DCC Sicherungsautomat

Einführung | Spezifikation | Video | Anwendungsbedingungen |
Beispiele | Schaltschema | Version 2.0 für 4A Maximalstrom | Bauanleitung | Oft gestellte Fragen

In den einschlägigen Modellbahnforen taucht immer wieder das Thema "Maximalstrom und Absicherung gegen Kurzschluss" auf. Gerade bei kleinen Baugrössen wie N oder Z ist eine angemessene Begrenzung des maximalen Stromes wichtig, weil ein zu grosser Kurzschlussstrom die Kontakte in den Drehgestellen so stark erhitzen kann, dass das Drehgestell schmilzt. Siehe auch meine Seite zum Thema Gleisstrom.

Es wird also eine Einrichtung benötigt, die bei Kurzschluss und Überstrom schnell (innert Sekundenbruchteilen) abschaltet, so dass die Energiemenge, die im Drehgestell verheizt wird, auf ein unschädliches Mass beschränkt bleibt.

Sicherungsautomaten im Internet

Mir sind folgende Geräte bekannt, die für die Abschaltung bei Kurzschluss / Überstrom verwendet werden:

• Multifuse: Schaltet bei Überstrom ab, reagiert aber nur langsam.
• "Bremslichtbirne": Erhöht bei Überstrom den eigenen Widerstand und reisst dadurch die Spannung am Gleis zusammen, begrenzt den Strom aber nicht.
• DCC Specialties PSX: Wertet die Geschwindigkeit des Stromanstiegs aus, hat aber zwischen 1.28A und 3.8A keine Einstellmöglichkeit.
• "Train Modules Circuit Breaker: Gerät aus Ungarn, über das ich nichts Nennenswertes weiss.

Ich will ein preisgünstiges Gerät, das in einem weiten Bereich frei konfiguriert werden kann.

Solch ein Gerät gab es bislang nicht im deutschen Sprachraum. Also entwickelte ich den hier beschriebenen DCC Sicherungsautomaten.

Spezifikation

• Der DCC Sicherungsautomat soll so effektiv arbeiten wie eine MultiFuse, jedoch besser (schneller) und zuverlässiger (mit definierten Schaltzeiten).

• Für maximalen Komfort soll der DCC Sicherungsautomat nach Verschwinden des Kurzschlusses die Gleisspannung automatisch wiedereinschalten.

• Die Geschwindigkeit des Stromanstiegs wird (wie bei der MultiFuse und den meisten Zentralen) nicht ausgewertet.

• Der Maximalstrom in der Zeit zwischen Erkennen des Überstroms und Abschalten desselben wird ebenfalls begrenzt.

• Überspannungsspitzen (z.B. beim Einschalten) werden mittels Z-Dioden abgeleitet.

• Kurze Stromstösse (Bürstenfeuer, Mikrokurzschlüsse, Aufladen von Kondensatoren) dürfen nicht zum Abschalten führen.

• Das Gerät soll einfach und in einem weiten Bereich individuell konfiguriert werden können.

Grundprinzip

Am Übergang Schiene-Rad-Radschleifer fällt bei Kurzschluss die maximale Spannung ab, gleichzeitig fliesst der maximale Strom. Schäden entstehen dann, wenn die im Übergang Schiene-Rad-Radschleifer verheizte Energie so gross ist, dass Kunststoffteile schmelzen.

Die transportierte Energie wird wie folgt berechnet:

W = U * I * t

Die transportierte Energie wird klein, wenn einer der drei Einflussfaktoren klein ist - oder alle zusammen.

Wie die Gleisspannung reduziert werden kann, ist hier beschrieben. Wie der Gleisstrom und die Wirkzeit minimiert werden können, ist das Thema des DCC Sicherungsautomaten.

Technische Daten V1.0

Fast alle in der Tabelle aufgeführten Werte können durch Modifizieren der Bauteile an die persönlichen Bedürfnisse angepasst werden. Die Werte in der Tabelle entsprechen der Stückliste in der Bauanleitung.

 

Max. Eingangsspannung vom Booster	DCC 18 V 1)
Max. Eingangsstrom vom Booster	DCC min. 2.5 A 2)
Max. Ausgangsstrom, dauernd	DCC 2.0 A 3)
Max. Ausgangsstrom bis zum Abschalten	DCC 2.7 A
Zeit bis Überstrom abgeschaltet wird	0.25 s
Zeit nach der wieder eingeschaltet wird	1.7 s 4)
Auswertung der Steilheit des Stromanstiegs	nein
"Effektivwert" des Stroms, wenn der Ausgang permanent kurzgeschlossen ist	0.35 A
Rückmeldung des Überstroms an die Zentrale	nein

¹⁾ Gegebenenfalls muss die Ausgangsspannung des Boosters reduziert oder die Z-Dioden auf dem Sicherungsautomat verändert werden.
²⁾ Wenn der Booster weniger Strom liefert, kann der Sicherungsautomat den Kurzschluss möglicherweise nicht erkennen.
³⁾ Welcher Maximalstrom sinnvoll ist, ist hier beschrieben.
⁴⁾ Ist der Kurzschluss bzw. Überstrom noch vorhanden, wird sogleich wieder ausgeschaltet, usf. (siehe Video)

Nachtrag 12.07.2018: Eine Version für 4A Maximalstrom ist weiter unten aufgeführt.

