Jens Mohr

Ingenieur  +  Betriebswirt
 

... das (H0) Modellbahnprojekt
St. Margareten 

 



 

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Jens Mohr
83224 Grassau
(Chiemsee/Achental)

 

 


Tipps zu Realisierung und Umrüstung
-- Induktivität und Kapazität --
(... oder das Problem "Endabschalter" )


Vorspann

In den diversen Foren gibt es immer wieder Diskussionen über die Thematik von nicht schaltenden Weichen, insbesondere in Verbindung mit Endschaltern.

So auch im Jan / Febr. 2012 im TC-Forum.

Im Rahmen dieser Diskussionsrunden (s.h. hier)
-- mit Nutzung dieses Links werden die Bedingungen zur Nutzung akzeptiert --
wurde von einem Modellbahn-Kollegen einige sehr gute Aufnahmen von Oszillographen-Bildern eingestellt.

Diese Aufnahmen zeigen die elektrischen Verhältnisse beim Ein- / Ausschalten einer Weichenspule sehr deutlich. Ein Schaltplan mit den Meßpunkten läßt dies für alle verständlich und reproduzierbar erscheinen.

Dieser TC-Beitrag hat mich veranlaßt hier unter Zuhilfenahme von Veröffentlichungen Dritter das Thema  

                                    Induktivität       vs.     Kapazität

zu beleuchten um für Modellbahner etwas mehr "Klarheit" in diesen Teil der Elektrotechnik zu bringen.

 

Ausgangssituation

Aufgrund der Selbstbauprojekte haben viele Modellbahner bereits Erfahrungen mit dem Kondensator gewonnen. Er ist ihnen von der "elektrischen Seite" bis zu einem gewissen Grad vertraut, auch sein Einsatzbereich.
 

Dies ist bei den Spulen eher weniger der Fall. Sie werden als "Magnetartikel" angeschlossen und fertig.
In Selbstbauprojekten wird selten eine Spule eingesetzt und wenn schon, dann wird eine Schaltung nachgebaut.
Aus diesem Grunde haben die meisten Modellbahner keine nähere Bekanntschaft mit den Spulen und damit mit der "Induktivität"  sammeln können.
Ihr "elektrisches Verhalten" liegt gewissermaßen im Dunkeln.

Dies ist vermutlich auch der Grund, warum oft sehr unterschiedliche Meinungen in Bezug auf die Endschalter - Problematik kundgetan werden.

 

Kapazität

Der Kondensator hat die Eigenschaft (wie ein Aku), er lädt sich auf, d.h. er speichert Energie und stellt diese in Form einer Gleich - Spannungsquelle bis zur Entnahme (Entladung) an seinen beiden Anschlüssen (Polen + / -) zur Verfügung.

Zwischen seinen Polen hat der Kondensator ein Dilektrikum, dieses repräsentiert die Kapazität des Kondensators. Sie wird in Farad (F) oder Teilen davon (µF) angegeben.
Die Kapazität richtet sich nach Art, Aufbau, Ausführung des jeweils verwendeten Dilektrikums.

Wird an einen leeren Kondensator eine Gleichspannung (zum Aufladen) an die beiden Pole gelegt (z.B. Schalter wird umgelegt), so fließt im ersten Moment ein sehr hoher Strom (theoretisch unendlich); praktisch begrenzt durch die Summe der Widerstände die im Stromkreis liegen.
Der Kondensator selbst stellt im ersten Moment keinen Widerstand dar.

Es wird also ein "Ladewiderstand" benötigt, damit es zu keinem Kurzschluß - Strom kommt.

Mit zunehmender Aufladung nimmt der Stromfluß in seiner Höhe ab, um schließlich gänzlich aufzuhören. Der Kondensator ist voll aufgeladen.

Der Kondensator wird entladen, indem man die zuführende Gleich-Spannung von seinen Polen abnimmt (z.B. Schalter öffnet) und die Pole dann über einen Widerstand verbindet.
Diese Verbindung kann in praktischen Schaltungen auch permanent vorhanden sein.

Es kommt jetzt zu einem Entladestrom; die Spannung an den Polen sackt bis auf Null ab.

