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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsregelung regelbar, 5V und 12V


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Autor: Torsten A. (tody77)
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Hallo Forengemeinde,

ich muss leider gestehen, dass ich ein Elektrotechnisches-Embryo bin, 
aber Hilfe benötige.

Es geht um ein vorhandenes Eigenbauprojekt für meine Modellbahn, welches 
ich nach meinen Vorstellungen anpassen möchte. Ich benötige eine 
regelbare Spannung von 12-18V (+/-1V) für das Gleis, eine Festspannung 
von 12V für die Handregler und eine Festspannung von 5V für den Arduino 
samt Ethernet-Shield. Zudem wird noch eine 3,3V Versorung benötigt, 
welche ich in dem Schaltplan nicht aufgeführt habe.

Ich habe versucht, mich etwas vorher zu informieren, bevor ich hier ein 
Thema erstelle. Nun ist mein Problem, dass ich nicht richtig weiß, ob 
ich alles richtig verstanden und die Kondensatoren für die Glättung 
richtig dimensioniert habe, ob ich den Poti und den Widerstand für den 
LM338 richtig berechnet habe und welche Kühlkörper ich für die ICs 
benötige. Soweit, wie ich das im Elektronikkompedium verstanden habe, 
kann der Elko C1 in der Nähe von dem Gleichrichter positioniert werden, 
wobei die 100nF Kerkos (Abblock-Kondensatoren) in der Nähe der 
Spannungsregler sein sollten. Genauso muss eine Rückfluss-Diode an den 
Reglern verbaut werden.

Bei der Schaltung habe ich mir vorgestellt, dass ich sowohl mit einem 
DC-Trafo (19V) als auch AC-Trafo (16V) die Schaltung mit Spannung 
versorgen könnte.

Die geregelte Spannung soll an einen TLE5206 an VS (Pin6) anliegen und 
dann über den TLE zum Gleis geschickt werden.

Ich habe versucht, mich bei den Berechnungen über die K/W-Werte von 
Kühlkörpern zu belesen, bin aber irgendwie an den Formeln und den 
Datenblättern gescheitert.

Nun sind meine Fragen:

1. Gehe ich richtig in der Annahme, dass bei 16V~ nach dem Gleichrichter 
21V= im Schaltkreis anliegen?

2. Sind die Kondensatoren aureichend dimensioniert? Könnten eventuell 
welche von ihnen eingespart werden? (Platzgründe)

3. Habe ich die Werte für den Trimmer und den Widerstand richtig 
berechnet?

4. Wird die Gleichspannung von einem DC-Trafo durch den Gleichrichter 
1:1 in die Schaltung durchgereicht oder verändert sie sich?

5. Welche K/W-Werte benötigen die Kühlkörper für die drei 
Spannungsregler? Gibt es Faustregeln oder einfachere Formeln?

6. Kann ich die 3,3V mit einem Festpannungsregler LD1117 von dem 
5V-Stromkreis (nach dem 7805) abgreifen?

Ich danke im vorraus für eure Antworten!

Viele Grüße
Torsten

Autor: Frank L. (hermastersvoice)
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es gibt KEINE DC-Trafos!

Autor: Torsten A. (tody77)
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Hallo,

ich meinte damit ein Netzteil, wie es bei einem Laptop verwendet wird.

Viele Grüße

Autor: HildeK (Gast)
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Torsten A. schrieb:
> 1. Gehe ich richtig in der Annahme, dass bei 16V~ nach dem Gleichrichter
> 21V= im Schaltkreis anliegen?
Im Leerlauf kommt das etwa hin, unter Belastung nicht mehr. Aber über 
die zu entnehmenden Ströme hast du nichts gesagt. Schon bei 500mA Last 
dürften nicht mehr als 15-16V herauskommen.
>
> 2. Sind die Kondensatoren aureichend dimensioniert? Könnten eventuell
> welche von ihnen eingespart werden? (Platzgründe)
Auch das hängt vom Strom ab. Da der LM338 aber 5A kann, wirst du C1 
mindestens 10-20x so groß wählen müssen, wenn du den Strom tatsächlich 
nutzen willst.

> 3. Habe ich die Werte für den Trimmer und den Widerstand richtig
> berechnet?
Hab ich nicht nachgerechnet. Verwende die Formel aus dem Datenblatt. R1 
ist aber zu groß gewählt, es sollten max. 240R-270R sein, idel sind 
120R. Siehe DB.

> 4. Wird die Gleichspannung von einem DC-Trafo durch den Gleichrichter
> 1:1 in die Schaltung durchgereicht oder verändert sie sich?
siehe letzten Post: DC-Trafo! Aber eine Gleichspannung kannst du 
natürlich anschließen, sogar beliebig gepolt. An dem Gleichrichter 
werden aber 1.5 ... 2V Spannung abfallen.

> 5. Welche K/W-Werte benötigen die Kühlkörper für die drei
> Spannungsregler? Gibt es Faustregeln oder einfachere Formeln?
Ohne Kenntnis des Stromes kann das niemand sagen. Aber von über 20V 
runter auf 12V bei 5A wird der Kühlkörper sehr groß: >40W ... 50W.
Bei solchen Strömen ist ein Linearregler nur im tiefen Winter sinnvoll 
:-).