Video

Weil Bilder mehr sagen als tausen Worte, habe ich ein kleines Beispielvideo aufgenommen:

Anwendungsbedingungen

• Die Ausgangsspannung des Boosters darf die Nennspannung der Z-Dioden auf dem Sicherungsautomaten nicht überschreiten. Ansonsten werden die Z-Dioden zerstört.

• Der DCC Sicherungsautomat muss zwischen Zentrale bzw. Booster und Gleis eingebaut werden.

• Der Booster muss deutlich mehr Dauerstrom liefern können als der maximale Dauerstrom des Sicherungsautomaten beträgt. Ansonsten kann möglicherweise der Überstrom nicht sauber erkannt werden.

• Die Anlage muss mit genügend grossen Kabelquerschnitten verkabelt sein, so dass im Kurzschlussfall der Maximalstrom tatsächlich überschritten wird (Münztest). Ansonten ist nicht garantiert, dass der DCC Sicherungsautomat bei Kurzschluss abschaltet.

• Der DCC Sicherungsautomat ist für DCC gebaut und getestet. Die Anwendung für andere Digitalformate ist nicht erprobt. Siehe FAQ

Beispiel-Anwendungen

Mehrere Sicherungsautomaten können parallel an einen "dicken" Booster (5A oder mehr) angeschlossen werden.

Der einzelne Speisebezirk ist dann über den Sicherungsautomaten abgesichert: Übersteigt der Strom im Speisebezirk den max. Ausgangsstrom (2.0A), schaltet der Sicherungsautomat nach 0.25s ab. Bis zur Abschaltung wird der Strom im Speisebezirk auf 2.7A begrenzt. Im Gleis fliesst also niemals der maximale Boosterstrom (5A oder mehr).

Manche einfache Booster (z.B. Littfinski DB-2) schalten bei Überstrom nicht selbsttätig ab, sondern melden den Überstrom lediglich zur Zentrale; diese soll dann abschalten. Auch hier kann der Sicherungsautomat das Abschalten übernehmen.

...und so sieht das dann praktisch aus, wenn Trafo, Booster und Sicherungsautomat in eine "Boosterbox" eingebaut sind.

Schaltschema

(Auf Bild klicken für grössere Ansicht)

Funktionsbeschreibung der Schaltung

Die Dioden D1 bis D4 befinden sich im Gleisstromkreis. Sie ergeben einen Gleichrichter, an dessen Plus- und Minus-Anschlüsse der Widerstand R1 und der Leistungstransistor T1 angeschlossen sind. R1 befindet sich also in einem gleichgerichteten Teil des Gleisstromkreises.

Die Spannung über dem Widerstand R1 ist proportional zum Strom durch R1, der identisch ist mit dem Gleisstrom. Mit dem ohmschen Gesetz kann somit der Gleisstrom berechnet werden:

I_DCC = U_R1 / R1

Mit den Dioden D4, D5, dem Elko C1 und dem Spannungsregler L7808 wird die DCC Spannung gleichgerichtet, geglättet und auf 8V geregelt. Dies ist die Versorgungsspannung für die Auswerteschaltung. Weil sich D4 auch im Gleisstromkreis befindet, entsteht ein gemeinsames Bezugspotential - links unten im Schema mit "Gnd" beschriftet.

Messung des Gleisstromes: Die Spannung über dem Widerstand R1 ist auf Messpunkt X2 herausgeführt. Obige Formel für die Berechnung des Gleisstromes kann also auch so geschrieben werden:

I_DCC = U_X2 / R1

Messung der Gleisspannung: Als "Abfallprodukt" kann am Elko C1 die Gleisspannung direkt gemessen werden. Hierzu ist die Spannung am Elko auf Messpunkt X1 herausgeführt (vereinfachte Darstellung):

Die Spannung an X1 ist um zwei Diodenstrecken kleiner als DCC in.
Die Gleisspannung (DCC out) ist um drei Diodenstrecken kleiner als DCC in, wenn die Brücke X3-X4 offen ist, bzw. um zwei Diodenstrecken kleiner als DCC in, wenn die Brücke X3-X4 geschlossen ist.

