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Potentiometer Ein Potentiometer ist ein veränderbarer elektrischer Widerstand. Es gibt verschiedene Ausführungen. Bei Potentiometer-Reglern kommen ausschliesslich Drahtpotentiometer zum Einsatz. Der Vorteil von Drahtpotentiometer ist, die hohe Strom- und Wärmefestigkeit. 
Kontaktfreudig: |
Handregler arbeiten entweder rein elektrisch mit einem Potentiometer oder elektronisch durch Spannungsregelung oder PWM. Handregler verfügen über eine Bremsfunktion oder auch nicht. Wir fangen mit der klassischsten aller Varianten an: Potentiometer-Drücker-Regler ohne Bremse Die Gehäuseform eines Drückers ist so gewählt, dass man ihn (mehr oder weniger) gut mit der Hand umschliessen kann. Nach oben ragt ein Stab heraus auf den man mit dem Daumen drückt, um die Geschwindigkeit zu regeln.Im Innern ist der Stab mit einer Rückholfeder versehen, so dass er beim Loslassen in seine Ausgangsstellung zurückkehrt. Am Stab ist ein elektrischer Schleifer, der sich mit dem Stellelement bewegt, angebracht. Ist die Bahn betriebsbereit verkabelt, so ist der Schleifer mit dem "geregelten" Leiter der Bahn verbunden. Der Schleifer schleift an einer Leiste entlang. Die Leiste besteht aus einem nicht leitenden Material. Im unterersten Bereich, der vom Schleifer in Vollgasstellung berührt wird, ist die Leiste mit einem Kontakt versehen, der mit der Fahrspannung vebunden ist. Bei Vollgas berührt der Schleifer am Stab diesen Kontakt und die Fahrspannung wird direkt an die Fahrbahn gelegt. Steht ein Auto auf der Bahn fliesst der Strom ungehindert zum Auto und das Auto fährt mit Vollgas. In dem Bereich zwischen Vollgas und Ruhezustand ist die Leiste mit einem Widerstandsdraht umwickelt der am unteren Ende (bei der "Vollgaszone") mit der Fahrspannung verbunden ist. Berührt der Schleifer nun den Widerstandsdraht, so liegt die Spannung durch den Draht am Fahrbahnleiter an und wenn ein Auto auf der Bahn steht fliesst ein Strom. Je weiter der Berührungspunkt des Schleifers vom "Vollgasende" des Drahtes entfernt ist, desto größer ist der Widerstand zwischen Motor und Fahrspannung.
Man kann die Betrachtungsweise vereinfachen indem man sich vorstellt, dass der Motor immer die gleiche Stromaufnahme hat (hat er ja auch im Arbeitspunkt). Ändert sich nun der Widerstand des Handreglers, so ändert sich die Spannung die abfällt und somit die Spannung, die am Motor anliegt. Und wie wir aus dem Motorenkapitel wissen die Drehzahl. Die Spannung, die am Auto anliegt lässt sich berechnen: SpannungAmAuto(Ua) = Fahrspannung(Ub) - WiderstandBisZumSchleifer(R) * StromaufnahmeMotor(I) |
