THEMA: Masseführung bei mehreren Schaltkreisen?

Hallo Hansjörg,

in der "Kleinsignalelektronik" wird nicht ohne Grund nach der Methode "ein definierter gemeinsamer Massepunkt bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen" verfahren. Die von Dir angedeuteten Aufschwingungen deuten darauf hin, dass Ausgleichsströme über die Masseleitungen fließen.

Die einfachste Lösung ist, Deine drei Spannungskreise strikt voneinander elektrisch isoliert zu verlegen und an einem (und wirklich nur einem einzigen) zentralen Punkt - idealerweise in der Nähe der Netzteile - mit einem definiertem Kabel zu verbinden. Im Digitalbetrieb gerade bei größeren vermaschten Anlagen ist diese trennende Vorgehensweise einer "Sternverkabelung" die einzige Möglichkeit solcher Fehlervermeidung.

MfG,
Ingbert Neumeister

Hallo Hansjörg,

ich nehme an, du fährst analog und schaltest auch analog.

wie Ingberg schreibt, keine Maschen bilden, nur sternförmige Verdrahtung.
Zusätzlich macht es Sinn an einigen Stellen noch mal einen Elko und einen Kondensator mit 100nF einzubauen, falls das nicht sowieso auf deinen Elektronikplatinen vorhanden ist.

Gruß Torsten

Hallo Ingbert und Torsten,
Danke für die Hinweise. Ja, ich fahre und schalte analog. Nun bin ich mir nicht sicher, ob sich Elektronik und Fahrbetrieb massetechnisch überhaupt so trennen lassen. Es ist so, dass die Steuermodule die Versorgungsspannung vom Fahrtrafo bekommen und diese ans Gleis liefern und darüber z.B. Anfahren und Abbremsen steuern. Über diese Verbindung erfolgt auch die Gleisbesetztmeldung. Im Idealfall müsste die Schaltung und der Gleisabschnitt, den diese überwacht, am selben Massepunkt hängen, oder? Wo würde man die Elkos einbauen?
Beste Grüße,
Hansjörg

Hallo. Die Masse musst du schon verbinden damit deine Schaltungen funktionieren. Das darf aber nur zentral an einem Punkt erfolgen, dem Sternpunkt. Am besten legst du den direkt hinter deine einzelnen Stromversorgunggeräte. Also dort immer den minus verbinden und von da einzeln weiter von den rückmeldern dann nur den sensorkontakt zum Gleis. Auf keinen Fall die Massen verschiedener Kreise unter der Anlage noch mal verbinden.
Elkos an die Geräte die dann immer noch gestört werden

Gruß Torsten

Ach ja. Noch was
Empfindliche Signalleitungen sollte man schirmen. Also mit kabel das ein Drahtgeflecht als zweiten Leiter außen rum hat. Sowas kennt man aus der tontechnik. Das Drahtgeflecht, det Schirm, ist dann die Masse. Die braucht und sollte dann aber nur am Ausgangspunkt der Leitung mit Masse verbunden werden, die andere Seite einfach offen lassen.

oder verdrillen.

Felix

@5 und 6
Hallo zusammen,

wenn sich das Massepotential wegen über die Masseleitung fließenden Ströme verschiebt, und das scheint hier der Fall zu sein, dann bekommt man das Problem mit dem besagten Punkt, an dem alle Masseleitungen zusammenkommen, gelöst.
Das Schirmen oder Verdrillen der Leitungen hat etwas mit Ab- und Einstrahlung zu tun. Das ist also ein ganz anderes Thema.

Grüße,
Dietmar

Vielen Dank, ich glaube, ich sehe schon etwas klarer. Es wird oft von der "gemeinsamen Masseleitung" gesprochen, die man bei verschiedenen Kreisen (sogar DC und AC gemischt) verwenden kann. Dementsprechend habe ich mir Masse auch für die Elektronik manchmal unter der Platte geholt, wo sie am nächsten saß. Das war manchmal die vom Gleis... Eigentlich bin ich als Elektroingenieur vom Fach, hatte aber in Elektronik die schlechteste Note auf dem Zeugnis... Ich werde mal schrittweise alles umbauen, so dass die Massen erst kurz vor den Netzteilen verbunden werden. Insbesondere die Formsignale sind total hippelig, da können geschirmte Leitungen vermutlich angesagt sein. Bei den Elkos bin ich mir noch nicht ganz sicher, wie die sich mit der Steuerelektronik vertragen. Auf der einen Seite hängen die Spulen ja an +20V und werden dann mit Masseimpulsen geschaltet. Ich würde also vermutlich pro Weiche zwei Elkos einbauen müssen, parallel zu jeder Spule einen?
Beste Grüße,
Hansjörg

Hallo,


Nicht übertreiben! Wenn das so ist, dann hast Du einen Designfehler in der Elektronik -> Schrott.

