Hallo zusammen,
hallo Peter,
vielen Dank für die Erläuterung.
Zur Kondensator-Weichenschaltung hätte ich noch eine relativ einfache Standardschaltung mit zugehöriger überschlägiger Berechnung zu ergänzen. Prinzipiell verwenden unsere 2-Leiter-Kollegen eine solche Schaltung, wenn sie beim Schalten ganzer Weichenstraßen mit nur einem Tastendruck den Trafo über einen großen Kondensator „verstärken“. Als kleinen Unterschied dazu habe ich für uns wegen der fehlenden Endabschaltung eine Entkopplung des Trafos vorgesehen, um so den Weichenschutz darzustellen. Dazu wird lediglich ein „Schutzwiderstand“ hinzugefügt, ansonsten wird unverändert
nur 1 gemeinsamer großer Kondensator für alle Weichen und Signale benötigt. Soweit der
Charme dieser Schaltung.
Gesehen hatte ich das auch schon mal irgendwo in einer Veröffentlichung, aber ohne jede Berechnung.
Jan, das beantwortet auch Deine 1. Frage, denn in den Schaltungen zuvor müsstest Du sogar für jede Spule einen Kondensator einsetzen (also 2 Stück pro Weiche).
(Deine 2. Frage: Impulskontakte werden natürlich in allen Schaltungen weiterverwendet, deshalb müssen diese Schaltungen ja den Schutz gegen mögliche Dauerströme bilden).
(ganz unten nochmal zum Anklicken)
Es wird zwischen der Gleichstrom-Spannungsversorgung und den Tastern ein Schutzwiderstand in die –entsprechend der Basisfarbkennzeichnung- schwarze Leitung eingefügt. Er begrenzt den Stromfluß im Fehlerfall (hängender Taster oder Lok auf dem Impulsgleich) auf noch verträgliche ca. 0,1 A; das ist von mir ausgetestet. Dazu muss der Widerstand unter Einrechnung von 10 Ohm für die Spule rechnerisch bei ca. 130 Ohm liegen (und belastbar sein mit mindestens 1,5 W; verfügbar bei Conrad ist ein Hochlast-Widerstand mit 120 Ohm und 5 Watt).
Hinter dem Widerstand wird nun der Kondensator mit einem Pol angeschlossen (an das schwarze Kabel), der andere Pol unmittelbar an den 2. Pol der Spannungsversorgung (also an das weiße Kabel zu den Weichenspulen); natürlich mit Beachtung der richtigen Kondensator-Polarität Plus/Minus. Die Weichenschaltung erfolgt also über die gespeicherte Kondensator-Ladung; der Trafo ist über den Schutzwiderstand dagegen weitestgehend abgekoppelt
(ein hochohmiger Widerstand 2000 Ohm parallel zum Kondensator dient lediglich einer langsamen Entladung nach Betriebsende).
Das Problem diesmal könnte allerdings die Nachladezeit sein:Wenn ich rechne, dass evtl. wie bei mir 2 Standardweichen zusammen geschaltet werden sollen, mit einer Stromstärke von 2 x 0,75 = 1,5 A über eine Impulslänge von 0,045 sec (45 msec), dann komme ich bei 14 V mit der bekannten Formel C = I x t / U zunächst auf eine erforderliche Mindest-Kondensatorkapazität von 1,5 x 0,045 / 14 = 0,0048 F.
Das sind
4800 uF, aber noch täuscht diese zu stark vereinfachte Rechnung.
Man muss nämlich erschwerend berücksichtigen, dass nur ein Teil der Ladung nutzbar ist, denn die Stromstärke ist ja nicht konstant, sondern sinkt entsprechend der Entladekurve sofort über die Impulszeit. Ich lasse in der genaueren Berechnung nun zu, dass die Stromstärke 1,5 A (für beide Weichen gleichzeitig) nur eine Anfangsstromstärke ist, die am Ende dieser Impulszeit (0,045 sec) um 25 % abgefallen sein darf. Immerhin schalten unsere Weichen ja auch noch bei ca. 11 V.
Um mit einer bekannten Formel für die „Halbwertszeit“ (Zeit für die halbe Stromstärke in der Entladekurve) rechnen zu können, nehme ich nun als Halbwertszeit etwas vereinfachend die doppelte Impulszeit = 0,09 sec für die Halbierung der Stromstärke (tatsächlich ist die Zeit etwas höher).
Die Impulszeit hatte ich als erforderliche Mindestzeit (einschließlich kleiner Reserve) früher einmal experimentell mit der Länge eines Eigenbau-Impulsstückes und variierter Lok-Geschwindigkeit ermittelt (also mit konstant 14 V und 3 Abklebungen auf der Schiene).