> 6. Kann ich die 3,3V mit einem Festpannungsregler LD1117 von dem
> 5V-Stromkreis (nach dem 7805) abgreifen?
Im Prinzip ja. Aber auch hier wird man das von den Strömen abhängig 
machen müssen. Es belastet den 5V-Regler zusätzlich. Der sollte auf 
jeden Fall ein Schaltregler sein!

Autor: MaWin (Gast)
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Torsten A. schrieb:
> Nun ist mein Problem, dass ich nicht richtig weiß, ob ich alles richtig
> verstanden und die Kondensatoren für die Glättung richtig dimensioniert
> habe, ob ich den Poti und den Widerstand für den LM338 richtig berechnet
> habe und welche Kühlkörper ich für die ICs benötige

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm

Torsten A. schrieb:
> Gehe ich richtig in der Annahme, dass bei 16V~ nach dem Gleichrichter
> 21V= im Schaltkreis anliegen?

Nein. Es liegen je nach Netzspannung von 230V~+/-10% so 
16V*1.414+/-10%-2V = 18.56 bis 22.67V Spitzenspannung an, die dann je 
nach Elko nachlassen.

> 2. Sind die Kondensatoren aureichend dimensioniert?

Der grosse Siebelko ist viel zu klein, die anderen passen. Bei 4A hätte 
man 20% Ripple, also 2.1V, bei 20000uF(-20% Toleranzerlaubnis). Nur 
leider heisst 18.56V-20% auch 14.8V, damit kann der LM338 keine 18V mehr 
erzeugen, er braucht 2.5V für sich alleine, also 20.5V Minimum. Immerhin 
reicht es für den 7812, knapp.
Für 18V aus LM338 brauchst du einen 22V~ Trafo oder eine 24V 
Gleichspannungsquelle (Schaltnetzteil).

> 3. Habe ich die Werte für den Trimmer und den Widerstand richtig
> berechnet?

Nicht wenn dh nur von 12-18V regeln willst, deine Werte erlauben einen 
grösseren Regelbereich.

> 4. Wird die Gleichspannung von einem DC-Trafo durch den Gleichrichter
> 1:1 in die Schaltung durchgereicht oder verändert sie sich?

Man muss 2V abziehen. Dafür spiel der Elko keine grosse Rolle mehr.

> 5. Welche K/W-Werte benötigen die Kühlkörper für die drei
> Spannungsregler? Gibt es Faustregeln oder einfachere Formeln?

Hängt vom Strom ab.
5V/1A aus ca. 21V versorgt erzeugt 16 Watt Abwärme. Der Chip sollte bei 
Umgebungstemp 40 unter 125 GradC bleiben. Bleiben 85 K für 16W also 
5.3K/W, wobei der TO220 mit Isolierscheibe schon 5 davon kostet. Der 
Kühlkörper muss also besser 0.3K/W sein, kaum möglich. Vielleicht 
brauchst du aus 5V doch nicht 1A.

> 6. Kann ich die 3,3V mit einem Festpannungsregler LD1117 von dem
> 5V-Stromkreis (nach dem 7805) abgreifen?

Ja.

Autor: MaWin (Gast)
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10000uF, nicht 20000uF

Autor: Teo D. (teoderix)
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Nicht vergessen, das der Trafo min. 1,5x Leistung haben sollte.
Da durch Gleichrichtung&Elko, der Trafo immer nur recht kurze 
Stromspitzen sieht. Die um einiges höher sind, als der entnommen 
Gleichstrom!
Was wiederum die Verluste im Trafo (Widerstand der Wicklung) deutlich 
erhöht.

Deiner Gleichspannungsquelle ist das natürlich wurscht.

Für die 12V/5V würde ich mich mal mit Schaltregler anfreunden.

Autor: ichbin (Gast)
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Torsten A. schrieb:
> Hallo,
>
> ich meinte damit ein Netzteil, wie es bei einem Laptop verwendet wird.

Hallo

Das Laptopnetzteil gib schon eine Gleichspannung aus und enthält die 
notwendigen Elkos. Daher benötigst Du danach keinen Gleichrichter und 
Elkos mehr. Ein zusätzlicher kleiner Elko vor den Reglern kann aber 
nicht schaden.
Sorgen macht mir, dass Du die 18VDC nicht erreichen wirst weil der LM338 
einen Drop von 2 - 3V hat. Das heißt Du benötigst die schon 
angesprochenen 21V um bei 3 - 5A Belastung 18V am Ausgang zu erreichen. 
Mit nur 19VDC Versorgung musst Du dich mit 15 - 16V begnügen.
Die Alternative wäre die 12 - 18V mit einem Schaltreglerbaustein zu 
realisieren.

Autor: Icke ®. (49636b65)
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Torsten A. schrieb:
> Ich benötige eine
> regelbare Spannung von 12-18V (+/-1V) für das Gleis

Die Fahrmotoren speisen u.U. hohe Induktionsspannungen zurück. Da muß 
eine Freilaufdiode parallel zum Ausgang, sonst stirbt der Regler 
zeitnah.

