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Die Halbwelle an sich und für sich
#1
Moin zusammen,

ich habe meinen Beitrag zum Versuchsaufbau: Halbwelle aus dem Beitrag Geeignete Chassis für Stadtbahn-Halbwelle hierhin umgezogen, weil der Schwerpunkt ein anderer ist.

(19-11-2021, 00:15)mos schrieb: Moin zusammen,

die Halbwelle hat mich jetzt auch ganz schön gewurmt Confused .

Theorie ist fein, "Versuch macht kluch" und so kann ein Versuchsaufbau nicht schaden:
[Bild: AC1-Skizze_Spannungsmessung.JPG]
Messpunkt 1 (MP1) zeigt den Ausgang des Fallertrafos (16V~, 0,8A), MP2 die Spannung hinter dem Regler, MP3 die Spannung hinter der Diode.

Erste Erkenntnis: Meine 3 T-Jet-Versuchskaninchen laufen alle auch mit Halbwelle Smile .

Die blaue Linie zeigt beide - unterschiedlich hohen - Halbwellen an, die lila nur die durch den Regler verminderte obere Halbwelle:
[Bild: AC2-0,8V_DSC01293.JPG]
[Bild: AC3-10V_DSC01294.JPG]
[Bild: AC4-22V_DSC01290.JPG]
Hier sieht man u.A., dass die Messung mit dem Multimeter sinnlos ist. Die markierte Gerade auf dem Oszi zeigt etwa 12V an.
Ich habe auch verifizieren können, dass die Höhe der Spannung für eine bestimmte Geschwindigkeit stark vom Auto (Motortyp und Wartung) abhängt.

Ach, und dann noch ein Vergleich zwischen einem Auto mit und einem ohne Kondensator:
[Bild: AC5-Buerstenfeuer_Faller_Mit_C_DSC01314.JPG]
[Bild: AC6-Buerstenfeuer_T_Jet_Ohne_C_DSC01314.JPG]
(Der untere ist im Fernsehen Sick .)
ciao michaelo
... und wer zuletzt aufgibt gewinnt.
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#2
Moin zusammen,

der Faller Trafo 4016 liefert lt. Typenschild Nominal-/Nennspannung=16V~, 0,8A, d.h. dass er beim angegebenen Nennstrom von 0,8A eine effektive Spannung von 16V~ garantieren soll. Der Regler 4031 hat 60 Ohm.

Im Leerlauf, also ohne Last, liefert der Trafo die so genannte Leerlaufspannung, die immer höher als die Nennspannung und je nach Trafo unterschiedlich hoch ist. (In unserem Fall etwa 22 V.)
Die Spitzenspannung (Scheitelwert, Amplitude) ergibt sich mit 1,41 multipliziert zu
  • Vs= 16*1,41=22,6V
Anbei zwei erklärende Bilder (Farben und Messpunkte siehe oben).

Im Leerlauf, also ohne Last:
[Bild: AC7-Leerlauf_SCR07.JPG]
  • Der Wert der gelben Kurve, direkt am Trafo, ist in Bildmitte unten mit dV=3.16V angezeigt. Das ist die oben genannte Leerlaufspannung (mit 10 multipliziert wg. Oszi-Tastkopf).
  • Die blaue Linie, hinter dem voll aufgedrehten Regler, ist deckungsgleich und wird deshalb von der gelben Linie verdeckt.
  • Die interessantere lila Linie, hinter der Diode, ist praktisch der obere Teil der beiden oberen Linien. Und man sieht deutlich, dass nur noch eine Halbwelle Energie liefern kann, dazwischen ist nix.


Mit Last an der oberen Halbwelle:
[Bild: AC8-Last_SCR08.JPG]
  • Die Spannung am Trafo (gelb) geht wegen der so genannten "weichen Kennlinie" des Trafos leicht in die Knie.
  • Die Spannung hinter dem Regler (blau) knickt naturgemäß mehr ein (Spannungsteiler: Regler-Motorwiderstand); die untere Halbwelle ist nahezu unberührt.
  • Die Spannung hinter der Diode, also an der Schiene, (lila) spiegelt die obere Halbwelle der blauen Linie wieder und knickt gleichermaßen ein. Interessant ist, dass der Hubbel beim Leerlauf weg ist, vermutlich wegen der induktiven Last durch den Motor.