Grüße, Peter W.

"Schrott" ist leicht gesagt, bringt mich aber nicht weiter. Die Blockstellenmodule sind professionell entwickelt und eigentlich recht zuverlässig. Aber je größer so ein System wird, desto mehr Wechselwirkungen gibt es eben.
Beste Grüße,
Hansjörg

Hallo Hansjörg,

die Signale und die Weichen selbst werden nicht das Problem sein. Die Leitungen zu den Spulen müssen auch nicht mit einem Elko gestützt sein.
Formsignale werden doch wie Weichen geschaltet, schaltest du sie elektronisch dann könnte ein Elko zum Stützen der Betriebsspannung an diesem Elektronikbaustein Sinn machen. Die Leitung zu diesem Baustein wird durch die Kapazität des Elkos entlastet und du hast an den andren Platinen weniger Spannungseinbrüche.


Was unbedingt zu vermeiden ist, ist eine Ringleitung, Macht man bei einer Hausinstallation auch nicht, dass man die Phase von den Sicherungen zu den Steckdosen führt und sich dann einen Null von einer anderen Steckdose oder gar vom Herd holt.
Am Besten, wie gesagt, der Sternpunkt für die Masse (das ist wie in der Unterverteilung der gemeinsame Nullleiter) und von da aus immer zwei Leitungen zu den Verbrauchern, also immer plus und minus. Die einzelnen Spannungen kannst du vor Ort weiter verzweigen, aber immer nur die Fahrspannung als Fahrspannung verwenden und die Spannung für die Weichen-und Signale für ebendiese... die Spannung für die Elektronik getrennt zu führen ist besonders wichtig.

Dietmar,
wenn empfindliche Elektronik, wie z.B. stromfühlende Besetztmelder, verbaut sind dann macht es durchaus Sinn die Leitungen vom Gleis zur Platine zu schirmen. Parallel liegende Leitungen zu Weichen- oder Signalantrieben können durch die kurzen, stromintensiven Impulse Störungen in den Signalweg einkoppeln, die dann unkalkulierbare Schaltvorgänge auslösen.
Verdrillen macht nur bei Signalleitungen Sinn, die auch beidseitig an Masse angeschlossen sind. genau das ist hier kontraproduktiv weil es dann wieder du Schleifen kommt.  

Formsignale werden doch wie Weichen geschaltet, schaltest du sie elektronisch dann könnte ein Elko zum Stützen der Betriebsspannung an diesem Elektronikbaustein Sinn machen. Die Leitung zu diesem Baustein wird durch die Kapazität des Elkos entlastet und du hast an den andren Platinen weniger Spannungseinbrüche.
Hast du die Möglichkeit mit einem Oszilloskop die Versorgungsspannungen zu prüfen?

Gruß Torsten

Hallo Torsten,
Danke für die ausführliche Erklärung. Ich habe die Versorgungsspannung für die Weichen mit einem Oszi angeschaut. Wenn das Flattern startet, beginnt es oft erst bei einem Antrieb und reißt die anderen mit. Ich habe auch bei zweien probehalber mal die Endabschaltung ausgebaut, aber sie haben sich genauso aufgeschaukelt. Man sieht an der sonst total glatten 20V-Spannung kurze Impulse bis auf fast Null Volt von knapp 10 ms Länge, etwa im Abstand von 60 ms. Kein Wunder, dass die Antriebe verrückt spielen. Warum die Schaltung selbst ins Schwingen kommt, kann ich nicht sagen.
Ich habe auch schon an Wackelkontakte oder Ähnliches gedacht. Leider habe ich ziemlich viel mit Lüsterklemmen gearbeitet und einfachem isoliertem Klingeldraht, da kann schon mal etwas brechen.
Beim Stütz-Eelko muss ich doch noch einmal fragen: Würdest du den am Verbraucher (sprich Flügelsignal) anschließen oder an den Ausgang der Steuerschaltung? Das Signal hat ja wie gesagt auf einer Seite 20V und die Schaltung liefert diesen kurzen Impuls nach Masse.
Beste Grüße,
Hansjörg

Hallo,

verzeih wenn ich Schrott gesagt habe, aber hier stimmt im Design der Versorgung der Schaltung etwas grundsätzlich nicht. Ich bin vom Fach.

