Persoonlijke instellingen

Snelheidsregelaar met pulsbreedtemodulatie

Uit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende

Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Marten Weistra. Presentatie in deze vorm verzorgd door Fred Eikelboom.



Een goede start met een bijzondere pulsbreedte-snelheidsregelaar
(een eerdere versie van dit artikel verscheen in Railhobby 84/12)

Inleiding

Een veel realistischer rijden en rangeren met modeltreinen wordt mogelijk zodra u in plaats van de gewone rijstroomtrafo een snelheidsregelaar gaat gebruiken die werkt volgens het principe van variabele pulsbreedte. Dergelijke regelaars geven steeds de volle spanning aan de rails, maar dan in de vorm van snel opeenvolgende stoten of pulsen. Bij langzaam rijden duren die pulsen kort en zijn de tussenliggende pauzes relatief lang, bij hogere snelheden is dit juist omgekeerd.

Het resultaat dat men met deze kant-en-klaar gekochte of aan de hand van een publicatie zelf gebouwde apparaten kan bereiken is soms verbluffend. Toch is er, vooral bij de kleinere schalen, dikwijls nog een aarzelend op gang komen en ook de minimumsnelheid waarmee zonder haperen kan worden gereden, is niet altijd zo laag als we zouden wensen.

Weistra-regelaar00.gif
Afbeelding: 01
Twee pulsreeksen met een gelijke relatieve breedte t/T, maar van verschillende
frequentie. Beide spanningsvormen hebben dezelfde effectieve waarde, maar de
onderste geeft de motor meer tijd om in beweging te komen.
Bron: Marten Weistra

Frequentie

Uit experimenten blijkt dat dit te maken heeft met de frequentie waarmee de pulsen worden afgegeven. Bij de bekende schakelingen ligt deze bijna altijd in het gebied van 50 tot 100 Herz, waarmee voornamelijk wordt bereikt dat de trein, ondanks de in stoten aangeboden spanning, bij alle snelheden gelijkmatig en zonder schokken rijdt. Maar kiezen we nu de pulsfrequentie een flink stuk lager, dan blijken diverse modellen nog langzamer en gelijkmatiger te kunnen rijden.

Dit fraaie resultaat is te begrijpen als we bedenken dat een relatieve pulsduur van 10% bij een frequentie van 20 Herz betekent dat de motor steeds gedurende vijf milliseconden spanning krijgt, terwijl dat bij een relatief even lange puls met een frequentie van 100 Herz maar gedurende één milliseconde het geval is. Het motoranker heeft dus bij lage pulsfrequenties gewoon meer tijd om in beweging te komen, terwijl de lange pauzes er voor zorgen dat de gemiddelde snelheid laag blijft (afbeelding 01).

Waarom dan toch altijd een hogere frequentie wordt gekozen, wordt duidelijk zodra we de breedte van de laagfrequente pulsen opvoeren: de loc gaat al spoedig zo hevig schokken dat verder versnellen onverantwoord is. Gelukkig is het toch mogelijk van de winst in het gebied van de uiterst lage snelheden te profiteren zonder ongewenste effecten bij hogere snelheden, en wel door van een vaste pulsfrequentie over te gaan op een frequentie die met toenemende pulsbreedte hoger wordt.

In de nu te beschrijven schakeling is dat op eenvoudige wijze gerealiseerd door behalve de pulsbreedte ook de frequentie afhankelijk te maken van de stand van de regelknop of, bij de versie met beïnvloeding door spanning, van de grootte van die regelspanning.

Het schema

Het schema van de regelaar voor bediening met de hand ziet u in afbeelding 02. De voedingslijn bevat behalve de afvlakcondensator (elco) C1 nog een diode D1, waardoor de schakeling geen gevaar loopt als de voedingsbron per ongeluk wordt omgepoold of de aansluitdraden worden verwisseld.

De frequentiebepalende oscillator wordt gevormd door de spanningsdeler R1 t/m R3, waarmee twee niveaus worden vastgelegd, verder door C2 die via R5 wordt opgeladen van het lage naar het hoge niveau en door T1 en T2 die, zodra dit hoge niveau wordt overschreden, in geleiding komen en zeer snel, via stroombegrenzer R4, C2 weer ontladen naar het lage niveau, waarna de uitgangssituatie is hersteld en het spel opnieuw begint.

