|
|
Snelheidsregelaar met pulsbreedtemodulatie: verschil tussen versiesUit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Versie van 29 okt 2013 om 12:27
Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Marten Weistra. Presentatie in deze vorm verzorgd door Fred Eikelboom.
InleidingEen veel realistischer rijden en rangeren met modeltreinen wordt mogelijk zodra u, in plaats van de gewone rijstroomtrafo, gebruik gaat maken van een snelheidsregelaar die werkt volgens het principe van variabele pulsbreedte (pulsbreedtemodulatie). 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 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.
FrequentieUit experimenten blijkt dat dit te maken heeft met de frequentie waarmee de pulsen worden afgegeven. Bij de bekende schakelingen ligt deze frequentie bijna altijd in het gebied van 50 tot 100 Hz, 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 Hz betekent, dat de motor steeds gedurende vijf milliseconden spanning krijgt, terwijl dat bij een relatief even lange puls met een frequentie van 100 Hz, 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 (zie: afbeelding 01). Waarom dan toch altijd een hogere frequentie wordt gekozen, wordt duidelijk zodra we de breedte van de laagfrequente pulsen opvoeren: de lok 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 toeneemt met toenemende pulsbreedte. 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 schemaHet 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 zonder gevaar voor schade door verkeerde polariteit kan worden aangesloten op een ompoolbare rijstroomtrafo, en zelfs op de wisselspanningsuitgang (AC) van zo'n trafo, al is in het laatste geval tussen-schakelen van een bruggelijkrichter wel aan te bevelen. Hetzelfde geldt voor het gebruik van een willekeurige 'losse' trafo. Aansluiting op een gestabiliseerde gelijksspanningsbron is uiteraard ook mogelijk. Voor al deze voedingen geldt dat de spanning na D1 niet hoger mag zijn dan 20 Volt. Zaagtand-oscillator De eigenlijke frequentiebepalende oscillator wordt gevormd door de spanningsdeler R1 t/m R3, waarmee twee spanningsniveaus 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 stuklijst levert dat een bereik op van ongeveer 20 tot 100 Hz. 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 via R8 open gedurende de perioden dat de regelspanning de hoogste van de twee is. Aan de uitgang van de regelaar (zie: 'A') verschijnt dan een reeks positieve spanningspulsen die rechtstreeks, of via een ompoolschakelaar, aan de rails kan worden toegevoerd. (wisselstroomrijders vinden een voor hen geschikte wijze van aansluiting in het artikel 'Märklin elektronisch...?' in RH 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 geleidelijk optrekken en snel rijden mogelijk. D3 tenslotte beschermt T3 tegen de door het schakelen van de rijstroom ontstane inductiespanningpieken.
KortsluitbeveiligingEen ander gevaar dat T3 belaagt is kortsluiting, en de kans daarop is niet te verwaarlozen (ontsporingen, gereedschap op de rails), maar twee onderdelen (zie: R9 en T4 in schema 02) 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, onmiddelijk uit. Door de nu weggevallen stroom gaat T4 meteen weer dicht (spert), 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 C1a en C1b een belangrijke rol. De hierboven beschreven schakeling heeft een prettig regelgedrag en om een trein op gang te brengen is het beslist niet nodig dat u P1 subtiel hanteert. De progressief verlopende karakteristiek garandeert een soepel optrekken als deze potentiometer met normale snelheid meteen een flink stuk wordt opgedraaid. Automatisering
Voor de liefhebbers van automatisering is een versie ontworpen die reageert op een aangeboden regelspanning. Schema 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, terwijl ook de aansluiting van P2 en R5 is aangepast. 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
De voor deze regelaar ontworpen print ziet u in afbeelding 04. 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 basisuitvoering kan worden afgeleid uit afbeelding 05. Het is het handigst om met de kleinste onderdelen te beginnen, en de montage te voltooien met het aanbrengen van de elco's. Voor het aanbrengen van het IC(-voetje), de diodes, de transistoren en de elco's is het van belang op de juiste stand te letten, en ook die is nauwkeurig in afbeelding 05 aangegeven.
Bovendien zijn enkele componenten voor de duidelijkheid afzonderlijk te zien in afbeelding 9. Als u de pootjes niet te snel achter elkaar heet stookt, mag IC1 ook rechtstreeks, dus zonder voetje, op de print worden vastgezet. Als laatste monteerd 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 voedingspanning van de regelaar zelf (max. 20 Volt), is het aan te bevelen deze direct van de print te halen volgens schema 07, waarin 'S' het (relais)wisselcontact is, en R14 een extra weerstand, die nog ter sprake komt. In afbeelding 05 en 06 is de plaats te zien van alle componenten, zoals in schema 02 en 03 aangegeven is.