Somit beträgt die Gleisspannung:

UDCC = UX1 - 0.6V	wenn X3-X4 offen ist
UDCC = UX1	wenn X3-X4 geschlossen ist

Gleisspannungsreduktion: Wenn der Booster (in meinem Fall der Littfinski DB-2) mit einem Trafo 12V~ / 52VA gespiesen wird, ergeben sich folgende Spannungen:
Leerlaufspannung am Trafo = 13.5V~
Gleichgerichtet und geglättet = 13.5V~ * 1.414 - 1.2V = 18V=
abzüglich 1.75V Spannungsverlust in der Booster-Endstufe = 16.25V_DCC
abzüglich 1.2V für Gleichrichter D1-D4 = 15V_DCC

Durch Offenlassen der Brücke X3-X4 kann die Spannung am Gleis um eine weitere Diodenstrecke (0.6V) reduziert werden. Es ergibt sich eine nahezu ideale Leerlaufspannunng von 14.5V_DCC am Gleis.

Hinweis: Bei Last wird die Trafospannung und also auch die Gleisspannung leicht reduziert werden. Dies ist das normale Verhalten eines Modellbahntrafos. Meine Messungen ergaben, dass die Spannung am Conrad Trafo 404288 (12V~ / 18V~ / 52VA) bei 2A Last um 1V absinkt. Bei 2A Gleisstrom wird also die Gleisspannung von 14.5V auf 13.5V reduziert.

Überspannungsableitung: Wenn sich Pufferkondensatoren o.ä. in den Decodern auf dem Gleis befinden, können Spannungsspitzen beim Einschalten der Gleisspannung entstehen. Diese Spannungsspitzen werden mit den 18V Z-Dioden D7, D8 abgeleitet. Dadurch sollen kleine Decoder, die für max. 18V Gleisspannung spezifiziert sind, geschützt werden.

Hinweis: Die Z-Dioden sind nur für die Ableitung von kurzzeitigen Spannungsspitzen ausgelegt. Übersteigt die normale Gleisspannung 18V_DCC, können die Z-Dioden zerstört werden. In diesem Fall sollen Z-Dioden mit einer höheren Nennspannung verwendet werden.

Strombegrenzung bis zum Abschalten: Ungeachtet der Auswerteschaltung begrenzt Transistor T2 den Gleisstrom. Übersteigt die Spannung an Widerstand R1 den Wert von 0.6V, wird T2 leitend; T2 beginnt dem Transistor T1 den Basisstrom "abzusaugen". T1 beginnt zu sperren. Der Strom durch T1 sinkt; in der Folge wird der Strom durch R1 (der Gleisstrom) kleiner. Dadurch sinkt die Spannung über R1, T2 wird etwas weniger leitend und saugt etwas weniger Basisstrom von T1. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei welchem der Strom durch R1 auf einen festen Wert begrenzt ist.

Der Maximalstrom wird mit dem ohmschen Gesetz wie folgt berechnet:

I_max = U_R1 / R1 = 0.6V / 0.22 Ohm = 2.7A

Durch Vergrössern von R1 kann der Maximalstrom verkleinert werden und umgekehrt.

Überstromerkennung (kurz und bündig): Eingangsgrösse ist die Spannung an R1. R2 und C2 filtern "Dreck" im Gleisstrom (z.B. Bürstenfeuer) heraus. OP4 verstärkt die Spannung an C2. OP3 entscheidet, ob Überspannung vorliegt. Falls ja, geht der Ausgang von OP3 auf High und lädt C3. OP2 bewirkt eine Hysterese. Bei Überstrom ist der Ausgang von OP2 High, die rote LED leuchtet. OP1 ist ein Inverter. Bei Überstrom ist die grüne LED dunkel, T1 sperrt, der Gleisstrom wird abgeschaltet. Die Spannungen an R1, C2, Ausgang OP4, Ausgang OP3 gehen auf Low. C3 wird langsam entladen. Der Ausgang von OP2 geht wieder auf Low, die rote LED erlischt. OP1 invertiert, die grüne LED, T1 und der Gleisstrom werden wieder eingeschaltet.

Ist der Überstrom noch vorhanden, wird die Spannung an R1 sofort wieder gross, das Spiel beginnt von neuem. Durch das Tastverhältnis von 0.25s Einschaltversuch zu 1.7s Abschaltdauer ergibt sich für den Kurzschlussstrom ein "Effektivwert" von 0.35A. Dieser Wert kann als ungefährlich angesehen werden. Siehe auch im Video.