Aldus wordt over C2 een exponentiële zaagtand opgewekt, waarvan de frequentie mede wordt bepaald door de grootte van de laadstroom door R5. Doordat R5 is verbonden met de loper van potentiometer P1 en deze loper een zeker spanningsgebied bestrijkt dat bepaald wordt door de keten P1/R6, R7 en D2, kan deze laadstroom, en daarmee de zaagtandfrequentie, een factor vijf worden gevarieerd door aan P1 te draaien. Met de componentwaarden uit de onderdelenlijst levert dat een bereik op van ongeveer 20 tot 100 Herz. Van de loper van P1 wordt ook, via instelpotmeter P2, een regelspanning afgeleid. De als comparator geschakelde versterker IC1 vergelijkt deze spanning met die van de zaagtand en stuurt de vermogenstransistor T3 (hier getekend als een gewone transistor maar in feite bestaande uit twee transistoren, twee weerstanden en een beveiligingsdiode in één behuizing) via R8 open gedurende de perioden dat de regelspanning de hoogste van de twee is.

Aan de uitgang van de regelaar (punt 'A') verschijnt dan een reeks positieve spanningspulsen die rechtstreeks of via een ompoolschakelaar aan de rails kan worden toegevoerd. (Voor het rijden met wisselspanningmodellen vindt u een geschikte wijze van aansluiting in het artikel 'Märklin elektronisch...?' in Railhobby 82/3.) De pulsen worden breder naarmate de loper van P1 aan een hogere spanning wordt gelegd en omdat tegelijk de aanvankelijk lage frequentie toeneemt, wordt zowel uiterst langzaam 'kruipen' als een soepele overgang naar snel rijden mogelijk. D3 tenslotte beschermt T3 tegen de door het voortdurend in- en uitschakelen van de rijstroom ontstane inductiespanningpieken.

Weistra-regelaar02a.gif
Afbeelding: 02
Schema van de regelaar voor handbediening, met beveiliging tegen overbelasting d.m.v R9 en T4.
D4 voorkomt het afslaan van de oscillator.
Bron: Marten Weistra

Kortsluitbeveiliging

Een ander gevaar dat T3 belaagt is kortsluiting en de kans daarop is niet te verwaarlozen (ontsporingen, gereedschap op de rails), maar de onderdelen R9 en T4 maken T3 praktisch onverwoestbaar. Zodra namelijk de door de regelaar vloeiende stroom een zekere waarde overschrijdt, zal de over R9 ontstane spanningval T4 in geleiding brengen en deze schakelt T3 via IC1 onmiddellijk uit.

Door de nu weggevallen stroom spert T4 meteen weer en de regelaar hervat zijn normale functie. Zolang de kortsluiting of overbelasting blijft bestaan herhaalt zich dit snelle aan-uitspelletje. De daarbij optredende zeer kortstondige stroompieken vormen voor T3 geen enkel gevaar. Het is wel noodzakelijk dat de voeding deze stroom kan leveren, en hierbij speelt de reservoirfunctie van C1 een belangrijke rol.

Weistra-regelaar03.gif
Afbeelding: 03
Aangepast schema met aansluiting (punt 'B') voor een regelspanning. In plaats van met P1 (afbeelding 02) wordt de
spanning op het knooppunt van R5 en P2 nu gevarieerd door de stroom door T5 te beïnvloeden.
Bron: Marten Weistra

Automatisering

Voor de liefhebbers van automatisering is een versie ontworpen die reageert op een aangeboden regelspanning en afbeelding 03 toont de wijzigingen in het basisschema die dit mogelijk maken. R10 vervangt P1 en in de plaats van R7 komen R11, R12 en T5. De via R13 toegevoerde spanning beïnvloedt de stroom in de keten met T5 en daarmee de 'stand' van de regelaar.

Meestal zal deze regelspanning afkomstig zijn van een schakelaar of relais en maar twee niveaus kennen ('hoog' en 'laag'), waardoor toevoeging van C3 nodig is om de snelheidsveranderingen geleidelijk te maken.

