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Circuitry to improve the Running Capabilities of the VT11.5 (TEE)
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Transistor Circuitry to improve the
Running Capabilities of the VT11.5 (TEE)
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Dr. Volker Bosch aus Stuttgart hat sich dem
problematischen Fahrverhalten des VT11.5 Triebwagenzuges angenommen und
eine Transistorschaltung entwickelt, die die negativen Fahreigenschaften
der Diodenlösung des Herstellers korrigiert. Mit seiner Einwilligung
publizieren wir hier seinen Lösungsvorschlag, der für alle VT11.5
Versionen und unabhängig vom verwendeten Motortyp (3- oder 5-Pol)
funktionieren und in adaptierter Form auch für ICE-Züge passen sollte.
Der Nachbau erfolgt auf eigene Gefahr!
Ausgangslage
Der Märklin-Miniclub-Triebwagenzug V11.5 (8873/8793) verfügt serienmässig über
eine passive Elektronikschaltung, welche dafür sorgt, dass die beiden
motorisierten Triebköpfe ausschliesslich vom jeweils in Fahrtrichtung
vorne laufenden Triebkopf gespeist werden. Das nachfolgende Bild zeigt die
Originalschaltung:
Die
Motoren beider Triebköpfe sowie die LEDs der Wagenbeleuchtung sind
elektrisch über Strom führende Kupplungen parallel geschaltet. Sie
werden durch den führenden Triebkopf über die Dioden D1a und D2a
bzw. D1b und D2b gespeist.
Wird
der Triebwagenzug durch die drei Zwischenwagen der Ergänzungspackung
verstärkt, so muss der Strom vom führenden zum hinteren
Triebkopf über sechs Kupplungen mit jeweils vier Kontaktstellen
fliessen. Aufgrund der kleinen Kontaktflächen und geringen
Kontaktkräfte sind diese insgesamt 24 Kontaktstellen
vergleichsweise hochohmig, so dass der Motorstrom des hinteren
Triebkopfes zu einem starken Spannungsabfall an den Kupplungen
führt. Hieraus resultieren die folgenden Probleme:
-
Die Motordrehzahl des hinteren
Triebkopfes ist deutlich geringer als die Drehzahl des
führenden, wodurch dieser zum Schleudern gebracht wird. Der
gesamte Zug fährt deutlich langsamer als vergleichbare, mit
Lokomotiven bespannte Züge.
-
Der hintere Triebkopf läuft bei
langsamem Aufdrehen des Reglers erst deutlich später an als der
führende. Ein langsames und damit Vorbild gerechtes Anfahren
ist nicht möglich.
-
Der Spannungsabfall über den
Kupplungen führt zu deutlich wahrnehmbaren Unterschieden in der
Helligkeit der einzelnen Wagenbeleuchtungen.
Lösungsansatz
Da jeder der Triebköpfe über eigene Stromabnehmer verfügt, sollte die
elektrische Versorgung des schiebenden Triebkopfes sinnvollerweise über
dessen eigene Stromabnehmer erfolgen. Damit wird verhindert, dass der
Motorstrom über die vergleichsweise hochohmigen Kupplungen fliessen muss.
Um zu gewährleisten, dass auch der schiebende Triebkopf stoppt, sobald
der führende Triebkopf auf eine Trennstelle bzw. ein abgeschaltetes
Gleisstück fährt, muss das elektrische Zuschalten der Stromabnehmer
über Schaltelemente, hier bipolare Transistoren, erfolgen. Diese werden
über die beiden Spannungen an der Kupplung bzw.
"Zugsammelschiene" eingeschaltet.
