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