WeichEi und Märklin M

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Ambix
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WeichEi und Märklin M

Beitrag von Ambix » So 17. Nov 2013, 16:33

Hallo zusammen,

aus ideellen Gründen möchte ich unbedingt meine M-Gleise behalten. Da die Bahn einmal im Jahr als Weihnachtsteppichbahn aufgebaut wird und 48 M-Weichen beinhaltet, möchte ich ebenso unbedingt zumindest die Weichen digital schalten, damit ich mir die frei herumliegenden 96 Kabel zum Weichenstellpult ersparen kann.

Da das WeichEi ebenso geil im Konzept wie konkurrenzlos günstig ist, bleibt mir für den Decoder keine Alternative. Leider reichen die abgegebenen 18V in der Standardausführung für keine meiner Weichen aus, die Weichen benötigen mindestens 30V um sauber zu schalten. Also habe ich die Schaltung etwas modifiziert (siehe Anhang): Zwei zugegeben unangenehm große Kondensatoren hinzugefügt, eine Drahtbrücke gelegt und D1 (LL4148) entfernt. Netter Nebeneffekt ist dabei, dass man nun auch die Lampe schalten kann (können sollte, hab ich bisher nicht getestet), ohne an der Lampe die Verbindung zur Gleismasse trennen zu müssen.

Ein erster Test mit einer Märklin Gleisbox 60113 funktionierte ganz prima. Dummerweise habe ich gar keine Ahnung von digitalen Bahnen und meine allgemeinen Elektronikkenntnisse schlummern auch schon seit 30 Jahren vor sich hin - wie betriebssicher das Ganze ist, kann ich somit nicht beurteilen. Bevor ich also 48 WeichEier und 96 Kondensatoren ordere und dann das Grosse Löten beginnt, wäre ich echt dankbar, wenn jemand die Änderungen begutachten würde...

Ganz lieben Dank,
Frank

PS: Ok, Dateien anhängen scheint mir noch nicht gestattet zu sein, also hier der Link zum Schaltplan: http://www.fdrnet.de/weichM.pdf

est2fe
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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von est2fe » Mo 18. Nov 2013, 21:27

Hallo Frank,

deine Idee hat was. So was hatte ich mir auch schon mal für meine M-Weichen überlegt, bin aber mangels Zeit nie dazugekommen, den Gedanken fertig zu denken. Damit hast du den Schaltbooster, wie ihn manche Hersteller anbieten gleich mit eingebaut.

Die Birne musst du dann aber zwingend an die Schienenmasse anschliessen, dass die nicht durchbrennt. Allerdings bekommt die dann nur jede 2. Halbwelle ab und dazu auch noch "nur" die Positive, die ohnehin bei MM etwas "unterbelichtet" ist. Sie wird dann flackern, denn in dem seriellen Datenstrom der Schiene kann es auch mal längere Pausen mit nur einer Phasenlage geben, besonders beim Anmelden der mfx-Loks. Da hilft dann selbst der 100uF nichts mehr.

Der Rest "könnte" funktionieren. Die ULNs dürften die Spannung auch aushalten. Die 100uF/25V sind etwas knapp bemessen, aber dadurch auch nicht zu groß, so dass sie noch im Gleisbett einer M-Weiche unterzubringen sind. Was da aber der Spitzenstrom macht, weiss ich nicht! Was haben denn deine Weichenspulen für einen DC-Widerstand? Das muss man mal nachmessen.