    Beachte:
    Die Messungen habe ich jeweils mit einem Fahrzeug und geringer Last (etwa 1/10) durchgeführt. Dadurch wird der Trafo nicht bis zur Nennspannung "in die Knie gezwungen". Ein Versuch mit einer rein ohmschen Last und dem (Nenn-)Laststrom (0,8A~) lässt die Spannung des Faller Trafos nicht signifikant auf etwa 19V~ sinken. Erst ab einem Strom von c.a. 1,5 A~ wird die Nennspannung erreicht. Allerdings schaltet dann auch die Thermosicherung die Versorgung nach kurzer Zeit ab.

    Fazit:
    Die Energie beim Halbwellenbetrieb ist erheblich reduziert (was wir aber auch vorher wussten Big Grin ). Trotzdem fahren T-Jets auch unter diesen Bedingungen. (Mein von HK gepimpter Renner ist sogar flotter als der von mir vorbereitete Faller F3.)

    Einschränkung:
    Der "Faller" ist mit Selenplättchen ausgerüstet, die "T-Jets" ohne.

    Arrow Das lässt die Möglichkeit offen, dass an den Selen-Schleifern für die T-Jets zu viel Spannung abfällt.


    NACHTRAG: Bezeichnungen für Nominal-/Nennspannung und Effektivwert korrigiert.
ciao michaelo
... und wer zuletzt aufgibt gewinnt.
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#3
Hallo Michaelo,

super inputs - ich geh da jetzt mal ganz analog an Dein unteres Bild ran:

Gelbe Kurve ca. 31 Volt, d.h. Hälfte 15,5 Volt  - richtig? Halbwelle violett dann noch ungefähr 6-7 Volt - richtig? Das würde in etwa meiner Erfahrung an der Faller Bahn entsprechen. Ein mit Vollgas betriebenes Halbwellen Auto müsste mit 7 Volt auskommen, was in etwa einer ausgenudelten Batterie am Halgato Tester entspricht. Ein riesen Verlust, selbst wenn man nur mit der Nominalspannung von 16 Volt vergleicht. Da ist noch ein anderer Faktor im Spiel: Der Gleichrichter 4019 ist mit Kühlgehäuse ausstaffiert und basiert auf Selenplatten. Wieviel verbrät der eigentlich noch zusätzlich im Vergleich zu Deinem Aufbau mit Dioden?

Wenn Du jetzt noch Dein Testoval um eine längere 10% Steigung erweiterst...
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#4
Hallo mos, moin, moin,

Viel Aufwand für die Hälfte (!) der Spannung. Und mit deinem Fazit stimme ich überein. Aber dein Rechenweg ist mir nicht verständlich; ich hätte wohl andere Werte erzielt. Mir ist z.B. unklar wie du, ausgehend von der Nominalspannung, die Effektivspannung berechnest. Ich dachte die Nominalspannung ist bereits die Effektivspannung unter Last? Und ist der Spitze-Spitzewert nicht einfach 2x Spitzewert? Sorry, bei halber Spannung schaltet mein Gehirn ebenfalls auf 50%.

Viele Grüße
finbar
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#5
@ Finbar, genau aus dem Grund habe ich mich auf das schöne Oszillogramm bezogen. Die Definitionen führen zu einem Google- Abenteuer, das ich aus Zeitgründen verschieben musste.
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#6
Nachtrag: Der Wirkungsgrad einer Halbwellengleichrichterschaltung beträgt 40.56%.

https://de.lambdageeks.com/half-wave-rectifier/
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#7
Moin zusammen,

@Christian:
Nur halb richtig. Die Werte auf dem Oszilloskop müssen jeweils mit 10 multipliziert werden. Ein Raster entspricht bei lila 2V*10. Damit ist die lila Halbwelle im Leerlauf etwa 30 V und unter Last etwa 18V hoch. Das sind aber Spitzenwerte. Die Störspitzen erreichen dagegen bis zu 5 Kästchen. Diese kurzzeitigen Werte haben entsprechend wenig Energiegehalt, die der Anker mühelos verpackt. Elektronik ohne entsprechende Schutzschaltung hätte schon längst den Geist aufgegeben. Maßgeblich ist der Effektivwert, mit dem der Motor befeuert wird. Den kann ich mit meinem Messgerät leider nicht messen (siehe oben).

Wie schon oben geschrieben, hängt die Spannung für "Vollgas" vom Chassis ab. Beim gepimpten HK-TJet steht der Regler gerade Mal ganz unten, bei dem T-Jet Out-Of-Box aber auf 180. Mein Faller F3 irgendwo in der Mitte.

Die von mir verwendete Diode (1N4007) wird sich nicht signifikant von einem - sauberen - Selenplättchen unterscheiden.

Mir ging es in dem Experiment darum, die prinzipielle Tauglichkeit der T-Jets für den Halbwellenbetrieb darzustellen. Die "Bergprüfung" überlasse ich gerne anderen Mitstreitern Smile .


