Die Reglerschaltung soll folgendes können:

  • Für Spannungen zwischen 10V bis 30V funktionieren.
  • So einstellbar sein, daß man von 1/64 bis 1/24 alles fahren kann.
  • Fein dosierbar sein.
  • Mindestens 10A Strom abkönnen.
  • Mit Standard-Teilen auskommen, keine Eigenbau-Potis oder Frästeile, Platinen, exotische und teure Bauteile benötigen.
  • Klassisch analog aufgebaut sein, keine Puls-Breiten-Modulation oder Phasenanschnittsteuerung, etc.. nutzen.
  • Bremse soll auch einstellbar sein.
  • Soll erstmal auf Basis des Parmareglers entstehen und auch dessen Brems-/Vollgas-Kontakte nutzen.
  • Muss besser werden als der Nezihregler, zumindest komplizierte aussehen :-)
  • Soll keine großen Verluste haben.
  • Jede Bewegung am Drücker muß sofort spürbar am Auto ankommen, es dürfen also keine Totpunkte auftreten.

Überhaupt brannte mir dieses Reglerprojekt schon lange unter den Nägeln. Grundsätzlich war ich mit meinen Reglern nie richtig zufrieden; hatte irgendwie immer den falschen Widerstand eingebaut oder Probleme mit der Dosierung und diese bekannten Schwierigkeiten mit Qualität und Verarbeitung der Dinger.

Da war dann ja auch gleich das erste Problem: Der ParmaPlus Drücker.
Vielleicht kennt ihr den ja alle, wenn er mal funktioniert, dann kann man viel Freude damit haben. Dann liegt das Ding gut in der Hand, läuft federleicht und geschmeidig und gleichmäßig und ohne Ruckeln und Aussetzern...
Leider aber erst, wenn man sich eine Woche damit beschäftigt hat.Das war und ist mir immer noch ein Rätsel, wie ein Hersteller mit so einem miesen Produkt einen dermaßen hohen Bekanntheitsgrad und Quasi-Standard in der Slotscene erreichen kann.
Vermutlich verhält es sich so, wie damals mit der Firma VEB Sachsenring, die diese wundervollen, rollenden Kisten baute, die einen Absatz von wundersamen Drei Millionen Stück fanden! :-)

Ich habe über dieses Murcksding geflucht, habe geweint und gebetet, es solle doch bitte endlich so funktioniern wie bei den Rennkollegen, ich habe es in Gedanken an Wänden zerschmettert und mit Füßen getreten.
Der einzige Erfolg, der sich dabei einstellte war:  Ich komme wohl niemals mehr in den Himmel.
Kurze Rede: Ihr müsst das Konzept des Erfinders vergessen und den Abgriff des Schleifers nicht über dieses flexible Kabel realisieren, sondern den Strom durch den Drehpunkt des Schleifers nach hinten leiten. Am Sockel der 2mm-Achsschraube kommt ein Kabel mit Ringöse fest dran, dann passt´s! Dann klemmen auch die Gehäuseschalen nicht mehr und der Schleifer kann frei laufen, ganz einfach, oder?
Noch einige Tips in barnsis Feintuninganleitung

Anschlüße am Parma-Regler.

  Prototyp 1, es fehlt die Bremsbox auf dem Bild.

