Hallo zusammen und frohe Ostern allerseits!
Kürzlich hatte ich eine Diskussion über Probleme und das Instandsetzen von ULO-Boxen. Prompt kam mir wieder die wahnsinnig nützliche Infosammlung von Ewald in den Sinn: Motelek - ULO EBL 801
Inzwischen berufsbedingt etwas versierter in der Elektrotechnik und stark interessiert, hat es mich nun endlich gepackt ein elektrisches LTspice Simulationsmodell einer solchen ULO-Box aufzubauen, um die Schaltungstechnik zu verstehen. Schon vor über 15 Jahren, noch als Jugendlicher, hatte ich bereits versucht die Schaltung zu verstehen, bin aber an mangelnden Grundkenntnissen elektrischer Bauteile sowie Methoden zur Schaltungsanalyse gescheitert.
Kurz die Info zu LTspice: Dies ist ein von der Firma Linear Technology (heute: Analog Devices) entwickeltes Simulationsprogramm für elektrische Schaltungen, basierend auf dem offenen Spice-Kernel. Das Programm kann kostenlos hier heruntergeladen werden, läuft unter Windows und auch unter Linux mit Wine: LTspice Download
Nachdem das Simulations-Modell nun einen gewissen Reifegrad erlangt hat, wollte ich es hier der Gemeinschaft teilen, um zum Projekt des Erhalts der historischen Mopeds hoffentlich auch einmal einen nützlichen Beitrag leisten zu können. Ich habe das Modell diesem Beitrag angehängt ("ULO_801-36.asc"). Enthalten ist auch ein Teilmodell über eine Batteriezelle "NHcell.asc", welche ich aus folgender Quelle bezogen und um die initiale Spannung zu Beginn der Simulationszeit erweitert habe: Quelle Batteriemodell
Die enthaltene *.lib Datei enthält das Teilmodell des willkürlich gewählten Thyristors (siehe auch offene Punkte unten) und wird vom Modell "ULO_801-36.asc" im selben Pfad abgelegt benötigt.
Die Bitte an dieser Stelle an alle versierten Elektrotechniker ist, das Modell möglichst kritisch zu beäugen. Insbesondere meine darin enthaltene Beschreibung zur Blinker-Schaltung! Jeder der mal versucht hat, so eine Schaltung zu beschreiben, weiß vermutlich wie fehlerträchtig das ist.
Das Modell ist nicht vollends fertig und ich bitte um Mithilfe, falls jemand Informationen zu den offenen Punkten hat.
Die offenen Punkte aus meiner Sicht sind (vielleicht ist die Liste unvollständig):
Untenstehend noch mein Versuch der Beschreibung der Blinkerschaltung (so auch im LTspice Modell zu finden). Wer diese Schaltung einst erfunden hat, der hat meinen Respekt!
Viele Grüße aus der Nähe des Bodensees!
Thomas
Funktion der Blinkerschaltung
===================
T3 ist nur leitend wenn der Thyristor die Batterie lädt. Das wiederum ist nur der Fall, wenn der Motor läuft.
D.h. die Blinkerschaltung funktioniert auch nur wenn der Motor läuft.
Die Schaltung ist lastunabhängig. D.h. sie funktioniert sowohl mit Glühbirnen in den Blinkern, als auch mit LEDs+Vorwiderstand.
Sobald Kl.49a über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse gezogen wird, beginnt sich C2 über R7 zu laden.
Sobald die Spannung über C2 hoch genug ist (=Basis-Emitter-Spannung von T4 ausreichend groß) kann ein Basisstrom in T4 fließen und dieser wird leitend.
Dadurch wird das Gate von T5 auf "High" gezogen (es fließt ein Strom in die Basis von T5) und das Relais wird angezogen.
Ab diesem Zeitpunkt trägt Kl.49a wieder die Batteriespannung, da durch den nun geschlossenen Kontakt des Relais die Batteriespannung auf Kl.49a gelegt wird.
Ebenfalls ab diesem Zeitpunkt beginnt sich eine Spannung in C3 aufzubauen.
Gleichzeitig fließt über die Induktivität der Relais-Spule ein immer höherer Strom. Der Spulenstrom wird über die Collector-Emitter-Strecke nach Kl.31/Masse abgeleitet.
Bipolar-Transistoren haben nur eine begrenzte Stromverstärkung. Während also der zu leitende Strom für T5 immer größer wird, müsste der Basisstrom (oder die Basisspannung) auch steigen, um den Strom führen zu können.
Zudem haben Bipolar Transistoren ab einem bestimmten Collector-Emitter-Strom eine extrem steil zunehmende Collector-Emitter-Spannung.