Autor: HildeK (Gast)
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Torsten A. schrieb:
> Ich habe versucht, mich bei den Berechnungen über die K/W-Werte von
> Kühlkörpern zu belesen, bin aber irgendwie an den Formeln und den
> Datenblättern gescheitert.

Du hast einen Wärmefluss vom Halbleiter über dessen Gehäuse zur Umgebung 
bzw. zum Kühlkörper und von da aus zur Umgebung. Dieser Weg ist durch 
'Widerstände' beeinträchtigt, die den Wärmefluss behindern. Daher gibt 
es die Angabe eines Wärmewiderstands für die jeweiligen Teilstrecken.

Diese Teilwiderstände musst du addieren. Außerdem musst du eine maximale 
Umgebungstemperatur festlegen, bei der das Gerät noch arbeiten soll.
Als zweites hast du die Leistungsabgabe an deinem IC (abfallende 
Spannung * durchfließender Strom). Dann gibt es noch für jedes IC eine 
Obergrenze für die Sperrschichttemperatur.

Jetzt berechnest du die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen 
Sperrschichttemperatur (oder der aus Sicherheitsgründen von dir 
gewählten, geringeren Höchsttemperatur) zur höchsten 
Umgebungstemperatur.
Beispiel: Halbleiter max. 125°C Sperrschichttemperatur, Umgebung 
höchstens 50°C, also darf zwischen Chip und Umgebung höchstens 75K 
Temperaturdifferenz auftreten.
Wenn der Chip nur z.B. 25W verheizen muss, darf der gesamte 
Wärmewiderstand höchstens 75K/25W, also 3K/W haben.
Die Wärmewiderstände vom Halbleiter hast du nicht in der Hand, die 
stehen im Datenblatt. Hätte der z.B. 1K/W, so darf der restliche Weg 
noch 2K/W betragen. Das wäre der Wert für den Kühlkörper einschließlich 
der Übergangswiderstände zwischen IC-Gehäuse und Kühlkörperfläche.

Autor: Markus W. (dl8mby)
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Hallo Torsten,


Falls Dir die Angegebenen Ströme reichen (orange),
kannst Du die Schaltung wie angegeben modifizieren.

Jeder nachfolgende Regler bedient sich beim Vorgänger.
Dadurch sinkt die Verlustleistung in den 12V und 5V Regler.

D.h. der erste Regler Liefert 3A, von dem Du 1A dem 12V
Regler danach zur Verfügung stellst. (er könnte auch 1.5A
vertragen, doch da wird er schon an seine Grenze stoßen.)
Der dritte 5V Regler bekommt 0.5A vom 12V Regler für sich,
die anderen 0.5A könntest Du aus dem 12V Regler ziehen.
Das Sind nur Demo Angaben. Deine tatsächliche Strombilanz
musst Du wissen und ob die jeweils 0.5A bei 12V und 5V
reichen.

Den 18V Regler kannst Du zwar auch bis 5A belasten aber
in der Praxis wird dieser auch bei 3A schon relativ warm
und muss gekühlt werden. Er hat aber mehr Reserve, da Du
ihn nur mit 21V-24V versorgst.

Je nach den nötigen Strömen könnte es aber vernünftiger sein,
wie schon weiter oben gepostet, auf Schaltregler zurück
zu greifen.

Markus
DL8MBY

PS.: Beim 18V Regler stehen Dir mehr wie 1.5A zur Verfügung,
da habe ich mich in meiner Zeichnung vertan.

Autor: Torsten A. (tody77)
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Hallo Forengemeinde,

vielen Dank für die zahlreichen Antworten. Eure Antworten lassen darauf 
schließen, dass ich dort etwas auf dem Holzweg bin und mit den 
angestrebten 5A an dem LM338 nicht realisierbar ist.

Jetzt noch zu euren Fragen wegen der Strombelastbarkeit. Der Strom, 
welcher an dem LM338 anliegen soll, liegt bei 20mA bis eben das Maximum, 
was für den Regler möglich ist. Mir wäre es jedenfalls lieber, wenn ich 
etwas darunter bleibe. Das Maximum hängt davon ab, wieviele Loks auf der 
Anlage gleichzeitig fahren/stehen und ist daher variabel. Es 
müssen/sollen nicht dauerhaft die vollen 5A anliegen.

Der 7812 soll maximal 1A belastet werden. Dies ist auch wieder abhängig 
davon, wieviele Handregler angeschlossen sind. Dies soll wiederum 
heißen, dass die Belastbarkeit von 1A nicht voll ausgereizt werden soll.

Der 7805 soll die Spannungsversorgung für einen Arduino Mega samt 
Ethernet-Shield sicherstellen, mehr nicht. Da weiß ich aber nicht, 
wieviel dieser benötigt.

Die nur angesprochene 3,3V Versorgung ist nur für ein ESP01 WLAN Modul 
für den Arduino.

Nun ist es so, dass von dem Projekt, welches ich momentan nachbauen 
möchte, zwei verschiedene Varianten im Internet kursieren. Beide werden 
mit einem regelbaren Netzteil für ein Laptop betrieben. Sie 
unterscheiden sich jedoch darin, dass bei der einen Version die 5V, 12V 
und 3,3V mit Spannungsreglern und bei der anderen Version mit 
Buck-Reglern und einem ESP01-Adapter realisiert wird.

