Montag, 7. April 2014

Verbesserter C-Gleis-Weichenantrieb

Im Jahr 2011 ersetzte Märklin den Weichenantrieb 74490 des C-Gleises durch die überarbeiteten Varianten 74491/74492. Man erhoffte sich eine Erhöhung der Lebensdauer, doch umsonst. Nach wie vor versagen die Endschalter reihenweise ihren Dienst, zum Teil schon nach wenigen Wochen.

 

Die gängige Lösung ist es, die Endschalter zu überbrücken. Damit verliert der Antrieb seine Endabschaltung, bei Dauerstrom würde er also durchschmoren. Außerdem setzt man so die Rückmeldung außer Kraft.

Ich bin einen anderen Weg gegangen und habe die Endschalter mit Freilaufdioden und RC-Gliedern verlängert. Wie ich das gemacht habe, zeige ich hier.

Eine Warnung vorweg: die zu erwartende Lebensdauerverlängerung konnte nicht im Test bestätigt werden. Sowohl der umgebaute Weichenantrieb als auch der zur Kontrolle betriebene herkömmliche Antrieb überlebten die Weichen, in die sie eingebaut waren.

Das Problem


Ein typischer Doppelspulenantrieb ist ganz einfach aufgebaut: Zwei Spulen, zwei Schalter und - bei Märklin - zwei Varistoren. Im Ersatzschaltbild entspricht jede Spule einer Reihenschaltung aus einer Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R. Letzteren können wir einfach messen, er liegt bei etwa 12Ω. Daher wissen wir, dass der maximale Spulenstrom bei 18V Betriebsspannung 1,5A beträgt.


Der Strom durch eine Induktivität kann sich nicht sprunghaft ändern. Wenn der Antrieb seine Endlage erreicht, wird der Endschalter bei vollem Betriebsstrom geöffnet. Es bildet sich ein Lichtbogen, der erst erlischt, wenn der Strom durch die Spule auf null gefallen ist. Das braucht Zeit, denn im Magnetfeld der Spule ist Energie gespeichert, und die muss in Wärme verwandelt werden.


Um diesen Effekt zu verhindern, muss man dem Strom einen alternativen Pfad anbieten. Dazu dienen die Varistoren. Wenn die Spannung an ihnen einen gewissen Wert überschreitet, leiten sie. Sie wirken damit gewissermaßen wie ein elektrisches Überdruckventil. Eine Messungen ergab, dass sie ab 38V leiten.


Der Nachteil der Varistoren ist, dass die Spannung am Schalter nicht beliebig gesenkt werden kann. Wenn die Durchlassspannung des Varistors niedriger als die Trafospannung wäre, würde er ja ständig Strom am Endschalter vorbeileiten. Das wäre nicht nur Energieverschwendung, sondern würde auch auf Dauer den Varistor zerstören. Man muss also eine andere Möglichkeit finden, die Spannung am Schalter zu mindern.

Die Freilaufdiode


Die meisten Decoder stellen an ihrem Ausgang Gleichspannung zur Verfügung, selbst wenn sie eine eigene Einspeisung für Wechselspannung haben. Für den Endschalter bedeutet das eine zusätzliche Belastung. Beim Betrieb mit Wechselspannung fällt der Strom nämlich hundertmal pro Sekunde auf Null, wenn er die Richtung wechselt. An diesem Nulldurchgang erlischt der Lichtbogen. Beim Betrieb mit Gleichspannung haben wir diesen Vorteil nicht.

Dafür kennt der Spulenstrom ab jetzt nur eine Richtung, und das kann man ausnutzen. Parallel zur Spule wird nun eine Diode in Sperrrichtung geschaltet. Sie leitet also zunächst nicht, wenn man den Antrieb einschaltet. Erst wenn sich der Endschalter öffnet, kommutiert der Strom auf die Diode. Er muss dann nicht mehr über den Endschalter fließen.


Beim ersten Antrieb verwendete ich die Diode SB140, beim zweiten die 1N4001. Letztere ist ein bisschen kleiner und billiger, erstere hat dafür nur die halbe Durchlassspannung. Die Dioden sollten möglichst nahe an den Spulen sitzen, da auch ihre Anschlussdrähte eine Induktivität aufweisen.


Die Spannung am Schalter entspricht nun schlimmstenfalls der Betriebsspannung. (Bei dieser Berechnung sind die Durchlassverluste der Diode und im Decoder vernachlässigt.) Das ist schon eine merkliche Verbesserung gegenüber dem Serienstand, aber möglicherweise immer noch nicht genug.

Der Snubberkondensator


Wäre es nicht schön, wenn der Lichtbogen gar nicht erst entstünde? Ja, aber wir müssen dann dem Strom einen Pfad anbieten, über den er schon fließen kann, bevor die Diode zu leiten beginnt. Dazu dient ein Kondensator von 100nF. Solange der Schalter geschlossen ist, ist der Kondensator entladen, und ein entladener Kondensator wirkt wie ein Kurzschluss. Der Strom kommutiert also im Moment des Abschaltens auf den Kondensator, und es entsteht erst gar kein Lichtbogen.


Damit der Kondensator entladen ist, wenn sich der Endschalter wieder schließt, habe ich außerdem einen Widerstand von 1MΩ parallel geschaltet. Damit ist der Kondensator nach einer halben Sekunde entladen. Die beiden Bauelemente wurden anstelle des Varistors eingesetzt. Je näher der Kondensator am Schalter sitzt, desto besser. Beim Widerstand ist die Position unwichtig.


Es gibt auch die Möglichkeit, den Kondensator parallel zur Spule einzusetzen. Auf sie werde ich später zurückkommen, wenn es darum geht, eine Schaltung für den Betrieb mit Wechselstrom zu finden.

Der Versuch


Soweit die Theorie. Die Praxis ist natürlich etwas komplizierter. Überall im Stromkreis verbergen sich parasitäre Induktivitäten, die nicht durch die Freilaufdiode neutralisiert werden können. Und auch der Schalter wird nicht in Nullzeit schalten. Das kann den Effekt des Snubbers vermindern, denn dieser wird in 1µs (eine Millionstelsekunde) geladen sein. Zeit also für einen Versuch.

Zum Vergleichstest werden zwei mit Dioden und Snubber nachgerüstete Antriebe mit zweien im Serienzustand verglichen. Jeder von ihnen wird mit ca. 22V Gleichstrom so oft geschaltet, bis einer seiner Endschalter ausfällt. Wie man einen solchen Versuch automatisiert und was dabei herauskommt, zeige ich nächste Woche.

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