Weitere Erklärungen hierzu findet der Leser u.a. in den folgenden Links ...
-- mit Nutzung dieses Links werden die Bedingungen zur Nutzung akzeptiert --

http://de.wikipedia.org/wiki/Kapazit%C3%A4t_(Elektrotechnik)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik)
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0205141.htm


Typ. Einsatzfälle für einen Kondensator sind

  • Schwingkreis in der HF-Technik
  • Entkopplung von Gleichstromkreisen, aber Durchgang von HF >> Filter
  • Verzögerung von Ausschaltvorgängen im Gleichstrombereich (Relais, LED Anzeigen)
  • Einsatz zur Erzeugung einfacher Taktzeiten (Takt-Generator)

 

Induktivität

Die Spule, ein "gewickeltes Stück Draht", ist der typ. Vertreter. Sie tritt uns u.a. in Form von Trafo-Wicklungen, Relais, Weichen- und Signal- Antrieben, Servo-Motoren oder Motoren ganz allgemein entgegen.

Durchfließt ein Strom einen Leiter (Draht), dann bildet sich um diesen ein Magnetfeld aus. Die Richtung des Magnetfeldes steht in Relation zur Stromfluß - Richtung.
Diese Erkenntnis macht man sich zunutze.
Durch das Wickeln des Drahtes und der Anordnung der sich ergebenden Spulen kann man dieses Magnetfeld konzentriert zur Anwendung / Einsatz bringen.

Führt man jetzt einen metallischen Gegenstand (z.B. Eisenspäne) an / in das Magnetfeld heran, so wird dieser entsprechend der Polung des Magnetfeldes in seiner Lage ausgerichtet (Vergl. Magnetkompaß).

Für den praktischen Gebrauch wickelt man den Draht um einen metallischen Gegenstand (z.B. Anker einer Wicklung, Spulenkern bei einem Relais), so daß an dessen Enden ein Magnetfeld entsteht, welches sich entsprechend der Stromrichtung in einen NORD und einen SÜD - Pol ausbildet.

Der Motor unterteilt sich in einen Stator (feststehender Teil) und einen Rotor (beweglicher Teil). Besteht der Stator z.B. aus einem Festmagneten und der Rotor aus einer Anzahl von Spulen, so dreht sich der Motor, weil abwechselnd die einzelnen Spulen von Strom durchflossen werden, sich ein Magnetfeld ausbildet und sich die Pole der Spule von den Polen des Stators abstoßen (gleiche Polarität).

Ein Relais bewegt die Kontaktfedern deshalb, weil der magn. Pol am Spulenende ein anderes, beweglich gelagertes Metallstück anzieht, solange Strom durch die Spule fließt. Das Metallstück bewegt die Kontaktfedern (oder ist selbst ein Teil des Kotaktsatzes).

Modellbahnweichen arbeiten mit zwei Spulen. In und zwischen ihnen befindet sich ein beweglich angeordnetes Stück Metall.
Wird eine der Spulen von Strom durchflossen, dann bewegt sich das Metall zu dieser Spule hin.
An das Metall ist ein Mitnehmer angeordnet, der die Bewegung auf die Weichenzungen überträgt.

 

... und die elektrischen Vorgänge

Legt man an die Drahtenden einer Spule eine Spannung an (z.B. schließt einen Schalter), dann beginnt ein Strom erst langsam zu fließen; seine Stromhöhe steigt zeitlich gestreckt von Null an, bis zur Begrenzung durch den Widerstand der Spule (Drahtlänge + Material), sowie den Widerständen die ansonsten noch im Stromkreis liegen.

Mit Erreichen dieses max. Stromwertes wirkt die Spule durch das Magnetfeld als Energiespeicher.
Diese Eigenschaft wird als Induktivität bezeichnet und u.a. in Henry (H) oder Teilen davon angegeben.

Anmerkung:
Diese Maßeinheit hat sich im Laufe der Jahre mehrfach gewandelt; alle Maßeinheiten sind aber unter einander umrechenbar.

Unterbricht man jetzt den Stromkreis (z.B. durch Öffnen des Schalters, Sperren eines Transistors), dann wird die Energie des Magnetfeldes dadurch abgebaut, daß der Strom in der gleichen Richtung weiter fließen will / muß / soll.
Dies bedeutet, daß sich ein Spannungsfeld mit umgekehrter Polarität als das bisherige aufbaut (theoretisch unendlich hoch), was den Strom antreibt.