Wenn man einen Leistungstreiber für induktive Lasten konstruiert, dann weiß man ja im voraus, dass mit starken Stromspitzen zu rechnen ist. Im konkreten Fall passiert wohl das, was man im Englischen "ringing of the line" nennt. Das sich aufschaukelnde Schwingen der Leitung.
Grund sind die steilen Flanken der Stromimpulse, die einen sehr hohen HF-Anteil haben.
Das kann man nur durch kapazitive Dämpfung in den Griff kriegen, eventuell mit LC Filterung. Geschirmte Leitungen bringen da exakt gar nix.

Offenbar bricht die Versorgung beim Schaltvorgang komplett zusammen. Überprüfe die Leiter- und Leiterbahnquerschnitte und die  Dimensionierung Kondensatoren. Untersuche den Versorgungsteil auf das Antwortverhalten gegenüber Stromstößen. Das geht gut mit zwei 12 V Halogen-Leuchtmitteln in Serie. Die erzeugen einen mächtigen Einschaltstromstoss.

Hast Du mal einen Schaltplan? Gerne auch per PN. Ich würde gerne wissen, welche Treiber(Transistoren) da sind, ob es Freilaufdioden gibt (welche die Gegen-EMK gegen V+ rückführen!!), und wie die Entkopplungskondensatoren dimensioniert sind und welche Du da verwendest.
Keramische Scheiben oder MLCC haben eine besseres HF Verhalten als Folienwickel. MLCC Kerkos haben ein besseres Verhalten (geringerer ESR) gegenüber kleinen Elkos.

Grüße, Peter W.

Hallo Peter,
Ich habe eine (unbemaßte) Schaltungsdarstellung für das Modul, das abhängig von der Besetztanzeige die Weiche schaltet. Ich schicke dir mal eine PN, damit du mir mitteilen kannst, an welche Email-Adresse ich diese schicken kann. Ich denke, die Leute, die diese Schaltung entworfen haben, sind schon vom Fach. Eventuell habe ich eben mit meinem speziellen Aufbau etwas falsch gemacht. Es wäre trotzdem interessant zu wissen, was in der Schaltung passiert, dass sie dermaßen ins Schwingen kommt. Wie gesagt, im Fehlerfall entsteht ein exakter Pulsetrain auf der Versorgungsleitung für die EM-Antriebe. Ich denke, ich muss wirklich erst mal ausschließen, dass es nicht an der ungünstigen Masseführung liegt oder an einem Wackelkontakt. Ich hatte in der Anfangsphase mal so einen seltsamen Effekt, da war es einfach ein oxidierter Netzschalter, der Lichtbögen erzeugte.  Eine andere Sache, die mir durch den Kopf ging, ist dass meine Anlage im Kellerraum steht, in dem auch mein Hausanschlusskasten ist.
Beste Grüße,
Hansjörg

Hallo,

also das mit dem Hausanschlusskasten verweise ich ins Reich der Phantasie der Special Effects Leute, wo es im Film bei Elektroproblemen immer gleich blitzt und kracht.

Schuld ist hier mit ziemlich hoher Wahrscheinlichkeit Deine Verquickung der Massen, wodurch mitunter Fahrstrom über die Weichenelektronik fließt.

Theoretisch bestünde noch die Möglichkeit, dass einer der Antriebe eine leitende Verbindung zum Gehäuse hat, und die Weiche eine leitende Verbindung zum Blech so dass ein Ausgleichsstrom über die Clipsverbindung des Antriebs läuft.

Dennoch sollte die Schaltung mit Fehlströmen und Stromimpulsen, so wie sie von EM-Antrieben erzeugt werden, umgehen können.

Grüße, Peter W.