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Das Diagramm auf der rechten Seite zeigt in der oberen Hälfte das Ansprechverhalten mit einem 200mA Motor, wie z.B. einem Carrera Evo Motor und in der unteren Hälfte einen 500mA Motor wie den Mabuchi 36D. Die eingestellte Spannung beträgt jeweils 14,7V. Links ist der Regler noch nicht gedrückt und wird immer weiter mehr gedrückt bis er dann ganz rechts durchgedrückt ist. Die Spannung am Motor und somit die Drehzahl steigt bei allen Reglern bis zum Maximum an. Aber nur beim Carrera Regler beginnt der Motor langsam an zu drehen. Der Parma Regler beginnt wie mit einem Eselstritt. Die niedrigste Geschwindigkeit beträgt 66% vom Maximum. Man hat zwar den gesamten "Drückbereich" zur Verfügung, kann das Auto aber nur zwischen 66% und 100% Vollgas regeln. Der Regler ist also für dieses Auto nicht geeignet. Ganz anders sieht es beim 500mA Motor aus. Carrera und Ninco Regler muss man ganz schön weit runterdrücken bis der Motor überhaupt anfängt zu laufen. Man hat zwar das gesamte Geschwindigkeitsspektrum zur Verfügung, aber es wird auf weniger als die Hälfte des "Drückbereichs" gezwengt. Somit sind Ninco und Carrera Regler für diesen Motor ungeeignet. Aber nicht nur der Motor beeinträchtig das Regelverhalten auch die Spannung mit der man seine Bahn betreibt. Denn die niedrigste einstellbare Geschwindigkeit verschiebt sich mit zunehmender Spannung nach oben. Man sieht also, dass es bei Widerstandsreglern wichtig ist, den zum Fahrzeug und der Bahnspannung passenen Regler zu verwenden. Bei manchen Reglern kann man das Potentiometer austauschen, um den Regler an unterschiedliche Gegebenheiten anzupassen. |
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Immer den Finger am Abzug: |
Potentiometer-Pistolen-Regler ohne Bremse Neben dem Drückergehäuse gibt es auch Pistolengriffgehäuse. Durch ihre Gehäuseform und die Tastsache, dass sie statt mittels Drückers, mittels Abzug bedient werden, verdanken sie ihren Namen. Die Funktionsweise ist identisch mit der der Drücker, mit dem Unterschied, dass statt einer geradlinigen Schleiferbewegung nun eine bogenförmige Bewegung stattfindet. Ob einem Drücker oder Pistolengriff beser liegt muss man ausprobieren. Es gibt sogar Fahrer die Pistolengriffregler verwenden, sie aber, wie einen Drücker, mit dem Daumen bedienen. Kennlinie eines Potentiometer-Reglers verändern Wie man in den Bilder der Regler in der Seitenleiste sehr schön erkennt, ist am Stößel bzw. m Abzug eine Metallzunge angebracht. Diese Zunge kann einen von drei Bereichen berühren. Im ungedrückten Zustand berührt sie ganz den "Bremskontakt". Im voll gedrückten Zustand den "Vollgaskontakt". In diesen beiden Zuständen spielt das Poti und sein Wert keine Rolle. Im dritten Zustand der alle Positionen zwischen Nicht- und Voll-Gedrückt umfasst, bildet die Zunge den Abgriff des Potentiometers. Um den Regler einem Auto besser anzupassen, kann man wie oben erwähnt das Potentiometer austauschen. Aber Potentiometer sind nur in ein paar Standardwerten erhältlich und somit passt fer Regler nur machmal ganz genau. Die Frage ist ob man den Regler so modifizieren kann, dass man ihn an jedes Auto anpassen kann ohne Bauteile tauschen zu müssen. Mit einem Widerstand in Reihe mit dem Potentiometer bleibt das Regelverhalten linear und man kann den "Anlaufpunkt" des Motors verschieben. Allerdings verschiebt man auch die Höchstgeschwindigkeit in der Potentiometer Zone.