Überstromerkennung (ausführlich): R2 und C2 ergeben einen Filter, mit welchem "Dreck" (Bürstenfeuer u.ä.) aus dem Gleisstrom herausgefiltert wird.
Die Zeitkonstande des R-C-Gliedes beträgt:

Tau = R2 * C2 = 10kOhm * 1uF = 10ms

Nach 1 * Tau = 10ms ist C2 zu 70% geladen.
Nach 2 * Tau = 20ms ist C2 zu 90% geladen.
Nach 5 * Tau = 50ms ist C2 zu 100% geladen.
Die Spannung an C2 wird auf OP4 Pin 12 gegeben. Dieser verstärkt die Spannung und gibt sie an OP3 Pin 10 weiter.
Der Verstärkungsfaktor beträgt:

f = (R3 + R4) / R3 = 12.2kOhm / 2.2kOhm = 5.5

R5 und R6 ergeben einen Spannungsteiler, mit welchem eine Schwellwertspannung (Trigger) erzeugt wird.
Die Triggerspannung beträgt:

U_Trigger = U * R6 / (R5 + R6) = 8V * 10kOhm / 32kOhm = 2.5V

OP3 arbeitet als Komparator: Übersteigt die Spannung an Pin 10 die Spannung an Pin 9 (Triggerspannung), geht der Ausgang (Pin 8) schlagartig auf Maximum (High). Physikalisch bedingt ist das Maximum an den OP-Ausgängen die Speisespannung minus 1.5V, also 6.5V.

Da die Spannung an C2 um den Faktor 5.5 verstärkt und erst dann mit der Triggerspannung verglichen wird, kann die Schwellspannung an C2, die zum Abschalten führt, wie folgt berechnet werden:

U_{Schaltschwelle} = U_Trigger / f = 2.5V / 5.5 = 0.45V

Das bedeutet:
• Übersteigt die Spannung U_R1 den Wert 0.45V, wird die Abschaltung ausgelöst.
• Übersteigt die Spannung U_R1 den Wert 0.6V, wird der Ausgangsstrom zusätzlich begrenzt bis zur Abschaltung.

Durch Verändern des Wertes für R1 können die Ströme beeinflusst werden, wobei das Verhältnis von Abschaltschwelle zu Maximalstrom gleich bleibt:

I_{Abschaltschwelle} = U_{Schaltschwelle} / R1 = 0.45V / R1

I_max = 0.6V / R1

Widerstand R1	Abschaltschwelle	Strombegrenzung
0.56 Ohm	0.8 A	1.05 A
0.47 Ohm	0.95 A	1.25 A
0.39 Ohm	1.15 A	1.5 A
0.33 Ohm	1.36 A	1.8 A
0.27 Ohm	1.67 A	2.2 A
0.22 Ohm	2.0 A	2.7 A
0.18 Ohm	2.5 A	3.3 A
0.15 Ohm	3.0 A	4.0 A
0.12 Ohm	3.75 A	5.0 A

Hinweis: Die Werte in rot (R1 < 0.22 Ohm) sind theoretisch möglich, aber für diese Maximalströme muss überprüft werden, ob die Bauteile der thermischen Belastung gewachsen sind. Hierzu muss die ganze Schaltung entsprechend durchgerechnet werden.

Nachtrag 12.07.2018: Eine Version für 4A Maximalstrom ist weiter unten aufgeführt.

Übersteigt der Gleisstrom die Abschaltschwelle, geht also OP3 Pin 8 auf High. Über R7 und D6 wird C3 aufgeladen.
Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes beträgt:

Tau_laden = R7 * C3 = 3.3kOhm * 47uF = 0.15s

Nach 1 * Tau =0.15s ist C3 zu 70% geladen.
Die Spannung an C3 beträgt:

U_C3 = (U_{OP3 Pin 8} - U_D6) * 0.7 = (6.5V - 0.6V) * 0.7 = 4.2V.

OP2 und R9, R10 ergeben einen Schwellwertschalter mit Hysterese.
Die Hysteresespannung wird wie folgt berechnet:

U_Hy = U_out * R9 / (R9 + R10) = 6.5V * 68kOhm / 288kOhm = 2.0V

Die Hysteresespannung ist symmetrisch um die Triggerspannung verteilt. D.h. die Schwellwerte betragen U_Trigger +/- (U_Hy / 2). Bei uns sind dies 2.5V +/- 1V.

OP2 Pin 7 wird High (6.5V), wenn U_C3 den Wert 3.5V übersteigt.
OP2 Pin 7 wird Low (0V), wenn U_C3 den Wert 1.5V unterschreitet.

Wie oben gezeigt, überschreitet U_C3 nach 1 * Tau = 0.15s den Wert 3.5V. OP2 Pin 7 wird High, die rote LED leuchtet.

OP4 invertiert das Signal an Pin 2: Ist Pin 7 = Pin 2 Low (rote LED dunkel), ist Pin 1 High (güne LED leuchtet) und umgekehrt.

