Frage an Elektroniker zu Kondensatoren und AC/DC

[Florida Man]

Ich weiss, dass es den einen oder anderen ELektroniker im FOrum gibt. Ich bin keiner, nicht mal näherungsweise. Würde mich daher über Hilfe freuen.

Ich habe eine Garteneisenbahn von LGB/Playmobil. Diese fährt auf 24 Volt GLeichstrom, analog. Damit die Dampfloks auch im Stand dampfen und die Lampen leuchten, habe ich mir ein Trix EMS Mehrzugsteuersystem gekauft. Dieses legt unabhängig von der Gleichstromspannung eine Wechselspannung zusätzlich auf das Gleis. So ist dauerhaft Wechselspannung auf dem Gleis, wodurch Verdampfer und Lampen weiter laufen, auch wenn der Fahrstrom auf 0 geregelt ist.

Jetzt möchte ich in meinen Loks noch bipolar verdrahtete Kondensatoren einbauen, damit die Loks bei Kontaktschwierigkeiten nicht mehr so ruppig fahren.

Ist es richtig, dass die Kondensatoren nicht durch die Wechselspannung geladen werden und dass die Kondensatoren sich überhaupt nicht um die Wechselspannung "kümmern"? Oder muss ich befürchten, dass mir bei einem Test alles um die Ohren fliegt? :freak:

[anddill]

Die Kondensatoren sind dann je nach Größe ein Kurzschluss für die Wechselspannung. Schaltest Du einen Gleichrichter davor um das zu verhindern laden sie sich durch die Wechselspannung auf und Dein Zug fährt ungeregelt weiter.

[Florida Man]

Oh. Dann muss ich den Plan beerdigen? Oder kann ich fie Wechselspannung vor den Kondensatoren "rausfiltern"?

[Spasstiger]

Wie anddill sagt, ist es eine Frage der Dimensionierung.
Im Kern geht es um Maximierung der Stützzeit durch den Kondensator bei gleichzeitiger Maximierung des Wechselstromwiderstandes (Impedanz) im Parallelzweig über den Stützkondesator. Je größer der Stützkondensator, desto größer die Stützzeit, desto kleiner aber der Wechselstromwiderstand.

Eine Möglichkeit, den Wechselstromwiderstand zu erhöhen, ist eine Spule in Serie zum Stützkondensator.

[Florida Man]

Das verstehe ich kaum, leider.

Ich wollte 4 Stück 10000µF 25 V kaufen und daraus zwei bipolare Pärchen verdrahten. Beide Pärchen parallel zwischen Stromabnehmer und Fahrmotor einbauen. Mein Ziel ist, dass die Lok ca. 2 Sekunden ohne Stromzufuhr überbrücken kann. Die Wechselspannung sollte natürlich weder die Kondensatoren laden, noch diese grillen :)

[Spasstiger]

Ich weiß gerade nicht, wie die bipolare Verschaltung der Kondensatoren aussehen soll, für Wechselspannung nimmst du aber besser bipolare Typen, sonst brauchst du irgendeine Art von Gleichrichtung (Diode, ...), welche wiederum dazu führt, dass auch die Wechselspannung den Kondensator lädt.

Bei 10.000 µF und 9 kHz Wechselspannungsfrequenz (EMS) ergibt sich ein Wechselstromwiderstand des Kondensators von 1,8 Miliohm. Das ist ein nahezu perfekter Kurzschluss für das EMS-Signal, wird so also nicht gehen.
Wenn du pro Lok maximal 0,5 Volt Spannungsabfall auf dem EMS-Signal dulden kannst und deine EMS-Verbraucher in Summe maximal 1 Ampere ziehen, sollte dein Wechselstromwiderstand mindestens 400 Ohm betragen. Ich habe eine Spannung von 14 Volt für das EMS-Signal angenommen.
400 Ohm bei 9 kHz entspricht z.B. einer in Reihe zum Stützkondensator geschalteten Spule mit 7 mH. Ist die Frage, ob darüber der Stützkondensator hinreichend schnell geladen werden kann.

[anddill]

Wenn der DC-Widerstand niedrig genug ist dann sollte das klappen, solange das nicht rumresoniert. Also irgend was fettes mit 2 bis 5A Belastbarkeit nehmen. Was zieht denn die Lok?