NACHTRAG: Absatz "mit dem Schlauch" gestrichen, Bezeichnungen oben lt. Finbar korrigiert.
ciao michaelo
... und wer zuletzt aufgibt gewinnt.
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#8
Ich kann es kaum erwarten, wenn der 4019 kommt, dann wird nochmal jede Karre mit Halbwelle befeuert. Danke nochmal für den schnellen und sehr anschaulichen Aufbau.
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#9
Hallo mos,

Die Halbwelle ist auch heute noch ein unerschöpfliches Neuland. Um das zu ergründen, hier mal meine Theorie. Bitte nicht steinigen, falls es nicht stimmt.

Die Angabe auf dem Trafo 16V beziehen sich auf die effektive Spannung, die der Trafo bei einer Stromabgabe von 0,8A liefern kann. Wird kein Strom entnommen, steigt die effektive Spannung an (Leerlaufspannung). Ich messe eine Leerlaufspannung von 20,6 Volt effektiv bei einem schwächeren 4016 mit 16V / 0,7 A. Ohne Last ist der Spitzenwert der Sinusspannung dann 20,6V*1,414 = 29,13 Volt und der Spitzen-Spitzenwert 58,26 Volt!! Das zeigt ja auch das Oszilloskop, wenn für die gelbe Kurve ebenfalls gilt 20V pro Raster. Für die digitale Spitze-Spitze Messung solltest du allerdings den V2 Cursor an die negative Spitze verschieben.

Was bringt die Theorie für das Fahren mit Halbwelle? Nichts. Einfach probieren.


Viele Grüße, bleibt alle gesund!

finbar
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#10
Also ich finde das Thema sehr spannend und möchte auch künftig nicht mehr so "halbwissend"  an irgendwelchen 40xx rumstöpseln. Der Bug mit dem 4019er und 4 Autos hat mir gereicht. Habe heute Nacht noch etwas gesurft und musste feststellen, dass das Gleichrichter-Wissen auch in einfachen Prüfungen für junge Leute abgefragt wird und bei vielen Modelleisenbahnern vorhanden ist.

Ich fände es schön. wenn hier gemeinsam am Ende ein paar Punkte klar definiert sind, u.a. die Spannungsdefinitionen und die Wirkungsgrade unterschiedlicher Halbwellengleichrichterschaltungen. Über geglättete versus ungeglättete und vieles mehr haben wir nämlich noch gar nicht gesprochen...

Heute werde ich mal ein bisschen Lesen und messen...
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#11
Hier mal ein erster Versuch am Beispiel 230 V Steckdose:

230 Volt = Effektivwert und wird auch so vom Multimeter gemessen

Effektivwert heisst: Spannung, die anliegen würde, wenn sie KONSTANT und nicht wellenförmig anläge.

In Wirklichkeit liegen an einer Steckdose Spitzen von 325 Volt an, dies führt zu 650 Volt Spitze/Spitze - diese Werte werden NICHT vom Multimeter angezeigt.

http://www.reiter1.com/Drehstrom/Drehstrom_05.htm

Insoweit sollte man die Werte im ersten Beitrag nochmal überdenken.

Der Transfer zu einem Trafo wäre jetzt wie folgt: Auch hier wird mit z.B. 16 Volt der Effektivwert unter Last angegeben. Diesen misst auch das Multimeter. Es zeigt nur zuviel an, wenn man nicht unter Last misst (Lehrlaufspannung).

Und jetzt -  Confused - die Halbwelle.

Es gibt mindestens zwei, die relevant sind:

Brücken-Gleichrichter: Die untere Halbwelle der Sinuskurve wird nach oben geklappt und steht dem Motor zur Verfügung - Ergebnis ist ein pulsierender Gleichstrom. Dieser kann mit Kondensatoren noch geglättet werden.

Einweggleichrichter: Die eine Halbwelle wird unterdrückt und steht dem Motor NICHT zur Verfügung. Genau dies ist bei Faller der Fall, denn die unterdrückte Halbwelle wird dem zweiten Fahrzeug zur Verfügung gestellt. Daraus resultiert der beobachtete erhebliche Leistungsverlust im Betrieb: Ein Auto mit 12 V Gleichstrom bekommt im Idealfall die geglätteten Spitzen der negativen und positiven Wechselstromwelle. Ein Halbwellenauto nur noch die ungeglättete Hälfte der Spitzen.

Jetzt fehlen aus meiner Sicht noch ein paar Skizzen, die ich hier einbaue und die zahlenmässige Berechnung wie hoch der Verlust bei Einweggleichrichtung ist - oben hatte ich ja eine Quelle aufgetrieben. die von 40% spricht.
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#12
Hallo Christian,

Sorry, ich mische mich jetzt hier schon wieder ein.