Da die rote LED jetzt leuchtet, wird die grüne LED dunkel, OP1 Pin 1 ist Low. Über R13 ist die Basis des Leistungstransistors T1 angeschlossen. D.h. wird OP1 Pin 1 Low, wird T1 abgeschaltet - es fliesst kein Gleisstrom mehr.

Da kein Gleisstrom mehr fliesst, wird die Spannung an R1 null. In der Folge werden OP4 Pin 14 und OP3 Pin 8 ebenfalls null. Über R8 wird C3 entladen.
Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes beträgt:

Tau_entladen = R8 * C3 = 22kOhm * 47uF = 1.0s

Nach 1 * Tau =1.0s ist C3 auf 30% entladen.
Die Spannung an C3 beträgt:

U_C3 = U_Hy-ein * 0.3 = 3.5V * 0.3 = 1.0V.

Damit wird die Hysterese-Ausschaltspannung unterschritten, OP2 Pin 7 geht auf Low, die rote Led erlischt. OP1 invertiert und wird High, die grüne LED leuchtet und die Basis von Leistungstransistor T1 wird mit Strom versorgt. T1 wird leitend, der Gleisstrom wird eingeschaltet.

Hinweis: In der Praxis stimmen die Verhältnisse um R7, R8, C3, R9, R10 nicht genau mit den Berechnungen überein. Mit den Werten R7=3.3kOhm und R8=22kOhm ergeben sich Zeiten von ca. 0.25s bis zum Abschalten und ca. 1.7s bis zum Wiedereinschalten.

Das Tastverhältnis (Zeit bis zum Abschalten im Verhäzur Zeit bis zum Wiedereinschalten) kann durch Verändern der Widerstände R7, R8 geändert werden:

• R7 kleiner -> Sicherungsautomat schaltet schneller ab
• R7 grösser -> Sicherungsautomat schaltet langsamer ab

• R8 kleiner -> Sicherungsautomat schaltet schneller wieder ein
• R8 grösser -> Sicherungsautomat schaltet langsamer wieder ein

Hinweis: Schaltet der Sicherungsautomat zu schnell ab, und befinden sich viele Kondensatoren im Gleisstromkreis, kann es vorkommen, dass der Sicherungsautomat nicht mehr eingeschaltet werden kann. Daher sollte der Sicherungsautomat nicht zu "scharf" eingestellt sein.

Die beiden Werte für die Zeit bis zum Abschalten und die Zeit bis zum Wiedereinschalten sind daher immer ein Kompromiss aus "Sicherheit" und "Verfügbarkeit".

Wenn dauernd ein Kurzschluss anliegt, fliesst also der maximale Ausgangsstrom gemäss Strombegrenzung (siehe oben) für die kurze Zeit von 0.25s und dann wird für 1.7s abgeschaltet. Daraus ergibt sich eine durchschnittliche Energiemenge bzw. ein "Effektivwert", der mittels Maximalstrom und Tastverhältnis berechnet werden kann:

I_Eff = I_Max * t_ein / (t_ein + t_aus) = 2.7A * 0.25s / 1.95s = 0.35A

Ein "Effektivwert" von 0.35A Dauerstrom bei Kurzschluss entspricht also einer Wärmewirkung, die der Absenkung des Kurzschlussstromes auf 0.35A entspricht. Dies ist ein Wert, der im Bereich des normalen Motorstroms liegt. Der Wert liegt auch deutlich (um Faktor 3-5) unter dem Maximalstrom jedes analogen Regeltrafos. Dieser Wert kann daher mit gutem Gewissen als "ungefährlich" betrachtet werden.

Noch ein Wort zum Kondensator C1: Dieser ist so dimensioniert, dass während 0.25s (die Zeit zwischen Überstromerkennung und Abschaltung) die Energie für die Auswerteschaltung komplett aus dem Kondensator bezogen werden kann. Es wird mit einem Strombedarf für die Schaltung von weniger als 10mA gerechnet.

Version 2.0 für 4A Maximalstrom

MOSEFT Schaltnetzteile schalten sehr "flink" ab bei Überstrom. Für die Gartenbahn benötigte ich daher eine Einrichtung, die den Kurzschlussstrom auf 4A begrenzt, bevor der Booster oder das Schaltnetzteil abschaltet. Das Einfachste war, den DCC Sicherungsautomaten in einer zusätzlichen Version für 24V DCC / 4A herauszubringen.

Damit der Sicherungsautomat wahlweise auch für 2A Maximalstrom eingesetzt werden kann, wurde der Maximalstrom einstellbar mittels Kippschalter ausgeführt. An den Klemmen 5 und 6 kann ein weiterer Kippschalter in Serie geschaltet werden. Siehe Schema in der Bauanleitung.