Das obere der rechts stehenden Bilder zeigt wie sich die Geschwindigkeit je nach Reglerstellung verändert (200mA Motor bei 14,7 V). Jeweils für einen unmodifizierten Regler und Regler mit 15Ω und 30Ω Reihenwiderstand. Der Reihenwiderstand ist nicht sehr hilfreich, denn er verschiebt den Regelbereich nur, vergrößert oder verfeinert ihn aber nicht. Wenn man den Bereich zu weit verschiebt, wird der Regelbereich sogar verkleinert. Die zweite Art einen Widerstand einzusetzen ist es ihn parallel zu schalten. Das führt zu einer Verringerung des Widerstandes und einer Veränderung der Kennlinie. Statt tausend Worte darüber zu verlieren verweise ich auf das rechts stehende Bild (500mA Motor bei 14.7V). Man sieht sehr schön, dass man mit einem 50Ω Parallelwiderstand den Reglebereich maximiert. Jeder Reglerstellung resultiert in einer eigenen Geschwindigkeit und jede Geschwindigkeit ist erreichbar. Zu beachten ist, dass die Regelkurve nicht mehr linear ist. Im unteren Geschwindigkeitsbereich ist die Kurve flacher, d.h. man kann die langsamen Geschwindigkeiten genauer dosieren. Im oberen Bereich ist die Kurve steiler und somit machen kleine Änderungen in der Reglerstellung größere Unterschiede bei der Geschwindigkeit. Je kleiner der Parallelwiderstand im Verhältnis zum Widerstand des Potentiometers, desto schlechter ist der obere Bereich zu regeln. Der Parallelwiderstand sollte den Widerstandswert des Potentiometers nicht unterschreiten. Verwendet man nun ein Potentiometer als Parallelwiderstand, so kann man einen Regler an verschiedene Autos und Strecken anpassen ohne Teile tauschen zu müssen. Für total unterschiedliche Gegebenheiten benötigt man allerdings immer noch unterschiedliche Potentiometer. |
Über diese Kontakte bewegt sich die Metallzunge und wählt damit einen Widerstand aus. |
Potentiometer-Regler ohne Potentiometer Beim Potentiometer-Regler bildet der Schleifer den Abgriff eines Potentiometers und je nach Position des Schleifers verändert sich der Widerstand. Theoretisch kann man so beliebig viele Widerstandswerte erzeugen. Der Nachteil ist, dass die Kennlinie des Potis, die Kennlinie des Reglers vorgibt. Man kann aber auch statt eines Potentiometers einen Schalter nehmen, der zwischen verschiedenen Widerständen umschaltet. Dabei wird allerdings kein Drehschalter verwendet, sondern eine Kontaktleitse und eine Metallzunge fährt über die Kontakte, wie bei einem Potentiometer über den Widerstandsdraht. Die Anzahl der zu wählenden Fahrstufen ist natürlich begrenzt, aber man kann für jede Fahrstufe genau den Wert wählen, den man haben möchte. Die Widerstände selbst werden in Reihe geschaltet, damit falls zwei Kontakte gleichzeitig berührt werden, der Widerstandswert nicht zu klein wird. Da für unterschiedliche Motoren, aber unterschiedliche Widerstände ideal sind, findet man diese Variante bei reinen Widerstandsreglern nur selten. Sie findet aber in Reglern für digitale Bahnen und bei Spannungsreglern Verwendung. Bremse Wie bei der Motorenbeschreibung erwähnt bassiert die Bremse darauf den Motor kurzzuschliessen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein weitere Kontakt auf der Leiste angebracht wird. Der Kontakt befindet sich in Ruhestellung unter dem Schleifer und ist mit dem nicht geregelten Leiter der Fahrbahn verbunden (was gleichbedeutend mit dem anderen Anschluss des Trafos ist). Dadurch werden im Ruhezustand beide Fahrbahnleiter und somit die beiden Anschlüsse des Motors verbunden also kurzgeschlossen. Da Handregler mit Bremse nicht nur mit dem einen Fahrbahnleiter, sondern auch mit beiden Trafoanschlüssen verbunden werden, benötigen sie Kabel mit drei Adern. Manche Regler bieten eine einstellbare Bremse. Je nach Reglertyp wird der Bremsstrom limitiert. Das kann durch einen Widerstand, Dioden oder durch das zeitweise Lösen der Verbindung (vergleichbar dem später besprochenen PWM Verfahren) realisiert werden. Spanngungs-Regler, Dioden-und Transistor-Regler Die Idee des Spannungsreglers ist es die Motorspannung direkt, anstatt indirekt über den Widerstandswert, zu regeln. Der Vorteil ist, dass man einen Handregler für alle Motoren verwenden kann und man einen Handregler entwerfen kann, bei dem man die Spannung für verschiedene Handreglerpositionen einstellen kann. Dadurch kann man z.B im