De bouw

Weistra-print01.jpg
Afbeelding: 04
Koperzijde van de print. Na het solderen van de onderdelen kunnen
de koperbanen tegen oxidatie worden beschermd door middel van
een transparante coating of vernislaag.
Bron: Marten Weistra/Railhobby

De voor deze regelaar ontworpen print ziet u in afbeelding 04 (zie voor verkrijgbaarheid onder 'Meer informatie'). Het smalle formaat leent zich goed voor paneelmontage en kan ook samen met de niet op de print zelf aangebrachte potentiometer P1 en een ompoolschakelaar in een doosje worden ondergebracht.

De plaats van de onderdelen voor de uitvoering als handregelaar kan worden afgeleid uit afbeelding 05, terwijl afbeelding 06 de opbouw van de spanninggestuurde versie toont.

Het is het handigst met de kleinste onderdelen te beginnen en de montage te voltooien met het aanbrengen van de elco's. Let goed op de juiste stand van het IC(-voetje), de diodes, de transistors en de elco's, zoals die in beide afbeeldingen nauwkeurig is aangegeven.

Weistra-print02.jpg
Afbeelding: 05
Componenten-opstelling voor de uitvoering als handregelaar (afbeelding 02
en tabel 08). R10, R11, R12, R13, C3 en T5 worden weggelaten, terwijl de print-
aansluitingen worden uitgevoerd zoals hier getekend. R9 bestaat uit minimaal vier
parallel geschakelde weerstanden van 1 ohm (er is plaats voor zes).
Bron: Marten Weistra/Railhobby

Bovendien zijn enkele componenten voor de duidelijkheid afzonderlijk te zien in afbeelding 09. Als laatste monteert u de draden die naar de voeding, de rails of ompoolschakelaar en, afhankelijk van de gekozen versie, naar P1 of de regelspanningsbron leiden, waarbij het verstandig is deze draden te laten uitkomen in een kroonstrip of andere gemakkelijk los te nemen verbinding. Omdat de regelspanning niet hoger mag zijn dan de voedingsspanning van de regelaar zelf, is het aan te bevelen deze direct van de print te halen volgens afbeelding 07, waarin 'S' het (relais)wisselcontact is en R14 een extra weerstand die nog ter sprake komt.
Let op de voor deze versie noodzakelijke verbinding tussen twee van de print-aansluitpunten (afbeelding 06 en 07).

Voeding

Door de aanwezigheid van diode D1 kan de schakeling rechtstreeks worden aangesloten op een regelbare rijstroomtrafo (gelijkspanning of wisselspanning), op de extra wisselspanninguitgang (AC) van zo'n trafo, of op een passende willekeurige andere transformator. Kiest u definitief voor een wisselspanningsbron, dan is het opnemen van een bruggelijkrichter tussen voeding en schakeling aan te bevelen. Omdat de hoogte van de rijstroompulsen (en daarmee de snelheid) bij deze niet-gestabiliseerde voedingen varieert met de belasting (hoeveelheid stroom), kan onderlinge beïnvloeding alleen worden voorkomen door slechts één regelaar per trafo aan te sluiten of door de regelaars alleen beurtelings te gebruiken. Deze beperking doet zich niet voor bij gestabiliseerde voedingen; hierbij mogen zoveel regelaars gelijktijdig worden aangesloten en gebruikt als de capaciteit van het voedingsapparaat toelaat.

Weistra-print03a.jpg
Afbeelding: 06
Componenten-opstelling voor de geautomatiseerde uitvoering. P1 en R7 worden
weggelaten. R9 bestaat uit minimaal vier parallel geschakelde weerstanden van 1 ohm
(er is plaats voor zes). De bedrading rond de regelspanningsingang is uitgewerkt in
afbeelding 07.
Bron: Marten Weistra/Railhobby

Voor een zo groot mogelijk regelbereik is het van belang de voedingsspanning niet hoger te kiezen dan nodig is voor het bereiken van een realistische topsnelheid. Dus maximaal 8 volt voor schaal Z, 10 tot 12 volt voor schaal N en TT en voor schaal HO ten hoogste 14 volt. Bij gestabiliseerde voedingen zal de geleverde spanning meestal eenvoudig instelbaar, of in ieder geval aan te passen zijn.