Wie ihr seht, habe ich einen gewöhnlichen Parma-ECO-Widerstand verwendet. Der größte, verfügbare Widerstandswert ist 90 Ohm. Prinzipiell kann man aber jeden Widerstand verwenden, auch die 2 Ohm-Modelle, die immer im Angebot sind, weil die eigentlich niemand braucht.
Dazu muss der Widerstand aber in der Schaltung abgeglichen werden, ein kleiner Trimmpoti auf der Paltine sollte das erledigen, muß ich beim nächsten Prototyp ergänzen.
Mir war der Aufwand mit dieser Widerstanskaskade oder Diodenstrecke einfach zu aufwenig und die Ergebnisse zu grob. Man kann mit dieser stufig ansteigenden Spannung am Abgriff zwar gut leben, schließlich liefern Bahnlitze und Motor später eine gute Glättung des Stroms aber warum soll man mit diesem Manko leben, wenn´s auch ohne geht?
Bei meiner Schaltung liegt die Masse (Null-Volt-Kabel) direkt auf dem Schleifer, das hat den Vorteil, daß ich damit über die Kontakte für Vollgas und Bremse einfach schalten kann.
Es hat nur den Nachteil, daß man für die richtige Wirkrichtung des Drückers, den festen Anschluß des Schleiferwiderstandes unten und nicht oben anlöten muß.
Ihr habt ja gelernt: Wenig Widerstand: Viel Strom, Viel Widerstand: Wenig Strom. Das gilt für den direkten Stromweg durch den Poti und für die Transistorschaltungen (Nezih und Frost), hier ist es umgekehrt.
Für unsere Schaltung erkläre ich das noch genauer, aber kurz: die Schaltung arbeitet mit Spannungen statt mit Strömen.
Folglich gibt es am Drücker vier Kabel: Zwei für den Schleiferwiderstand (Fester Anschluß und "Wischer"(Schleifer-)-Anschluß. Ein Kabel für den Vollgaskontakt, ein Kabel für den Bremskontakt.
Mehr gibt es am Drücker nicht zu verdrahten, das ist auch ganz gut so, sonst würde ich das Ding niemals zusammenbekommen...

Vollgas und Bremse.
Die Theorie war die: Falls der Drücker bei Vollgasstellung des Potis unter der eingespeisten Versorgungsspannung liegt (was ja zu erwarten ist, da es am Leistungstransistor einen kleinen Verlust geben muß) soll der Vollgaskontakt die Versorgungsspannung direkt auf die Bahn bringen, den Leistungstransistor als überbrücken.
Die Praxis zeigte aber schon beim allersersten Versuch, daß ich mir die Mühe hätte sparen können: Voll ausgesteuert ist am Transistor kein Spannungsabfall messbar, coool! Volle Power auf der Schiene!
Hier schonmal angemerkt: Wir haben es in unserer Schaltung mit einem richtig tollen Transistor zu tun: dem MJ15025. Das Teil aus Mexiko kostet zwar nur 3.-EUR, wäre aber locker das zehnfache wert, wenn man es mit dem 0815-Darlington MJ11015 vergleicht, der hier ja immer wieder als Standard eingesetzt wird (und doppelt so viel kostet).
Der MJ15025 liefert immerhin 16A Dauerstrom, mit einer Verlustleistung von 250W ganz schön viel Power, das wichtige aber für unsere Anwendung: er "schluckt keine Spannung", genauer: Bei voller Aussteuerung liefert er mehr Spannung an die Bahn als vergleichsweise der MJ11015/MJ11033 Darlington.
Anders verhält es sich beim Bremskontakt. Der ist unbedingt nötig, da man den Regler nur optimal bei einem gebremsten, stehenden Auto richtig einstellen kann.
Die Autos haben ein "Losbrechmoment", das höher liegt, als das spätere Moment, wenn´s dann mal rollt (bei gleichem Strom). Wenn der Drücker optimal eingestellt ist, dann kommt das Auto nicht mehr zum Stehen, wenn man das Gas wieder wegnimmt :-)
Bei roter Ampel muß das Auto aber stehen bleiben (steht bestimmt auch im Rennreglement... :-)
Technisch habe ich es so realisiert, daß die Kontakte am Drücker über die Masse des Schleifers schalten, dann aber über ein Vollgasrelais und ein Bremsrelais von Leistung entkoppelt sind. Man könnte das vielleicht auch eleganter über Transistoren machen, ich persönlich finde aber dieses Klick-Klack im Kasten sehr beruhigend und wollte ungern darauf verzichten!
Die Verschaltung sieht auf den ersten Blick etwas verwirrend aus, Fakt ist aber, daß der Bahnstrom sicher geschaltet werden muß, so daß nicht versehentlich kleine Wischer und Funken die Kontakte der Relais verbrennen oder es beim Hängenbleiben eines Kontaktes knallt.
Die Bremsleistung selbst kann dann wiederum über einen 5-Stufenschalter über die bekannte Diodenkaskade vorgenommen werden. Mit jeder Stufe eine Diode mehr in Reihe bedeutet: immer sanfter einfallende Bremsen.
Wichtig dabei: die Dioden müssen gegen die eigentliche Schaltungspolung zeigen, denn wir haben ja gelernt: Wenn der Motor nicht mehr mit Spannung versorgt wird aber noch dreht, dann wird er selbst zum Stromtreiber (Generator) und dreht die Richtung des Stromes.
Aus Sicht des Motors ändert sich also spannungsmässig nichts, aus Sicht der Schaltung polt sich die Stromrichtung aber jetzt quasi um! Also nicht verwirren lassen!
Statt der Dioden hätte man auch ein 4-6 Watt-Poti nehmen können, das ist aber nicht so einfach zu kriegen...
Noch eine Anmerkung: Die kleinen Relais vertragen keine sehr großen Spannungen, verwendet habe ich 12V-Relais, die bereits bei 10 Volt sauber schalten. Damit auch bei 30V-Versorgungsspannung nichts durchbrennt, speist ein kleiner Transistor (über eine Zehnerdiode) die Relaisspannung mit 12V konstant.