oberen oder unteren Drehzahlbereich feinfühliger regeln. Es gibt zwei Arten von Spannungsreglern, die einen verwenden Dioden, die anderen Transistoren. Bei den Diodenreglern werden mehrere Dioden zwischen Fahrspannung und Fahrbahnleiter in Reihe geschaltet. Über einen Schalter wählt man nun aus wie viele Dioden es sein sollen. Je nach verbrauchtem Strom und den Dioden fällt an jeder Diode zwischen 0,6 und 1,1 V ab. Wie vorher schon erwähnt handelt es sich auch hier nicht um einen "normalen" Schalter sonderen eine Kontaktleiste deren Kontakte über eine Metallzunge an Stößel oder Abzug ausgewählt werden. Da sich der Spannungsabfall in einer Diode je nach Stromverbrauch ändert, verhalten sich Diodenregler je nach Motor etwas anders. Aber die Unterschiede sind nicht so groß, wie bei Widerstandsreglern. Die Anzaghl der zu verwendenden Dioden richtet sich nach der Fahrspannung. Die andere Variante eines Spannungsreglers ist der Transistorregler. Mit der Metallzunge des Stößels wird eine Spannung abgegriffen. Dies ist allerdings nicht die Fahrspannung sondern eine Steuerspannung. Diese Steuerspannung ist unabhängig von der Motorlast. Diese Steuerspannung geht auf die Basis eines Transistors der als Emitterfolger beschaltet ist. Es gibt auch andere Varianten, aber der Emitterfolger bietet die beste Unabhängigkeit von der Motorlast. Der Transistor regelt den Strom der durch ihn fliesst, so dass die Spannung am Emitter immer ca. 0.7V niedriger als die Basisspannung ist. Somit wird der Motor unabhängig von seiner Stromaufnahme bei einer bestimmten Reglerstellung immer mit der selben Spannung versorgt. Einziger Nachteil ist es, dass selbst bei Vollgas 0,7V im Transistor verloren gehen. Dies lässt sich aber mit einem Vollgaskontakt beheben., Unabhängig davon, mit welcher Variante die Spannung eingestellt wird, liegt an der Fahrbahn eine unterschiedliche Fahrspannung an, genau so als würde man den Trafo tauschen. Das heisst der Motor wird genauso betrieben wie im Motorabschnitt unter Spannungsänderung beschrieben. Der Vorteil ist, dass diese Art von Handregler mit jeder Art von Motor betrieben werden kann, solange er die nötige Strom- und Spannungsfestigkeit besitzt. Kauft man also den dicksten, stärksten und größten Spannungs-Regler, so kann man ihn mit allen Slotcars einsetzen, die man besitzt. Der Hauptnachteil eines Spannungsreglers ist es, dass er sehr warm wird. Die Verlustleistung ist genauso hoch, wie bei einem Handregler mit Potentiometer, allerdings ensteht die Verlustleistung in Transistoren oder Dioden, die im Vergleich zum Drahtpotentiometer, klein sind. Das bedeutet dass sich die Wärme schlechter verteilt. Aus diesem Grunde befinden sich Kühlkörper in dieser Art von Handregler. Da es sich um einen elektronischen Handregler handelt, benötigt der Handregler eine eigene Spannungsversorgung. Natürlich verwendet man dazu den Rennbahntrafo mit. Somit benötigt man ein dreiadriges Kabel. Eine Ader führt zur Fahrbahn und die anderen zum Trafo. Wegen der Elektronik ist beim Anschluss an den Trafo auf die richtige Polung zu achten. Es ist somit nicht möglich den Trafo umzupolen, um die Fahrtrichtung der Autos zu ändern. Wichtige Merkmale eines solchen Handreglers sind die Strom- und Spannungsfestigkeit des Handreglers. Die eingesetzen elektronischen Bauteile haben Maximalwerte für Betriebspannung (Trafospannung) , Stromstärke (je nach Motor) und maximale Verlustleistung (ergibt sich aus Trafospannung, Stromstärke und Fahrspannung). Überschreiten eines dieser Werte kann zu Zerstörung des Handreglers führen. Allerdings kann man erwarten, dass aktuelle Handregler zumindest eine Temperatur- und Strombegrenzung haben bzw. kurschlussfest sind, so dass bei Verlustleistung- und Stromüberschreitung, der Handregler sich abschaltet anstatt zerstört zu werden. In der Praxis heisst das, dass man mit einem "Hobby Regler" (nicht negativ gemeint) keine Rennmotoren betreiben sollte. Da der Handregler die Trafospannung zur Versorgung seiner Elektronik verwendet, sind die Voraussetzungen für eine Bremsfunktion gegeben. Diese ist auch in allen Spannungsreglern realisiert. Oft kann man die Bremswirkung noch einstellen indem die Farbahnleiter beim Betätigen der Bremse nicht direkt, sondern über ein Potentiometer kurzgeschlossen werden.