Ich habe mir vor vielen Jahren die NanoX (Digitalzentrale) von Paco 
nachgebaut, wobei ich nur Löten musste, weil mir die geätzte Platine zur 
Verfügung gestellt wurde. Bei der Zentrale ist ein LM350 verbaut, 
welcher die Gleisspannung von 12-21V mittels Drehpoti regeln lässt. 
Diese Zentrale wird mit einem 16V~ Spielzeugtrafo betrieben. Diese 
Möglichkeit wollte ich gern weiter nutzen.

Nun ist es so, dass die Spannung meinetwegen irgendwo zwischen 11V und 
18V einstellbar sein soll. Mit meiner aktuellen Zentrale fahre ich bei 
14V, weil ich kleine Dekoder verwende. Es war meine Idee, dass man die 
Möglichkeit hat, sich die zu verwendene Spannungsquelle auszusuchen. Bei 
mir wären es die 16V~, jemand anderes will vielleicht ein regelbares 
Laptopnetzteil verwenden.

Die 5A des LM338 sind kein Muss, ich würde auch einen LM350 mit 3A 
verwenden. Allerdings weiß ich nicht, wie dann der 
Glättungselko/Kühlkörper nach dem Gleichrichter dimensioniert werden 
muss. Es war nur der Gedanke, dass man eine Weile ohne einen Booster für 
die Anlage weiter kommt. Wenn ich aber nun einen so enormen Kühlkörper 
benötite, dann kann ich es aus Platzgründen getrost vergessen und würde 
eher auf die 3A ausweichen, sofern das möglich ist und dann doch eher 
auf einen Booster zur Erweiterung zurückgreifen.

Bei dem LD1117 war mein Gedanke gewesen, in das 5V Netz einzusetzen, 
weil halt nicht soviel Energie verbraten wird. Ihn wollte ich in SMD 
Bauform verplanen und eine Kühlfläche auf der Leiterbahnenseite der 
Platine vorsehen.

Jedenalls muss ich halt wissen, wie groß die Kühlkörper/Kondensatoren 
dimensioniert werden müssen, dass ich bei meinem Layout mit den 
Platzverhältnissen hinkomme. Die Kerkos will ich als SMD verplanen, weil 
es etwas Platz spart.

Viele Grüße
Torsten

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Torsten A. schrieb:
> Das Maximum hängt davon ab, wieviele Loks auf der
> Anlage gleichzeitig fahren/stehen

Da beginnt erst mal das Problem.

Ein Elektromotor einer Spielzeuglok nimmt keineswegs nur konstanten 
Strom auf, sondern stark schwankend. Während ein Eisenkerntrafo sich nur 
langsam erwärmt, reagiert Elektronik sofort auf Überlastung. Wenn also 
in einer Modellbahn ein Regeltrafo mit 5A es schaffte, alle Loks zu 
bedienen, so reicht eine 5A Elektronik LÄNGST nicht aus, denn die 
Elektronik muss den Strom beim Anfahren der Loks, beim Ruckeln, eben die 
Spitzen liefern können, und dieser Strom ist ERHEBLICH höher, statt 5A 
leicht 50A (nein, nicht alle Loks werden gleichzeitig hohen Strom 
ziehen, obwohl, wenn alle rumstehen und durch Raufregeln der Spannung 
alle gleichzeitig anfahren sollen, vielleicht).

Diese Spitzenstromaufnahme muss sowohl der Spannungsregler liefern 
können (immerhin nicht sein Kühlkörper abführen müssen) und das 
Schaltnetzteil (Laptopnetzteil) bringen können (ein Eisenkerntrafo 
müsste nur den Mittelwert bringen).

Zudem: Auch ein Modelleisenbahn-Regeltrafo liefert keine Gleichspannung, 
sondern pulsierende Spannung. Loks brauchen keine Gleichspannung, 
sondern es reicht mit 100Hz zerhackte Spannnug. Man muss also keinen 
Linearregler verwenden, sondern kann per PWM eine Gleichspannung (von 
z.B. 19V) durch zerhacken in eine mittlere geringere Spannung wandeln. 
Das hat auch den Vorteil, daß das Drehmoment bei geringer 
Geschwindigkeit grösser wird, und die Verluste im Schalttransistor 
sinken ERHEBLICH. Vergiss also den LM338, nimm lieber PWM, allerdings 
mit Kurzschlussicherung, denn bei Modelleisenbahnen gibt es oft genug 
einen Kurzschluss.

Für die 12V und 5V und 3.3V kann man Linearregler einsetzen wie du sie 
hast, da passen dann auch die 19V aus dem Laptopnetzteil (oder einem 
kräftigeren).

Als PWM Regler vielleicht
https://www.reichelt.de/?ARTICLE=119280

Insgesamt ist eine Modelleisenbahn, bei der ganze Gleise mit gleicher 
Spannung belegt werden damit alle Loks gleich fahren, aber kaum noch 
zeitgemäss. Man verwendet heute Digitalsteuerung mit Dauerspannung auf 
dem Gleis, das verringert auch den Aufwand und ermöglichst Dinge wie 
Beleuchtung ohne Klimmzüge.