Technische Daten V2.0

Wie bei V1.0 (siehe oben) können fast alle in der Tabelle aufgeführten Werte durch Modifizieren der Bauteile an die persönlichen Bedürfnisse angepasst werden. Die Werte in der Tabelle entsprechen der Stückliste in der Bauanleitung V2.0.

 

Max. Eingangsspannung vom Booster	DCC 24 V 1)
Max. Eingangsstrom vom Booster	DCC min. 4.5 A 2)
Max. Ausgangsstrom, dauernd	DCC 2.0 A / 4.0 A (umschaltbar)3)
Max. Ausgangsstrom bis zum Abschalten	DCC 2.2 A / 4.4 A (umschaltbar)
Zeit bis Überstrom abgeschaltet wird	0.25 s
Zeit nach der wieder eingeschaltet wird	2.5 s 4)
Auswertung der Steilheit des Stromanstiegs	nein
"Effektivwert" des Stroms, wenn der Ausgang permanent kurzgeschlossen ist	0.2 A / 0.4 A (umschaltbar)
Rückmeldung des Überstroms an die Zentrale	jein 5)

¹⁾ Die Z-Dioden auf dem Sicherungsautomat sind für 27V ausgelegt.
²⁾ Wenn der Booster weniger Strom liefert, kann der Sicherungsautomat den Kurzschluss möglicherweise nicht erkennen.
³⁾ Welcher Maximalstrom sinnvoll ist, ist hier beschrieben.
⁴⁾ Ist der Kurzschluss bzw. Überstrom noch vorhanden, wird sogleich wieder ausgeschaltet, usf. (siehe Video)
⁵⁾ Eigentlich ist die optionale Rückmeldung an die Zentrale vorgesehen durch Zusammenschalten der Klemmen E und D. Die Rückmeldung funktioniert aber nicht :-( Der Optokoppler müsste durch ein Relais (ev. Halbleiterrelais) ersetzt werden. Das wurde jedoch noch nicht umgesetzt.

Bauanleitung

Beim Schaltungsdesign wurde besonders auf einfache Nachbaubarkeit geachtet.

• Bauanleitung V1.0 (pdf, 700kB) Stand 30.05.2015
  für 2A Maximalstrom

• Bauanleitung V2.0 (pdf, 400kB) Stand 12.07.2018
  für 2A oder 4A Maximalstrom umschaltbar

Tipps für die Inbetriebnahme

• IC2 (LM324) noch nicht bestücken. Sicherungsautomat an Booster anschliessen. Booster einschalten. DCC Gleisspannung an Messpunkt X1 messen.
Ist der Messwert kleiner als die Nennspannung der Z-Dioden?
NEIN: Gleisspannung reduzieren
JA: Weiter mit nächstem Schritt.

• Booster ausschalten. Kleine Drahtbrücke in den IC-Sockel von Pin 1 nach Pin 4 einstecken. (Dadurch bleibt T1 dauernd eingeschaltet.) Booster einschalten. (Grüne LED am Sicherungsautomat muss leuchten.) Messgerät an Gnd und X2 anschliessen. Kurzschluss am Gleis erzeugen und Messwert ablesen. Kurzschluss sofort wieder beseitigen!
Mit dem Messwert kann der effektive Maximalstrom berechnet werden:

I_Max = U_X2 / R1

Stimmt der effektive Maximalstrom mit dem theoretischen Wert überein? (Toleranz ca. +/- 15%)
NEIN: Fehler suchen und beheben: Bauteile überprüfen oder Anlagenverkabelung verstärken
JA: Weiter mit nächstem Schritt.

• Booster ausschalten. Drahtbrücke aus dem IC-Sockel entfernen. IC2 (LM324) in den IC-Sockel einsetzen, dabei auf richtige Position achten. Booster einschalten. (Grüne LED am Sicherungsautomat muss leuchten.) Kurzschluss am Gleis erzeugen.
Wechselt die LED am Sicherungsautomaten von Grün auf Rot? (0.25s grün zu 1.7s rot)
NEIN: Kurzschluss sofort beseitigen! Fehler suchen und beheben: Sind die Bauteile (Dioden, Kondensatoren) richtig rum eingebaut?
JA: Gratulation! Der Sicherungsautomat funktioniert :-)

Tipps für Modifikationen an persönliche Bedürfnisse

• Maximale Gleisspannung ändern: Z-Dioden mit anderer Nennspannung für D7, D8 verwenden.

• Maximaler Dauerstrom ändern: R1 ändern

• Verhältnis von Maximalem Dauerstrom zu Maximalstrom ändern: Verstärkung bei OP4 ändern durch Anpassen von R3, R4

• Strombegrenzung entfernen, so dass der Maximalstrom bis zum Abschalten extern begrenzt werden kann (bzw. muss): T2 ersatzlos entfernen.