Wenn ich dich richtig verstanden habe, dann hast du es ja schon mal ausprobiert. Allerdings solltest du bei dieser Schaltung unbedingt darauf achten, dass du garantiert nicht mehr als 18Vss an der Schiene lieferst, auch bei Leerlauf. Wenn du deine Zentrale mit einem alten Mä-Trafo speisst, dann bin ich mir sicher, dass da nicht nur 36V rauskommen, sondern wesentlich mehr! Ab 50V bricht dir dann der ULN durch! Und bei 50V bist du recht schnell mit den alten AC-Trafos, die ca. 18VAC im Leerlauf haben.
Lass uns mal nachrechnen:
Angenommen, der Trafo hätte im Leerlauf ca. 18VAC (meistens hat er sogar mehr!) ==> 18V *1,414 = 25VDC - 1,4V Gleichrichterabfall macht ca. 23,5V, die dann wegen der Vollbrücke der Zentrale wieder zerhackt werden und in deiner Schaltung dann ca. 46V ergeben. Da ziehen wir noch mal die zwei Diodenspannungen vom WeichEi-Gleichrichter ab und landen dann bei ca. 44V! Das ist etwas mehr als 36V.

Weiterhin würde ich dann die max. Einschaltzeit des WeichEi so weit heruntersetzen, dass die Weichen gerade noch sicher schalten. 500ms ist da denke ich schon etwas viel. Da könnte bei häufigem Schalten einer Weiche die Spule bei so hoher Spannung schon recht warm werden. Die Leistung ist bei doppelter Spannung ja 4 mal höher! Deswegen mit der Schaltzeit runter!

Was man bei dieser Schaltung noch anschauen muss ist das, ob nicht durch das Schalten der Induktivitäten am Eingang des 7805 zu hohen Spitzen ankommen. Das hat der dafür vorgesehene Tantal (C2) gar nicht gerne und verabschiedet sich dann recht schnell, in dem er einen Kurzschluss macht, was dann die Sicherung mitreisst! Habe ich alles schon gehabt! Ein mal mit normalem AC an die Schiene um mal "kurz" eine analoge Lok zu testen, dann Rückwärts (24VAC) gefahren und alle WeichEi in der Nähe der Einspeissung waren dann tot.

Gruß

est2fe

Ambix
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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von Ambix » Di 19. Nov 2013, 11:22

Hi,

klasse, dass Du Dir das mal angesehen hast! Vor allem wo Du keine NoGos gefunden hast...
Die Birne wollte ich unbedingt an Schienenmasse lassen, weil mir der mechanische Aufwand zur Änderung viel zu hoch erscheint. Dass sie flackern wird, habe ich auch schon befürchtet, ich habe aber noch keine Idee, wie man dem beikommen könnte. Sie wird aber mit der negativen Halbwelle versorgt, Schaltungsmasse liegt 18V unter Schienenmasse.

Die 25V der 100uF Kondensatoren habe ich hier einfach mal zur Diskussion gestellt, ich habe aber bereits 105° Panasonic gefunden, die den maximalen Durchmesser von 6,3mm nicht überschreiten und trotzdem 35V vertragen. Das mit dem Spitzenstrom ist mir noch nicht klar. Die Spulen haben so 300 Ohm, beim Einschalten sollte der Strom dank Induktivität schön sanft ansteigen, oder? Beim Ausschalten sollten auch keine Spannungsspitzen auftreten, die ULNs haben je eine Diode am Ausgang integriert, damit habe ich die klassische Freilaufdiode für jede Spule.

Mit der Spannungsfestigkeit hast Du natürlich absolut recht. Durch den Spannungsverdoppler verdoppeln sich auch die Toleranzen, da sind die maximalen 50V der ULNs nicht mehr weit weg. Ich selbst habe damit glücklicherweise kein Problem, die Gleisbox liefert geregelte 18V.

Die maximale Schaltspannung für die Spulen ist mir noch gar nicht klar. Im originalen Analogbetrieb liefert der alte Mä-Trafo etwa 18VAC, damit schalten die Weichen todsicher, schliesslich sind sie dafür ausgelegt. Ich kann auch gerne den Knopf am Stellpult ein paar Sekunden gedrückt halten, dann brummts schön aber nichts geht kaputt. 18VAC ist ja gleichbedeutend mit 18Veff, damit müsste die Weiche auch mit 18VDC schalten - tut sie aber absolut nicht. Wenn also - so mein Gedankengang - dann nicht Veff sondern Vpp ausschlaggebend ist, liegt an der Spule im Analogbetrieb 50Vpp an - da bin ich mit 36VDC weit von weg? Das fühlt sich nicht wirklich richtig an...

