RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#26 von SAH , 24.05.2014 20:22

Guten Abend RolfM,

Zitat von RolfM

Mich würde jetzt nochmals die Höhe der Spannung im MM-System bzw. unter mfx interessieren. Kann ich da einfach mit einem Voltmeter zwischen Mittelleiterpuki und Schiene messen - und wenn ja, was sollte ich an diesem einstellen: AC oder DC?
... und was ist der Unterschied zwischen Nominal- und Effektivspannung?



mit einem normalen Messgerät wirst Du nichts sinnvolles erhalten, da kannst Du die Spannung auch mit Würfeln bestimmen.
Zwei Optionen hast Du:
- normales Messgerät mit DC-Einstellung. Zur Messung brauchst Du einen Gleichrichter (d.h. 4 Dioden) und einen Glättungskondensator.
Der Gleichrichter macht aus der Digitalmischspannung (weil Mischung aus Gleich- und Wechselspannung) eine Gleichspannung (daher auch der Name Gleichrichter). Der Kondensator glättet das Ganze, sodass damit eine "glatte" Gleichspannung resultiert.

- ein Messgerät, das die Digitalspannung richtig anzeigen kann, benötigt "true-RMS" oder Echt-Effektiv-Spannung mit einer Bandbreite größer 10 kHz. Diese Geräte sind aber sehr teuer.

Zu Deiner Frage, welche Spannung am Gleis anliegt:
Bei den Märklingeräten wie der 6021 hängt dies vom Transformator ab, der die Zentraleinheit versorgt und natürlich von der Belastung (weil der Trafo mit steigender Belastung an Spannung verliert). Im Leerlauf sind dies z.B. in der Kombination 6021 und 6173 bis zu ca. 25V.
Sobald ein Verbraucher auf der Anlage ist (z.B: Dekoder), sinkt die Spannung auf 24V.
Im Zugbetrieb mit normaler Belastung (z.B. eine V200 alter Bauart, 3021 mit 6 Wagen) sind es ca. 22V mit einem digitalisierten Krokodil (3015) und langem Güterzug nur noch 19V.
Diese Zentraleinheit hat einen DIP-Schalter (DIP3?), der die Spannung auch auf 16V begrenzt. Dieser Schalter wurde in H0 jedoch nicht oft genutzt (allem Anschein nach).

Bei der CS2 mit Trafo (60052) ist eine größere Leistung beim Trafo vorhanden. Daher sinkt die Spannung nicht so stark. Bei meinen Messungen sind es 21-23V. Wird die CS2 mit Netzteilen versorgt, so findet i.d.R. keine große Absenkung der Spannung statt, weil das Netzteil eine sog. Spannungsstabilisierung hat. Damit kommt man auf Gleisspannungen von 16-19V.

Zentralen mit externem Booster (Leistungsverstärker) wie z.B. Tams Easy Control mit Booster B4 haben eine einstellbare Versorgungsspannung gem. Anleitung. Selbst bei großer Belastung sinkt die Spannung nur unwesentlich.

Der Begriff "Effektivspannung" bedeutet: diese Spannung ruft den selben Effekt hervor (z.B. Leuchtstärke eine Glühbirne) wie eine gleichgroße Gleichspannung. Bei Wechsel- und Mischspannungen gibt es Umrechnungsformeln, die von der Art der Wechsel- oder Mischspannung abhängen. Am bekanntesten ist dies bei Sinus-Wechselspannung: 0,707 mal die Scheitelspannung ist die Effektiv-Spannung.
Ist die Scheitel- (also die höchste auftretende) Spannung z.B. 14,1V, so beträgt die Effektivspannung 14,1 * 0,707 = 10V.

Nominalspannungen sind eher die Angaben der Transformatoren, deren Wert auf dem jeweiligen Typenschild angegeben sind. Diese Werte gelten für genormte Bedingungen (z.B. für die auch auf dem Typenschild angegebene Leistungsabgabe und weiteren einzuhaltenden Bedingungen).
Beispiel für die Nennspannung der Märklintrafos für Licht: 16V (eff).

mit freundlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn


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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#27 von RolfM , 24.05.2014 20:53

Hallo Stephan-Alexander Heyn,

nun bin ich höchst erfreut über Ihre detaillierte gut verständliche Antwort - war gleich auf Ihrer Seite und da werd ich und meine Eisenbahnfreunde, die ebenfalls an elektronischen Themen stark interessiert sind wohl öffter mal vorbei schauen müssen . . .

Mit freundl. Gruß und vielen Dank!

Rolf


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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#28 von Peter Müller , 24.05.2014 21:27

Zitat von SAH
Bei der CS2 mit Trafo (60052) ist eine größere Leistung beim Trafo vorhanden. Daher sinkt die Spannung nicht so stark. Bei meinen Messungen sind es 21-23V. Wird die CS2 mit Netzteilen versorgt, so findet i.d.R. keine große Absenkung der Spannung statt, weil das Netzteil eine sog. Spannungsstabilisierung hat. Damit kommt man auf Gleisspannungen von 16-19V.