Siehe hierzu das Datenblatt eines BC337-40 für konstanten Basis-Strom (bspw. Figure 4 hier: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-...37-40.html)
Da sich der Strom in die Basis von T5 aber nicht erhöht, steigt die Collector-Emitter-Spannung von T5 also ab einer gewissen Stromschwelle schlagartig an.
In Folge nimmt die Spannung über der Relais-Spule ab.
Bevor der Relaiskontakt aber die Verbindung der Kl.49 (Batteriespannung) zur Kl.49a unterbricht, wird durch die steigende Collector-Emitter-Spannung von T5 und durch die Eigenschaft von Kondensatoren,
dass deren Spannung sich nicht sprunghaft ändern kann, die Spannung an der Basis von T4 nach oben gezogen (sogenannte Bootstrap-Schaltung oder Ladungspumpe).
Dadurch wird T4 wieder sperrend und in Folge sperrt auch T5 wieder.
Die Ladung von C2 und somit seine Spannung beginnt sich stetig aber schnell umzukehren und nimmt eine zu vorher umgekehrte Polarität an, sobald T4 sperrt.
Der von der Induktivität der Relais-Spule weitergetriebene Strom beginnt sich über die Freilaufdiode freizulaufen sobald T5 keinen Strom mehr durchlässt.
Ab diesem Zeitpunkt ist die Basis von T4 (also der Punkt zwischn C2 und C3) um eine Dioden-Vorwärtsspannung (ca.0,7V) über der Batteriespannung.
Die Spannung an der Relaisspule hat sich umgekehrt und der Spulenstrom fällt langsam ab.
Der Relaiskontakt fällt ab sobald die im Magnetfeld gespeicherte Energie nicht mehr ausreicht, den Kontakt geschlossen zu halten.
Dieser Vorgang ist in der Simulation leider nicht exakt abgebildet, da der spannungsgesteuerte Schalter aus LTspice, mit dem das Relais grob nachgebildet wurde, die wahre Physik des Relais nicht beinhaltet.
In der Simulation fällt der Relaiskontakt daher schon etwas früher ab (wenn die Spulenspannung 1V unterschreitet und nicht nachdem sich die Spulenspannung umgekehrt hat).
Das Abfallen des Relaiskontakts ändert die Spannungsverhältnisse der Schaltung wieder, da nun Kl.49 und Kl.49a nicht mehr über den Relaiskontakt direkt verbunden sind sondern nur noch über "RN1 || RN2+R7".
In weiterer Folge können die Kondensatoren C2 und C3 können ihre Ladung nun über R7 nach Kl.49a und über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse abgeben.
Genauer gesagt hatte C2 im Zeitraum kurz vor Abfall des Relais negative Ladung. D.h. C2 wird nun wieder positiv geladen.
Das Spiel beginnt ab hier von Neuem. Allerdings sind die Zeitkonstante nun etwas anders, da an der ein oder anderen Stelle (in den Kondensatoren) noch Restenergie gespeichert ist. D.h. die Schaltung schwingt sich erst nach mehreren Blinkvorgängen ein. Dies verursacht die schwankende Blinkfrequenz, die jeder, der ein solches Moped mal gefahren ist, kennt.
Weiter ist noch zu sagen, dass die Schaltung auf zueinander passend ausgelegte Zeitkonstanten der Kondensatoren (tau=R*C) und der Relaisspulen-Induktivität (tau=L/R) angewiesen ist, um korrekt zu funktionieren.
Durch große Toleranzen, Temperatur- und Lebensdauerdrift, gerade bei den Kondensatoren, entsteht eine bestimmte Bandbreite und Veränderung der Blinkfrequenz.
Der Übergangswiderstand des Relais-Kontakts verschlechtert sich mit der Zeit aufgrund Lichtbogen, welche in jedem Schaltvorgang entstehen. Wenn aus Kl.49a also nicht mehr genug Spannung bzw. Leistung kommt, kann das daran liegen.
Kürzlich hatte ich eine Diskussion über Probleme und das Instandsetzen von ULO-Boxen. Prompt kam mir wieder die wahnsinnig nützliche Infosammlung von Ewald in den Sinn: Motelek - ULO EBL 801
Inzwischen berufsbedingt etwas versierter in der Elektrotechnik und stark interessiert, hat es mich nun endlich gepackt ein elektrisches LTspice Simulationsmodell einer solchen ULO-Box aufzubauen, um die Schaltungstechnik zu verstehen. Schon vor über 15 Jahren, noch als Jugendlicher, hatte ich bereits versucht die Schaltung zu verstehen, bin aber an mangelnden Grundkenntnissen elektrischer Bauteile sowie Methoden zur Schaltungsanalyse gescheitert.