Die Schemata der bisher besprochenen vier Reglertypen. Mit Ausnahme des Transistorreglers (Emitterfolger) jeweils mit Vollgas- und Bremskontakt. Die Diagramme zeigen das jeweilige Geschwindigkeitsverhalten bei unterschiedlicher Motorlast. Man sieht, dass Potentiometer- und Widerstandsketten-Regler sehr empfindlich auf Änderungen der Stromaufnahme des Motors reagieren. Diodenregler reagieren deutlich weniger und Transistorregler im Idealfall nicht auf Änderungen der Stromaufnahme. PWM Regler PWM-Regler sind ebenfalls elektronische Handregler und das meiste des für Spannungsregler gesagten gilt auch für PWM-Regler. Deshalb möchte ich nur auf die Unterschiede zum Spannungsregler eingehen. Der PWM Regler kann im Gegensatz zu beiden anderen Handreglerarten nur die volle oder keine Spannung zur Verfügung stellen und dabei auch nur den vollen Strom zur Verfügung stellen. Das heisst der Handregler kann nur Vollgas geben oder ... nichts, so als ob man den Trafo mit einem Schalter an- und ausschaltet. Die Drehzahl Steuerung erfolgt darüber wie lange Vollgas gegeben wird. Das Vollgasgeben wird in ein Zeitraster gepresst. Es wird z.B. jede Millisekunde neu entschieden wie lange in der nächsten Millisekunde Vollgas gegeben wird. Soll das Auto stehen wird gar kein Vollgas gegeben. Soll das Auto so schnell wie möglich fahren, so wird die ganze nächste Millisekunde Vollgas gegeben. Will man mit halber Geschwindigkeit fahren, so wird in der einen Hälfte der Millisekunde Vollgas gegeben und die andere Hälfte nicht. |
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PWM: Pulsweitenmodulation Man nennt die kurzen Momente den Einschaltens Impulse oder kurz Pulse. Die Länge oder Weite der Pulse wird in Abhängigkeit der Reglerstellung verändert. Verändert man etwas anhand einer anderen Größe, so moduliert man es. Daher der Name Pulsweitenmodulation. |
Nun sollte man erwarten, dass das Auto ruckelt wenn der Motor ständig ein- und ausgeschaltet wird. Eigentlich tut es das auch, aber so schnell, dass man es nicht merkt. Schauen wir uns an, wie der Motor auf die geschaltete Spannung reagiert: Ist die Frequenz zu niedrig, so macht sich dies als knatterndes oder brummendes Motorengeräusch bemerkbar. Ist die Reglerfrequenz zu hoch reagiert der Motor nicht mehr ordentlich auf Änderungen der Pulsweite. Die Änderungen der Fahrspannung sind schneller als Motor reagieren kann. Ein einfacher Motor mit 18000 UpM dreht sozusagen mit 300 Hz. Die roten Carrera Regler verwenden eine Frequenz von 225 Hz was einem Motor mit 13500 UpM entspricht. Die optimale Frequenz hängt aber nicht nur von der maximalen Drehzahl und der Anzahl der Pole ab, sondern wird auch durch die Trägheit und Induktivität des Motors beeinflusst. Scorpius gibt 500 Hz und 4 kHz als mögliche Frequenzen an, der Parma EC Plus arbeitet angeblich mit einer Frequenz um 1 kHz, Carrera Digital mit 15,625 kHz und ACD mit 30 kHz. Nachteil der niedrigen Frequenzen ist ein u.U. unruhiger Lauf, bei hohen Frequenzen lässt sich der Motor kaum regeln, da er den schnellen Impuls wechseln nicht folgen kann und bei zu kurzen Impulslängen genügt die Energie nicht um das Auto anfahren zu lassen. Deshalb verwendet ACD eine PWM bei der in der nicht aktiven Phase der Motor gebremst wird statt freizulaufen. Das erzeugt ständige Störimpulse, die Netzteile