Sorgen macht mir auch der 22k Widerstand zum PIC. Da die Schaltungsmasse nun 18V tiefer liegt als zuvor, fallen auch 18V mehr über diesen Widerstand ab. Ist der dann noch richtig dimensioniert? Bis jetzt habe ich drei Weichen umgerüstet und auf der Arbeitsplatte ein bisschen herumgeschaltet - ein echter Lasttest war das nicht gerade...

Noch grübelnd und nicht lötend
Frank

est2fe
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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von est2fe » Sa 23. Nov 2013, 08:47

Hallo Frank,
Die maximale Schaltspannung für die Spulen ist mir noch gar nicht klar. Im originalen Analogbetrieb liefert der alte Mä-Trafo etwa 18VAC, damit schalten die Weichen todsicher, schliesslich sind sie dafür ausgelegt. Ich kann auch gerne den Knopf am Stellpult ein paar Sekunden gedrückt halten, dann brummts schön aber nichts geht kaputt. 18VAC ist ja gleichbedeutend mit 18Veff, damit müsste die Weiche auch mit 18VDC schalten - tut sie aber absolut nicht. Wenn also - so mein Gedankengang - dann nicht Veff sondern Vpp ausschlaggebend ist, liegt an der Spule im Analogbetrieb 50Vpp an - da bin ich mit 36VDC weit von weg? Das fühlt sich nicht wirklich richtig an...
Aus 18VAC können nicht 50Vpp werden! Das sind nach wie vor 18V * Wurzel 2. Die Spule sieht immer die Differenz zwischen "B" und "O". Das ist nicht mehr als der einfache Spitzenwert.
Warum das mit 18VDC nicht sicher geht ist klar. Bei AC brummt es nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch. Somit wackelt sich der Anker mit der Zeit los und wenn er sich dann schon mal schon angefangen hat zu bewegen, die Haftreibung also überwunden hat, dann flutscht der auch mit kleinerer Energie weiter. Eigentlich ist die effektive Kraft durch den Strom in der Spule bei AC sogar geringer, denn der Strom hinkt der Spannung wegen der Induktivität hinterher und ist dadurch etwas kleiner. Somit ist das Produkt aus Strom mal Spannung immer kleiner als bei DC. Aber, die Spitzenwerte des Stroms sind bei 50HzAC und dieser eher kleineren Induktivität immer noch grösser als bei DC. Und die sind ausschlaggebend für das Bewegen des Ankers, also das Überwinden der Haftreibung. Und wenn der Anker dann mal in Bewegung ist, reicht auch ein kleiner DC-Wert, ihn in Bewegung zu halten. Eigentlich müsste man mit zwei Strömen arbeiten, einer kurzen Boostphase und dann in einen Haltestrom übergehen. Das wäre ideal.

Wenn man das Programm, für deinen Fall mit der doppelten Spannung, modifizieren würde und die Spule mit einer Art PWM ansteuern, dann wäre so was auch möglich.
Also am Anfang für eine Zeitlang voll einschalten (ca. 3ms) bis sich der Anker in Bewegung gestzt hat, und dann auf eine hochfrequente PWM wechseln, die den Haltestrom heruntersetzt. Die Induktivität glättet das dann schon. Theoretisch könnte man damit sogar ein langsames Bewegen der Weichenzunge ereichen. Das Dumme ist nur, dass man keine Rückmeldung über die aktuelle Stellung der Weichenzunge oder den aktuell fliessenden Strom hat. Dadurch wird eine Lageregelung extrem schwierig.
Zudem hat jeder Weichentyp eine andere Induktivität. Ein Anpassen mittels PWM ohne Rückmeldung des Stromes kann man daher also immer nur auf einen Weichentyp optimieren. Das ist aus Sicht von Sven nicht zielführend.