Die Schaltung.
Wie bereits erwähnt: Die Schaltung arbeitet mit Spannungspotentialen. Das bedeutet prinzipiell: Größerer Widerstand: Größere Spannungsfall, höheres Potential.
Zur Stromregelung wird also eine Spannung erzeugt, die dann letztendlich wieder für einen Strom durch den Transistor und damit für unseren Bahnstrom sorgt.
Ich habe einfache Grundschaltungen mit Operationsverstärkern zusammengestöpselt. Operationsverstärker (abgekürzt: OPs) haben den Vorteil, daß man genau und vor allem: ganz idiotensicher ihr Verhalten berechnen kann.
Dazu gibt es zu jeder Schaltung eine Formel in der Wikipedia :-)
Natürlich hätte man alles auch simpler mit Transistoren lösen können. Da muß ich aber einfach gestehen, daß mir dazu die Erfahrung fehlt. Für endlose Umlötereien hatte ich nicht so große Lust.
Unser OP ist der LM324. Er ist kein idealer OP, hat leider hohe Verluste (schluckt etwa 20% der angelegten Spannung) und kann dadurch nicht voll ausregeln, gibt sich aber mit sehr wenig Strom zufrieden und benötigt nur eine einzige Versorgungsspannung zwischen 3V und 30V!
Die Funktion ist eigentlich ganz simpel: Mit dem Poti: "Offset" kann man eine Bahnspannung vorgeben, ab der die Regelung beginnen soll.
Zu dieser Vorgabe kommt nun unsere Spannung vom "Finger" dazu. Wichtig dabei: Wir verstellen somit den Arbeitspunkt, je fetter der Motor, desto höher das Losbrechmoment, desto höher sollte die Offsetspannung eingestellt werden.
Mit dem Poti: "Boost" wird einfach die Verstärkung des "Fingerdrucks" eingestellt, also die "Charakteristik" des Reglers.
Ganz nach dem Motto: "Wie heftig soll das Auto auf meinen Fingerdruck reagieren?".
Eigentlich wäre damit alles Nötige zum Rumschrauben gegeben. Der dritte Poti: "Drive" ist zusätzlich noch in der Schaltung drinne, er sitzt direkt im Stromtreiber für unseren Transistors und beeinflusst auch nochmal gewaltig das Ansprechverhalten, sozusagen die Rauheit mit dem unser "Fingerdruck" den Motor quält.
Ah, fast vergessen: Damit man auch optisch sieht, wie die Schaltung gerade arbeitet, habe ich besonderen Wert auf die Anschaltung einer kleinen Leuchtdiode gelegt. Die wird immer ein Maß für den aktuell wirkenden Bahnstrom sein, auch wenn die Bremsen "eingelegt" sind. Man kann dann beim Rumdrehen sofort sehen, wie sich was verändert.
Logischerweise sind die Wirkrichtungen der Einstellpotis immer so gewählt, daß ein Drehen nach rechts mehr Strom bedeutet, nach links weniger "heiss" bewirkt!