Wenn deine Nano-X schon einen LM350 verwendet, belass es doch dabei, die 
hat auch den richtigen R2 damit man die Spannung nicht von 1.2V an 
regeln kann, dahinter ist dann ja Elektronik mit L6203 DCC zu den Loks.

: Bearbeitet durch User
Autor: Teo D. (teoderix)
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Michael B. schrieb:
> Zudem: Auch ein Modelleisenbahn-Regeltrafo liefert keine Gleichspannung,
> sondern pulsierende Spannung. Loks brauchen keine Gleichspannung,
> sondern es reicht mit 100Hz zerhackte Spannnug. Man muss also keinen
> Linearregler verwenden, sondern kann per PWM eine Gleichspannung (von
> z.B. 19V) durch zerhacken in eine mittlere geringere Spannung wandeln.

Dann könnte man das auch mit einem Thyristor realisieren. Weniger steile 
Flanken etc.

Autor: Torsten A. (tody77)
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Das soll doch die Spannungsversorgung einer Digitalzentrale werden, 
wobei ich einen anderen Weg bei der Spannungsversorgung gehen wollte.

Da es für mich doch sehr kompliziert erscheint, die regelbare Steuerung 
direkt in der Zentrale zu realisieren, werde ich wohl doch auf das 
einstellbare Schaltnetzteil zurückgreifen müssen. Zur Sicherheit werde 
ich dann trotzdem den Gleichrichter einplanen, dass niemand mir die 
Zentrale zerschießt, indem er den 16V~ Trafo anschließt.

In dem Layout, welches ich momentan fertig habe, sind für die Versorgung 
mit 5V oder 12V diese DC-DC Converter verplant:

https://www.amazon.de/DaoRier-LM2596S-Converter-Verstellbarer-Stromversorgung-Blau-x-1/dp/B06XYDNM77/ref=sr_1_17?ie=UTF8&qid=1524649721&sr=8-17&keywords=spannungs+converter

Geplant war gewesen, die Zentrale mit diesem Netzteil zu betreiben:

https://www.reichelt.de/Netzteile-fuer-Note-Netbooks-PDAs/PWS-150/3/index.html?ACTION=3&LA=446&ARTICLE=69092&GROUPID=4949&artnr=PWS+150&SEARCH=PWS%2B150&trstct=pos_0

Das von mir erstellte Layout ist auch darauf ausgelegt, dass Alles 
(Bauelemente, WLAN Modul, Arduino, Buck-Regler) in dieses Gehäuse passt. 
Größer soll es auch nicht werden.

https://www.reichelt.de/Kunststoffgehaeuse-TEKO/TEKO-022/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=34072&GROUPID=7713&artnr=TEKO+022&trstct=pol_0

Mit dem Thyristor kann ich leider nichts anfangen. Wäre bei ihm das 
Problem der Abwärme oder die Regelung selbst ein anderes oder besseres? 
Ich war froh, dass ich das mit den Festspannungsreglern halbewegs 
vestanden habe. Wie ihr seht, hat das aber auch nicht richtig geklappt.

Der Ausgang des regelbaren Spannungsregler soll an den VS-Pin des 
TLE5206 gehen, wo anschließend das DCC-Signal auf die Spannung aufgelegt 
wird. So, habe ich es jedenfalls verstanden. Mit dem auferlegten 
Digitalsignal geht der Strom / die Spannung zum Ausgang für das Gleis.

Wäre es sinnvoller, die Regelung für das Gleis über das regelbare 
Schaltnetzteil zu bewerkstelligen und die 5V und 12V Versorgung über die 
Konstantspannungsregler? Ich habe jetzt heraus bekommen, wieviel die 
Multimäuse (Handregler) verbrauchen. Es sind etwa 70mA. Damit dürfte der 
7812 selbst bei 5 Handreglern noch lange nicht an seine Lastgrenze 
kommen.

In der Tat ist es so, dass die Loks nicht konstant den gleichen Strom 
ziehen, sondern mal mehr oder mal weniger. Die verbauten Dekoder haben 
eine Lastregelung integriert, welche ähnlich funktioniert wie ein 
Tempomat beim Auto. Soll heißen, geht es bergauf, gibt es mehr Spannung, 
dass die Geschwindigkeit nicht absinkt. Geht es bergab, wird der 
Spannung zurück genommen, dass der Zug nicht zu schnell wird. Je mehr 
dann am Haken der Lok hängt, desto stärker wird dann vom Dekoder 
geregelt. Diese Regelung macht aber der Dekoder in der Lok selbstständig 
unabhängig von der Zentrale. Es ist aber auch so, dass der Dekoder Strom 
zieht, obwohl die Lok sich nicht bewegt und ohne Licht auf dem Gleis 
steht. So nimmt er in diesem Ruhezustand etwa 20mA. Der Dekoder wartet 
dann nur auf Informationen, welche von der Digitalzentrale über das 
Gleis geschickt werden und reagiert, wenn seine eigene Adresse dabei 
genannt wird.