Schaltungsvariante 1
Das
nachfolgende Bild zeigt die erste Version einer entsprechenden Schaltung:
Funktionsweise der Schaltungsvariante 1
Der führende Triebkopf speist über die Dioden D1a und D2a bzw. D1b und
D2b seinen eigenen Motor. Über die Dioden D3a und D4a bzw. D3b und D4b
wird die Strom führende Kupplung des Triebkopfes und damit die
Beleuchtung der Zwischenwagen gespeist. Im schiebenden Triebkopf wird die
positive Spannung der Kupplung über den Widerstand R2a bzw. R2b der Basis
des NPN-Kleinsignaltransistors T2a bzw. T2b zugeführt. Die negative
Spannung wird über den Widerstand R1a bzw. R1b der Basis des
PNP-Kleinsignaltransistors T1a bzw. T1b zugeführt. Die Transistoren
schalten somit die an den Schleifkontakten des Triebkopfes anliegende
Spannung an den Motor des eigenen Triebkopfes. Die Dioden D5a und D6a bzw.
D5b und D6b schützen die Basis-Emitter-Dioden vor zu hohen
Sperrspannungen, da diese nur bis zu 5 V sicher sperren können (BCX51,
BCX54).
Auswahl der Bauteile
Für die Transistoren können gewöhnliche Kleinsignaltransistoren
eingesetzt werden. Geeignet sind die SMD-Transistoren BCX51 und BCX54
(Hersteller: Philips) oder die Transistoren BC327-25 und BC337-25 im
bedrahteten T092-Gehäuse. Die Transistoren sollten einen zulässigen
Kollektorstrom von einem Ampere und eine maximale
Kollektor-Emitter-Spannung von 45 Volt verkraften. Transistoren im
TO92-Gehäuse müssen vor dem Einbau etwas flacher gefeilt werden. Sie
können dann liegend auf die Leiterplatte gelötet werden. Unterhalb der
Führerstände ist hierfür der geeignete Ort.
Da die gesättigten bipolaren Transistoren einen
Kollektor-Emitter-Spannungsabfall von 200 ...300 mV aufweisen, sollten die
Dioden D1a, D1b, D2a und D2b durch Schottky-Dioden, beispielsweise BAT49
ersetzt werden. Damit wird verhindert, dass der Motor des führenden
Triebkopfes langsamer läuft als der des schiebenden. Für die Dioden
D3a/b, D4a/b und D5a/b können gewöhnliche bipolare Dioden,
beispielsweise 1N4148, verwendet werden. Auf die Leiterplatten der
Zwischenwagen können (ungepolte) SMD-Kondensatoren gelötet werden, um
die Spannung bei Kontaktproblemen kurzzeitig zu stützen.
Bei R1a, R1b, R2a und R2b handelt es sich um Widerstände von je 820 Ohm.
Die Verlustleistung an den Widerständen beträgt bei 10 V
Versorgungsspannung ca. 0,12 W - 1/8 W-Widerstände sind somit
ausreichend.
Zum Schutz der Transistoren können den beiden Motoren jeweils zwei
antiseriell geschaltete Zenerdioden mit einer Durchbruchspannung von 15
...20 Volt parallel geschaltet werden. Hier funktioniert die Schaltung
jedoch auch ohne Schutz-Zenerdioden seit mehren Monaten problemlos.
Hinweise zum Schaltungsaufbau mit
bedrahteten Bauteilen
Die nachfolgende Grafik zeigt schematisch, wie die Bauelemente auf der
Leiterplatte des Triebkopfes angeordnet werden können. Bitte beachten Sie
vor Beginn allfälliger Umbaumassnahmen unbedingt den Abschnitt "Allgemeines
und Haftungsausschluss" am Ende dieses Berichts.
Blick auf den modifizierten Triebkopf.
Bitte beachten Sie, dass in der abgebildeten Version der Schaltung die
Dioden D5a/b und D6a/b noch nicht bestückt wurden. Die beiden
Transistoren im TO92-Gehäuse müssen unter Umständen leicht abgefeilt
werden, um unter die Führerstandskanzel zu passen.
