Jeder Modellbauer kennt das Problem: es muß eine Glühbirne oder ein Motor mit einer geringeren Spannung, (Spg.) als das ‘Bordnetz’, betrieben werden. Als schlechteste Lösung benutzt man einen Vorwiderstand, eleganter einen einstellbaren Spannungsregler, wie den LM317. Bei beiden Lösungen muß aber die überzählige Leistung, wie auch immer, ‘verbraten’ werden.

Beispiel: es soll eine 6V/1W-Lampe an einem 12V (Fahrakku) betrieben werden. Die Schaltung sieht dann so aus.

 MASSE -----------| Lampe |---------| Vorwiderstand |-------------- +12V
                        +6V/1W                 +6V/1W
                            50%                      50%

Etwas Theorie zum Verständnis muß sein:

Damit die Lampe ihre richtige Betriebsspannung von 6V erhält, müssen 6V am Vorwiderstand abfallen. Der durch Lampe und Widerstand fließende Strom ist dann -> 1VA : 6V = 0,166.A.
Dem Fahrakku wird aber eine Leistung von 2W (12V * 0,166 A) entnommen. Das heißt, es werden nur 50% für den Betrieb der Lampe genutzt (Nutzleistung). Die anderen 50% gehen unnütz als Wärme verloren. Die Lampe brennt zwar mit der ‘richtigen’ Spg. von 6V, der Akku wird aber mit der doppelten Leistung belastet.

Nichts ist beim Modellbau ärgerlicher, als Energie zu vergeuden. Es passen nun mal keine großen Akkus in kleine und mittlere Modelle. Ziel muß es also sein, diese unnötigen 50% zu sparen. Es bedeutet längere Fahrzeiten mit gleichem Akku. Ausnahmen sind hier die ‘großen’ Schiffe, bei denen aus Gewichtsgründen reichlich bemessene Bleiakkus (Auto-Akkus) zum Einsatz kommen. Bei ihnen gibt es meistens Leistung satt.

Die Verlustleistung ist kleiner als 5%. Der Wirkungsgrad der Schaltung beträgt dadurch mehr als 95%.

MASSE -----------| Lampe |---------| PWM |-------------- +12V
                       +6V/1W
                       > 95%                <5%

Der PWM ersetzt den Vorwiderstand. Er besteht im Grunde aus einem elektronischen Schalter mit dem Zustand ‘Ein’ oder ‘Aus’. ‘Ein’ bedeutet, das die 6V-Lampe direkt mit den 12V verbunden wird. Bei ‘Aus’ wird die Verbindung getrennt. Der Trick des ganzen liegt in der Zeit, in der die Verbindung besteht. Währe sie zu lang, würde der Glühfaden durchbrennen (überlastet). Man muß also die Zeit so kurz halten, das es nicht passieren kann. Das Schalten des PWM erfolgt etwa 2500x in der Sekunde (Frequenz 2,5KHz). Wie hell die Lampe brennt, bestimmt allein das Tastverhältnis.

Die Schaltung besteht aus dem altbekannten Timer NE555. Mit ihm wird mit wenigen Bauteilen ein Multivibrator mit einstellbarem Tastverhältnis aufgebaut. Er kann von fast 0% für ‘Ein’ (P1) bis fast 100% eingestellt werden. P1 läßt sich auch durch einen Festwiderstand ersetzen. Die Diode D4 schützt die Schaltung vor Verpolung.

Die Belastung der Schaltung hängt von Q1 ab. Als Schalter wird der BUZ11 (N-Kanal MOSFET, 30A, 50V, Rdson 0,04 Ohm) eingesetzt. Er reicht für die meisten Anwendungen aus. Bei Strömen über 2A sollte man ihn auf ein Kühlblech schrauben. So verkraftet er locker 5A. Reicht das immer noch nicht, kann er durch einen ‘kräftigeren Typ’ ersetzt werden. Dann müssen für D4 und D2 auch stärkere Typen eingesetzt werden.

Tips:
1.) Statt des einfachen NE555 den TLC555 einsetzen. Es ist ein MOS-Typ mit noch geringerer Eigenstromaufnahme (<1mW). Es senkt die 5% Verluste weiter.
2.) Der Rdson (Einschaltwiderstand) des Q1 sollte möglichst klein sein. Der BUZ11 hat 0,040 Ohm, es gibt aber auch MOSFET die unter 0,010 liegen. Auch diese Maßnahme verringert die Verluste und den verbessert den Wirkungsgrad.
3.) Für P2 ein 10-Gang Poti benutzen, so läßt sich die Einstellung sehr genau durchführen.

Wie sich jeder denken kann, währe es fatal die Schaltung ohne Vorsichtsmaßnahme in Betrieb zu nehmen. Steht das Poti P2 irgendwie, kann es passieren das die Lampe sofort durchbrennt. Man sollte daher die Lampe vor dem ersten Einschalten durch einen Widerstand (100 Ohm - 1k / 2W) ersetzen und ein Voltmeter dazu parallel schalten. Auf diesem kann direkt die Spannung abgelesen werden. Verändert man P2, muß die Spg. je nach Drehrichtung steigen oder sinken (die Lampe brennt heller oder dunkler). Ist das nicht der Fall, alles noch mal gründlich überprüfen.

Bei diesem Beispiel mit P2 die Spg. auf 6V einstellen.

Das war alles. Jetzt kann der Widerstand durch die Lampe ersetzt werden. Mit P2 die Helligkeit einstellen. Sie sollte dem Modell angepaßt sein. Aber immer daran denken, die Spg. kann niedriger eingestellt werden, aber nicht höher als 6V.

Die Schaltung läßt sich auch universell einsetzen. Man kann auch NC-Akkus laden oder die Drehzahl eines Gleichstrommotors in weiten Grenzen stufenlos einstellen. Der Vorteil ist eindeutig. Es wird kaum Leistung verbraten und trotzdem steht ein großer Einstellbereich zur Verfügung. Dem Akku oder Netzteil wird fast nur die Menge an Energie entnommen, die auch wirklich gebraucht wird.

Ich habe den PWM, wie in der Schaltung gezeichnet, in ein kleines Plastikgehäuse eingebaut. Auf der einen Seite befinden sich eine rote (+12V) und eine schwarze (Masse) Bananenbuchse. Dort kann man einen 12V Bleiakku oder ein Netzteil anschließen. Auf der anderen Seite sind auch 2 Bananenbuchsen für die Last (Lampe, Akku, Motor).

Um einen Akku (4-7 Zellen) zu laden, muß in Reihe dazu ein Amperemeter eingeschleift werden. Mit P2 kann man den Ladestrom je nach Akkutyp zwischen ca. 40mA (Minimum einstellbar mit P1) und ca. 1,5A einstellen. Hier lohnt es sich wirklich, ein 10-Gang Poti zu spendieren (ca. 15 DM) und von außen zugänglich zu machen.

Soll ein Motor angeschlossen werden, muß die Schottky-Diode D2 unbedingt eingebaut sein. Als Akkulader oder zur Einstellung der Lampenhelligkeit ist sie dagegen nicht erforderlich. Sie dient nur dazu, die Induktionsspitzen eines Motors zu unterdrücken. Die Drehzahl läßt sich dabei sehr feinfühlig (über das Tastverhältnis) steuern.

Sollte es noch Fragen geben:

Wenzel Sperl, HD-Modellbau
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