Und mit den "Bipolaren Kondensatoren" ist das so eine Sache. Von dem Schaltzeichen für Frequenzweichen-Elkos auf die Möglichkeit zu schlussfolgern, daß man zwei Elkos einfach Antiseriell schalten kann ist gewagt. Das hält nicht lange.

[Rooter]

Du willst die Quadratur des Kreises, das geht nicht. Nur die Gleichspannung puffern geht nicht so einfach. Die Kondensatoren würden die Wechselspannung wegfiltern und, falls die Gesamtspannung mit der negativen Halbwelle unter Null fällt, den Elko zerstören (je nach Leistung, die da unterwegs ist).

Oh. Dann muss ich den Plan beerdigen? Oder kann ich fie Wechselspannung vor den Kondensatoren "rausfiltern"?Würde gehen, ist aber u.U. aufwändig. Man müsste wissen, wie das genau aussieht.
Du kannst hinter den Gleichspannungs-Eingang der Lok eine Diode in Reihe hängen und dahinter die Elkos.
Nee, das ist ja Quatsch, dann bekommt die Lok die positive Halbwelle der Wechselspannung und fährt dauerhaft.

MfG
Rooter

[anddill]

Schnell zusammengekliert, mal als Denkvorlage:

https://www.forum-3dcenter.org/vbulletin/attachment.php?attachmentid=70952&stc=1&d=1595926387

Die linken Dioden sorgen dafür, daß jeder Kondensator die Spannung bekommt die er verträgt, die rechten Dioden leiten das an den Motor weiter, ohne die Kondensatoren kurzzuschließen. Der Motor ist direkt über die Kondensatoren angeschlossen, um die Induktivität zu umgehen, die sonst die Entladung bei Stromaussetzern zu sehr verzögern würde.
Die Spule, das könnte ne fette Ferritdrossel für Frequenzweichen o.ä. sein, verhindert daß die AC Spannung über die Kondensatoren abfließt. Restladung, die gleichgerichtet über die beiden linken Dioden und die Drossel in die Kondensatoren gelangt wird über die rechten Dioden abgeleitet und kurzgeschlossen. Die Spule sollte logischerweise so groß wie möglich sein, ohne die Anfahreigenschaften der Lok zu stark zu beeinträchtigen. Die Dioden haben natürlich einen typischen Spannungsabfall von insg. ca. 1,5V unter Last. Man könnte da Shottky Dioden nehmen, die haben nur 0,3V/Diode Verlust.
Wieviel Platz ist in der Lok, und wieviel Strom zieht die?

Edit: Klappt nicht, die Motorspannung fließt über die rechten Dioden verkehrt rum zurück in den falsch gepolten Kondensator.

[Tyrann]

ich möchte mein Halbwissen mal beisteuern:

könnte man nicht per Tiefpass den Motor von der Wechselspannung trennen?

[anddill]

Das macht der Motor schon ganz alleine, das ist auch nicht wirklich das Problem.

[Florida Man]

Genau, der Motor ist nicht das Problem. Die Schaltung mit bipolaren Kondensatoren zur Glättung ist unter Gartenbahnern erprobt. Jetzt kommt nur meine Zusatzidee mit der zusätzlichen Wechselspannung ins Spiel ... hm hm hm

[anddill]

Dann lösch einfach die Dioden aus meiner Schaltung oben, und bau das so.

[Florida Man]

Baust Du eigentlich gegen Bezahlung solche Schaltungen? Ich werde es auf jeden Fall mal versuchen, ahne aber schon wie mein Lötergebnis aussehen wird xD Danke!

PS: Wie wird die Spule eingebaut? Kann mir das nicht vorstellen.

[anddill]

Das sind einfach 5 Teile in Schrumpfschlauch mit Drähten dran. Das wäre sinnlos das separat zu bauen, das muß ja in die Lok eingepasst werden. Wieviel Platz ist denn da?
ich hätte vermutlich sogar noch passende Drosseln rumliegen.

Ich hab auch noch etliche Platinen von Umrichtern u.ä. rumliegen mit fetten Spulen drin, das würde sich schon lohnen die zu verschicken, die kosten ein paar € in den passenden Dimensionen. Und die hier sind zu schade zum Wegschmeissen. Ich muss nur dran denken morgen mal den Komponententester mitzunehmen, um die auszumessen.

[Florida Man]

Ich habe vier Loks, ich werde die Platzverhältnisse prüfen und BEscheid geben. Platz ist relativ großzügig vorhanden, aber ein flexibler Shcrumpfschlauch-Aufbau wäre natürlich super.