Am hinteren Teil der Leiterplatten der Triebköpfe müssen die beiden
Leiterbahnen, die zu der Kupplung führen, unterbrochen werden. Die
Unterbrechung kann beispielsweise mit einer Laubsäge und einem feinen
Metallsägeblatt hergestellt werden. Die beiden Transistoren T1a/b und
T2a/b werden mit ihren Kollektoranschlüssen direkt auf die obere bzw.
untere Leiterbahn gelötet (siehe Bild oben). Sie kommen direkt über dem
LED-Vorwiderstand der Beleuchtung zu liegen. Emitter und Basis der
Transistoren werden mit dünnem Draht angeschlossen. In die
Basiszuleitungen werden die 820-Ohm-Widerstände R1a/b und R2a/b sowie die
Dioden D5a/b und D6a/b eingeschleift.
Die beiden auf der Leiterplatte vorhandenen
Dioden
werden durch Schottky-Dioden BAT49 ersetzt, die beiden zusätzlichen
Dioden D3a/b und D4a/b vom Typ 1N4148 werden am sinnvollsten neben der hinteren,
in der Grafik links liegenden Diode angeordnet.
Schaltungsvariante 2
Wie oben im Abschnitt "Auswahl der Bauteile" kurz erwähnt,
müssen Pufferkondensatoren zur Stabilisierung von Beleuchtung und
Ansteuerung des schiebenden Triebkopfes bipolar ausgeführt werden. Der
Grund liegt darin, dass die Polarität der "Zugsammelschiene"
abhängig von der Fahrtrichtung des Zuges ist. Dieses ist jedoch nicht
zwingend erforderlich, wie die Variante 2 der Schaltung im nachfolgenden
Bild mit Fahrtrichtungs unabhängiger Polarität der
"Zugsammelschiene" zeigt:
Funktionsweise der Schaltungsvariante 2
Die Funktionsweise entspricht weitgehend der Beschreibung der
Schaltungsvariante 1. Die wesentlichen Unterschiede liegen in der
ungleichen Beschaltung der beiden Triebköpfe, welche dazu führt, dass
die "Zugsammelschiene" bei jeder Fahrtrichtung die gleiche
Polarität der Spannung sieht. Durch diese Massnahme können
Standard-Elektrolytkondensatoren zur Pufferung von Beleuchtung und
Ansteuerung des schiebenden Triebkopfes verwendet werden. Auch kann die
Hälfte der Leuchtdioden in den Zwischenwagen entfallen, was vielleicht
beim Austausch der gelben LEDs gegen weisse von Bedeutung sein könnte.
Als weiterer kleiner Nebeneffekt können die Schutzdioden D5a/b und D6a/b
entfallen, da die Basis-Emitter-Strecke der Transistoren aufgrund der
Dioden D3a/b und D4a/b nicht mit Sperrspannung beaufschlagt werden kann.
Nachteile der Schaltungsvariante 2
Die ungleiche Beschaltung der beiden Triebköpfe stellt auf den ersten
Blick den wesentlichen Nachteil der zweiten Schaltungsvariante dar. Mit
diesem Nachteil kann man sicherlich leben, wenn die Beschaltung der
Zwischenwagen symmetrisch ausgeführt wird und so mit beiden Polungen der
"Zugsammelschiene" korrekt arbeitet. Werden jedoch unipolare
Elektrolytkondensatoren eingebaut, so müssen die betroffenen
Zwischenwagen in der richtigen Richtung mit den beiden Triebköpfen
gekuppelt werden. Es gibt dann an jedem entsprechend modifizierten
Zwischenwagen ein Ende, das zum Triebkopf A und eines, das zum Triebkopf B
zeigen muss.
Hinweise zum Schaltungsaufbau mit
SMD-Bauteilen
Die nachfolgende Grafik zeigt schematisch, wie SMD-Bauelemente für die
Schaltungsvariante 2 auf der Leiterplatte der Triebköpfe angeordnet
werden können. Bitte beachten Sie auch hier unbedingt den Abschnitt
"Allgemeines und Haftungsausschluss" am Ende dieses Berichts.