Hallo Hansjörg,

in #12 schreibst du, dass du mit dem Oszi Messungen gemacht hast. Hier kommen wir wieder zu dem Thema mit dem Massepunkt, denn irgendwo musst du die Masse des Oszis anschließen. Die Messung macht nur dann Sinn, wenn man den Bezugspunkt, also die Masse, kennt.
Kannst du mal eine Plan skizzieren, auf dem man die Verdrahtung sehen kann? Unten machst du eine lange Linie, die die Masse darstellen soll, und von oben kommen dann die ganzen Verbraucher (Weichen, Signale und deren jeweilige Ansteuerungen). Zeichne die Punkte in der richtigen Reihenfolge vom Netzteil aus gesehen ein, wo die Verbrauchen angeschlossen sind. Falls sich die Masseleitung irgendwo auf deiner Anlage gabelt, sollte sie sich in der Skizze auch gabeln. Dann kann man dir zeigen, wo das Problem zu suchen ist.

Grüße,
Dietmar

Hallo,

Peter nennt die Ursache in Beitrag Nr. 13. Geht leider in dem gesamten Thread etwas unter. Unzureichender Leitungsquerschnitt ist bei einer gemeinsamen Masseleitung Problemverursacher Nr. 1.

Die Masseleitung muss so dimensioniert sein, dass bei maximalem Strom (Kurzschluß aller Spannungsversorgungen addiert) über die komplette Leitungslänge nur ein vernachlässigbarer Spannungsabfall entsteht. Ich schreibe das so pauschal, weil ich die Verhältnisse vor Ort nicht kenne.

Ist die Leitung zu dünn, erzeugt jeder noch so kleine Kurzschluß oder auch Schaltvorgang sofort einen Spannungsabfall FÜR ALLE ANDEREN VERBRAUCHER. Das Signal springt auf HP1, die Lok fährt los (hoher Anfahrstrom) und schon haben wir Freude bei allen anderen Verbrauchern. Elektrolytkondensatoren als Puffer kurieren hier nur das Symptom.

Natürlich müssen auch alle anderen Leiter entsprechend dimensioniert sein, auch wenn da nur ein Teilstrom fließt.

Dürfen wir erfahren, wie der Masseleiter dimensioniert ist und welche Ströme maximal fließen können? Vielleicht erklärt sich das Problem damit von alleine.

Viele Grüße
Zwengelmann

Hallo miteinander,
Noch einmal vielen Dank für die Reaktionen. Es wird nicht ganz einfach sein, den aktuellen Zustand aufzuzeichnen... Ich habe in der Steuerelektronik für die Blockstellen etwa 50 Platinen verbaut und dabei für die Verbindungen meist Klingeldraht mit Querschnitt 0,6 mm2 verwendet. Hinzu kommen noch sechs Lichtschranken für die Weichensteuerung. Letztere drei Weichen machen aber interessanterweise keine Probleme.
Dabei bin ich schon meist sternförmig vorgegangen, habe aber an manchen Masse-Knoten sowohl Elektronik als auch Gleise angeschlossen. Das Ganze ist eben über die Zeit gewachsen und langsam sehr unübersichtlich geworden, da die Platinen in Gruppen von 6-8 an verschiedenen Orten unter der Platte angebracht sind mit entsprechend vielen Querverbindungen, um die Logik zu realisieren. Hinzu kommen auch Verbindungen, um die elektronisch geschalteten Weichen notfalls manuell stellen zu können. Es sind insgesamt lächerliche 10 Stück, die überhaupt elektronisch bedient werden. Es passiert also z.B. recht selten, dass überhaupt zwei Antriebe genau gleichzeitig geschaltet werden. Die Versorgungsspannung für die Antriebe kommt aus einem 90W-Notebook-Netzteil. Wenn man sich im Normalfall diese Spannung anschaut, passiert beim Schalten einer Weiche rein gar nichts. Bei den Messungen habe ich mir die Masse in der Nähe des zu beobachtenden Signals gegriffen, also an derselben Platine, direkt mit dem Tastkopf. Mir wird jetzt aber klar, dass ich das Oszi besser an die Masse nahe am Netzteil hängen müsste. Ich denke, bevor ich alle in wilde Spekulationen stürze, korrigiere ich jetzt erst einmal die Masseleitungen der Elektronik so, dass sie dicker dimensioniert werden und erst kurz vor der Spannungsversorgung mit denen des Fahrstroms verbunden werden. Auch der Gedanke mit dem Weichengehäuse (Fleischmann) könnte nicht ganz falsch sein. Zumindest hatte ich bei einem Antrieb eine am Gehäuse aufgeschlitzte Isolierung gefunden. Leider sind einige Weichen im Schattenbereich verbaut, so dass man recht schwer herankommt.
Ach so, alle Blockstellen, die an Weichen hängen, sind mit Festkörpersicherungen ausgerüstet, so dass der Fahrstrom bei Kurzschluss gesperrt wird. Eine Beobachtung von gestern ist vielleicht auch noch wichtig. Bisher tauchte das Problem ja meist erst auf, wenn eine größere Anzahl von Loks unterwegs war. Nun passiert es auch, wenn die Anlage in völliger Ruhe ist. Wenn ich dann die Spannungsversorgung aus- und wieder einschalte, ist es wieder weg. Vielleicht doch ein Wackler?
Beste Grüße,
Hansjörg  

