Schaltregler

Ein völlig anderes Thema aber für Modellbahner auch hoch interessant und wie so oft wegen Unkenntnis umstritten. Deshalb auch hier einige hoffendlich allgemeinverständliche Informationen.

Regler werden unter anderem verwendet wenn zur Realisierung von Anwendungen Spannungen gebraucht werden die erst einmal nicht zur Verfügung stehen. Die modernste Art der Realisierung ist die Lösung mit Schaltreglern die zugegebenermaßen nicht die einfachste dafür aber die Energiesparenste ist. Ob und in welchen Fällen unterschiedliche Lösungen realisiert werden hängt meist von den persönlichen Erfahrungen und auch Vorurteilen ab. Da kann nur Wissen weiter helfen.

Vorteile

Energie:
    geringere Energieverbrauch da "überflüssige" Spannung nicht in Wärme umgewandelt wird und dadurch Strom gespart wird.

Abwärme:
    Da geschaltet wird, wird so gut wie keine Abwärme erzeugt. Dieser Spannungsüberschuß der vom Verbraucher nicht
   benötigt wird (zB LED's 2-3V an 24V Solarbatterie) wird nicht einfach "verbraten", sondern in einer Drossel "zwischenge-
   speichert" und in den Schaltpausen an die Verbraucher abgegeben.

Leistung:
   Aus oben genannten Gründen wird keine Zusatzleistung benötigt. Es wird nur so viel Leistung aus der Quelle (Batterie, Netzteil,
   Solaranlage usw) entnommen wie die Verbraucher wirklich benötigen.

Spannung:
   Die Eingangsspannung kann in einem großen Bereich (bis Netzspannung) variieren. Schaltregler besitzen einen Rückmeldeeingang
    (FB - FeedBack) der dafür sorgt, das die Ausgangsspannung keinen unerlaubten Wert annehmen kann. Es wird dadurch immer
    die 'richtige' Spannung an die Verbraucher abgegeben.

Strom:
   Auch für die Stromreglung ist der FeedBack-Eingang dazu in der Lage auch bei auftretenden Kurzschluß oder ständiger Überlastung
    den Schaltkreis und in gewisser Weise die Verbraucher zu schützen. Selbst die Stromreglerfunktion kann er übernehmen.
   Sogar ist es möglich alle drei Funktionen gleichzeitig zu realisieren.

Größe:
   Sie sind sehr klein. Aber auch für größere Ströme wo ja wie bei konventionellen Reglern Leistungstransistoren eingesetzt werden
   müssen, wird durch die Schalttechnologie weniger Kühlung, also kleinere oder gar keine Kühlkörper benötigt. Das spart erheblichen
   Platz. Zusätzlich können bedingt durch die 'hohe' Frequenz Spule und Kondensator kleiner ausfallen.
   Auch die Zusatzbeschaltung hält sich in engen Grenzen.

Kosten:
   Der Preis ist inzwischen sehr niedrig. Durch moderne Fertigungsmethoden und den steigengeden Einsatz in den
    komerziellen Gütern (Fernseher, Computer, Handynetzteile und fast aller anderen Geräte) ist der Preis stark verfallen.

Nachteile:
   die nicht verschwiegen werden sollen, aber durch die Vorteile mehr als 'wett'gemacht werden.
   Selbst die oftmals viel gescholtene notwendige Drossel ist heute dank fertiger Feritkernspulen kein Problem mehr (zu Hauf
    in "Alt"geräten).
   Der Nachteil der Welligkeit der Ausgangsspannung ist nur scheinbar ein Problem. Bedingt der relativ hohen Arbeitsfrequenz und
    des stark verschmutzten Netzes (andere Verbraucher) ist der meist ohnehin schon vorhandene und notwendiger Kondensator
    und evt eine kleine Ferritperle in den meisten Fällen ausreichend.

Ein Hinweis ist aber notwendig!
   In einigen Fällen (hohen Strömen und Frequenzen) kann es notwendig sein, als Ausgangskondensator einen sogenannten
    'Low-ESR-ELKO' einzusetzen. Diese induktionsarmen Kondensatoren sind aber inzwischen Standard und kosten auch
    nicht mehr die Welt. Außerdem sind sie auch wieder gegen die Netzverschmutzung sehr dienlich. Noch besser ist es diesem
    Kondensator zusätzlich dicht am Schaltkreis einen kleinen Keramikkondensator von 10-100nF Kapazität parallel zu schalten.