AfregelingDraai P1 en P2 (deze laatste met een schroevendraaiertje) helemaal rechts-om en sluit de regelaar aan op een nog niet ingeschakelde voeding of rijtrafo en op de rails. Als testtraject kan het beste een ovaal of een rondlopend gedeelte van uw baan worden gebruikt. Plaats een niet te kleine loc op de rails, schakel de trafo in, en voer de spanning op tot ongeveer driekwart van de maximale waarde. Als de locomotief nu nog niet rijdt, gebruikt u naar alle waarschijnlijkheid een ompoolbare rijtrafo en dient deze in de andere rijrichting te worden geschakeld.Nadat met de regelknop van de regelknop van de trafo een realistische topsnelheid is gekozen, wordt P2 ongeveer in de middenstand gezet, en P1 links-om dichtgedraaid. De lok staat dan geheel of nagenoeg stil. De bedoeling is nu dat vanuit deze stand P2 zodanig wordt ingesteld dat, de loc niet alleen net niet rijdt, maar ook niet hoorbaar pulsen ontvangt. Een alternatieve is die, waarbij de loc nog juist wel rijdt, en het stopzetten gebeurt door middel van een tussen regelaar en rails geplaatste ompoolschakelaar met middenpositie.
Voor de met spanning ingestelde versie (volgens schema 04) verloopt de procedure overeenkomstig, alleen wordt nu, in plaats van met P1, gewerkt met de regelspannings-ingang ('B') die voor het instellen van de topsnelheid wordt verbonden met de hoogst toegestane spanning, en voor het afregelen van P2 met het nul-niveau van de schakeling, zoals aangegeven in schema 08. Met de aldaar getekende externe weerstand R14 kan het tempo van optrekken en afremmen naar eigen smaak worden gekozen, waarbij een waarde van 100K als praktische bovengrens kan worden beschouwd, afhankelijk van de stroomversterkingsfactor van T5. Voor nog langzamere snelheidsveranderingen, kan C3 worden verhoogd naar 220 μF/25V. Overigens dient u er bij deze versie op bedacht te zijn dat, ook met een niet aangesloten regel-ingang, uw trein langzaam maar zeker zal beginnen te rijden, tengevolge van het opladen van C3 door de basisstroom van T5.
KortsluitproefDe goede werking van de beveiligingschakeling wordt gecontroleerd door even kortsluiting te maken tussen de spoorstaven (of, voor de Märklinisten, 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. 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 een aantal rijtuigen met verlichting, kan de beveiliging al direct bij het wegrijden reageren, wat hoorbaar is aan een hoog bijgeluidje uit de motor. Ter vergelijking kunt u het geluid doen ontstaan door twee modellen tegelijk langzaam op één regelaar te laten rijden. Door aan R9 nog één of twee weerstanden van 1 Ω (Ohm) toe te voegen, wordt de beveiliging ongevoeliger gemaakt.
Tabel 08
De regelaar in de praktijk
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 overigens niet hoeft te leiden tot motorschade, blijkt uit de jarenlange gunstige ervaring die velen al met het rijden op pulsen hebben. 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, teneinde de warmteproductie in de motorwikkelingen en op de overgang tussen koolborstel en commutator (de collector) te beperken. Een direct gevolg van die grote stroom, is de aanzienlijke kracht waarmee de wielen tijdens het langzaam rijden worden aangedreven, wat bij erg kleine en lichte loc's zichtbaar slippen van de wielen kan veroorzaken. Meestal betreft het langzame rangeerloc's, zodat er geen bezwaar is in zulke gevallen de voedingsspanning nog wat lager in te stellen, om daarmee de slip op te heffen. 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 erin gebruikte materialen, van de hoogte van de voedingsspanning en ook enigszins van de gebruikte schaal. Zo blijken modellen in de grotere schalen meestal het minst rumoerig, maar ook in schaal N en Z is het geluid zelden storend. Een onderdeel waar u nog mee kunt experimenteren, is de frequentiebepalende condensator C2. De aangegeven waarde van 100 nF levert goede resultaten, maar bij vergroting tot 120 nF of verkleining tot 82 nF kunnen bepaalde loc's nog beter blijken te lopen. Overigens zullen er altijd modellen zijn die, tengevolge van een gebrekkige mechanische opzet, met geen enkele regelaar tot een behoorlijk rijgedrag zijn te brengen. En zelfs met perfect materieel en een ideale regelaar blijven in ieder geval goed gelegde, schone rails een absolute noodzaak voor het rijden met schaalsnelheden van slechts enkele kilometers per uur. Marten P. Weistra. Oktober 1984.
Meer informatie
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
