Elektronischer 6V/12V-Gleichspannungs-Regler

22.05.2005

ergänzt: 21.11.2005

5 Gründe für den Ersatz des elektromechanischen (E/M-) durch einen elektronischen (E-)Regler

1. Spaß an der Elektronik

2. bessere Regelcharakteristik (d.h. nahezu konstant bleibende Spannung bei unterschiedlichen Belastungsfällen)

3. keine breitbandigen Funkstörungen (weil keine Kontakt-Funken mehr auftreten)

4. verschleiß- und wartungsfreie Regelfunktion,

[jedoch: offene elektronische Schaltungen sind empfindlich bezüglich chemisch aggressiver Dämpfe wie z.B. Akku-Säure, Auftaumittel, Motorradreiniger o.ä.]

5. „glatte“ Bordspannung, d.h. ohne jegliche zufällige Schwankungen, die bei E/M-Reglern häufig durch wechselnde Verschmutzungsgrade bzw. Erosion an den Kontakten (bzw. durch den Schaltbetrieb generell) bedingt sind

Erste Erprobungsergebnisse mit 6V-Regler-Prototyp:

Nachteile des (hier beschriebenen) E-Reglers

Die selbsterregte Gleichstrom-LiMa braucht, um elektrisch in Gang zu kommen, etwas Restmagnetismus im Eisen. Der E/M-Regler sorgt dafür, dass die während der ersten Umdrehungen induzierte Spannung unvermindert der Feldwicklung zur Erhöhung der Erregung zugute kommt, bis die Nennspannung erreicht ist. Dann erst wird der Feldstrom reduziert, d.h. die normale Regelung setzt ein. Unser E-Regler hat den Nachteil, dass er selbst erst mal 0,7 ... 0,9V Spannung braucht, bis er in der Lage ist, die Feldwicklung zu versorgen. Das kann (muss aber nicht) dazu führen, dass bei Leerlaufdrehzahl nach dem Antreten die Ladekontrolle nicht erlischt, sprich: die LiMa hat sich noch nicht „selbsterregt“, wenn sie nicht über diese Spannungsschwelle kommt. Mit einer kurzzeitigen Erhöhung der Drehzahl (Gasstoß) sollte sich der „tote Punkt“ jedoch in jedem Falle überwinden lassen. Zu diesem Punkt wären praktische Erfahrungen von „Nachbauern“ des E-Reglers äußerst wünschenswert.

Einfügung vom 21.11.2005: Während des bisher 6-monatigen Betriebes des Prototypen in ES150/1 ist es kein einziges Mal zu unnormalen Betriebszuständen gekommen!

Müsste die Maschine wegen entladener, defekter oder ohne Batterie angeschoben werden, würde die dann sofort wirksame Zündspule den Selbsterregungsvorgang nicht zustande kommen lassen. Also: Anschieben geht in der Regel nicht!

Möglicherweise geht es doch, wenn man in „Aus“-Stellung schiebt und erst nachdem man in Fahrt ist, die Zündung „Ein“schaltet, wozu aber drei Hände und etwas artistisches Geschick nötig wären (deshalb auch noch nicht erprobt).

Im absoluten Notfall müsste auch folgendes funktionieren (ebenfalls nicht erprobt): D+ und DF werden für den Anschiebevorgang mit einem Draht hart gebrückt (nichts anderes macht ja der E/M-Regler am Anfang auch). Da die Lichtmaschine ungeregelt läuft, werden sich bei entsprechender Drehzahl alle eingeschalteten Birnen verabschieden, denn 10 bis 20V können´s dann schon werden. Läuft der Motor, wird die Brücke entfernt. Erst jetzt Licht einschalten!

Ein weiterer, allerdings nicht so gravierender Nachteil besteht im Sicherheitskonzept bei bordseitiger Überlastung oder im Extremfall bei Kurzschluss. Der E/M-Regler reagiert bei übermäßiger Stromentnahme (z.B. Licht + Stopplicht + Blinker + Batterieladung) mit einer Absenkung der Bordspannung und verringert damit die Strombelastung der LiMa. Bei dem hier beschriebenen E-Regler ist eine solche stromabhängige Nachgiebigkeit der Spannung nicht vorgesehen, was eine Überlastung der LiMa prinzipiell ermöglicht. Eine zusätzliche Sicherung soll dies verhindern. Man muss aber damit rechnen, dass auch mal die Sicherung wegen reiner Überlastung „kommt“. Immerhin schluckt eine „ziemlich“ entladene aber ansonsten intakte Bleibatterie in den ersten Minuten nach dem Start bei 7 Volt Ladespannung an die 3 bis 5A.