• Zeit bis zum Abschalten verändern: R7 ändern.

• Zeit bis zum Wiedereinschalten verändern: R8 ändern.

• Wenn du die Schaltung für deine Bedürfnisse weiterentwickeln willst, ersetze R1 durch einen "grossen" Widerstand, z.B. 0.47 Ohm. Dadurch wird der Maximalstrom entsprechend kleiner, und die Tests werden entsprechend schonender. Wenn alles funktioniert, ersetze R1 durch den definitiven Wert.

Oft gestellte Fragen

Mein Nachbau funktioniert nicht!?
(12.07.2018) Ich habe den Sicherungsautomaten nun dreimal selbst aufgebaut und alle drei Exemplare funktionieren. Mindestens zwei anderen Modellbahner haben den Sicherungsautomaten ebenfalls nachgebaut. Beim einen funktioniert er, beim anderen nicht. Ich weiss nicht warum der Sicherungsautomat bei dem anderen Modellbahner nicht funktioniert, aber: Die Schaltung ist im Grunde sehr robust. Zwei Punkte haben sich als kritisch herausgestellt:
• Der Leistungstransistor T1 muss so weit überdimensioniert sein, dass er die Verlustleistung, die bei maximaler Spannung und maximalem Strom resultiert, noch sicher vom Silizium runter bekommt. Siehe Datenblatt des Leistungstransistors (safe operating area).
• Die Diode D5 lädt den Kondensator C1. Hierbei können Stromspitzen auftreten, die nur durch die angeschlossene Speisung begrenzt werden. Wenn du ein 4A Netzteil angeschlossen hast, dann muss D5 einen wiederkehrenden Stossstrom von 4A aushalten. (Siehe auch nächste Frage)

Bei mir flackern die LED und/oder der Kühlkörper wird warm!?
(12.07.2018) In diesem Fall ist Diode D5 defekt und leitet immer. Es ergibt sich folgender Effekt: Bei Plus-Speisung an Klemme 1 (positive Halbwelle) wird der Elko C1 geladen. Bei Plus an Klemme 2 (negative Halbwelle) wird der Elko entladen über den Pfad Klemme 1 > Speisung > D3 > T1 > R1 >. Das bedeutet: Elko C1 wird über einen satten Kurzschluss entladen, wobei die Spannungen von Netzgerät und Elko addiert werden, und der Strom durch R1, T2, T1 begrenzt wird (darum wird T1 warm). Weil der Kurzschluss nur bei der negativen Halbwelle auftritt, "sieht" die Auswerteschaltung einen Pulsförmigen Überstrom. Dieser wird als "Bürstenfeuer" interpretiert und über den Tiefpassfilter R2 + C2 ausgefiltert.
Diode D5 muss den Maximalstrom des angeschlossenen Netzteils in Form eines wiederkehrenden Stossstroms aushalten. Siehe auch vorherige Frage. Am 11.07.2018 wurde die Stückliste V1.0 entsprechend geändert.

Ich möchte einen anderen Abschaltstrom. Was muss ich tun?
Ändere den Widerstand R1 nach deinen Bedürfnissen. Mehr Info

Ich möchte eine andere Gleisspannung. Was muss ich tun?
Ändere die Z-Dioden D7, D8 nach deinen Bedürfnissen. Mehr Info

Kann der Sicherungsautomat auch für SX verwendet werden?
Im Prinzip ja, aber es ist nicht getestet. Weil Selectrix gemäss NEM 680 ein Gleissignal mit Pausen besitzt, ist der Effektivwert von Gleisspannung und Gleisstrom nicht einfach gleich wie das gleichgerichtete Digitalsignal. Der Effektivwert ist kleiner. Daraus folgt: Das Verhältnis von Abschalstrom (standardmässig auf 2.0A eingestellt) und Maximalstrom (standardmässig auf 2.7A eingestellt) muss modifiziert werden. Mein Lösungsansatz wäre, den Maximalstrom zu erhöhen (R1 ändern) und den Verstärkunmgsfaktor bei OP4 zu vergrössern (R3 und R4 ändern).

Kann der Sicherungsautomat auch für MM / MFX verwendet werden?
Im Prinzip ja, aber es ist nicht getestet. Ich habe keine Ahnung, wie das Gleissignal bei MM oder MFX zusammengesetzt ist. Siehe auch die Ausführungen zu Selectrix (oben).

Kann der Sicherungsautomat auch für Analog verwendet werden?
Im Prinzip ja, aber es ist nicht getestet. Der Lösungsansatz ist auch abhängig vom Spannungsverlauf der analogen Spannung: Sinus? Halbwelle? PWM? Je nach dem müssen diverse Bauteile anders dimensioniert werden. Siehe auch die Ausführungen zu Selectrix (oben).