Über die Halbwellentechnologie hast du die Möglichkeit zwei Autos unabhängig voneinander auf einer Spur zu betreiben. Um dies zu erreichen gibt es aber eine Voraussetzung:
Die Betriebsspannung muss sowohl einen positiven als auch einen negativen Anteil haben. Mit dem positiven Anteil steuerst du das eine Auto, mit dem negativen Anteil das zweite Auto. Dies geschieht im schnellen zeitlichen Wechsel in einem jeweiligen Intervall. 
Es gibt durchaus weitere Gleichrichterschaltungen, z.B. den Brückengleichrichter, der die negative Halbwelle in eine positive Halbwelle umklappt. Sehr wirkungsvoll um aus Wechselspannung Gleichspannung zu machen. Damit hast du aber nur nur noch eine positive Spannung zur Verfügung und die o.a. Voraussetzung ist nicht mehr erfüllt. Ohne größeren Umbau fährt damit höchstens ein Fahrzeug.
Die Verwendung eines Kondensators zur Glättung der Spannung würde den zeitlich diskreten Wechsel verhindern, der Kondensator speichert die Spannung bis zur nächsten Halbwelle. Das führt dazu dass du sowohl eine positive als auch eine negative Spannung gleichzeitig auf der Schiene hast. Kurzschluß! Die Ausnahme ist du baust den Kondensator in das Auto nach dessen Diode ein.
Für eine 2 Kanal-Halbwellensteuerung ist m.E. der Einweggleichrichter ohne Glättung schon die einzige Möglichkeit.

Was theoretisch möglich ist, ist dass man die Frequenz der Steuerspannung ändert. Oder hat schonmal jemand versucht die Sinusspannung durch eine Rechteckspannung zu ersetzen, und damit das zeitliche zur Verfügung stehende Intervall voll auszunutzen? Dann könnte man a) die Amplitude oder b) die zeitliche Länge der Spannung ändern. Stichwort PWM.

Viele Grüße
finbar
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#13
Hallo Finbar, 

wir stimmen völlig überein. Ich habe den Brückengleichrichter nur erwähnt, weil der Faller 4019 durch einen Umschalter zum Brückengleichrichter wird. Damit soll man "Rennen" mit zwei Autos fahren, klaro denn jetzt bekommen sie auf jeder Spur die umgeklappte Halbwelle noch dazu.

Für Stadtbahn Halbwelle fehlt diese und daher auch der erhebliche Leistungsverlust. Glättung mit Kondensator geht auch nicht wie Du schreibst.

Eigentlich fehlt jetzt nur noch der quantifizierte Wirkungsgrad. Ich hatte ja einen Wert von ca. 40% aufgetrieben, den es noch zu verifizieren gilt.

18 Volt: 7,2 Volt ?
16 Volt: 6,4 Volt ?

Deine interessanten Werte zur Spitze/Spitze bei Lehrlaufspannung werden durch die theoretischen  Erklärungen im Netz übrigens wunderbar bestätigt :-).
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#14
Moin zusammen,

ein Ausflug zur Wechselspannung, die der Faller Trafo 4016 liefert. Treu nach dem Motto: "Wer misst, misst Mist".

Ja, und da wollte ich besonders schlau sein und habe zwei analoge Messgeräte ausgegraben (wie man zweifelsfrei erkennen kann) und parallel zusammen mit dem Digitalmessgerät angeschlosssen. Das linke (Erbstück) zeigt etwa 32V~, das rechte die 22,6V~ wie das Digitalmessgerät. Wie ich nachgelesen habe, gibt/gab es Drehspulen- und Dreheisenmesswerke. (Für die Messung von Wechselspannung sind in Drehspulenmesswerke Gleichrichter eingebaut.):

[Bild: AC9-Messgeraetevergleich.JPG]
(Zum Vergrößern: Grafik in neuem Tab öffnen)

Noch ne interessante Erklärung aus dem Physikbuch:
"Der Effektivwert Ueff einer Wechselspannung ist gleich der Gleichspannung, die im selben Widerstand die gleiche Durchschnittsleistung hervorbringt."
[Dorn Physik, Oberstufe Ausgabe A, 14. Auflage (1970), Seite 240.]
(Leider durfte ich damals meine Fallerautos nicht als Anschauungsmaterial in den Unterricht mitbringen Sad .)

Christian, was meinst du mit dem Wirkungsgrad? Wofür ist der von Interesse?