Übrigens: Lass die Diode ruhig drin. Die hat Sven nicht umsonst da eingebaut!

Gruss

est2fe

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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von est2fe » Mo 6. Jan 2014, 08:16

Hallo Frank,

ich habe mal ein WeichEi mit den Kondensatoren ausgerüstet um daran einige Messungen zu machen. Nun bin ich endlich mal dazugekommen. Leider funktioniert deine Idee nicht, es sei denn, du baust da riessige Elkos zum Stützen ein. Schon allein mit zwei Lämpchen als Last anstatt der Weichenantriebe wir es kritisch. Bei mir macht der WeichEi nach dem Schalten eines Lämpchens sofort ein Reset, weil die Versorgungsspannung zu weit einbricht.
Der Gleichspannungszwischenkreis wird ja bei Svens Originalschaltung bei jeder "Halbwelle" egal welcher Polarität immer aufgeladen. Somit hat der Tantal hinter der Diode vor dem 5V-Spannungsregler "nur" die Umschaltzeit des Digitalsignals zu überbrücken und ist daher auch dementsprechend ausgelegt.

Bei deiner Schaltung wird ja bei einer "Halbwelle" der eine Kondensator, und bei der anderen "Halbwelle" der andere in Reihe dazu geschaltete Kondensator bzw. Elko aufgeladen. Solange da nichts geschaltet wird, liegt dann da auch jeweils die doppelte Speissespannung an. So weit so gut.
Nun kommt´s:
Eine Weichenspule wird bestromt und, bedingt durch die anliegende Spannung geht der Strom hoch. Im Normalfall fliesst durch die Weichenspule (beim C-Gleis) ca. 1A Strom. Beim M-Gleis ist es entsprechend weniger, aber keine Zehnerpotenzen, denn irgendwo muss die Schaltenergie ja auch herkommen.
Beim Motorola-Protokoll kommt es bei Mot-1 vor, dass zwischen den Datenpaketen ca. 6,4ms Zeit ist, bei mfx kann das bis zu 60ms bei einer Rückmeldung sein. Aber lassen wir mfx mal für die jetzige Betrachtung weg. Während dieser Zeit wird nur einer der beiden Elkos vom Fahrstrom gespeisst und hält seine Ladung, der andere wird in der Zwischenzeit entladen und kommt erst nach einem Polaritätswechsel wieder dran. Der Weichenschaltstrom fliesst aber durch beide Elkos. Somit wird also ein Elko gehalten, der andere entladen. Nun, wie lange hält denn die Ladung in so einem Elko?
Ich überschlage jetzt nur mal.
Die Versorgungsspannung soll jetzt mal ca. 22V betragen und mit 15V Hub sind dann noch ca. 5V Restspannung am PIC vorhanden, damit der überlebt. Die Einheit von Farad ist C (Kapazität in Farad) = As/V (Amperesekunden pro Volt). Wenn ich die Zeit bei einer gegebenen Kapazität haben will, dann bekomme ich durch Umstellung die Formel: s = CxV/A (Kapazität mal Volt geteilt durch den Strom). Bei 100uF macht das also dann bei einem Spannungshub von ca. 15V eine Zeit von ca. 0,0001*15/1 = 1,5ms aus. Dann hat sich der Elko bei konstantem Strom um ca. 15V entladen! Wenn du da jetzt diese 6,4ms vom Motorola-1-Protokoll überbrücken willst, brauchst du einen Elko mit (Formel C = As/V) ca. 6,4ms * 1A / 15V = 430uF! Willst du auch noch mfx fahren, und du hast gerade vor einer Rückmeldung, die bis zu 60ms dauern kann, einen Weichenstellbefehl gesendet, dann brauchst du ein Fass von ca. 4000uF und das gleich zwei mal! Bei 2 - 4 so ausgerüsteter WeichEi-Decoder meldet dir der Booster beim Starten sofort Kurzschluss, denn bis die aufgeladen sind ist die KS-Meldezeit rum!

