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Transistor Circuitry to improve the Running Capabilities of the VT11.5 (TEE)
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Transistor Circuitry to improve the Running Capabilities of the VT11.5 (TEE)
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Dr. Volker Bosch aus Stuttgart hat sich dem problematischen Fahrverhalten des VT11.5 Triebwagenzuges angenommen und eine Transistorschaltung entwickelt, die die negativen Fahreigenschaften der Diodenlösung des Herstellers korrigiert. Mit seiner Einwilligung publizieren wir hier seinen Lösungsvorschlag, der für alle VT11.5 Versionen und unabhängig vom verwendeten Motortyp (3- oder 5-Pol) funktionieren und in adaptierter Form auch für ICE-Züge passen sollte. Der Nachbau erfolgt auf eigene Gefahr!

Ausgangslage
Der Märklin-Miniclub-Triebwagenzug V11.5 (8873/8793) verfügt serienmässig über eine passive Elektronikschaltung, welche dafür sorgt, dass die beiden motorisierten Triebköpfe ausschliesslich vom jeweils in Fahrtrichtung vorne laufenden Triebkopf gespeist werden. Das nachfolgende Bild zeigt die Originalschaltung:

Die Motoren beider Triebköpfe sowie die LEDs der Wagenbeleuchtung sind elektrisch über Strom führende Kupplungen parallel geschaltet. Sie werden durch den führenden Triebkopf über die Dioden D1a und D2a bzw. D1b und D2b gespeist.

Wird der Triebwagenzug durch die drei Zwischenwagen der Ergänzungspackung verstärkt, so muss der Strom vom führenden zum hinteren Triebkopf über sechs Kupplungen mit jeweils vier Kontaktstellen fliessen. Aufgrund der kleinen Kontaktflächen und geringen Kontaktkräfte sind diese insgesamt 24 Kontaktstellen vergleichsweise hochohmig, so dass der Motorstrom des hinteren Triebkopfes zu einem starken Spannungsabfall an den Kupplungen führt. Hieraus resultieren die folgenden Probleme:

  • Die Motordrehzahl des hinteren Triebkopfes ist deutlich geringer als die Drehzahl des führenden, wodurch dieser zum Schleudern gebracht wird. Der gesamte Zug fährt deutlich langsamer als vergleichbare, mit Lokomotiven bespannte Züge.

  • Der hintere Triebkopf läuft bei langsamem Aufdrehen des Reglers erst deutlich später an als der führende. Ein langsames und damit Vorbild gerechtes Anfahren ist nicht möglich.

  • Der Spannungsabfall über den Kupplungen führt zu deutlich wahrnehmbaren Unterschieden in der Helligkeit der einzelnen Wagenbeleuchtungen.

Lösungsansatz
Da jeder der Triebköpfe über eigene Stromabnehmer verfügt, sollte die elektrische Versorgung des schiebenden Triebkopfes sinnvollerweise über dessen eigene Stromabnehmer erfolgen. Damit wird verhindert, dass der Motorstrom über die vergleichsweise hochohmigen Kupplungen fliessen muss. Um zu gewährleisten, dass auch der schiebende Triebkopf stoppt, sobald der führende Triebkopf auf eine Trennstelle bzw. ein abgeschaltetes Gleisstück fährt, muss das elektrische Zuschalten der Stromabnehmer über Schaltelemente, hier bipolare Transistoren, erfolgen. Diese werden über die beiden Spannungen an der Kupplung bzw. "Zugsammelschiene" eingeschaltet.

Schaltungsvariante 1
Das nachfolgende Bild zeigt die erste Version einer entsprechenden Schaltung:

Funktionsweise der Schaltungsvariante 1
Der führende Triebkopf speist über die Dioden D1a und D2a bzw. D1b und D2b seinen eigenen Motor. Über die Dioden D3a und D4a bzw. D3b und D4b wird die Strom führende Kupplung des Triebkopfes und damit die Beleuchtung der Zwischenwagen gespeist. Im schiebenden Triebkopf wird die positive Spannung der Kupplung über den Widerstand R2a bzw. R2b der Basis des NPN-Kleinsignaltransistors T2a bzw. T2b zugeführt. Die negative Spannung wird über den Widerstand R1a bzw. R1b der Basis des PNP-Kleinsignaltransistors T1a bzw. T1b zugeführt. Die Transistoren schalten somit die an den Schleifkontakten des Triebkopfes anliegende Spannung an den Motor des eigenen Triebkopfes. Die Dioden D5a und D6a bzw. D5b und D6b schützen die Basis-Emitter-Dioden vor zu hohen Sperrspannungen, da diese nur bis zu 5 V sicher sperren können (BCX51, BCX54).