NACHTRAG: Falsches Resumee entfernt.
ciao michaelo
... und wer zuletzt aufgibt gewinnt.
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#15
Zitat:Der Effektivwert Ueff einer Wechselspannung ist gleich der Gleichspannung, die im selben Widerstand die gleiche Durchschnittsleistung hervorbringt."
Hallo Mos, genau dieser Wert ist der auf dem Trafo angegebene, den auch normalsterbliche Messgeräte messen. Sie zeigen zum Beispiel 230 Volt an, obwohl eigentlich über 600 V Spitze/Spitze an einer Steckdose anliegen (Schauder  Cry ) Oder bei Dir 17,4 Volt unter Last, was in etwa den 16 Volt entspricht, die auf dem Trafo angegeben sind.


Wirkungsgrad meint, was von den ursprünglichen 16 V nach der Einweggleichrichtung noch übrig bleibt, bei 40% wären das:


Zitat:18 Volt: 7,2 Volt  bzw. 16 Volt: 6,2 Volt?



Gefühlt könnten das die Werte sein, mit denen eine Halbwellenbahn läuft.

Versuch mal das Multimeter bei Einweggleichrichtung auf Wechselstrom zu stellen, wenn Du die Spannung am Fahrzeug misst. Es ist ja eine pulsierende Spannung...

Bei dem Tempo ist ja spätestens heute Abend alles klar  Wink  


16 Volt: 6,4 Volt ?
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#16
Hallo Leute,

Also bevor ich mich mit dem Thema Wirkungsgrad von Gleichrichterschaltungen befasse, ich sehe die Einweggleichrichterschaltung als alternativlos für den Halbwellenbetrieb, wäre es meiner Meinung nach sinnvoll sich die dem Auto zur Verfügung stehende Leistung anzuschauen.
Die Leistung ist definiert durch
P=U*I und I=U/R
=> P = U²/R
Die Leistung hängt somit quadratisch von der Spannung ab. Das bedeutet: bei halber Spannung (Halbwellenbetrieb) stellst du dem Auto gerademal 1/4 an Leistung zur Verfügung! Wenn man also die Leistung betrachtet, müsste man das Fahrzeug im Halbwellenbetrieb eigentlich mit doppelter Spannung betreiben.

@mos, Begriffe sind überbewertet, die Kommentare zeigen dass Prinzip verstanden wurde. Übrigens, ich habe auch noch ein altes, unkalibriertes Hameg 204 zur Messung, besser Abschätzung, von Wechselspannungen.

Viele Grüße
finbar
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#17
Zitat:Die Leistung hängt somit quadratisch von der Spannung ab. Das bedeutet: bei halber Spannung (Halbwellenbetrieb) stellst du dem Auto gerademal 1/4 an Leistung zur Verfügung! Wenn man also die Leistung betrachtet, müsste man das Fahrzeug im Halbwellenbetrieb eigentlich mit doppelter Spannung betreiben.
 

Jetzt ist es endlich raus  Exclamation Idea Wink . 

Genau das habe ich ja versucht, auf unserem letzten Treffen zum Ausdruck zu bringen. Und genau deshalb laufen einige Faller Autos und auch T-jets auf einer original Bahn mit original Tacho eben so grenzwertig lahm. Weil der  original Trafo eben nur 16 Volt effektiv unter Last abgibt und Du Ihnen bei Halbwelle nur 1/4 der Leistung zukommen lässt. Jetzt noch eine 10% Steigung und es kann eng werden.

Faller Halbwelle = 1/4 Leistung. 

Das merk ich mir! Müssen überall Warnschilder an die Bahn  Dodgy .
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#18
Gottseidank!

Finbar
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#19
Sodele,

soweit habe ich das jetzt kapiert mit der Stromstärke.
Hiesse im Umkehrschluss: Wechselstromtrafo-Netzteil mit min 30 V.
Gibt es sowas überhaupt ??
Hans
Lionel und BloMo Fan, Atlas und  jetzt wireless Sleepy Sleepy
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#20
Ja, das hatten wir am Montag ja schon raus, dabei sind wir, sprich ich, aber von 0,7 ausgegangen, weiss nicht mehr warum und kamen dann auf nötige 24 Volt für den Trafo.
Jetzt sind wir bei ein Viertel Leistung. Würde beim 16 Volt trafo bedeuten das dann nur bei Vierer-Betrieb jeweils nur 4 Volt = Flachbatteriespannung ankommen, bei zwei autos 8. Oder gelten die 4 volt auch bei zwei Autos (Plus/Minus) auf einer Spur.

Scheint mir dann deutlich zu wenig.

Grüße
Ulrich
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