Ich muß gestehen, daß beim ersten Test nur Motoren ohne Belastung (kein Auto, keine Bahn) zur Verfügung standen. Damit man überhaupt erstmal einen Eindruck von der Wirkungsweise der Schaltung kriegen konnte, habe ich gleich mal einen 10A Motor bei 15V an die Tischplatte geklemmt und dann mal Strom drübergejagt, was das Netzteil herzugeben vermochte.
Das "Schreien" des Motors wurde von der Tischplatte akustisch verstärkt und es war wirklich umwerfend, wie man das Ding quälen konnte (in allen Tonlagen)!
Damit ist also wieder mal bestätigt: Der Drücker ist die moderne Peitsche des Mannes!

Bauweise.
Die einfachste Art die Schaltung zu realiseren, ist wohl der Aufbau auf Lochraster-(Streifenraster-)Platine. Leider stelle ich mich bei der Umsetzung manchmal etwas doof an, und so zieren viele Brücken und Verbindungen die Platine. Eigentlich eine ziemliche Platzverschwendung und das sieht dann auch nicht sehr professionell aus. Sicherlich kann man das Alles auch auf viel kleinerem Raum unterbringen. Leider hatte ich auf die Schnelle kein passendes Gehäuse zur Hand, weshalb der Schaltungsteil mit den Relais auf eine separate Platine ausweichen musste, die auch noch in ein separates Gehäuse umziehen durfte. War nicht so geplant, die Idee war ursprünglich eine "Sandwichbauweise" mit beiden Platinen, jetzt gibt es halt noch eine "Bremsbox" dazu.
Die Kisten stehen aber eh an der Bahn und Stören nicht weiter, wichtig ist, daß der Drücker schön in der Hand liegt und sanft läuft.

Die Schaltung "verbraucht" fast keinen Strom, die Widerstandswerte sind alle recht hoch gewählt (im zweistelligen Kiloohmbereich). Das ist eigentlich kein Nachteil, denn Strom steht in der Regel ja ohne Limit von der Konstantstromquelle der Bahn zur Verfügung, nur mit der Spannung muss man haushalten :-)
Die "heisse" Grundschaltung mit der minimalistischen, einfachen Wirkungsweise von Chris Frost hat auch auf mich einen gewissen Zauber ausgeübt, die ist einfach "genial einfach". Außerdem fließt aller Strom immer über den Motor ab, auch der Basisstrom des Transistors. Allerdings hat die Verschaltung natürlich den Nachteil, daß sie "frei in der Luft hängt", also nur mit dem einen Bezugspotential über den (dynamischen) Motor, das ist aber eher nur ein theoretischer Gedanke, denn in der Praxis hat sie sich ja bestens bewährt.

Ernüchterung.
Hatte alles noch wunderbar in der Werkstatt funktioniert, sollte es beim ersten Test natürlich nicht so klappen. Die Idee, den Regler mit einem 10A-Motor zu testen, erwieß sich als doch nicht ganz so genial. Der starke Motor schaffte durch seine Masse und die Leistung zwar den Vorteil, daß er sich etwa so verhält, als wäre da noch Bahngrip und ein Auto, das mit Rollwiderstand und Masse bremst, aber nun mit dem kleinen Motor gabe es ein ganz anderes Problem: ...der ist zu bissig!
Blöd halt, wen man nun nach unten hin nicht mehr ausregeln kann, selbst bei Minimal-Stellung aller Potis war der Regler noch zu giftig und die Enttäuschung groß...
Also: ...noch mal nachbessern! Die Schaltung muß nicht nur verstärken, sondern auch "schwächen" können!
Daher musste ich die nochmal überarbeiten, Ergebnis siehe unten. Weitere Fotos folgen, auch von der Relais(Brems-)platine und der Verdrahtung.

Die Reglerschaltung, großes BildDie Relaisschaltung, großes Bild.