Das ist dann aber Scheitelspannung, also Effektivspannung mal ca. 1.4? Und das entspricht dann den 12 Volt, die im analogen Gleichstrom-Bereich üblich sind?

Da muss man nämlich aufpassen. Was aus der Gleichstrom- bzw. DCC-Ecke kommt, ist oft auf 12 Volt (Eff.) bzw. 18 Volt AC limitiert. Was aus der Wechselstrom- bzw. MM-Ecke kommt, gönnt sich gerne mal ein paar Volt mehr. Die Spielereien fressen halt Energie und wollen versorgt sein. Mit Multiprotokoll ist alles im gleichen Stromkreis, und es können auch mal Limits überschritten werden.


Grüße, Peter

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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#29 von SAH , 24.05.2014 21:54

Zitat von Peter Müller

Zitat von SAH
Bei der CS2 mit Trafo (60052) ist eine größere Leistung beim Trafo vorhanden. Daher sinkt die Spannung nicht so stark. Bei meinen Messungen sind es 21-23V. Wird die CS2 mit Netzteilen versorgt, so findet i.d.R. keine große Absenkung der Spannung statt, weil das Netzteil eine sog. Spannungsstabilisierung hat. Damit kommt man auf Gleisspannungen von 16-19V.


Das ist dann aber Scheitelspannung, also Effektivspannung mal ca. 1.4? Und das entspricht dann den 12 Volt, die im analogen Gleichstrom-Bereich üblich sind?




Gleisspannung = true-RMS = Effektivspannung = Scheitelspannung weil Rechteck. Die U_ss = 1,4Ueff gelten nur für Sinus.
Die Netzteile geben irgendwo zwischen 18 und 20 V ab, die durch die Zentrale (Halbleitervorwärtsspannungen) auf die genannten 16-19V abgesenkt werden.

Zitat von Peter Müller

Da muss man nämlich aufpassen. Was aus der Gleichstrom- bzw. DCC-Ecke kommt, ist oft auf 12 Volt (Eff.) bzw. 18 Volt AC limitiert. Was aus der Wechselstrom- bzw. MM-Ecke kommt, gönnt sich gerne mal ein paar Volt mehr. Die Spielereien fressen halt Energie und wollen versorgt sein. Mit Multiprotokoll ist alles im gleichen Stromkreis, und es können auch mal Limits überschritten werden.



häufig genutzte Spannung im DCC-Bereich ist AFAIK 14V Gleisspannung.
Im AC-Bereich deutlich mehr (wegen der Trafoleerlaufspannung). Wie weiter oben ausgeführt: die Begrenzungsmöglichkeit der 6021 wurde kaum von Anwendern genutzt (eine diesbezügliche Umfrage hier war kaum besucht).
Guten Dekodern macht dies bei der Motoransteuerung nichts aus, die Modelle haben das selbe Tempo, doch sowohl Dekoder als auch Motor sind deutlich kühler (2-4°C pro V). Schlechte Dekoder machen bei geringerer Spannung den Motor gleichzeitig langsamer.

mit freundlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn


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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#30 von Peter Müller , 24.05.2014 22:21

Zitat von SAH
Gleisspannung = true-RMS = Effektivspannung = Scheitelspannung weil Rechteck. Die U_ss = 1,4Ueff gelten nur für Sinus.


Dann sind 18 Volt Digitalstrom "echte" 18 Volt, während 18 Volt Wechselstrom effektiv nur ca. 12 Volt sind?


Grüße, Peter

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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#31 von H0! , 24.05.2014 22:38

16 V AC (Märklin-Trafo) sind effektiv 16 V mit 23 V Spitzenspannung.
Eine CU 6021 oder ein Delta-Control macht daraus ca. 22 Volt Gleisspannung (Spitzenwert und Effektivwert liegen bei geringer Last sehr nahe beieinander).


Viele Grüße
Thomas


 
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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#32 von digilox1 ( gelöscht ) , 24.05.2014 22:54

Zitat
Dann sind 18 Volt Digitalstrom "echte" 18 Volt, während 18 Volt Wechselstrom effektiv nur ca. 12 Volt sind?


Siehe hier (Tabelle):

http://de.wikipedia.org/wiki/Scheitelfaktor

Manche Leute sprechen im Zusammenhang mit der DCC-Digitalspannung von "bipolarer Gleichspannung".