Am Ende ist es so, dass am Ausgang der Zentrale eine symmetrische 
Wechselspannung ähnlich der Impulsbreitensteuerung anliegt, wie sie bei 
den neueren analogen Trafos vorhanden ist. In dieser Wechelspannung ist 
dann das Signal für die Dekoder versteckt. Würde ich nun eine 
Gleichstromlok auf das Gleis mit der Digitalspannung stellen, würde die 
Lok sich keinen Zentimeter bewegen, sondern nur vor sich hin brummen.

Achso, die Kurzschlusskennung ist in der Zentrale über die Software 
realisiert und nimmt dann mittels Relais die Spannung vom Gleis weg.

Viele Grüße
Torsten

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Torsten A. schrieb:
> Geplant war gewesen, die Zentrale mit diesem Netzteil zu betreiben:

Die Frage ist, welche Elektronik zwischen Netzteil und Schiene hängt.
Wenn dort auch ein L6203 hängt, dann ist das Relais das bei Kurzschluss 
abschaltet VIEL zu langsam. Der L6203 hält nur 10A aus, für 1ms.
Also muss der Strom auf 10A begrenzt sein, und innerhalb 1ms 
abgeschaltet werden. Hängt vor dem L6203 ein dicker Siebelko, im 
Original 4700uF hinzu die Elkos am Ausgang des Schaltnetzteils, reicht 
dessen Ladung um den L6203 nach einem Kurzschluss an dessen Ausgang zu 
zerstören, weit vor 1ms.

Die Originalschaltung verwendet den Sense-Anschluss vom L6203 um 
Überstrom erkennen zu können. Allerdings per uC, und niemand verhindert, 
daß inzwischen der Strom über 10A steigt, ausser dem Netzteil, das du 
aber gegen ein Schaltnetzteil ersetzen willst.

Hat man 18V und 1.8Ohm Rshunt, wäre das verhindert, aber dann hat man 
bei den legalen 3A auch nur noch 12.6V übrig. Der Rshunt hat jedoch eher 
nur 0.5 Ohm, was bei Kurzschluss erstmal 36A fliessen lässt. Da muss man 
einerseits die Geschwindigkeit des Stromanstiegs begrenzen (das macht 
normalerweise eine Drossel als Induktivität) und die Reaktion muss viel 
schneller sein als 1ms, eher 1us, denn zu gross darf die Drossel nicht 
werden. Bei 18V und 1us begrenzt 2uH auf 10A, und 2uH stört in Betrieb 
nicht, sogar 10uH wären ok als Spule die 10A aushält.

Du brauchst also eine Schaltung, die die Spannung an Sense des L6203 
auswertet und bei Überschreitung von 5A innerhalb 1us das Steuersignal 
ENABLE des L6203 abschaltet bevor der Strom 10A erreichen kann, und eine 
Spule von 10uH/10A in der Leitung vor dem Kurzschluss aber nach dem 
L6203, also auf der Platine. Da der L6203 interne Freilaufdioen hat, 
muss man sich um die Spule keine Gedanken machen. Sie verbessert auch 
die EMV Störabstrahlung der Anlage, vor allem wenn sie in beiden 
Leitungen steckt.

Diese Überstromschaltung sollte zumindest den aktuellen Impuls 
abbrechen. Die kann wieder aufgehoben werden, wenn der nächste Impuls 
kommt, dann erfolgt ein erneuter Test auf Kurzschluss ud die Anlage käme 
von alleine wieder auf die Beine,

Ein Transistor, der die Spannung am Rshunt mit 0.7V vergleicht und bei 
Überschreitung ein 74HC74 FlipFlip löscht, das ENABLE bedient, reicht.
[pre]
                   L6203
                 +-------+
-----------------|In1    |
uC               |       |--4u7--o
-----+-----------|In2    |      Gleis
     |  +-----+  |       |--4u7--o
     +--|CLK Q|--|EN     |
        |     |  +-------+
+5V--+--|D    |    |    |sense
     |  +-----+   GND   |
     |     |RES         |
     +-4k7-+            |
           |            |
    BC547  >|--+--100R--+
          E|   |        |
           |   1n    Rshunt
           |   |        |
          GND GND      GND
Das FlipFlop wird durch die steigende Flanke an In2 gesetzt um ENABLE 
automatisch einzuschalten wenn der uC arbeitet. Das Relais braucht es 
dann nicht mehr. Je eine 4u7 Spule für 10A an den L6203 Leitungen zum 
Gleis, möglichst noch auf der Platine und damit vor dem Punkt des 
möglichen Kurzschlusses, begrenzen nicht nur den Stromanstieg, sondern 
verbessermn auch das EMV Verhalten der Anlage.

Ob dein Nezteil dann 19V, 18V oder 16V oder 20V liefert ist völlig egal, 
die Decoder müssen mit 17V (was aus einem L6203 kommt der mit 19V 
versorgt wird) auskommen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Walta S. (walta)
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Ein Computernetzteil hat 12, 5 und 3,3 Volt und kostet nur wenig.

Die 12-18 dann mit einem StepUp Regler.