Nimmt man nur die ursprüngliche Versorgungsspannung weg und würde parallel zur Spule einen Widerstand schalten, dann würde man sehen, wie die "Gegen-Spannung" sprunghaft ansteigt und sich langsam abbaut. Der Stromfluß folgt dieser Kennlinie und sackt langsam auf Null ab.

Weitere Erklärungen hierzu findet der Leser u.a. in den folgenden Links ...
-- mit Nutzung dieses Links werden die Bedingungen zur Nutzung akzeptiert --

http://de.wikipedia.org/wiki/Induktivit%C3%A4t
http://de.wikipedia.org/wiki/Spule_(Elektrotechnik)
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0207221.htm

Typ.   Einsatzfälle für einen Spulen sind

  • Schwingkreis in der HF-Technik
  • Verwendung in Relais aller Art
  • Verwendung in Motoren
  • Verzögerung von Einschaltvorgängen im Gleichstrombereich

 

Bedeutung für die Modelleisenbahn ???

In der Modelleisenbahn gibt es vielfältige "Magnetartikel". Wie der Name schon aufzeigt, es handelt sich immer um Bauteile mit Induktivitäten.

Je nachdem was der Entwickler "bewegen" will und wieviel Platz er hat, kommen immer unterschiedliche Bauformen zustande. Damit auch unterschiedliche elektr. / mechanische Bauteile und "last but not least" unterschiedliche Induktivitäten.

Zu "analoger Modellbahnzeit", da waren diese Bauteile noch robust ausgeführt. Die Folge, der Nutzer konnte seinen Finger ungestraft lange auf dem "Klingelknopf" lassen und z.B. die Weiche schalten. Die Weiche schaltete -- es ging nichts kaputt.

Anders in der heutigen, "digitalen Modellbahnzeit". Alles wurde baulich kleiner, filigraner und damit änderten sich auch die elektr. / mechan. Bauteile.

Ein zu langer Stromfluß durch eine Weichenspule / Signalspule endet wegen Überhitzung der Spule "tödlich"; d.h. die Drahtisolierung schmilzt, es kommt zu einem Kurzschluß und die Weiche schaltet nicht mehr oder nicht mehr zuverlässig.

Zur Verhinderung eines zu langen Stromflusses wurden fast überall sogenannte Endschalter eingebaut. Diese Schalter schalten die Spannung ab, wenn die Endstellung der jeweils gewünschten Spulen-Bewegung erreicht ist.

Leider, so zeigen die Diskussion, haben die Hersteller nicht alle Hausaufgaben sorgfältig gemacht und die elektrischen Verhältnisse, wie sie bei einer Induktivität herrschen, verinnerlicht.

Beide zuvor genannten Punkte, Abschaltspannung ("Gegen-Spannung") und Abschalt-Strom können jetzt für den Endschalter "tödlich" sein / werden.

Die sehr hohe, umgepolte Abschaltspannung führt bei elektronischen Bauteilen, wie z.B. Transistoren zur Zerstörung der Sperrschichten, so sie nicht durch sog. "Freilaufdioden" gegen diese Spannung geschützt werden.

Zwischen den sich öffnenden Kontakten von Relais bzw. Endabschaltern bildet sich ein Widerstand in Form eines Dilektrikums (Luft, Gas) aus. Die hohe Spannung ionisiert diese teilweise, damit der Strom weiter fließen kann. Bei der Ionisierung kommt es zu einem Abbrand des Kontaktmaterials, was über die Zeit zu Kratern auf der Kontaktoberfläche führt.

Der Abbrand steht u.a. in Relation zum Kontaktmaterial, Luft / Gas was den Kontakt umgibt, Kontaktabstand (offen), Geschwindigkeit des Öffnens und natürlich zur Höhe des Abschaltstroms selbst.

 

Der Endschalter muß also so dimensioniert sein, daß er die hohe Spulen-Abschaltspannung als auch den Strom unbeschadet beherrscht.

Sind all diese Faktoren nicht ausreichend bei der Entwicklung berücksichtigt worden, dann kämpft der Modellbahner mit Ausfällen und Unregelmäßigkeiten.

... und warum gibt es jetzt so verschiedene Aussagen über Maßnahmen ???

Hier sei das eingangs erwähnte Beispiel exemplarisch herangezogen.