Einfügung vom 21.11.2005: Dies ist niemals aufgetreten, allerdings ist die Batterie tadellos intakt.

All diese Nachteile sind nicht schlechthin der elektronischen Lösung anzulasten, sie könnten mit Zusatzschaltungen beseitigt werden, was jedoch nicht Absicht dieser Überarbeitung war.

Schaltung 6V - E-Reglers

(Überarbeiteter Schaltungsvorschlag, Quelle: Forumsbeitrag Hermann)

Wenn der E-Regler nach Inbetriebnahme auf Grund der Toleranzlage der maßgebenden Bauelemente nicht die gewünschte Sollspannung bringt, wird der Widerstand R1 ausgetauscht. Die kleine Tabelle zeigt, welche Spannungsänderungen in etwa bei Einsatz der jeweils benachbarten Widerstandwerte aus der E24-Reihe zu erwarten sind.

Gestaltung und Aufbau der Leiterplatte

Das „Insel-Layout“ der Leiterplatte gewährleistet größtmögliche mechanische Robustheit, günstige Wärmeableitung und einfache Fertigung durch „Ritztechnik“. Mit einem scharfen Gegenstand werden die geradlinigen Trennungen freigeschnitten (Arbeitsschutz beachten!). Wer die Möglichkeit hat, kann natürlich genauso gut ätzen oder die Trennungen auf einer NC-Maschine fräsen lassen. Bohrungen (mit Ausnahme der Befestigungslöcher) sind nicht erforderlich, da die Bauelemente so kurz wie möglich direkt auf die Kupferinseln aufgelötet werden. Die Bauelemente müssen nach dem Auflöten völlig starr sein, wenn sie sich bewegen lassen, werden sie durch die unvermeidbaren Schwingungen im Fahrgestell früher oder später abgerüttelt. D3 und T4 werden auf U-förmigen 1mm-Kupferblechen (s. Foto unten) montiert und auf die Leiterplatte aufgeschraubt. Die Kupferbleche dienen als Wärmekapazität bzw. der Kühlung und können gleichzeitig die Flachstecker (51, D+) aufnehmen. Erste Erprobungen haben ergeben, dass die geringer als erwartet ausfallende Erwärmung der Bauelemente eine Kürzung der Kupferfahnen auf weniger als die Hälfte möglich macht. Der Kupferwinkel für den D+Anschluss sollten entgegen der Darstellung im Foto des Funktionsmusters unten besser um 180° gedreht montiert werden, damit die Beine von T3 und D4 geradlinig zum Lötpunkt geführt werden können (wurde in der obigen Layoutdarstellung schon berücksichtigt). Dieser Kupferwinkel (sowie auch D3, T4, T3 !) wird vor dem Verlöten auf jeden Fall mit einer Schraube gesichert, damit die Steckkräfte nicht zum Abreißen der Lötinsel führen können. Der Kollektor von T4 wird ebenso wie Katodenanschluss von D3 direkt an das U-förmige Kupferblech oben angelötet. Damit werden alle „dicken Ströme“ von den zarten Kupferflächen der Platine ferngehalten.

Erstes Funktionsmuster (entspricht nicht mehr in jedem

Detail dem oben dargestellten, überarbeiteten Layout)

Inbetriebnahme der Schaltung

Der Einbau der Leiterplatte sollte n i c h t ohne vorherige Prüfung außerhalb des Fahrzeuges erfolgen. Erforderlich dazu sind

- eine von 0 auf mindestens 10V kontinuierlich regelbare Gleichspannungsquelle (Maximalstrom wenigstens 2A)

- ein Spannungs- bzw. Strommessgerät (10V bzw. 10A).

Die Spannung am Netzgerät wird feinfühlig (Zehntelvolt für Zehntelvolt) von Null aufwärts geregelt. Dabei wird der fließende Strom beobachtet. Springt der Strom gleich am Anfang bei einigen Zehntelvolt auf Ampere-Größenordnung oder rührt sich überhaupt nichts, liegt ein Kurzschluss auf der Platine bzw. ein anderer Fehler vor. Ab etwa 0,8V sollte der Strom auf die Größenordnung von 0,1A springen. Bei 4...6V V bewegen wir uns gegen 1A und die Glühlampe beginnt zu leuchten. Wir erhöhen weiter, etwa zwischen 7,5 und 8,5V erlischt die Glühlampe schlagartig, bei Verkleinerung der Spannung beginnt sie wieder zu leuchten. Geschieht dies in der beschriebenen Weise, ist die Reglerfunktion gewährleistet.