Walta

Autor: Torsten A. (tody77)
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Es geht mir um dieses Projekt:

http://pgahtow.de/wiki/index.php?title=Z21_Arduino_Zentrale_(Atmega2560)

In diesem Schaltplan wird die Gleisspannung über die Eingangsspannung 
geregelt (als 20V angegeben). Dort sind für die Versorgung in der 
Zentrale selbst auch die 7805 und 7812 verbaut. Ganz unten auf der Seite 
ist eine Variante, welche keinen 7805 und 7812 verwendet, aber diese 
Buck-Regler.

Ich hätte halt gern die Regelung der Gleisspannung nicht über das 
Netzteil sondern mittels Poti in der Zentrale.

Michael, dein Schaltungsvorschlag mit dem L6203 ist in der NanoX 
verbaut, welche ich momentan verwende. In der anderen Zentrale, welche 
ich bauen möchte ist ein TLE5205 verbaut. Da es den TLE5205 nicht mehr 
gibt, geht wohl auch ein TLE5206.

Das Relais wird trotzdem benötigt, weil es die Gleisspannung vom 
Hauptgleis wegnimmt, sobald man einen Dekoder programmieren möchte. 
Sonst bekommen alle Loks auf der Anlage die gleiche Programmierung. Es 
gibt zwei Ausgänge an den Zentralen. Einmal das Hauptgleis (die gesamte 
Anlage) und einmal das Programmiergleis, welches komplett getrennt als 
Teilstück in der Anlage sein kann. Steht eine Lok auf dem 
Programmiergleis und man programmiert diese, dann ist die gesamte 
restliche Anlage stromlos, sodass die anderen Loks von der 
Programmierung unbeeindruckt bleiben. In meiner jetzigen Zentrale, der 
NanoX "klackt" jedenfalls auch das Relais, sobald es zu einem 
Kurzschluss kommt. Ich denke aber mal, dass es so ist, wie du 
beschreibst mit dem L6203. Er selbst wird nicht "klacken" sondern das 
Relais wird zusätzlich geschalten.

Oder sollte ich mir vielleicht nicht soviel Gedanken machen und einfach 
so bauen, wie es schon entwickelt wurde? So funktioniert es jedenfalls.

Viele Grüße
Torsten

: Bearbeitet durch User
Autor: Torsten A. (tody77)
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Hallo Foriker,

durch Arbeit, Familie, Haus und Hof bin ich etwas eingespannt. In den 
letzten Tagen bin ich erst dazu gekommen, eure Beiträge noch einmal 
genauer zu lesen und habe "versucht" zu verstehen.

Ich werde mein Layout wieder über den Haufen werfen und ein von der 
Grundfläche größeres Gehäuse nehmen. Gibt es nicht irgendeine Regelung, 
welche ich für die Gleisspannung nutzen kann, welche bis maximal 5A 
reicht?

Gehen da diese Step-Down-Regler wie der LM2678T-ADJ oder LM2679T-ADJ? 
Aus den Datenblättern der beiden Regler ist mir irgendwie nicht 
ersichtlich, wie und wo ich einen Trimmer/Poti mit welchem Wert 
einsetzen muss. Wie sieht es mit der Kühlung aus? Welchen 
Wärmewiderstand würde ich dafür benötigen?

Michael B. schrieb:
> Die Frage ist, welche Elektronik zwischen Netzteil und Schiene hängt.
> Wenn dort auch ein L6203 hängt, dann ist das Relais das bei Kurzschluss
> abschaltet VIEL zu langsam.

Nach der Regelung kommt ein TLE5206. Eine Kurzschlusssicherung wird 
durch den Arduino realisiert, wenn ich das richtig verstanden habe. 
Dabei ist zwischen GND der Schaltung und dem GND-Pin des TLE5206 ein 
Hochlastwiderstand mit 0R33 5W, welcher an den Signaleingang 
Current-Sense des Arduino geht. Dieser registriert den Kurzschluss und 
schaltet den TLE ab.

Michael B. schrieb:
> Auch ein Modelleisenbahn-Regeltrafo liefert keine Gleichspannung,
> sondern pulsierende Spannung. Loks brauchen keine Gleichspannung,
> sondern es reicht mit 100Hz zerhackte Spannnug.

Allerdings frage ich mich, wie der Dekoder darauf reagiert, welcher 
zwischen Lokmotor und Gleis hängt?

Wenn dies dem Dekoder egal wäre, könnte doch der PWM-Regler in Frage 
kommen. Kommt am Ausgang eine gesiebte Spannung oder wie man das nennt 
heraus? Gibt es da eine Möglichkeit, die Bauteile in mein Layout zu 
integrieren oder muss ich die Platine irgendwie mit im Gehäuse 
befestigen. Die Größe des Kühlkörpers ist bei dem Modul aber 
überschaubar.

Michael B. schrieb:
> Für die 12V und 5V und 3.3V kann man Linearregler einsetzen wie du sie
> hast, da passen dann auch die 19V aus dem Laptopnetzteil (oder einem
> kräftigeren).