Bij de overige opties ligt het vaak wat lastiger. Een rijstroomtrafo kan met de draaiknop op een geschikte waarde worden ingesteld, maar bij trafo’s met een te hoge vaste spanning zult u een aantal in serie geschakelde diodes (type 1N4001 of equivalent) moeten opnemen tussen de pluszijde van de bruggelijkrichter en de voedingsaansluiting van de print. Per diode wordt ongeveer 0,6 volt 'weggewerkt'.

Afregeling

Weistra-regelaar04a.jpg
Afbeelding: 07
Aansluiting voor de versie met spanningssturing,
waarbij de regelspanning via schakelaar 'S' wordt
afgeleid van de voedingsspanning van de print.
Met R14 (0..100 kΩ) kan het optrekken en afremmen
nog extra worden vertraagd. Het tweede en derde
aansluitpunt van de print worden met een
draadbrug doorverbonden.
Bron: Marten Weistra/Railhobby

Draai P1 linksom dicht, zet P2 met een schroevendraaiertje in de middenstand en sluit de regelaar aan op een nog niet ingeschakelde voeding of rijtrafo en een test-ovaal of rondlopend deel van uw baan. Plaats een bedrijfszekere loc op de rails, schakel de voeding of trafo in en draai P1 een stukje op. Als de loc niet op gang komt, hebt u mogelijk de voeding omgekeerd aangesloten of gebruikt u een ompoolbare rijstroomtrafo en dient deze in de andere rijrichting te worden geschakeld. Rijdt het model inmiddels wel, draai dan P1 vol open en pas de voedingsbron zodanig aan dat een bij de schaal van uw model passende topsnelheid wordt bereikt. De op deze wijze gevonden instelling zal niet veel afwijken van de hierboven onder 'Voeding' aanbevolen waarden, zodat nameten niet echt nodig is. Dat bij niet-gestabiliseerde voedingsbronnen de spanning bij langzaam rijden en stilstaan iets oploopt, is geen bezwaar.

Als hierna P1 weer linksom wordt dichtgedraaid, zal de loc zeer langzaam rijden of misschien al stilstaan. Ten slotte stelt u P2 zodanig in dat, met een klein beetje reserve, de loc niet alleen net niet rijdt, maar ook niet hoorbaar pulsen ontvangt. Het potmetertje moet na deze procedure nog steeds dicht bij het midden staan. Bij een duidelijke afwijking schakelt u de voeding uit, vervangt IC1 door een ander exemplaar en herhaalt de afregeling.

Bij de op spanning reagerende versie gaat u op vergelijkbare wijze te werk, alleen wordt nu in plaats van met P1 gewerkt met het aansluitpunt 'B'. Voor het instellen van de schaalzuivere topsnelheid wordt dit punt eerst verbonden met de plus-zijde van de schakeling en daarna, voor het afregelen van P2, met het nul-niveau, zoals aangegeven in afbeelding 07. Met de aldaar getekende externe weerstand R14 kan het tempo van optrekken en afremmen naar eigen smaak worden gekozen, waarbij een waarde van 100 kΩ als praktische bovengrens kan worden beschouwd. Voor nog langzamere snelheidsveranderingen kan de waarde van C3 worden verhoogd naar 220 μF. Overigens dient u er bij deze versie op bedacht te zijn dat met een niet-aangesloten regelspanningsingang uw trein toch langzaam maar zeker zal beginnen te rijden tengevolge van het opladen van C3 door de basisstroom van T5.

Kortsluitproef

De goede werking van de beveiliging wordt gecontroleerd door even kortsluiting te maken tussen de spoorstaven (of tussen een spoorstaaf en de middengeleider). Een rijdende loc zal onmiddellijk stoppen maar moet weer op gang komen zodra de kortsluiting wordt opgeheven, ook als de overbelasting langdurig is geweest.

Let-op.jpg
  LET OP
Tijdens deze proef mag T3 niet worden aangeraakt, omdat dit de schakelsnelheid van de transistor nadelig zou beïnvloeden, met aanzienlijke warmteontwikkeling als gevolg.