Die physikalische Formel für die Halbwertszeit tH = R x C x ln(2) liefert nun aufgelöst nach der Kapazität
C = tH / R x ln(2)
und damit als Zahlenergebnis C = 0,09 / 9,3 x 0,69 = 0,014 F bzw.
14000 uF , wenn R für die Weichenspulen mit 14 V / 1,5 A = 9,3 Ohm eingesetzt wird.
Verfügbar und bezahlbar sind 10000 uF-Elkos, also 2 Stück wären parallel zu schalten.
Bei Doppelkreuzungsweichen waren in der früheren Messung als Impulslänge bei mir sogar 0,075 sec erforderlich; die Stromstärke betrug 1,1 A. Hier ergibt sich trotz Einzel- Weichenschaltung somit ein Bedarf von 2 x 0,075 / 12,7 x 0,69 = 0,017 F =
17000 uF.Wenn wir an die Vereinfachung von oben denken, dass die Halbwertszeit eigentlich noch etwas höher anzusetzen ist, dann sind parallel 2 Stück der verfügbaren 10000er-Elkos Pflicht.
Das eigentliche Problem ist nun, dass nach einer stromintensiven Schaltung mit weitgehender Entladung (von Hand wird ja weit länger gedrückt als die obigen Impulszeiten angeben) für eine Nachladung einige Sekunden vergehen.
Wir rechnen: Über den Schutzwiderstand 120 Ohm fließt bei 14 V ein Anfangsstrom von 14 / 120 = 0,12 A. Selbst wenn dieser Strom in voller Höhe erhalten bliebe (was ja in der Ladekurve nicht der Fall ist), wären zum Neu-Aufladen von installierten 20000 uF- bzw. 0,02 F-Elkos 14 x 0,02 / 0,12 =
2,33 sec erforderlich (umgestellte 1. Formel mit t = U x C / I). Real über die Ladekurve dauert es wie gesagt nochmals deutlich länger (für eine z.B. 90 %-Ladung).
Bei schnellem Hintereinanderschalten mehrerer Weichen kann die Schaltung folglich versagen.
Daher habe ich mich nie zur Anwendung der Schaltung entschließen können. Falls man mit dem Nachteil der Nachladezeit klarkommt, wäre sie aber eine wirklich einfache Alternative.
Eine vielfache Überkapazität darzustellen mit 3 in Reihe geschalteten 5,5 V-Goldcaps geht übrigens nicht, da deren hoher Innenwiderstand für die Weichenströme völlig ungeeignet ist. Es gäbe bei Überkapazität sowieso auch weitere Nachteile.
Man kann jetzt die Annahmen und Zahlen natürlich noch korrigieren. Aber die Größenordnungen und möglichen Probleme werden doch anschaulich. Auch falls man dann das Ganze vielleicht nicht so kritisch sieht wie ich, muss ich aber auch von dem Fall ausgehen, dass gerade eine Lok über ein Impulsstück gefahren ist, somit mit den beiden Schleifern gleich 2x hintereinander zu Entladeströmen geführt hat, und ich nun gerade jetzt unmittelbar anschließend noch eine Weiche schalten will, auf die gerade ein Zug zufährt. Hmm……..
Ein weiterer Punkt zur Spannung ist noch zu betrachten:
Der Versorgungstrafo darf nur bei rund 10 V Gleichspannung liegen. Durch den Kondensator werden daraus dann ja rund 14 V (Faktor ca. 1,4), da die Spannungsspitzen der pulsierenden Gleichspannung gespeichert werden.
Eine Spannungserhöhung auf z.B. 17 V würde einen höheren Schutzwiderstand mit 150 Ohm erfordern und nützt daher nichts für die Nachladezeit.
Ausnahme:
Für den Fall, dass nur Weichenantriebe mit Metalldeckeln vorkommen, darf der Dauerstrom
Im Störfall (Lok auf dem Impulsstück) etwas höher liegen als die genannten 0,1 A. Auch das ist ausgetestet mit 0,15 A. Dann können auch mit 120 Ohm die 17 V eingestellt werden mit dem Vorteil, dass die Nachladung schneller erfolgt. Die Basis-Trafospannung müßte dann (ohne Kondensator gemessen) auf ca. 12 V eingestellt werden.
Auf die Alternative zu einer wie auch immer ausgeführten Kondensatorschaltung mittels
selbstrückstellender Sicherung (PTC-Sicherung), was mir ideal erscheint, werde ich wie schon geschrieben nach der Erprobung noch eingehen.
Viele Grüße
Uwe