Gruss,
Manfred


digilox1

RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#33 von Peter Müller , 24.05.2014 23:07

Also werden immer die Effektiv-Spannungen und nicht die Scheitelspannung angegeben? Und ehemals Gleichstrom-Fahrgeräte mit 12 Volt hatten dann tatsächlich nur zwei Drittel der Spannung der ehemaligen Wechselstrom-Trafos? Und bei Digital haben wir jetzt sozusagen den Höchststand mit oft schon mehr als 18 Volt erreicht?


Grüße, Peter

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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#34 von H0! , 25.05.2014 08:14

Zitat von Peter Müller
Also werden immer die Effektiv-Spannungen und nicht die Scheitelspannung angegeben?

In der Regel wird die Effektivspannung angegeben. Gilt auch für die 230 Volt aus der Steckdose (325 Volt Scheitelspannung).
Die Idee ist, dass eine Lampe mit 16 V DC genauso hell leuchtet wie mit 16 V AC.

Und deshalb sind Decoder mit einer Spannungsfestigkeit von 40 Volt (Märklin, ESU) durch blaue Blechtrafos gefährdet. Beim Decoder ist die Spitzenspannung gemeint, die schon bei 28 Volt Effektivspannung erreicht wird.

Im Inneren Deines Delta Controls hast Du 46 Volt Spannung - die positive Halbwelle lädt einen Kondensator auf +23 Volt, die negative Halbwelle lädt einen anderen Kondensator auf -23 Volt. Und der rote Anschluss schaltet zwischen +23 und -23 um. Stichwort Delon-Schaltung.


Viele Grüße
Thomas


 
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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#35 von Peter Müller , 25.05.2014 08:35

Zitat von H0
Die Idee ist, dass eine Lampe mit 16 V DC genauso hell leuchtet wie mit 16 V AC [...] Spannungsfestigkeit von 40 Volt [...] Beim Decoder ist die Spitzenspannung gemeint, die schon bei 28 Volt Effektivspannung erreicht wird.


Kann man das generell sagen, das für "elektrische" Bauteile wie Motoren, Magnetschalter und Glühbirnen als maximaler Grenzwert die Effektivspannung und für "elektronische" Bauteile wie Decoder als maximaler Grenzwert die Scheitelspannung maßgeblich ist? Was ist mit Printrelais und LEDs, was gilt dort?

Und habe ich das richtig verstanden, dass nur bei analogem Wechselstrom gegebenfalls die Scheitelspannung beachtet werden muss, bei analogem Gleichstrom und bei Digitalstrom reicht es aus, die Effektivspannung zu kennen, weil es keine höhere Scheitelspannung gibt? Woran erkenne ich, dass eine Volt-Angabe die Scheitelspannung und nicht die Effektivspannung meint?


Grüße, Peter

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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#36 von Schwanck , 25.05.2014 08:59

Moin Peter,

deien Fragen sind schnell geklärt:
Welche Spitzenspannung (Scheitelwert bei sinusförmigen AC) ei Bauteil verträgt geben die Hersteller in den Datenblättern an. Ganz allgemein gilt dabei, dass man bei Halbleiterbauelementen sehr genau auf die entsprechenden Angaben achten muss.

Nebenbei noch: den Effektivwert im Gleichstrombereich nennt man nicht extra so, weil die Gleichstromwerte die Bezugswerte für die Effektivwerte im AC-Bereich sind.


Tschüss

K.F.


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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#37 von H0! , 25.05.2014 09:24

Moin, Peter,

wenn es nicht dabei steht, muss man "leider" mitdenken.

Bei alten Decodern gab ESU eine Spannungsfestigkeit von 32 Volt an.
Für die gleichen Decoder gab Roco eine Spannungsfestigkeit von 46,5 Volt an.
ESU meint also wohl die Effektivspannung, Roco die Spitzenspannung.

Bei neuen Decodern gibt ESU 40 Volt an und meint die Spitzenspannung (sonst müssten sie nicht vor "Blechtrafos" warnen).

Ein Gleichrichter erhöht die Effektivspannung nicht.
Ein Gleichrichter mit Kondensator erhöht die Effektivspannung bei sinusförmiger Wechselspannung, aber nicht bei Rechteckspannung ("Digitalstrom").

Elektronische Bauteile sterben meist durch Überhitzung. Deshalb kommt es oft auf den Effektivwert an, wenn die Frequenz groß genug ist.
Ein Decoder enthält üblicherweise einen Gleichrichter mit Kondensator. Deshalb zählt hier die Spitzenspannung, nicht der Effektivwert.


Viele Grüße
Thomas


 
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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#38 von Peter Müller , 25.05.2014 10:20

Zitat von H0
Ein Gleichrichter erhöht die Effektivspannung nicht.
Ein Gleichrichter mit Kondensator erhöht die Effektivspannung bei sinusförmiger Wechselspannung [...]
Ein Decoder enthält üblicherweise einen Gleichrichter mit Kondensator. Deshalb zählt hier die Spitzenspannung, nicht der Effektivwert.