Beim ursprünglichen Prototyp waren es mal fünf OPs und einige Einstellmöglichkeiten mehr. Nun kommt das Ganze mit einem einzigen IC aus und alle Bauteile passen gut.
Auf den ersten Blick sieht das wirklich nicht kompliziert aus, die eigentliche Herausforderung liegt in der Abstimmung der Widerstandswerte, das kostete mich einige Tage Probieren und Umbauen, Probieren und Umbauen..., immer wieder und wieder.

Was als nächstes folgen wird, ist eine Verbesserung der Bremse. Man könnte die nämlich nicht mit Kontakt schalten, sondern über einen einstellbaren Poti frei Regelbar (oder zumindest der Offset-Einstellung folgend) hinkriegen.
Das würde dann bedeuten, ich stelle eine Vorspannung ein, z.B. 4 Volt, dann würde das Auto sofort bei Unterschreiten der Spannung gleich auch die Bremsen einwerfen, ohne dass ich ganz vom Drücker muß. Ein Vorteil dabei wäre doch schonmal:  man kommt mit lediglich zwei Strippen zum Drücker hin aus.
Realisierbar über einen kleinen Schmitt-Trigger. Werde mal testen, ob das überhaupt einen Sinn macht...

Ein weiteres Experimentierfeld wäre noch die Veränderbarkeit der Regler-Charakteristik. Eine Diode im Verstärkungspfad eines OPs kann ein Logarithmierung bewirken, außerdem könnte man auch noch mit einem kleinen, einstellbaren Widerstand im positiven Rückkopplungszweig eine Linearisierung herbeiführen, um z.B. der Unlinearität des Transistors entgegenzuwirken... Ideen wären da eigentlich genug. Unschlagbarer Vorteil ist hier, daß es sehr schnell zu Realisiern ist.

Hier noch die Layouts für die Lochrasterplatine.

       die eigentliche Schaltung. Detailbild

     das Relaisboard 

     Das Relaisboard    Bremse

Inzwischen habe ich Relais mit einer Schaltspannung von lediglich 3V (10A) gefunden. Sie sind von finder und tragen die Artikelnummer: 36.11.9.003.4001.
Die Schaltung wurde leicht modifiziert, eine Zenerdiode 4,3V ersetzt die alte. Nun funktioniert der Barnzih-Regler bereits ab 5V Betriebsspannung!

Relaisboard 2   Relaisboard 2  Das neue Relaisboard  Relaisboard 2  Update Schaltplan

Hier zum nächsten Projekt: Transistorregler Teil2, Schaltplan eines Reglers auf Basis der einfachen Chris Frost Schaltung, allerdings gemoddet von barnsi.

Inzwischen ist Prototyp II einsatzbereit, mit der überarbeiteten Schaltung und der Relaisplatine integriert.
Schaut am besten selbst:

Transistorregler "Barnzih" from barnsi on Vimeo.

Vielleicht habt ihr bereits von von Johns Modifikationen am Transistorregler gelesen, er hat mit einfachen Mitteln eine Art: "sanfte Empfindlichkeitskontrolle" in seine Schaltung integriert.
Er beschreibt die Änderung in etwa so, "...daß beim Beschleunigen aus Kurven heraus etwas "Punch" vom Auto genommen wird", was seinem Regler im Vergleich mit den gängigen PWM-Reglern gefehlt hat.
Diese Art: "Eingriff" in das Ansprechverhalten des Gashebels, realisiert über die kleine "Integrationsstufe" mit 200ms lässt sich auch sehr einfach in den Barnzih-Regler integrieren. Man stattet dazu den letzten OP mit einer PID-Funktionalität aus.
Wie ihr vielleicht erkennen könnt, ist das sehr einfach zu realisieren und der große Vorteil liegt eben darin, daß sich an der Funktionalität der Schaltung rein gar nichts ändert (nichts muß nachträglich abgeglichen werden). Überhaupt kann der Barnzih-Regler
auf OP-Basis als Spielwiese für Bastler gesehen werden, der OP ist quasi der Legostein der Elektrotechnik.

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