Kurz die Info zu LTspice: Dies ist ein von der Firma Linear Technology (heute: Analog Devices) entwickeltes Simulationsprogramm für elektrische Schaltungen, basierend auf dem offenen Spice-Kernel. Das Programm kann kostenlos hier heruntergeladen werden, läuft unter Windows und auch unter Linux mit Wine: LTspice Download
Nachdem das Simulations-Modell nun einen gewissen Reifegrad erlangt hat, wollte ich es hier der Gemeinschaft teilen, um zum Projekt des Erhalts der historischen Mopeds hoffentlich auch einmal einen nützlichen Beitrag leisten zu können. Ich habe das Modell diesem Beitrag angehängt ("ULO_801-36.asc"). Enthalten ist auch ein Teilmodell über eine Batteriezelle "NHcell.asc", welche ich aus folgender Quelle bezogen und um die initiale Spannung zu Beginn der Simulationszeit erweitert habe: Quelle Batteriemodell
Die enthaltene *.lib Datei enthält das Teilmodell des willkürlich gewählten Thyristors (siehe auch offene Punkte unten) und wird vom Modell "ULO_801-36.asc" im selben Pfad abgelegt benötigt.
Die Bitte an dieser Stelle an alle versierten Elektrotechniker ist, das Modell möglichst kritisch zu beäugen. Insbesondere meine darin enthaltene Beschreibung zur Blinker-Schaltung! Jeder der mal versucht hat, so eine Schaltung zu beschreiben, weiß vermutlich wie fehlerträchtig das ist.
Das Modell ist nicht vollends fertig und ich bitte um Mithilfe, falls jemand Informationen zu den offenen Punkten hat.
Die offenen Punkte aus meiner Sicht sind (vielleicht ist die Liste unvollständig):
- Welche Spannung liefert die Magnetgenerator auf Klemme "1~" ?
- Thyristormodell ist aktuell willkürlich gewählt. Passenden Thyristor-Ersatz für NEC 5P4M wählen und modellieren.
- Charakteristik eines echten Akku-Pack nachbilden. Die Batteriespannung sackt zum Start der Simulation mit Vbat0=6V sehr schnell auf 5.59V ab.
- Charakteristik Varistor ermitteln und originalgetreu modellieren. Aktuell ist die Simulation so austariert, dass bei Vbat0=5.58V noch geladen wird, bei 5.59V aber nicht mehr (R_NTC=6.8kOhm). Dies ist neu auszutarieren, wenn die Batteriecharakteristik geändert wird!
- Charakteristik NTC ermitteln und Wert für verschiedene Temperaturen dokumentieren.
- Relais ist nur eine Näherung: es schaltet in der Simulation früher ab, als es das in der Realität tun würde. Das ändert aber nichts an der grundsätzlichen Funktion der Blinkerschaltung.
Untenstehend noch mein Versuch der Beschreibung der Blinkerschaltung (so auch im LTspice Modell zu finden). Wer diese Schaltung einst erfunden hat, der hat meinen Respekt!
Viele Grüße aus der Nähe des Bodensees!
Thomas
Funktion der Blinkerschaltung
===================
T3 ist nur leitend wenn der Thyristor die Batterie lädt. Das wiederum ist nur der Fall, wenn der Motor läuft.
D.h. die Blinkerschaltung funktioniert auch nur wenn der Motor läuft.
Die Schaltung ist lastunabhängig. D.h. sie funktioniert sowohl mit Glühbirnen in den Blinkern, als auch mit LEDs+Vorwiderstand.
Sobald Kl.49a über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse gezogen wird, beginnt sich C2 über R7 zu laden.
Sobald die Spannung über C2 hoch genug ist (=Basis-Emitter-Spannung von T4 ausreichend groß) kann ein Basisstrom in T4 fließen und dieser wird leitend.
Dadurch wird das Gate von T5 auf "High" gezogen (es fließt ein Strom in die Basis von T5) und das Relais wird angezogen.
Ab diesem Zeitpunkt trägt Kl.49a wieder die Batteriespannung, da durch den nun geschlossenen Kontakt des Relais die Batteriespannung auf Kl.49a gelegt wird.
Ebenfalls ab diesem Zeitpunkt beginnt sich eine Spannung in C3 aufzubauen.
Gleichzeitig fließt über die Induktivität der Relais-Spule ein immer höherer Strom. Der Spulenstrom wird über die Collector-Emitter-Strecke nach Kl.31/Masse abgeleitet.