Dieser Hinweis kann eigendlich nicht als Nachteil angesehen werden, genau wie folgender.

Layout:
   Bedingt des Schaltens fließt innerhalb der Schaltung bis zum Ausgangskondensator ein lelativ hohen Impulsstrom. Deshalb ist es
    notwendig die stromführenden Verbindungen (Leiterzüge) kurz, breit und ebenfalls induktivarm (möglichts gerade) auszuführen.

Diese wie auch vorherige Maßnahme sollten eigendlich bei allen aber vordringlich Stromversorgungseinheiten angewendet werden. Es trägt sehr zur Reinhaltung des allgemeinen Versorgungsnetzes bei und nützt damit Jedem.

Doch halt einen (genauer vier) ganz entscheidenden Vorteil hätte ich beinahe unterschlagen. Der Schaltregler lässt sich als sogenannter "Stepdown-, Stepup-, Current- oder Inverting- Regulator" einsetzen.
Z.B. "Down" (Abwärts) von 24V nach 5V (KFZ-USB-Stecker), "Up" (Aufwärts) von 2V nach 3V (Solarleuchte), "Current" (Strom) 20mA Konstantstrom (220V LED-Spott's) und "Invert" (Umkehr) aus +5V mach -5V (symmetrische Stromversorgung für Operationsverstärker).
Natürlich nicht alle Viere gleichzeitig sondern entweder oder. Die Funktionsweisen sind im Prinzip gleich nur die Außenbeschaltungen unterscheiden sich. Die Spannungen und Ströme (rauf, runter) sind meist beliebig einstellbar und somit für fast alle Zwecke einsetzbar.

Sicher ist der Einsatz erst einmal gewöhnungsbedürftig aber wer es erst einmal ausprobiert hat, möchte diese nicht mehr missen. Aber oft
spielen ja auch die Vorteile keine große Rolle, so das man ruhigen Gewissens zu den "alt"bewährten Techniken greifen kann oder auch
manchmal muß. Anderen Anwendungen hingegen werden durch diese neue Technick erst möglich. Man denke da an Solarleuchten und zum Teil bei der Modellbahn Wagenbeleuchtung.

Konkret:
Meist ist die Zubehörspannung (16V~) vorhanden für die ja die meisten Zubehörartikel gemacht sind.
Aus vielfältigen Gründen sollen aber auch andere Artikel verwendet werden. Seien es z.B. moderne Leuchtmittel, andere Magneten (Eigenbau-Enkuppler), Motoren aus verschiedensten Herkünften oder unterschiedliche Relais aus Sammelbeständen usw. Leuchtdioden sind ein gutes Beispiel die ja aus Gründen der Energieeinsparung immer häufiger eingesetzt werden. Leider ist gerade beim Anschluss an eine höhere Spannung wie die Zubehörspannung durch die notwendigen Vorwiderstände der Einsparvorteil schnell wieder 'aufgefressen'.
Bei der Wagenbeleuchtung gibt es ebenfalls mehrere Gründe die für den Einsatz von Schaltreglern sprechen. Für 'Digital-Fahrer' kann das sehr wichtig sein, denn der Digitalstrom muß 'teuer' mittels Booster hergestellt werden. In den Wagenbeleuchtungen wird gerade bedingt der hohen Digitalspannung sehr viel Energie verschwendet. Der Schaltregler direkt vor die LED's geschaltet reduziert den Verbrauchsstrom.

Angenommen in einem Wagen werden 6 LED's mit je 20mA Verbrauch parallelgeschaltet dann ergibt sich folgende Rechnung:
Digitalspannung 24V, LED-Spannung 2V, Spannungsdifferenz 22V, Stromverbrauch 120mA ergibt
Nutzenergie 2V x 120mA = 240mW        -        dagegen stehen zu 'vernichtende' Energie 22V x 120mA = 2,6W.
Diese 'überschüssige' Energie müßte mittels Vorwiderstände ungenutzt in Wärme umgewandelt werden. Bei zehn Wagen wären das dann rund 25 Watt Verlustleistung die als Fahrstrom verloren gingen.

