantiert möglich.

Nur die obligatorische Massebrücke zwischen Steuerung und dem schaltenden Transistor (wahlweise auch MOSFET oder Thyristor) darf in mindestens einer der Varianten NICHT gesetzt werden, da dann ein massiver Kurzschluß entsteht. Ich muß also noch einiges durchtesten. Der "große Dicke" von Märklin ist hierfür gut geeignet.

Und ja, ich weiß, was ich tue! Und solange ich mit losen Elektronikteilen experimentiere, geht auch kein ft kaputt.

@bumpf: Dein Link zielt auf ein Thema, das sich mit dem Antrieb selbst - also der Lokomotive - beschäftigt.

Der eigentliche Haken insgesamt ist der, daß beliebige Automationen mit einer Gleichspannung betrieben werden. Große Stromlasten - und dazu zählen auch die mit Wechselspannung (!) betriebenen Weichen diverser Eisenbahnen - hingegen sind oft in Wechselspannung ausgelegt. Und beides zusammen verträgt sich i. d. R. nicht besonders gut.

Vielleicht finden sich im Bereich von ft noch andere Anwendungen für Wechselspannung. Meine 24V-Weihnachtsbeleuchtung und besagte Weichenantriebe der BSB sind schon mal zwei.

Gruß, Thomas 8-)
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon thkais » 08 Dez 2011, 13:30

Hallo,

man muss zum Schalten von Wechselspannung mit Halbleitern nicht unbedingt Thyristoren oder Triacs bemühen - das geht auch mit MosFETs.
MosFETs vertragen aber nur Gleichspannung, also behilft man sich eines Tricks: Man schaltet vor den MosFET einen Brückengleichrichter. So bekommt der MosFet jede Halbwelle in der richtigen Richtung ab, und wenn man Schottky-Dioden verwendet ist der Spannungsabfall auch sehr gering.
Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass man nicht unbedingt einen Nulldurchgang zur Abschaltung braucht. Gerne verwendet wird diese Schaltung bei Phasenabschnittssteuerungen (nicht zu verwechseln mit Phasenanschnitt).
Gruß
Thomas
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 08 Dez 2011, 20:34

Hallo

thkais hat geschrieben:Hallo,
Man schaltet vor den MosFET einen Brückengleichrichter. So bekommt der MosFet jede Halbwelle in der richtigen Richtung ab...


Genau diese Form der Ansteuerung probiere ich derzeit in verschiedenen Konstellationen durch. Gefunden habe ich das in einer alten Deko für eine Schaufensterbeleuchtung. Dort wird damit sogar eine 220V-Lampe im Takt geschaltet. Aber so hohe Spannungen brauchen wir ja nicht. Der Trick mit dem Gleichrichter ist natürlich genial.

Gruß, Thomas ;)
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon bumpf » 08 Dez 2011, 21:51

Hallo Thomas,
Mein Link bezieht sich auf den Weichenantrieb. Auf dem Bild ist leider ein Motor eingezeichnet. Doch wer lesen kann merkt bald das da über den Weichenantrieb geschrieben wird. Im Orginal Lehmann Stellpult wird genau diese Schaltung verwendet, angesteuert über einen Wippschalter (On-Off-On).
Am Anfang meiner ft-Eisenbahn Zeit verwendete ich auch einen Märklin-Trafo , Brückengleichrichter und Polwender damit die Lok
auch rückwärts fahren konnte.
Gruss bumpf
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 09 Dez 2011, 18:32

Hallo

@ bumpf: Dann nehme ich meine Kritik natürlich zurück.

Mit Gleichspannung habe ich's natürlich auch versucht, die Weichenantriebe zu schalten. Doch die inneren Spulen (Fleischmann-Schienensysteme) sind explizit für Wechselspannung (14 V ~) ausgelegt und reagieren bei Gleichspannung erst ab 24 V; und das kann icht gut sein.

Gruß, Thomas :roll:
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 12 Dez 2011, 04:04

Hallo

Ich bin fast durch. Allerdings hab' ich jetzt doch mal ein paar Fachfragen an die "Berufstechniker".

Im Prinzip arbeitet die Schaltung ja so, daß als "Unterbrecher" der Wechselspannung die beiden Wechselspannungsanschlüsse eines Brückengleichrichters genutzt werden. Um diesen "Schalter" zu aktivieren, müssen lediglich der Plus- und der Minusanschluß dieses Gleichrichters verbunden - also quasi kurzgeschlossen - werden.

Nun meine Beobachtung:
1. Wenn ich hierfür einen MOSFET (BUZ10) nehme, so schaltet dieser bereits ohne jede Ansteuerung geringfügig durch und erwärmt sich übermäßig.
2. Ein Thyristor schaltet verzögert erst nach etwa 1/2 Sekunde ab.
3. Normale Transistoren reagieren gut und schnell, erwärmen sich aber deutlich, trotz dessen als Last nur eine FT-Lampe geschaltet wird (aufgrund der hohen Spannung von 16 V~ hier natürlich zwei identische Lampen in Reihe).