beschädigen können. ACD nennt das Energierückführung. Bei den mittleren Frequenzen ist man irgendwo dazwischen und bekommt bei Frequenzen unter 16-18 kHz auch noch ein unangenehmes Fiepsen zu hören. Wie bei Spannungsreglern ist darauf zu achten, dass die Spannungs- und Stromfestigkeit des Handreglers den Erfordernissen entspricht. Der Schleifer betätigt wie beim Spannungsregler entweder Kontakte oder ein Potentiometer. Da die Kontakte bzw. das Potentiometer nur eine Steuerspannung erzeugen (nicht die Fahrspannung) können sie mit sehr kleinen Strömen arbeiten. Aus diesem Grund werden dann statt Drahtpotentiometern, Kohleschichtpotentiometer, wie man sie aus dem Audiobereich kennt, eingesetzt. Durch die geringen Ströme entsteht am Potentiometer (im Gegensatz zum Potentiometer-Regler) keine nennenswerte Verlustleistung und somit auch keine Wärme. Da die Trafospannung entweder ganz oder gar nicht an die Fahrbahn weitergeleitet wird fällt auch in der Elektronik nur geringe Verlustleistung an. Deshalb sind (vernünftig designte) PWM Regler die coolsten aller Handregler. Da am Motor immer nur die volle oder keine Spannung anliegt und die Steuerspannung keine "Verbindung" zur Motorspannung hat und wird somit nicht von der Stromaufnahme des Motors beeinflusst wird, kann ein Regler mit beliebigen Motoren verwendet werden, solange er die nötige Strom- und Spannungsfestigkeit besitzt. Moderne Regler verwenden Microprozessoren und so kann man die Regler leicht mit verschiedenen umschaltbaren Kennlinien, Bremsstärken usw. ausstatten. Regler für digitale Systeme Bei digitalen digitalen Systemen wird die Fahrzeuggeschwindigkeit wie bei einem PWM-Regler gesteuert. Allerdings gibt es einen großen Unterschied. Während die PWM Elektronik bei analogen Systemen mit im Handregler untergebracht ist, befindet sich die PWM-Elektronik bei digitalen Systemen im Auto. Der Handregler erzeugt nur die Steuerspannung, die Blackbox liest diese ein und überträgt den entsprechenden Wert an das Auto und das Auto steuert entsprechend seine PWM. Aus Kostengründen werden häufig statt Potentiometern in den Reglern Widerstandsketten verwendet. Dadurch ist die Anzahl der Fahrstufen besgrenzt, manchmal unterstützen die Regler sogar weniger Fahrstufen als der Rest des Systems. |
Wird der Handregler gedrückt liegt erst einmal (nur ganz ganz kurz) die volle Fahrspannung am Motor an und der Strom beginnt zu fliessen. Wie im 
Wir schauen uns drei Regler an. Den schwarzen Carrera Regler mit 70Ω, den Ninco Regler mit 55Ω und einen Parma Regler mit 25Ω.
Die absolute Höchstgeschwindigkeit wird nicht betroffen, da diese ja über eine eigene Zone verfügt.
Es wird Vollgas gegeben. Doch wegen der Trägheit springt der Motor nicht auf die Höchstdrehzahl sondern dreht nur schneller. Noch bevor der Motor sehr viel höher dreht wird die Spannung abgeschaltet. Der Motor bleibt nun nicht plötzlich stehen, sondern verringert wegen der Trägheit seine Drehzahl nur. Nachdem sie sich ein wenig gesenkt hat gibt es wieder Vollgas usw. Die Drehzahl steigt und fällt nun unaufhörlich. Hat der Motor seinen Arbeitspunkt erreicht so steigt und fällt die Drehzahl zwischen zwei festen Drehzahlen. Ist die Frequenz (wie oft die Wechsel zwischen An und Aus erfolgen) hoch genug, so ist der Drehzahlunterschied so gering, dass man ihn nicht merkt.