Auswahl der Bauteile
Für die Transistoren können gewöhnliche Kleinsignaltransistoren eingesetzt werden. Geeignet sind die SMD-Transistoren BCX51 und BCX54 (Hersteller: Philips) oder die Transistoren BC327-25 und BC337-25 im bedrahteten T092-Gehäuse. Die Transistoren sollten einen zulässigen Kollektorstrom von einem Ampere und eine maximale Kollektor-Emitter-Spannung von 45 Volt verkraften. Transistoren im TO92-Gehäuse müssen vor dem Einbau etwas flacher gefeilt werden. Sie können dann liegend auf die Leiterplatte gelötet werden. Unterhalb der Führerstände ist hierfür der geeignete Ort.
Da die gesättigten bipolaren Transistoren einen Kollektor-Emitter-Spannungsabfall von 200 ...300 mV aufweisen, sollten die Dioden D1a, D1b, D2a und D2b durch Schottky-Dioden, beispielsweise BAT49 ersetzt werden. Damit wird verhindert, dass der Motor des führenden Triebkopfes langsamer läuft als der des schiebenden. Für die Dioden D3a/b, D4a/b und D5a/b können gewöhnliche bipolare Dioden, beispielsweise 1N4148, verwendet werden. Auf die Leiterplatten der Zwischenwagen können (ungepolte) SMD-Kondensatoren gelötet werden, um die Spannung bei Kontaktproblemen kurzzeitig zu stützen.
Bei R1a, R1b, R2a und R2b handelt es sich um Widerstände von je 820 Ohm. Die Verlustleistung an den Widerständen beträgt bei 10 V Versorgungsspannung ca. 0,12 W - 1/8 W-Widerstände sind somit ausreichend.
Zum Schutz der Transistoren können den beiden Motoren jeweils zwei antiseriell geschaltete Zenerdioden mit einer Durchbruchspannung von 15 ...20 Volt parallel geschaltet werden. Hier funktioniert die Schaltung jedoch auch ohne Schutz-Zenerdioden seit mehren Monaten problemlos.

Hinweise zum Schaltungsaufbau mit bedrahteten Bauteilen
Die nachfolgende Grafik zeigt schematisch, wie die Bauelemente auf der Leiterplatte des Triebkopfes angeordnet werden können. Bitte beachten Sie vor Beginn allfälliger Umbaumassnahmen unbedingt den Abschnitt "Allgemeines und Haftungsausschluss" am Ende dieses Berichts.

Blick auf den modifizierten Triebkopf. Bitte beachten Sie, dass in der abgebildeten Version der Schaltung die Dioden D5a/b und D6a/b noch nicht bestückt wurden. Die beiden Transistoren im TO92-Gehäuse müssen unter Umständen leicht abgefeilt werden, um unter die Führerstandskanzel zu passen.

Am hinteren Teil der Leiterplatten der Triebköpfe müssen die beiden Leiterbahnen, die zu der Kupplung führen, unterbrochen werden. Die Unterbrechung kann beispielsweise mit einer Laubsäge und einem feinen Metallsägeblatt hergestellt werden. Die beiden Transistoren T1a/b und T2a/b werden mit ihren Kollektoranschlüssen direkt auf die obere bzw. untere Leiterbahn gelötet (siehe Bild oben). Sie kommen direkt über dem LED-Vorwiderstand der Beleuchtung zu liegen. Emitter und Basis der Transistoren werden mit dünnem Draht angeschlossen. In die Basiszuleitungen werden die 820-Ohm-Widerstände R1a/b und R2a/b sowie die Dioden D5a/b und D6a/b eingeschleift.
Die beiden auf der Leiterplatte vorhandenen Dioden werden durch Schottky-Dioden BAT49 ersetzt, die beiden zusätzlichen Dioden D3a/b und D4a/b vom Typ 1N4148 werden am sinnvollsten neben der hinteren, in der Grafik links liegenden Diode angeordnet.

Schaltungsvariante 2
Wie oben im Abschnitt "Auswahl der Bauteile" kurz erwähnt, müssen Pufferkondensatoren zur Stabilisierung von Beleuchtung und Ansteuerung des schiebenden Triebkopfes bipolar ausgeführt werden. Der Grund liegt darin, dass die Polarität der "Zugsammelschiene" abhängig von der Fahrtrichtung des Zuges ist. Dieses ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wie die Variante 2 der Schaltung im nachfolgenden Bild mit Fahrtrichtungs unabhängiger Polarität der "Zugsammelschiene" zeigt:

Funktionsweise der Schaltungsvariante 2
Die Funktionsweise entspricht weitgehend der Beschreibung der Schaltungsvariante 1. Die wesentlichen Unterschiede liegen in der ungleichen Beschaltung der beiden Triebköpfe, welche dazu führt, dass die "Zugsammelschiene" bei jeder Fahrtrichtung die gleiche Polarität der Spannung sieht. Durch diese Massnahme können Standard-Elektrolytkondensatoren zur Pufferung von Beleuchtung und Ansteuerung des schiebenden Triebkopfes verwendet werden. Auch kann die Hälfte der Leuchtdioden in den Zwischenwagen entfallen, was vielleicht beim Austausch der gelben LEDs gegen weisse von Bedeutung sein könnte.
Als weiterer kleiner Nebeneffekt können die Schutzdioden D5a/b und D6a/b entfallen, da die Basis-Emitter-Strecke der Transistoren aufgrund der Dioden D3a/b und D4a/b nicht mit Sperrspannung beaufschlagt werden kann.