Ist der Sicherungsautomat Railcom-fähig?
Nein. Wenn du mit Railcom arbeitest, muss zwischen Sicherungsautomat und Gleis ein Railcom-Detektor geschaltet werden, z.B. TAMS RCD-1

Wie kann ich die Geschwindigkeit des Stromanstiegs auswerten?
Hierfür ist der hier beschriebene Sicherungsautomat nicht konzipiert. Wenn die Auswertung der Geschwindigkeit des Stromanstiegs für dich wichtig ist, kauf dir den DCC Specialties PSX.

Warum schaltet der Sicherungsautomat automatisch wieder ein?
Zwecks Bedienungskomfort: Damit du nicht zum Standort des Sicherungsautomaten gehen und einen Knopf drücken musst. Das Beseitigen des Kurzschlusses bzw. Überstromes genügt. Der Sicherungsautomat versucht periodisch, sich wieder einzuschalten. Ist der Kurzschluss noch vorhanden, wir nach 0.25s gleich wieder ausgeschaltet. Es trifft zu, dass dadurch mehr Energie zur Kurzschlussstelle transportiert wird, als wenn manuell eingeschaltet werden muss. Dennoch bleibt die transportierte Energiemenge auf einem tiefen Niveau, so dass Schäden verhindert sind.

Ich will manuell wiedereinschalten. Was muss ich tun?
Ersetze R8 durch einen Taster.

Was passiert, wenn die Trennstelle zwischen zwei Speisebezirken überfahren wird?
Wenn das Digitalsignal in beiden Speisebezirken phasensynchron ist, ergibt sich ein Ausgleichsstrom, der gemäss ohmschem Gesetz aus Spannungsdifferenz geteilt durch Übergangswiderstand berechnet wird. Idealerweise sind die Gleisspannungen in den beiden Speisebezirken angeglichen, d.h. die Spannungsdifferenz ist klein. Dann ist auch der Ausgleichsstrom klein. 1V Spannungsdifferenz ist in der Praxis unbedenklich.

Wenn das Digitalsignal in beiden Speisebezirken phasenverschoben ist, "zirpt" es bei der Überfahrt - ein sicheres Zeichen für Kurzschlussstrom. Mehr Info

Wenn die Lok in einen Speisebezirk einfährt, der ausgerechnet jetzt bereits aufgrund Kurzschluss abgeschaltet ist, dann wird der Speisebezirk, aus dem der Zug kommt, im Idealfall ebenfalls abgeschaltet. Das klappt aber nur, wenn die aufsummierten Übergangswiderstände klein genug sind. Wieder ein Grund mehr, die Anlage vernünftig zu verkabeln.

Kann ich bei dir Sicherungsautomaten bauen lassen?
Nein, denn ich möchte für den Rest meines Lebens auch noch etwas anderes tun als Sicherungsautomaten bauen für andere. Ich habe dir hier alles dokumentiert, was ich weiss. Damit sollte dir der Nachbau leicht fallen.

Kannst du mir die Schaltung für mein Digitalsystem xy modifizieren?
Nein, denn ich möchte für den Rest meines Lebens auch noch etwas anderes tun als Sicherungsautomaten bauen für andere. Ich habe dir hier alles dokumentiert, was ich weiss. Die meisten Änderungen können durch Anpassen weniger Widerstände herbeigeführt werden. Wenn du grundlegendes elektronisches Verständnis mitbringst und die obige Schaltungsbeschreibung verstanden hast, sollte dir die eigene Modifikation leicht fallen.

Kann ich Eagle-Dateien der Schaltung bekommen?
Nein. Es gibt keine Eagle-Dateien. Die Schaltung ist von Hand gezeichnet und in der Bauanleitung dokumentiert.

Disclaimer: Die Anwendung erfolgt auf eigene Gefahr. Jede Haftung wird abgelehnt.

Die Schaltung wurde sorgfältig nach bestem Wissen und Gewissen entwickelt und getestet und wird auch von mir selber eingesetzt. Dennoch kann keine Haftung für Schäden irgendwelcher Art übernommen werden. Die Schaltung und die Bauanleitung werden "wie gesehen" zur Verfügung gestellt. Danke fürs Verständnis.

Änderungsgeschichte
12.07.2018: Version 2.0 für 4A Maximalstrom hinzugefügt und FAQ mit zwei weiteren Fragen ergänzt
11.07.2018: Diode D5 geändert auf 1N4001 (muss den Maximalstrom der angeschlossenen Speisung ertragen)
05.09.2015: Bild mit Boosterbox hinzugefügt.
14.06.2015: DCC Sicherungsautomat veröffentlicht.

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