Klar, bei einer derartigen Spannung verdoppelt sich auch die Gesamtlast, die der Transistor hier bewältigen muß. Allerdings sind Typen wie BD135, BD243 und sogar der TIP110 m. Kühlplatte für weitaus größere Lasten ausgelegt. Ein Kurzschluß läßt sich im Schaltungsaufbau definitiv nicht verifizieren, gerade, da fast alle Varianten nur via Optokoppler einwandfrei arbeiten.

Gruß, Thomas :?:
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Ad2 » 12 Dez 2011, 14:08

1. Soll nicht passieren, verbinde gate mit source und er soll definitiv 'aus' sein
2. Kann ich nicht gut erklären, soll entweder in weniger als 10ms abschalten oder (wegen ein reststrom) gar nicht.
3. Wieviel Strom fliesst da eigentlich, Sättigungsspannung ist meistens unter 1V, bei 1A wäre das nur 1W.
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 13 Dez 2011, 06:09

Hallo

Bild

Ich habe hier zum besseren Verständnis mal das Schaltprinzip als Ganzes übertragen. Messungen, wieviel Strom wo im einzelnen fließt, kann ich morgen ja mal machen.

Dieselbe Frage habe ich übrigens auch im Elektronik-Kompendium eingestellt...
http://www.elektronik-kompendium.de/forum/forum.php
eine interessante Seite rund um Elektronik.

Gruß, Thomas ;)
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Re: Wechselspannung schalten

Beitragvon Triceratops » 16 Dez 2011, 23:31

Hallo

Das waren alles sehr interessante Anmerkungen. Ein Widerstand zwischen Basis und Emitter hat die Fragen 1 und 2 übrigens vollends beantwortet.

Die Frage 3 löst sich letztlich darin, daß in der von mir aufgestellten Schaltungsweise die Basis der Transistoren überhaupt nicht richtig durchsteuern kann. Denn durch die galvanische Trennung mittels Optokoppler muß ja genau diese Steuerspannung direkt vom Kollektor entnommen werden. Und dann hilft auch nicht mehr die Anordnung als Darlington.

Lediglich die Kombination mit einem Thyristor funktioniert, da dieser, anders als Transistoren, keinen Steuerstrom, sondern einen "Zündstrom" benötigt und sich dann quasi "selber hält". Und mit einem Widerstand (10k) zwischen Gate und Kathode schaltet dieser auch präzise an und ab.

Nun zu meiner Änderung:
In der Anlage ist deutlich zu erkennen, daß ich zusätzlich zum schaltenden Transistor eine Art "Hilfsspannung" auf dieser Seite aufbaue, mit der die Basis optimal via Optokoppler angesteuert werden kann und diese dann auch korrekt durchsteuert. Allerdings "schaukelt" sich diese Hilfsspannung aufgrund des kleinen Elkos auf etwa 20 V auf, daher der verhältnismäßig große Basisvorwiderstand.

Ferner gilt:
Da der Optokoppler jetzt sozusagen als Vorstufe arbeitet, funktionieren einfache Transistoren nicht mehr. Darlington-Transistoren, MOSFETs oder Thyristoren sind damit die bessere Wahl. Ich habe die Schaltung als Ganzes sogar soweit entwickeln können, daß daraus ein richtiger PWM geworden ist. Allerdings sind hierbei Thyristoren tabu.

Warum eigentlich ein Optokoppler?
Solange ich GETRENNTE Trafos nutze für jeden Teil der Schaltung (Steuerung und Schalter jeweils für sich), dann kann ich den Emitter des Transistors mit der Masse der Steuerung direkt verbinden. Und dann - und auch NUR DANN - kann ich die Basis mit jeder x-beliebigen Steuerung direkt ansteuern. Der Aufwand wäre damit also deutlich geringer. ABER: Sobald ich EINEN Trafo für beides nutze (der große von Märklin ist hierfür ja ein Klassiker), so kann ich zwar von dort unterschiedliche Spannungsabgriffe (siehe Grafik) nutzen; allerdigs führt die zuvor erwähnte Massebrücke während einer Halbphase der Wechselspannung dann zu einem Kurzschluß.

Alles in allem arbeitet die Schaltung sehr zuverlässig. Ich habe jetzt alle Varianten über viele Stunden hinweg bei Dauerbetrieb getestet. Allenthalben die Dioden des Gleichrichters haben sich leicht erwärmt. Hier wären bei hohen Lasten also Typen wie 1n5401 die bessere Wahl (alternativ ein vergleichbarer Brückengleichrichter). Insgesamt weist die Schaltung aufgrund der Dioden einen Gesamtverlust von weniger als 2 V auf. Und am effektivsten hat sich letztlich der MOSFET (BUZ10) gezeigt. Welcher Transistor und welche Diodenkombi als Schalter für Weichenantriebe ausreicht, ergibt sich aus den technischen Vorgaben eben solcher Weichenantriebe.

Warum kein Reilais? Klar, ein Relais ist für sowas natürlich auch zu gebrauchen. So habe ich das im Prinzip auch die ganzen Jahre über gemacht. Doch ich wollte jetzt unbedingt mal was neues ausprobieren.

Überarbeitete Schaltung
Bild

Gruß, Thomas 8-)
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