Bipolar-Transistoren haben nur eine begrenzte Stromverstärkung. Während also der zu leitende Strom für T5 immer größer wird, müsste der Basisstrom (oder die Basisspannung) auch steigen, um den Strom führen zu können.
Zudem haben Bipolar Transistoren ab einem bestimmten Collector-Emitter-Strom eine extrem steil zunehmende Collector-Emitter-Spannung.
Siehe hierzu das Datenblatt eines BC337-40 für konstanten Basis-Strom (bspw. Figure 4 hier: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-...37-40.html)
Da sich der Strom in die Basis von T5 aber nicht erhöht, steigt die Collector-Emitter-Spannung von T5 also ab einer gewissen Stromschwelle schlagartig an.
In Folge nimmt die Spannung über der Relais-Spule ab.
Bevor der Relaiskontakt aber die Verbindung der Kl.49 (Batteriespannung) zur Kl.49a unterbricht, wird durch die steigende Collector-Emitter-Spannung von T5 und durch die Eigenschaft von Kondensatoren,
dass deren Spannung sich nicht sprunghaft ändern kann, die Spannung an der Basis von T4 nach oben gezogen (sogenannte Bootstrap-Schaltung oder Ladungspumpe).
Dadurch wird T4 wieder sperrend und in Folge sperrt auch T5 wieder.
Die Ladung von C2 und somit seine Spannung beginnt sich stetig aber schnell umzukehren und nimmt eine zu vorher umgekehrte Polarität an, sobald T4 sperrt.
Der von der Induktivität der Relais-Spule weitergetriebene Strom beginnt sich über die Freilaufdiode freizulaufen sobald T5 keinen Strom mehr durchlässt.
Ab diesem Zeitpunkt ist die Basis von T4 (also der Punkt zwischn C2 und C3) um eine Dioden-Vorwärtsspannung (ca.0,7V) über der Batteriespannung.
Die Spannung an der Relaisspule hat sich umgekehrt und der Spulenstrom fällt langsam ab.
Der Relaiskontakt fällt ab sobald die im Magnetfeld gespeicherte Energie nicht mehr ausreicht, den Kontakt geschlossen zu halten.
Dieser Vorgang ist in der Simulation leider nicht exakt abgebildet, da der spannungsgesteuerte Schalter aus LTspice, mit dem das Relais grob nachgebildet wurde, die wahre Physik des Relais nicht beinhaltet.
In der Simulation fällt der Relaiskontakt daher schon etwas früher ab (wenn die Spulenspannung 1V unterschreitet und nicht nachdem sich die Spulenspannung umgekehrt hat).
Das Abfallen des Relaiskontakts ändert die Spannungsverhältnisse der Schaltung wieder, da nun Kl.49 und Kl.49a nicht mehr über den Relaiskontakt direkt verbunden sind sondern nur noch über "RN1 || RN2+R7".
In weiterer Folge können die Kondensatoren C2 und C3 können ihre Ladung nun über R7 nach Kl.49a und über den Blinkerschalter und die Blinkerglühlampen nach Masse abgeben.
Genauer gesagt hatte C2 im Zeitraum kurz vor Abfall des Relais negative Ladung. D.h. C2 wird nun wieder positiv geladen.
Das Spiel beginnt ab hier von Neuem. Allerdings sind die Zeitkonstante nun etwas anders, da an der ein oder anderen Stelle (in den Kondensatoren) noch Restenergie gespeichert ist. D.h. die Schaltung schwingt sich erst nach mehreren Blinkvorgängen ein. Dies verursacht die schwankende Blinkfrequenz, die jeder, der ein solches Moped mal gefahren ist, kennt.
Weiter ist noch zu sagen, dass die Schaltung auf zueinander passend ausgelegte Zeitkonstanten der Kondensatoren (tau=R*C) und der Relaisspulen-Induktivität (tau=L/R) angewiesen ist, um korrekt zu funktionieren.
Durch große Toleranzen, Temperatur- und Lebensdauerdrift, gerade bei den Kondensatoren, entsteht eine bestimmte Bandbreite und Veränderung der Blinkfrequenz.
Der Übergangswiderstand des Relais-Kontakts verschlechtert sich mit der Zeit aufgrund Lichtbogen, welche in jedem Schaltvorgang entstehen. Wenn aus Kl.49a also nicht mehr genug Spannung bzw. Leistung kommt, kann das daran liegen.
![[Bild: alter_nicd.jpg]](https://www.motelek.net/allgemein/info/messtechnik/alter_nicd.jpg)
![[Bild: motelek_logo.png]](http://www.motelek.net/motelek_logo.png){kind=logo}