Die Idee hatte was gehabt, nur die Realisierung ist eben nicht so einfach. Mit 100uF-Elkos funktioniert das bei reinem DCC gerade noch so. Aber schon bei MM1 ist es vorbei. Dann macht dir beim Stellen der Weiche der PIC ein Reset, weil seine Versorungsspannung durch den dabei entladenen 2. Elko zu weit einbricht.

Ich denke, damit ist dieser gedankliche Ausflug nun erschöpfend behandelt worden.

Gruss

est2fe

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Sven
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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von Sven » Mi 15. Jan 2014, 15:04

Hallo est2fe ;-)

Ich danke Dir für die Untersuchung!

Ich habe das ganze auch gerade mal simuliert. Soweit sind Deine Berechnungen OK. Der Antrieb bei M-Weichen hat ca. 30 Ohm, macht bei 30V dann ziemlich genau 1A.

Um die Spannung für den PIC zu stabilisieren könnte man vor den Spannungsregler noch eine Diode und 100uF ergänzen. Setzt man die beiden Elkos am Eingang ebenfalls mit 100uF an, so kriegt man an der Weiche einen Sägezahn mit 30V / 5V. Das mag der Weiche helfen, wenn sie diese Spannungsspitzen kriegt. GGf. müssen die Elkos dann hier doch größer werden.

Diese Schaltung findet man übrigens unter dem Namen Delon Schaltung. Als Alternative gibt es noch die Villard Schaltung, die hier aber auch nicht weiter hilft.

Sven

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Re: WeichEi und Märklin M

Beitrag von Der Ruinenbaumeister » Fr 24. Jan 2014, 10:34

Ich habe in dem Zusammenhang auch schon mit Delon- und Greinacher-Schaltung experimentiert. Antriebe, die in einer Endlage festhängen, kann man so durchaus in Bewegung setzen. Wenn die Weiche hingegen ihre Endlage nicht erreicht, hilft der Spannungsverdoppler wenig, da zu diesem Zeitpunkt der Kondensator schon entladen ist. Ein großer Kondensator kann hier helfen.

Bei einer fest verkabelten Anlage würde ich es mir aber einfacher machen: Eine zusätzliche Einspeisung verwenden, ähnlich wie bei den Viessmann-Decodern. Dann müsste nur noch ein Kabel von Weiche zu Weiche geführt werden, und ein zusätzlicher Trafo nur für die Weichen verwendet werden. (Den Versorgungstrafo der Digitalzentrale darf man hier auf keinen Fall einsetzen.) Für die zusätzliche Einspeisung würde ich eine Diodenhalbbrücke mit eigener Sicherung verwenden.

Zum Erhöhen der Spannung habe ich diese Schaltung noch nicht genutzt. Erfolgreich eingesetzt habe ich sie allerdings schon, und zwar für C-Gleis-Weichen, deren Schienen ich gegeneinander isoliert habe, um sie in die Gleisbesetztmeldung einzubinden. Mit der zusätzlichen Halbbrücke ist es der Weiche egal, welche Schiene nun der Versorgung dient. Bei häufigen Umbauten zahlt sich das aus.

Noch ein Wort zur Spannung: 30V sind ein sehr hoher Wert. Auch schwergängige DKWs sollten mit 22V eigentlich funktionieren. Das bekommt man schon mit einem Trafo 6647 als Scheitelwert. Meine einfachen Weichen des M-Gleises schalteten auch mit 18V. Ich würde daher erstmal die Mechanik prüfen, ob sie schwergängig ist, ehe ich mit erhöhten Spannungen experimentiere.


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