Diese Schaltung zeigt einen typischen Schaltregler in der Konstandstromschaltung wie sie in dem angenommenen Fall der Wagenbeleuchtung zum Einsatz käme.
Für die Diode 1 wäre eine schnelle Schaltdiode (LS-Diode - Low Schottky Diode) wegen dem besseren Wirkungsgrad der Schaltung angebracht. Der Widerstand Rx richtet sich nach der Anzahl der Leuchtdioden und wäre bei 6 LED's etwa 10 Ohm. Mit diesem Widerstand kann die Helligkeit variiert werden. Die Fahrspannung wird natürlich über einen Brückengleichrichter an +5-24V und 0V angeschlossen. Die LED's an +- Ub müssen vom gleichen Typ sein. Wenn nicht müssen wieder Vorwiderstände verwendet werden. Bei dem Elektrolytkondensator 100µF am Ausgang über die Leuchtdioden käme dieser verlustarme Kondensator in Frage.

Der Schaltregler schaltet nur kurz ein. Während dieser Zeit werden die Verbraucher (LED's) direkt mit Strom versorgt aber die 'überflüssige' Energie (2,6W) nicht über einen Widerstand in Wärme 'verbraten' sondern in der Drossel magnetisch zwischengespeichert. In den Schaltpausen wird dann diese zwischengespeicherte Energie wieder abgeben und mittels Diode D1 an die Verbraucher gelenkt. Da dieses Schalten sehr schnell erfolgt (einige 'zig Kiloherz) ist in Verbindung mit dem Ausgangskondensator praktisch eine kontinuierliche Stromversorgung für die Verbraucher gewährleistet.

Bei Analogfahrspannung kommen noch weitere Vorteile hinzu. Da die Fahrspannung nicht konstant ist sondern mit der Fahrgeschwindigkeit
variiert schwankt auch die Leuchtstärke der Beleuchtung sehr stark. Dieser Effekt ist noch um so stärker je mehr mit reeller Geschwindigkeit gefahren wird. Praktisch arbeitet dann die Beleuchtung überwiegend mit halber Leuchtkraft. Dagegen wenn Vorwiderstände an diese reelle Geschwindigkeit angepasst wären, wäre die Beleuchtung bei voller Geschwindigkeit viel zu hell.
Man könnte nun eine Konstandstromschaltung vorschalten, die aber wiederum nur Wärme erzeugt. Die Schaltregler dagegen sind nun so schaltbar das sie entweder eine konstante Spannung oder einen konstanten Strom liefern können. Sogar beide Varianten gleichzeitig sind möglich hier aber nur die Konstandstromreglung notwendig.

Das bringt noch weitere Vorteile mit sich. Nämlich bleibt bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten die Beleuchtung relativ gleichmäßig hell. Der andere Vorteil ist das durch den verminderten Stromverbrauch der Nutzen einer Energiespeicherung mittels Kondensator (in der Schaltung der Eingangskondensator) zum Zwecke des Nachleuchtens bei fehlender Fahrspannung doppelt steigt. Einmal wird der Kondersator langsamer entladen und dadurch schon die Leuchtdauer verlängert und da der Regler auch noch mit niedriger Spannung arbeitet nochmal die Leuchtdauer erhöht da ja nun die gespeicherte Energie im Kondensator noch weiter nach unten genutzt wird. In wie weit eine Reihenschaltung der Leuchtdioden auch noch Vorteile oder sogar Nachteile bringen muß wieder von Fall zu Fall erprobt werden. Dieser Kondensator kann beliebig vergrößert werden um die Speicherkapazität und damit die Leuchtdauer zu erhöhen.
Der Vorteil (konstante Helligkeit) spielt nun bei Digitalstrom nicht so eine Rolle, wogegen alle anderen Vorteile auch hier nützlich sein können. Man denke an Gelegenheiten wo auch meine 'Digital'wagen mal auf einer Analogbahn (Verein, Ausstellungen, bei Freunden usw) mitlaufen sollen. Was würde das für einen Eindruck machen wenn dann meine Wagen unregelmäßig leuchten sogar zeitweise ausgehen wenn langsam gefahren wird und im Stand ausgehen während die anderen noch einige Zeit nachleuchten?

Der Gebrauch ist in vielen Fällen eine Überlegung wert und oft sehr nützlich. In Anbetracht der Wagenbeleuchtung sogar so das man es sich garnicht mehr vorstellen kann wie man das 'Geflackere' überhaupt so lange ertragen konnte. Gut vielleicht ein wenig überspitzt aber nicht unzutreffend.
Klaus Klaws