Kondensatorpufferung von Lokdekodern

    Bei Kontaktschwierigkeiten (z.B. auf einer Weiche) bleibt eine Digitallok schnell stehen, insbesondere wenn es sich um Fahrzeug mit wenig stromführenden Achsen handelt. Hier bringt ein Energiespeicher in der Lok Abhilfe: dieser Energiespeicher versorgt Motor und Dekoder kurzfristig mit dem beötigten Strom. Zur Pufferung elektrischer Energie eignet sich ein Kondensator.

Schaltung

    Die einfachste Lösung wäre eine Kondensator nach dem Gleichrichter des Dekoders. Das hat allerdings den Nachteil, dass zu Beginn ein erheblicher Ladestrom fließt, welcher vom Booster als Kurzschluß gewertet wird und auch die Gleichrichterdiode über Gebühr beansprucht.

    Also trennt mal Lade- und Entladestrom mittels Widerstand und Diode: beim Laden fließt jetzt ein geringerer Strom (wegen Widerstand R2/R3), beim Entladen kann der volle Strom fließen. Aber auch hier gibt es noch Probleme: beim Programmieren wird ja die Quittung mittels einer Stromerhöhung gemeldet, diese kann im Ladestrom des Kondensators untergehen. Also muß man den Ladestrom zu Beginn einschränken, empfohlen wird (z.B. von Zimo) eine Drossel mit 3,3µH.
    Besser und kleiner als die Drossel wäre ein P-E-FET, dessen Gate man mit einen Kondensator verzögert freigibt. Damit bekommt man sauberen Softstart und kein Auslösen der Boosterbegrenzung.

    Schaltungsvorschlag für eine Ladeschaltung. D1, R2/R3 und C1 bilden die bekannte Pufferschaltung, der Rest ist die Ladeverzögerung.

    Wie funktioniert es? Q1 ist ein P-FET, Anreicherungstyp. Von Common+ (blaue Leitung am Dekoder) geht es auf die Source des FETs, Ladewiderstand R2/R3 und C1 hängen am Drain. Das Gate wird über R1 auf Masse gelegt. C2 und D2 ignorieren wir mal.
    Beim Einschalten bildet sich zwischen Gate und Source eine Spannung, der FET leitet, das ist also so wie gehabt. Jetzt betrachten wir die Wirkung von C2: der ist am Anfang entladen. D.h. beim Einschalten ist die Gate-Source-Spannung noch 0V (der FET sperrt) und steigt erst mit dem Laden von C2 an. Erst wenn die V(gs) des FETs erreicht ist, dann beginnt der FET zu leiten. Die Zeitkonstante t(rc) ist hier 1M || 1µF, d.h. ca. nach 100ms geht es los. Und schließlich sorgt D2 noch dafür, dann sich C2 beim Abschalten schnell entladen kann.

Layout


    Mit SMD-Bauelementen läßt sich so eine Schaltung auf einer Größe 14mm x 7mm unterbringen, nur einseitig bestückt. Der Kondensator C1 ist natürlich extern anzuschließen (via X3 und X4), der abgebildete kleine SMD-Kondensator reicht bei weitem nicht.

Auswahl des Kondensators

    Zur Pufferung sind Kondensatoren möglichst großer Kapazität zu verwenden, dabei müssen die zulässigen Spannungen und Ströme am Kondensator beachtet werden. Hierbei kann man zwischen verschiedenen Typen wählen:
  • Gold-Caps: (Double Layer)
    Diese Kondensatoren haben oft riesige Kapazitäten (z.B. 1F), allerdings ist die Spannungsfestigkeit i.d.R. nur 5,5V, zudem ist oft ein erheblicher Innenwiderstand vorhanden, der den Einsatz zur Motorüberbrückung unmöglich macht. Genaues Studium des Datenblattes unbedingt empfohlen!
  • Alu-Elkos:
    Hier bekommt man z.B. in D=20mm, H=40mm etwa 10000µF mit 16V Spannungsfestigkeit. Gute Kondensatoren (z.B. Rubycon GVX-Serie) haben auch eine Stromfestigkeit von über 2000mA, sind also geeignet.
  • Best-Cap:
    Das sind keramische Kondensatoren mit extremer Stromspeicherfähigkeit, allerdings oft nur 2,5V oder 5V Spannung. Durch eine Reihenschaltung kann man eine brauchbare Anordnung schaffen. Die Bauformen sind quaderförmig, z.B. 20mm x 40mm * 3mm.


    • Kombination mehrerer Kondensatoren:
    Hier kommt Reihen- oder Parallelschaltung in Betracht: Bei Reihenschaltung zweier Kondensatoren verdoppelt sich die Spannungsfestigkeit, dafür halbiert sich die Kapazität. Bei Parallelschaltung bleibt die Spannung, die Kapazität verdoppelt sich.
    Bei jeder Verschaltung ist durch Widerstände eine Ladungsbalance sicherzustellen. Bei Reihenschaltung wird dazu parallel zu den einzelnen Kondensatoren ein Widerstand (z.B. 1MOhm) anzuordnen. Diese Widerstand sorgen für eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung, so dass kein Kondensator überlastet wird.

    Welche Kapazität hilft wieviel?
    Die Ladungsmenge im Kondensator ist Q = C * U = I * t; D.h. ein Kondensator mit 1F kann 1s lang 1A liefern, dabei sinkt die Spannung am Kondensator um 1V.

    Nehmen wir zur beispielhaften Rechnung eine Lok mit 300mA Stromaufnahme an, Betriebsspannung 15V. Wenn die Spannung am Kondensator auf 10V fallen darf, ist U = 5V. Der Beispielkondensator habe 10000µF, dann ergibt sich t = (C * U) / I = 160ms. Eine H0-Lok mit etwa 36km/h kommt dabei etwa 2cm weit.
    Das bedeutet: schwierige Stellen werden damit überwunden, der Riesen-Auslauf ist das nicht.

Einstellungen im Dekoder

    Um eine Weiterfahrt aus dem Pufferkondensator zu unterstützen (vor allen wie lange die Lok noch fahren soll), haben die Dekoder entsprechende Einstellungen. Definiert wird die Zeit, für die der Decoder Energie aus einem Pufferkondensator entnimmt, wenn das Digital-Signal ausfällt.
  • ZIMO: CV153, default 0. Einheit 100ms, 10 entspricht ca. 1s
  • Lenz: CV112
  • ESU: CV113, default 50: Einheit 20ms, 50 entspricht ca. 1s
    • Diese Einstellungen sind nur die Maximalzeit und es funktioniert natürlich nur, wenn der Elko auch genügend Energie liefern kann. Wenn der Elko leer ist, aber die voreingestellte Zeit noch nicht um, dann bleibt die Lok logischerweise auch stehen.

Unterlagen, Links