Hallo,

hast Du ein Notebook-Netzteil mit einem 2-poligen oder einem 3-poligen Netzanschluss? Bei den 3-poligen ist die Masse mit der Schutzerde verbunden, da ist Vorsicht geboten, dass keine Masseschleifen entstehen!

Ist da noch ein Computer angeschlossen oder irgendwelches andere Modellbahn-Zubehör mit eigenen Trafos/Netzteilen?

Danke für die Beschreibung der Elektronik per Mail, die Schaltungstechnik ist darin leider nur mit Prinzipschaltungen angedeutet (keine EMV/HF Schutzmechanismen an den Eingängen, keine Freilaufdioden, keine Entkopplung).

Jetzt habe ich mir mal die Bilder auf der Herstellerseite angesehen - eine sehr klassische Elektronik. Die Schaltungen sind mit Transistoren und HEF4K CMOS aufgebaut. Allerdings fehlen mir auf den Produktfotos (wo man nur die Bauteilseite sieht) definitiv die Entkopplungskondensatoren der Versorgung an den Logik-ICs. Auch vermisse ich HF-Entstörer, EMV-Transientensuppressoren und dergl.
Die eingesetzten Elkos können keine HF ab. Ausserdem handelt es sich bei den axialen Elkos um eine sehr alte Bauform, die heute fast nicht mehr zu bekommen ist. Da stellt sich die Frage, ob die Bauteile nicht überlagert sind. Irgendwie scheinen sie jedenfalls mit den Spannungsschwankungen nicht zurecht zu kommen.

Gibt es da wirklich keine weiteren Kondensatoren oder sind die in SMD auf der Lötseite drauf? Bei 12 V CMOS müssten meiner Meinung nach mindesten 100 nF keramisch an jeden IC zwischen Vcc und GND.

Grüße, Peter W.

Hallo,

ich möchte ein paar Erstmaßnahmen vorschlagen:
1. Masse entwirren, ausreichenden Querschnitt herstellen
2. ICs entkoppeln - keramische Kondensatoren 100 nF von hinten quer drüber direkt an die Vdd und Vss Pins anlöten
3. Schaltungsausgänge mit keramischen Kondensatoren versehen, z.B. 100 nF an den Ausgängen (Funkenlöschung Endabschaltung)

Nach diesem Schritt sollte bereits das Schwingen aufhören.

Fleißaufgaben:
4. Versorgungskabel zu den Platinen mit Ferritperlen ausstatten (Plus und Masse gemeinsam mit 1-2 Windungen durchführen)
5. Freilaufdioden parallel zu den Treibertransistoren an den Ausgängen, welche nicht endabgeschaltete EM Antriebe speisen
6. Sicherstellen, dass Signalleitungen von außen nicht direkt an IC-Pins führen, zumindest einen Vorwiderstand 47 kOhm einbauen - sonst saugt die Schaltung bei Ausfall von 12 V Strom über die Clamp Diode am Eingangspin, die daraus resultierenden Effekte sind unvorhersehbar.
7. Schaltungseingänge mit kleinen keramische Kondensatoren versehen, z.B. 1 nF an jeden Eingang wo ein Kabel nach außen geht


Ich hatte beim Roco 8-fach Weichendecoder der 1. Serie im Zusammenspiel mit Roco Weichenantrieben eine Fehlfunktion. Das Schalten der Antriebe an bestimmten Ausgängen ließ die Treibertransistoren (FETs) an anderen Ausgängen zufällig und unkontrolliert einschalten, so dass immer wieder andere Weichen mit umsprangen.

Die Maßnahme #3 hat das Problem beseitigt (#1 war nicht gegeben, und #2 bereits im Decoder eingebaut).

Grüße, Peter W.