[Rabiata]

Ich weiß gerade nicht, wie die bipolare Verschaltung der Kondensatoren aussehen soll, für Wechselspannung nimmst du aber besser bipolare Typen, sonst brauchst du irgendeine Art von Gleichrichtung (Diode, ...), welche wiederum dazu führt, dass auch die Wechselspannung den Kondensator lädt.

Bei 10.000 µF und 9 kHz Wechselspannungsfrequenz (EMS) ergibt sich ein Wechselstromwiderstand des Kondensators von 1,8 Miliohm. Das ist ein nahezu perfekter Kurzschluss für das EMS-Signal, wird so also nicht gehen.
Wenn du pro Lok maximal 0,5 Volt Spannungsabfall auf dem EMS-Signal dulden kannst und deine EMS-Verbraucher in Summe maximal 1 Ampere ziehen, sollte dein Wechselstromwiderstand mindestens 400 Ohm betragen. Ich habe eine Spannung von 14 Volt für das EMS-Signal angenommen.
400 Ohm bei 9 kHz entspricht z.B. einer in Reihe zum Stützkondensator geschalteten Spule mit 7 mH. Ist die Frage, ob darüber der Stützkondensator hinreichend schnell geladen werden kann.Den Spannungsabfall korrekt zu berechnen, wird schwierig, da der Innenwiderstand des EMS-Signalgenerators und der Widerstand der Schienen in die Rechnung eingeht. Für beides habe ich auf die Schnelle keine belastbaren Werte im Netz gefunden. Ich nehme mal gutgläubig an, daß Spasstiger mit seinen 400 Ohm und 7 mH richtig liegt, vielleicht hat er ja Erfahrungswerte, auf die er zurückgreifen kann. Höhere Induktivitäten werden besser sein.

Für die (Geschwindigkeit der) Aufladung des Stützkondensators ist die Reihenschaltung aus Innenwiderstand des EMS-Signalgenerators, Widerstand der Zuleitung zur Lok und Widerstand der Spule selbst relevant.
Direkt kontrollieren können wir den (Gleichstrom)Widerstand R der Spule, indem wir passend einkaufen. Die Zeitkonstante tau für die Aufladung des Kondensators ist tau = R x C. Das ist die Zeit, in der der Kondensator auf 63% des Endwertes geladen ist. Nach 3 x tau sind wir bei 95%.

Bei C = 10.000µF = 0,01 F und R (Spule) = 1 Ohm ergibt sich tau = 0,01s. Das sollte schnell genug sein :wink:. Alles was ich an Kandidaten für die Spule gefunden habe, hatte R deutlich unter 1 Ohm.

Jetzt schauen wir mal, was es in der Praxis an geeigneten Spulen gibt. Zum Beispiel so etwas (https://www.conrad.de/de/p/drossel-ringkern-radial-bedrahtet-rastermass-3-mm-10300-h-6-a-1-st-534447.html). 10,3 mH sind mehr als wir brauchen, und die 6 A Nennstrom werden dicke reichen. Von den Abmessungen her sollte sie auch leicht in eine Gartenbahnlok passen.

Bei den Kondensatoren rätsle ich aber noch wie das gehen soll. Bin nicht sicher, ob es bipolare 10000 µF Kondensatoren überhaupt zu kaufen gibt. Und wenn ja, wie teuer und sperrig sie sind.

[Florida Man]

Bipolare Kondensatoren baut man selbst in dem man zwei Kondensatoren gegenläufig verbindet. Siehe auch:
https://www.gilbert-medien.de/16128/GB_0507_S63-64_screen.pdf

Interessant fand ich auch diese Schaltung, nbur kapiere ich sie leider nicht.

http://www.buntbahn.de/fotos/data/8202/1900STPUFFER.gif
Das berücksichtig aber nicht meinen Wechselstrom, daher hinfällig.

Von hier: http://www.buntbahn.de/modellbau/viewtopic.php?p=269010#269010

@anddill:

Ich habe 6x8x3 cm Platz im Gehäuse. Falls Du Interesse hast, mir vier Deiner vorgeschlagenen Schaltungen zu bauen, dann schreib mir gerne eine PN mit Deiner Preisvorstellung. Am besten wäre es, wenn die Kapazität bei 10000µF netto liegt, als 2x2 Kondensatoren pro Set vorhanden sind (die Kapazität halbiert sich bei bipolarer Konfiguration, wenn ich das richtig verstanden habe).