Die Fa. Märklin hat in den vorliegenden Weichen des C-Gleissystems als auch des K-Gleissystems baugleiche und soweit zu erkennen ist elektrisch gleiche Endschalter eingebaut. Dieser Endschaltertyp hat konkrete, spezifizierte elektrische Kennwerte.

In den Weichen sind allerdings unterschiedliche Spulen und damit Induktivitäten eingebaut.
Wie das Beispiel zeigt, benötigt die C-Weiche einen geringeren Spulenstrom zum Schalten als die K-Weiche, bei gleicher Versorgungsspannungshöhe.

Damit muß auch der Endschalter in der C-Weiche weniger Strom abschalten, als der Kollege in der K-Weiche.

Ein weiteres Moment ist die jeweils wirklich eingesetzte Versorgungsspannung.
Der Modellbahner, der im Beispiel das C-Gleis einsetzt, den störte das "klack" beim Schalten der Weiche. Er setzte die Versorgungsspannung soweit herunter, daß die Weiche "gerade noch sicher" schaltet, dabei aber wesentlich leiser ist.

Durch diese "unbewußte" Vorsorge, kam jetzt eine weitere Stromabsenkung, im Vergleich mit der K-Weiche zustande, so daß im Ergebnis der Abschaltstrom sich sehr dem zulässigen Wert des Kontaktes genähert hat.

Das der Kontakt noch leicht überfordert wurde, zeigte sich in der Messung des Kontaktwiderstandes, der sich von 0 Ohm auf ca. 1 Ohm im Laufe der Jahre geändert hat.

Bei der K-Weiche liegen die Verhältnisse anders. Eine Versuchsreihe hat gezeigt, daß die min. Stromflußhöhe immer noch wesentlich über dem max. Wert des Endschalters liegt.
Diese Endschalter können durch eine Reduktion der Versorgungsspannungshöhe nicht geschützt werden.

 

Diese Ausführungen sollten den Blick öffnen, daß man schon sehr viel genauer hinschauen muß um zu verstehen, warum es bei dem einen "immer noch geht", beim nächsten "noch gerade geht" und beim Dritten "gar nichts geht".

 

... Betrieb mit Gleichspannung vs. Wechselspannung ???

Das elektrische Prinzip, wie oben dargestellt, gilt immer, d.h. für beide Spannungsverläufe gleichermaßen.

Lediglich kehren sich die elektrischen / magnetischen Verhältnisse bei der Wechselspannung laufend (hier mit 50 Hz) um.

Zwei Dinge sind bei der Wechselspannung anzumerken.
Erstens, die Wechselspannung wird als sog. Effektivwert angegeben. Daraus folgt die max. Wechselspannung ist um den Faktor "Wurzel 2" oder ca. 1,41 höher. Dies bedeutet auch das gleiche für die Stromhöhe.
Zweitens, beim Abschalten einer Spule die mit Wechselspannung versorgt wird kommt es auf den Zeitpunkt an, wo sich der Kurvenverlauf über der Zeit befindet. Mit anderen Worten, es bildet sich eine Abschaltstrom heraus, der von Null bis zum Spitzenstrom reicht (s.oben).

Im Vergleich zur Gleichspannung / Gleichstrom, dürfte für den Kontakt des Endabschalters über eine längere Zeitdauer kein Unterschied in der Abnutzung entstehen.

Dazwischen liegt noch der Betrieb mit einer sog. Einweggleichrichtung.

Hier wird die negative Halbwelle der Versorgungsspannung quasi bildlich nach "oben" geklappt. Es kommt zu keiner Umpolung, aber für den Stromfluß und seine Höhe spielt das keine Rolle. Die Verhältnisse bleiben für den Strom gleich, wie zuvor aufgezeigt.

 

Einen weiteren Beitrag findet der Leser hierzu in dem folgenden Link ...
-- mit Nutzung dieses Links werden die Bedingungen zur Nutzung akzeptiert --

http://www.tc-wiki.de/index.php/Datei:Schalten_von_induktiven_Lasten_im_Zusammenwirken_mit_TC.pdf


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Der Leser soll selbst auf dem Markt recherchieren und für seine Bedürfnisse selbst entscheiden welches Produkt er einsetzen will und wo er sich dieses beschaffen möchte.

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Analoges gilt für die erwähnten
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