Nachteile der Schaltungsvariante 2
Die ungleiche Beschaltung der beiden Triebköpfe stellt auf den ersten Blick den wesentlichen Nachteil der zweiten Schaltungsvariante dar. Mit diesem Nachteil kann man sicherlich leben, wenn die Beschaltung der Zwischenwagen symmetrisch ausgeführt wird und so mit beiden Polungen der "Zugsammelschiene" korrekt arbeitet. Werden jedoch unipolare Elektrolytkondensatoren eingebaut, so müssen die betroffenen Zwischenwagen in der richtigen Richtung mit den beiden Triebköpfen gekuppelt werden. Es gibt dann an jedem entsprechend modifizierten Zwischenwagen ein Ende, das zum Triebkopf A und eines, das zum Triebkopf B zeigen muss.

Hinweise zum Schaltungsaufbau mit SMD-Bauteilen
Die nachfolgende Grafik zeigt schematisch, wie SMD-Bauelemente für die Schaltungsvariante 2 auf der Leiterplatte der Triebköpfe angeordnet werden können. Bitte beachten Sie auch hier unbedingt den Abschnitt "Allgemeines und Haftungsausschluss" am Ende dieses Berichts.

Dieses Bild zeigt die entsprechend Schaltungsvariante 2 modifizierten Triebköpfe:

Auch bei dieser Schaltungsvariante müssen am hinteren Teil der Leiterplatten der Triebköpfe, die beiden Leiterbahnen, die zu der Kupplung führen, unterbrochen werden. Die beiden Transistoren T1a/b und T2a/b werden mit ihren Kühlfähnchen direkt auf die Leiterbahnen gelötet. Der eigentliche Kollektoranschluss wird somit nicht benötigt. Für die Basiswiderstände werden SMD-Widerstände verwendet, die direkt an die Basisanschlüsse der Transistoren gelötet werden. Die restlichen Verbindungen werden mit dünnem Draht gemäss dem Schaltplan der Schaltungsvariante 2 angeschlossen.
Auch hier werden die beiden auf der Leiterplatte vorhandenen Dioden durch die Schottkydioden BAT49 D1a/b und D2a/b ersetzt.

Zusätzliches Feature oder Fehlverhalten?
Bei beiden vorgestellten Schaltungsvarianten tritt ein Effekt auf, der bei der originalen Schaltung nicht vorhanden ist: Wird ein Triebkopf mit mindestens einem Zwischenwagen gekoppelt, so kann dieser auch ohne zweiten Triebkopf rückwärts fahren. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren sind über die Beleuchtung des Zwischenwagens in Reihe geschaltet und steuern somit die beiden Transistoren durch. Dieser Effekt tritt auch auf, wenn der führende Triebkopf des Triebwagens in einen zweipolig isolierten Gleisabschnitt fährt. Hierbei läuft der Motor des schiebenden Triebkopfes weiter.

Allgemeines und Haftungsausschluss
Die vorgestellten Schaltungen wurden in einen VT11.5-Triebzug 8873 mit dem alten dreinutigen MiniClub-Motor eingebaut. Sie sollten aber auch problemlos mit den neuen fünfnutigen Motoren arbeiten. Die Hinweise zum Einbau beziehen sich ausschliesslich auf das Modell des VT11.5 mit der Nummer 8873. Leider entzieht es sich meiner Kenntnis in wie weit die anderen VT11.5-Modelle (88731, 88732) über eine gleich aufgebaute Leiterplatte verfügen.
Der Nachbau dieser Schaltungen geschieht ausschliesslich auf eigenes Risiko. Eine Haftung für eventuelle Schäden und Folgeschäden schliesse ich kategorisch aus.
Bitte wagen Sie sich nur an den Nachbau, wenn Sie über entsprechende Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen. Vor dem Löten sind sämtliche Verbindungen anhand des entsprechenden Schaltplanes mit einem Durchgangsprüfer zu überprüfen. Eine Gewähr für die Richtigkeit der Schaltpläne, Einbauanleitungen und insbesondere der beiden Grafikskizzen kann ich nicht geben.
Beide Schaltungen können selbstverständlich auch in andere MiniClub-Triebwagen, die über die selbe passive Diodenschaltung wie die eingangs gezeigte Originalschaltung verfügen, eingebaut werden. Dort kann es jedoch unter Umständen zu Platzproblemen bei der Verwendung von bedrahteten Transistoren im TO92-Gehäuse kommen - im VT11.5 passen sie sehr gut unter die Führerstandskanzel. Sämtliche verwendeten Bauteile können im Elektronikfachhandel (z.B. bei Reichelt) für knapp zwei Euro beschafft werden.

Fragen zur Schaltung richten Sie bitte direkt an den Autor Dr. Volker Bosch, Rembrandtstrasse 12, D-70567 Stuttgart, E-Mail volker@z.zgs.de, Webseite www.s-line.de/homepages/bosch/elo8873/index.html