Dieses Bild zeigt die entsprechend
Schaltungsvariante 2 modifizierten Triebköpfe:
Auch bei dieser Schaltungsvariante müssen
am hinteren Teil der Leiterplatten der Triebköpfe, die beiden
Leiterbahnen, die zu der Kupplung führen, unterbrochen werden. Die beiden
Transistoren T1a/b und T2a/b werden mit ihren Kühlfähnchen direkt auf
die Leiterbahnen gelötet. Der eigentliche Kollektoranschluss wird somit
nicht benötigt. Für die Basiswiderstände werden SMD-Widerstände
verwendet, die direkt an die Basisanschlüsse der Transistoren gelötet
werden. Die restlichen Verbindungen werden mit dünnem Draht gemäss dem
Schaltplan der Schaltungsvariante 2 angeschlossen.
Auch hier werden die beiden auf der Leiterplatte vorhandenen Dioden durch
die Schottkydioden BAT49 D1a/b und D2a/b ersetzt.
Zusätzliches Feature oder
Fehlverhalten?
Bei beiden vorgestellten Schaltungsvarianten tritt ein Effekt auf, der bei
der originalen Schaltung nicht vorhanden ist: Wird ein Triebkopf mit
mindestens einem Zwischenwagen gekoppelt, so kann dieser auch ohne zweiten
Triebkopf rückwärts fahren. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren
sind über die Beleuchtung des Zwischenwagens in Reihe geschaltet und
steuern somit die beiden Transistoren durch. Dieser Effekt tritt auch auf,
wenn der führende Triebkopf des Triebwagens in einen zweipolig isolierten
Gleisabschnitt fährt. Hierbei läuft der Motor des schiebenden
Triebkopfes weiter.
Allgemeines und Haftungsausschluss
Die vorgestellten Schaltungen wurden in einen VT11.5-Triebzug 8873 mit dem
alten dreinutigen MiniClub-Motor eingebaut. Sie sollten aber auch
problemlos mit den neuen fünfnutigen Motoren arbeiten. Die Hinweise zum
Einbau beziehen sich ausschliesslich auf das Modell des VT11.5 mit der
Nummer 8873. Leider entzieht es sich meiner Kenntnis in wie weit die
anderen VT11.5-Modelle (88731, 88732) über eine gleich aufgebaute
Leiterplatte verfügen.
Der Nachbau dieser Schaltungen geschieht ausschliesslich auf eigenes
Risiko. Eine Haftung für eventuelle Schäden und Folgeschäden schliesse
ich kategorisch aus.
Bitte wagen Sie sich nur an den Nachbau, wenn Sie über entsprechende
Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen. Vor dem Löten sind sämtliche
Verbindungen anhand des entsprechenden Schaltplanes mit einem
Durchgangsprüfer zu überprüfen. Eine Gewähr für die Richtigkeit der
Schaltpläne, Einbauanleitungen und insbesondere der beiden Grafikskizzen
kann ich nicht geben.
Beide Schaltungen können selbstverständlich auch in andere
MiniClub-Triebwagen, die über die selbe passive Diodenschaltung wie die
eingangs gezeigte Originalschaltung verfügen, eingebaut werden. Dort kann
es jedoch unter Umständen zu Platzproblemen bei der Verwendung von
bedrahteten Transistoren im TO92-Gehäuse kommen - im VT11.5 passen sie
sehr gut unter die Führerstandskanzel.
Sämtliche verwendeten Bauteile können
im Elektronikfachhandel (z.B. bei Reichelt)
für knapp zwei Euro beschafft werden.
Fragen zur Schaltung richten Sie bitte direkt an den Autor Dr. Volker Bosch, Rembrandtstrasse 12, D-70567 Stuttgart,
E-Mail <email-pii>, Webseite www.s-line.de/homepages/bosch/elo8873/index.html