Bij een aantal locomotieven met een hoog stroomverbruik en ook bij het trekken van rijtuigen met verlichting kan de beveiliging al direct bij het wegrijden reageren, wat soms hoorbaar is aan een hoog bijgeluidje uit de motor. Door aan R9 nog één of twee weerstanden van 1 ohm toe te voegen, wordt de beveiliging ongevoeliger gemaakt.

Onderdelenlijst
IC1 μA741 of LM741   (8-pins) + voetje R1, R8 2k2
T1, T4, T5 BC557B of C R2, R3, R6, R7 1k
T2 BC547B R4 22R
T3 BD676   of equivalent R5 270k
P1 Potentiometer 10k   lineair R9   (a t/m f) 1R   (minimaal 4 stuks monteren)
P2 Instelpotentiometer 100k   10mm liggend R10, R13 10k
D1, D3 1N4001   of equivalent R11, R12 470R
D2, D4 1N4148   of equivalent C1 2200μ   35 V   of twee stuks 1000μ   35 V   axiaal
C2 100n   MKT
Alle weerstanden ¼ of ⅛ watt. C3 100μ of 220μ   25 V   axiaal

Tabel: 08

De regelaar in de praktijk

Weistra-regelaar05.jpg
Afbeelding: 09
Aanzichten en aansluiting van enkele componenten
Bron: Marten Weistra/Railhobby

Er zijn een paar dingen die u moet weten om pulsbreedteregelaars probleemloos te kunnen toepassen. Het belangrijkste verschil met gewone regelaars werd al genoemd, nl. dat ook bij lage snelheden periodiek de volle spanning op de rails staat. Omdat de door de motor opgewekte tegenspanning dan nog erg laag is, resulteert dat in forse stroomstoten waarbij piekwaarden van driemaal die welke optreden bij het rijden op gewone trafo's geen uitzondering zijn.

Dat dit niet hoeft te leiden tot schade blijkt uit de jarenlange gunstige ervaring die velen al met het rijden op pulsen hebben. Een voorwaarde is wel dat uw modellen zijn uitgerust met de gebruikelijke motor met ijzeren anker, want klok-ankermotoren zoals van Faulhaber zijn totaal ongeschikt voor laagfrequent pulserende voeding. Niettemin blijft het raadzaam de hoogte van de voedingsspanning niet groter te nemen dan nodig is voor het bereiken van een realistische topsnelheid en vooral een stilstaande loc niet langdurig met pulsen te belasten.

De meeste bekende pulsbreedteregelaars veroorzaken een zoemtoon in de motor, maar hier horen we bij lage snelheden een meer tikkend geluid. De sterkte ervan hangt af van de constructie van de aandrijving en de daarin gebruikte materialen, van de hoogte van de voedingsspanning en ook enigszins van de schaal. Zo blijken grote en zware modellen meestal het minst rumoerig, maar ook in schaal N of Z is het geluid zelden storend.

De schakeling maakt het in principe mogelijk een trein tot op de millimeter nauwkeurig te besturen. In de praktijk zal dat niet altijd lukken, want er zijn nu eenmaal modellen die ten gevolge van een gebrekkige mechanische opzet (aandrijving, stroomafname) met geen enkele regelaar tot een behoorlijk rijgedrag zijn te brengen. Zeker is wel dat we, zelfs met perfect materieel en een ideale regelaar, afhankelijk blijven van goed gelegde, schone rails om voorbeeldgetrouw te kunnen rijden met schaalsnelheden van slechts enkele kilometers per uur.


Marten Weistra, december 2013


Op de volgende pagina staat een aanvulling op dit artikel (zie: 'Meer informatie').


Meer informatie

Encyclopedie:
Externe website:
Losse print voor de rijregelaar.


Bronnen
  • Marten Pieter Weistra
  • Maandblad Railhobby, 1984, no:10. Met dank aan Ruurd de Jong.

Gerelateerde termen: Marklin, Maerklin, Mærklin



Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende
Contact met de redactie: Contact met de redactie 

Laatste wijziging: 9 okt 2017 12:19 (CEST)