Ah, das macht die Sache etwas leichter verständlich, warum es mal so und mal so ist. Das kann ich mir dann merken.


Grüße, Peter

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RE: Digital-System: Wechselstrom oder Gleichstrom am Gleis?

#39 von SAH , 25.05.2014 13:42

Guten Tag zusammen,

da hier viel Trockenübungen durchgeführt werden, habe ich mir gedacht, ein paar Abbildungen mit Messergebnissen können nicht schaden.
Der Aufbau ist dabei einfach: ein Blechtrafo (Typ 6173) mit Anschluss an den Schienen. Parallel zum Anschluss ein Oszilloskop, welches die Spannungsform und gleichzeitig AC, DC sowie AC+DC anzeigt; die Anzeige eines true-RMS-Messgeräts und die Anzeige eines Einfachmessgeräts (AC bzw. DC). Die analogen Spannungen wurden auf 12V eff bzw. DC eingestellt. 12V ist die Bemessungsspannung für Vorbildgeschwindigkeit, höhere Spannungen sind Leistungsreserve um Geschwindigkeitseinbußen auszugleichen.
Los geht es mit ganz normalem AC. Effektivspannung ist 12V, die Scheitelspannung (Spitzenspannung) beträgt 12V * sqrt(2) = 17V (16,97V rechnerisch). Alle Anzeigen entsprechen einander, da alle Geräte hierfür geeignet sind.
Als nächstes kommt die gleichgerichtete, aber nicht geglättete Spannung (also AC mit Gleichrichter nach Graetz), die ich mit HVW bezeichne. Das true-RMS-Gerät und das Oszilloskop zeigen richtig an, beim Einfachmessgerät, rechts im Bild ist zumindest die DC-Anzeige korrekt. Die AC-Anzeige (nicht abgebildet) ist mit der des Oszilloskop, kleine ANzeige rechts, identisch. Das DC-Bild ist mit einem Glättungskondensator am Gleichrichterausgang. Da eine reine Gleichspannung anliegt (Schwankungen vernachlässigbar, der Elko hat 4700µF) gibt es hier Nichts zu kommentieren. Interessant wird es mit analogem PWM (hier 20V am Schaltungseingang, eingestellt auf ca. 6,6kHz und 12VDC):
Einmal mit DC-Anzeige des VC-260, die mit der des Oszilloskops übereinstimmt; und einmal mit AC-Anzeige des VC260. Diese weicht ca. 10% vom Oszilloskop ab. AC+DC t-rms kann das VC260 nicht anzeigen.
Als nächstes sind Digitalgeräte dran: zuerst die 6021, gespeist vom Trafo 6173. Die erste Abbildung ist die Schienenspannung ohne Last am Gleis, das VC260 auf DC eingestellt dessen Anzeige richtig zu sein scheint. Die selbe Situation mit dem VC260 in AC-Anzeige, die ganz offenichtlich daneben ist: 17,8V sollen es sein, das Gerät zeigt 13,7V.
Nun wurde ein Modell mit Dekoder aufgegleist und abermals in DC-MMS bzw. AC-MMS gemessen. Damit ist wohl offenichtlich, dass das Einfachgerät in dieser Form ungeeignet ist. Mit Hilfe eines Gleichrichters mit Kondensator (siehe DC-analogmessung), kann man die Gleisspannung abzüglich der Vorwärtsspannungen am Gleichrichter auch mit dem Einfachmessgerät (DC-Einstellung) messen. Das Ergebnis findet sich hier. Vorwärtsspannung der Gleichrichterdioden ca. 0,5V und schon stimmt das Ganze wieder.
Nun kommt die nächste Zentrale: Tams Easy Control, Booster B4, eingestellt auf 20V, versorgt mit Trafo 6173.
Zuerst DCC (denn MMS kennen wir schon von der 6021 ).
Die Gleichrichterschaltung beim VC260 wurde beibehalten, und stimmt mit dem true-RMS-Gerät überein. Nur das Oszilloskop ist anderer Ansicht.
Selbe Zentrale, nur einmal reines MMS, hier wieder Übereinstimmung. Das gilt auch für das Mischsignal.

Zu guter Letzt noch der Umschaltimpuls des 6173-Trafos. Einmal 28,8V t-RMS (und 40V Uss), leider verwackelt und einmal mit Supressordiode (33V-Version). Es wurde für beide Aufnahmen die selbe Skaleneinteilung am Oszilloskop benutzt.
Die Supressordiodenschaltung (Dioden verbindet rot und braun) wurde erfolgreich an einigen "empfindlichen" Dekodern erfolgreich ausprobiert. Manche Dekoder wollen damit etwas längere Umschaltimpulse haben.


mit freundlichen Grüßen,
Stephan-Alexander Heyn


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