Ich habe diese DC-DC-Wandler von Amazon für die Versorgung der 12V und 
5V gewählt. Für die 3,3V kommt der LD1117 zum Einsatz. Bei den 
DC-DC-Wandlern habe ich die Trimmer durch feste Widerstände ersetzt, 
somit ist eine versehentliche Manpulation im eingebauten Zustand nicht 
möglich.

Markus W. schrieb:
> Falls Dir die Angegebenen Ströme reichen (orange),
> kannst Du die Schaltung wie angegeben modifizieren.

Ja, sie würden schon reichen. Wobei ich nicht weiß, ob bei den 5V die 
0,5A als Versorgung für den Arduino ausreichen. Die anderen Werte würden 
schon in die Richtung gehen. Ich will doch nicht, dass die 5A dauerhaft 
bei dem 18V Regler gezogen werden. Es geht mir nur darum, dass ich 
bequem mit 3A-4A, bis maximal 4,5A versorgt bin. Bis an die Lastgrenze 
will ich nicht unbedingt ran. Es geht mir nur darum, dass es ein 
5A-Regler sein soll, weil ich vermute, dass der LM338 mit 5A sich nicht 
so stark erwärmt wie ein LM350 mit 3A, wenn nun mal die 3A-Grenze 
erreicht ist.

Ich weiß, der Beginn jeder Katastrophe war eine Vermutung...

Auf jeden Fall ist bei deiner Modifikation der Schaltung die verringerte 
Verlustwärme ein gutes Argument.

Kann man den Strom bei einem Regler auch irgendwie begrenzen? Ich meinte 
damit, dass ich einen 5A-Regler habe, er aber bei meinetwegen 4,5A 
sicherheitshalber abgeschaltet wird?

HildeK schrieb:
> Du hast einen Wärmefluss vom Halbleiter über dessen Gehäuse zur Umgebung
> bzw. zum Kühlkörper und von da aus zur Umgebung...

Vielen Dank HildeK für deine Erklärung, wie man den Wärmewiderstand 
berechnet. Da kommt endlich etwas Licht für mich ins Dunkle. :-)

Sind die 50°C Umgebungstemperatur realistisch für ein geschlossenes 
Gehäuse oder sollte ich da mehr annehmen? Die weiter oben erwähnten 
85°C? Nicht dass ich mir über eine aktive Kühlung dann auch noch 
Gedanken machen muss. :-(

Teo D. schrieb:
> Nicht vergessen, das der Trafo min. 1,5x Leistung haben sollte.

Was passiert, wenn er die Leistung nicht erreicht?

Icke ®. schrieb:
> Die Fahrmotoren speisen u.U. hohe Induktionsspannungen zurück. Da muß
> eine Freilaufdiode parallel zum Ausgang, sonst stirbt der Regler
> zeitnah.

Da sind noch vor den Motoren Dekoder, welche die Informationen von der 
Zentrale auswerten und verarbeiten. Ich denke mal, dass sie die 
Induktionsspannung schon abfangen oder liege ich da falsch?

MaWin schrieb:
> Nicht wenn dh nur von 12-18V regeln willst, deine Werte erlauben einen
> grösseren Regelbereich.

Welchen Regelbereich haben meine Werte? Der niedrigste Wert ist nicht 
wirklich relevant. Wenn die Spannung unter der mindestens benötigten 
Eingangsspannung der Dekoder liegt, dann fährt halt nichts. Ich möchte 
nur nicht, dass ich über die maximale Spannung für die Dekoder komme. 
Kann ich das irgendwie nach oben begrenzen? Ich begrenze sie bei mir auf 
14V-16V (bei meiner alten Zentrale) in anderen Spurweiten können auch 
nur 12V oder bis 20V möglich sein.

Ich möchte mir gern mein Layout so gestalten, dass es möglich ist, diese 
Bereiche abzudecken. Wenn ich meine 14V-16V einstelle, kann ich eine 
kleinere Spannungsquelle nutzen, als jemand, der 20V einstellen möchte.

HildeK schrieb:
> Hab ich nicht nachgerechnet. Verwende die Formel aus dem Datenblatt. R1
> ist aber zu groß gewählt, es sollten max. 240R-270R sein, idel sind
> 120R. Siehe DB.

Gut, dann werde ich das mit R1 berücksichtigen. Aber wie groß muss dann 
R2 sein?

HildeK schrieb:
> Bei solchen Strömen ist ein Linearregler nur im tiefen Winter sinnvoll
> :-).

Welche Alternative gibt es? Den PWM, welchen Michael B. vorgeschlagen 
hat, oder ein Step-Down-Regler? Ich möchte gern die Wärmeentwicklung so 
gering wie möglich halten.

Ist Schaltregler eine andere Bezeichung für den Sep-Down-Regler oder 
DC-DC-Wandler?

Bei meinen DC-DC-Convertern von Amazon habe ich einwenig mit der 
Spannung getestet. Habe ich die Ausgangsspannung auf 5V eingestellt und 
ändere die Eingangsspannung oberhalb von den 5V, meinetwegen von 8V-12V 
hoch und runter, ändert sich die Ausgangsspannung nicht. Ist das bei 
einem regelbaren Linearregler auch so?

Viele Grüße und noch schöne Pfingsten
Torsten

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