Gemessene Kennlinie (Feldstrom über Ankerspannung) des E-Regler-Funktionsmusters (rot)

im Versuchsfahrzeug, im Vergleich dazu der E/M-Regler (blau)

Zusätzliche dynamische Prüfung (nur für Experten)

Wer die Schaltung auf dynamische Stabilität testen möchte, braucht dazu unbedingt einen Oszillografen (Bandbreite 10MHz oder größer). Der Test ist heikel und kann sehr schnell bei irrtümlichen Handlungen zur Zerstörung der Schaltung führen. Die Spannung wird auf ca. 9 V eingestellt, so dass die Lampe gerade erlischt. Von DF wird jetzt eine Verbindung zum Punkt „BasisT1/AnodeD1/WiderstandR2“ hergestellt. Die Lampe leuchtet mit verminderter Helligkeit auf, der E- Regler ist jetzt „voll“ gegengekoppelt. Mit dem Oszi wird zwischen DF und D- kontrolliert, dass keine HF-Schwingungen im MHz-Bereich auftreten. Lötet man probehalber einen Anschluss von C4 ab, können (müssen aber nicht unbedingt) Schwingungen auftreten. Lassen sie sich mit C4 nicht beseitigen, ist der Wert von C4 zu erhöhen (maximal 4facher Wert, wenn das nicht hilft, ist irgendetwas anderes faul...).

Einbau der Leiterplatte

Wurde die Prüfung mit Erfolg durchgeführt, sollte die Kupferseite der Platine einschließlich der Bauelemente (natürlich nicht die Steckkontakte!) mit einem geeigneten Elektro-Isolierlack eingepinselt werden. Das schützt vor Korrosion. Immerhin schwabbert ein halber Liter Schwefelsäure im Akku unmittelbar darunter...

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und Verbesserung der Wärmeverteilung kann man sich eine Metallplatte (Alu, Messing, Kupfer, verzinktes Stahlbech o.ä.) mit den äußeren Konturen der Leiterplatte schneiden und dahinter legen oder kleben. Selbstverständlich müssen in dieser Platte Löcher für die Schraubenköpfe vorgesehen werden, so dass k e i n e Kontaktgabe erfolgen kann. Beim Aufschrauben der Platine ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Befestigungsschrauben (D3, T3, T4, D+Winkel) völlig isoliert bleiben (ggf. Distanzstücke beilegen).

Und jetzt geht´s los:

- alten funktionstüchtigen E/M-Regler ausbauen (gut einlagern, ist ja immerhin ein wertvolles Oldie-Teil)

- Reglerwiderstand aus der Lichtmaschine ausbauen (ebenfalls einlagern),

- E-Regler-Platine montieren,

- Kabel aufstecken (dreimal kontrollieren...) und

- starten!

Die Spannung an der Batterie bei üppiger Drehzahl und Licht sollte jetzt etwa 6,8...7,0V sein. Durch Austausch des Widerstandes R1 lassen sich gestufte Veränderungen um jeweils ca. 0,2 V herbeiführen (s. Tabelle im Schaltplan).

Im „Versuchsfahrzeug“ ES150/1 eingebautes E-Regler-Funktionsmuster

Erste Erfahrungen bestätigen die nahezu ideale Regelfunktion. Ob die Selbsterregung der LiMa in seltenen Fällen tatsächlich einmal ausbleibt, wird der Langzeittest zeigen. Bislang lief der neue Regler bei mir in der ES150/1 etwa 150km, das ist noch nicht viel, denke aber, dass dieses Jahr noch ein paar Hundert dazukommen.

Abschließend bliebe zu bemerken, dass keinerlei Haftung für Personen, Sach- und sonstige Schäden übernommen wird, die beim Aufbau und der Verwendung des E-Reglers auftreten. Außerdem kann nicht garantiert werden, dass obige Darstellung fehlerfrei ist.

Für Hinweise und Erfahrungsberichte aller Art wäre ich dankbar.

Viel Erfolg beim eventuellen Nachbau!

Überarbeitung und Ableitung eines 12V-Reglers auf

Basis des gleichen Layouts [21.11.2005]

Schaltung des erprobten 6V-Reglers im Bordnetz integriert

Schaltung des 12V-Reglers im Bordnetz integriert

Wesentlicher Unterschied zum 6V-Regler: Die Rückstromdiode 32CTQ030 (neuerdings aus Verfügbarkeitsgründen 40CTQ045 eingesetzt) entfällt ersatzlos.

