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Schienenspannung
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Track Voltage
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fertiges Messgerät / finished meter |
| Die Schienenspannung ist
unvermuteter maßen oft eine völlige Unbekannte für den Modellbahner. Viele
Zentralen bieten keine Möglichkeit die echte Ausgangsspannung zu kontrollieren.
Noch schlimmer verfügen viele Geräte über keinerlei Maßnahmen die Spannung
am Ausgang konstant zu halten. Schon allein deshalb weiß der Modellbahner
oft nicht woran er ist.
Spannungseinbrüche durch einen schwachen Transformator, Verluste in der
Zentrale und zu schwache Verkabelung führen zu fragiler
Spannungsversorgung am Gleis. Vor allem zu schwache Verkabelung führt zu
unerklärlichem Verhalten von Lokomotiven bzw. Geräuschelektronik. Um
diesen Fehlerquellen nachzulaufen habe ich nachfolgendes Gerät
konstruiert. In den letzten Tagen konnte ich massive Verkabelungsprobleme
bei Freunden damit aufspüren und ein paar dieser unerklärlichen Probleme
beheben. |
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The track
voltage is surprisingly the big unknown item for most railroaders. Most
central units don't offer to display the actual output voltage. Even worse
almost all CU's don't provide voltage stabilization. Based on this nobody
knows what is going on on the electrical side.
Voltage cuts caused by a weak transformer, losses in
the electronics of the central unit and/or booster and weak cabling result
in fragile power on the track. This results in unexplainable errors on
some parts of the layout. Sounds get fired off where the should not, locos
behave uncontrolled. To monitor this I have constructed the following
device. I have it now for less than a week and was able to trace down
cabling problems on 3 layouts of my corailroaders. |
Warum kein Multimeter?
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Track Voltage
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| Die Gleisspannung auf
Digitalsystemen ist Wechselspannung und hat eine, im Idealfall,
Rechteckform. Damit Fällt zunächst das Messen mit dem
Gleichspannungseingang eines Multimeters aus.
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The voltage
on the tracks is AC with rectangle wave form. This inhibits to measure the
voltage on the DC entrance of a multimeter. |
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DCC |
| Handelsübliche Multimeter gehen im Wechselspannungsmodus (AC) davon aus
dass die Kurvenform sinusförmig ist. Wenn man solche Messgeräte mit einem
Rechteckigen Signal versorgt wird ein zu hoher Spannungswert angezeigt.
Der Fehler beträgt etwa Faktor 1,414 (√2).
Für Qualitative Aussagen wie mehr oder weniger Spannung verglichen mit
anderen Messpunkten reicht das durchaus aus. Wenn man aber quantitative
Aussagen machen will wie viel Gleisspannung vorhanden ist ist die
Korrekturrechnerei eher mühsam. Daher die Arbeit mit diesem Projekt.
Es gibt in der Oberklasse der Messgeräte welche
die echte Effektivwertmessung haben. Hier wird die Kurvenform
aufintegriert und damit auch beim rechteckigen Signal korrekt dargestellt.
Aufgrund des doch üblicherweise gehobenen Preises werden solche Geräte
wohl kaum bei Modellbahnern anzutreffen sein. |
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Also the AC
input of most meters will not display correct values. Usually they are
calibrated to calculate the voltage based on sinus wave form. As a result
the AC meter will display a wrong value, usually too high by factor 1.4.1
(√2). For qualitative information like voltage is equal or different
compared to another point it might be good enough. To read the exact value
it might be annoying to calculate the correction for the meter reading.
This is the reason why I did this project. I
need to mention that the upper class of meters offers true RMS. Here the
AC wave is integrated over time and results in correct values, independent
of the wave form. I guess the average railroader does not even know of
that nor owns such a meeter. |
Was ist hier anders?
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What is different here?
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| Die Idee hinter der Schaltung
ist bestechend einfach. Man richtet das Rechtecksignal gleich, kompensiert
die Verluste der Gleichrichtung und misst das Ergebnis. Meine
erste Schaltung hat dazu einen OP als Addierer benutzt. Die Kalibrierung
war da etwas aufwändig. Nach einigem
überlegen bin ich zu folgender Schaltung gekommen. |
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The concept
of the circuit is very simple. The input is rectified. The voltage loss of
the rectifier is compensated and the result is red to a meter.
My first circuit used a OP to add the compensation
voltage. Unfortunately some calibration was necessary to get the correct
values. After some discussions I ended up with the following circuit. |
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Schaltung / Circuit |
| An den beiden Dioden D5,6
fällt zur Kompensation der Spannungsverluste im Grätzgleichrichter
Spannung ab die das Messergebnis korrigiert. Die Dioden werden über den
Widerstand R4 von einer Batterie aus versorgt. Um eine möglichst exakte
Fehlerkorrektur zu erreichen, sind alle 6 Dioden vom gleichen Typ. Die
Widerstände R4 und R6 von 1k sorgen für einen gewissen Minimalstrom um
nicht zu weit im stark gekrümmten Bereich der Diodenkennlinie zu arbeiten. Die Widerstände R1,2,3,5
stellen einen Spannungsteiler dar. Über einen Schalter kann R5 überbrückt
werden um 2 Messbereiche zu erhalten. Das Dient dazu wenn ein
Digitalpanelmeter eingesetzt wird Spannungen über 20V anzeigen zu können.
Der Kondensator dient dazu etwaige Spitzen und Störungen zu glätten.
Asymmetrische Signale wie es z.B.: bei Motorola Datenformat vorkommt
werden durch die Gleichrichtung aufgehoben und stören daher die Messung
nicht. |
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The two
diodes D5/6 are used to generate the compensation voltage. We loose
voltage in the rectifier which needs to be corrected. To avoid errors in
that process all 6 diodes are from the same type. The resistors R4 and R6
drain a minimum current through the diodes to move out of the curved area
of the diodes.
The resistors R1,2,3,5 are used a a voltage cascade.
The switch allows to ranges, as most DVMs have ranges up to 1999.
The capacitor is used to filter spikes caused by
locos on the layout. Asymmetric input signal is rectified and does not
disturb the measurement. |
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Platinen Layout / PCP |
| Der Bereichsschalter ist 2
polig ausgeführt um eine Dezimalpunktumschaltung bei einem DVM zu
ermöglichen. Der zweiter ebenfalls 2 polige Schalter dient zum Abschalten
der Batterien. Es sind 2 Batterien vorgesehen, eine für die
Korrekturspannung. Die zweite dient zur Versorgung des DVM. Ich habe
getrennte Batterien vorgesehen, da viele DVM Module keine potentialfreien
Eingänge haben, so auch jenes das ich eingebaut habe. Beim Einsatz eines
Analoginstruments oder eines vorhandenen Multimeters entfällt die 2.
Batterie. |
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The range
switch has 2 paths. The second part might be used to power a decimal point
of an DVM. The PCB layout offers 2 power paths. This is necessary as most
DVMs need a potential free power supply. This means we need two batteries.
If you use a analog meter or the DC input of a standard
multimeter the second battery is not required. |
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fertige Platine (Prototyp) / finished prototype PCB |
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fertiges Messgerät / finished meter |
| Das obige Bild zeit das Gerät
im Leerlauf. Die angezeigten 1,26V ist die Spannung die an den
Kompensationsdioden abfällt. |
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The picture
shows my prototype in idle mode. The display shows the 1.26V compensation
voltage. |
| Platine, Bausatz als auch
Fertiggerät sind über
AMW verfügbar. |
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I offer PCB
kit or assembled unit via my
AMW |