Wie auch im originalen Zustand hilft die Ladekontrolllampe (rot im Schaltplan eingezeichnet) mit einem guten Teil ihres 200mA-Stromes bereits nach Einschalten der Zündung bei der Vorerregung der Feldwicklung bzw. dem Initialbetrieb des elektronischen Reglers.

Oben: Der bekannte 6V-Prototyp

Mitte: Das überarbeitete Layout des 6V-Reglers nimmt weniger Fläche ein, ein optionales Schutzgehäuse ließe sich leichter am Rand befestigen.

Unten: Der 12V-Regler auf dem identischen Layout. Die Kontur der Leiterplatte kann rechteckig beibehalten werden. Die Befestigung des originalen Reglers z.B. bei der ETZ150 macht ja einen regelrecht provisorischen Eindruck. Einziger Fixpunkt ist das rechte Loch in der Bodenplatte, das in einem Gummistöpsel im Rahmen steckt. Der Rest klappert - mit ein wenig Schaumgummi gepolstert - auf der Oberseite des Schutzbleches herum. Die Leiterplatte kann anstelle des Gummistöpsels mit einer M6-Schraube befestigt werden (rechtes unteres Loch auf der Platine). Die Unterseite muss auf jeden Fall sicher isoliert bleiben. Insgesamt ist einiges bastlerisches Geschick erforderlich. Ob die Lösung mechanisch in Ordnung geht, wird das nächste Motorradjahr zeigen.

Die folgende Abbildung zeigt die Bestückungsvarianten und das Anschlussschema der Platinen. Oben die 6V-Version unten die für 12V. Anstelle der entfallenen Rückstromdiode kann ein Kondensator 0,47µF/100V aufgelötet werden. Er dämpft evt. auftretende Spannungsspitzen. Ob er wirklich nötig ist, kann ich nicht sagen, da keine dementsprechenden Untersuchungen durchgeführt wurden. Schaden tut er auf keinen Fall, und der Platz ist ja vorhanden.

Die Prüfung der Funktion wird - wie bereits weiter oben dargestellt - mit der angegebenen Testschaltung außerhalb des Fahrzeuges durchgeführt. Anstelle der angegebenen 6V/5W-Birne verwende ich jetzt eine 12V/15W. Damit funktioniert der Prüfplatz ohne Veränderungen für die 6V- und die 12V-Version gleichermaßen. Die Spannung wird bis zum Einsetzen der Regelcharakteristik hochgefahren und ein Feld-(=Lampen-)strom von etwa 0,5A eingestellt. Die Spannung an D+ sollte beim 6V-Regler dann etwa 7,8V sein und beim 12V-Regler an der 61 dann 13,9V. Werden die Werte verfehlt (+/- 0,1V), kann durch Veränderung des Widerstandes R1 in der Schaltung (s. Tabelle) ein Abgleich herbeigeführt werden. Wer gern im Winter die Spannung etwas höher regeln möchte, kann den Verbindungspunkt R1/R5 nach außen führen und über einen Schalter einen Widerstand auf Masse schalten. Dann muss der Regler in der Grundausstattung bereits für die höhere Winterspannung abgeglichen werden, da eine Parallelschaltung eines weiteres Widerstandes dann die Spannung nur absenken kann. Wer da Hilfe bei der Dimensionierung oder bei anderen Problemen braucht, kann sich gern per PN an mich wenden.

Der Einbau des 6V-Reglers wurde schon weiter oben beschrieben. Welche Besonderheiten gibt es beim 12V-Regler zu beachten: Beim 12V-Regler geschieht die Entfernung des Feldspulen-Reglerwiderstandes bereits automatisch mit dem Ausbau des elektromechanischen Reglers. Wer Masse (D-), 61 und DF aufgesteckt hat, wird jetzt sicher ratlos 2 übrige Leitungen in der Hand halten. Keine Bange, ein Blick in den Schaltplan zeigt, dass die beiden Leitungen D+ und 51 einfach nur miteinander zu verbinden sind. Aber Vorsicht! Auf gute Isolierung der Verbindungsstelle achten, eine Masseberührung der Kontaktstelle kann viel Unheil anrichten. Alle elektrischen Verbindungen lassen sich so arrangieren, dass im Notfall der alte elektromechanische Regler sofort wieder anschließbar ist.

Ich weiß nicht, was ich mir jetzt damit einbrocke: Mein 6V-Prototyp liegt nun so einfach rum. Wer also mal ernsthaft testen möchte, könnte ihn sich zur Erprobung für eine angemessene Zeit bei mir ausleihen. Wie das geht, können wir per PN klären.

Lothar Benke

21.11.2005