LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

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LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 22:54

Hallo Bastler und Interessierte!

Bereits im Sommer habe ich eine LGB 995001 mit RC-Steuerung und Li-Ionen-Akkus ausgerüstet. Die Dauerfahrzeit beträgt je nach Belastung 3 bis 5 Stunden! Dazu aber am Ende mehr.
00.K800_DSCF3102.JPG
Den Umbau als solchen habe ich inzwischen mit vielen Bildern und zahlreichen Tipps auf meiner Website dargestellt: http://www.gartenbahn.holger-gatz.de , daher will ich hier nicht auf diese Einzelheiten eingehen, sondern das Projekt mehr von der technischen Seite beschreiben als von der handwerklichen.


Hier aber erst die Liste der vorgenommenen Änderungen:
  • RC-Fernsteuerung mit 6 Kanälen (2 belegt)
  • Li-Ionen-Akkupack (3S1P) mit 2600 mAh
  • Einbau eines Li-Akku-Wächters
  • Austausch der Frontlaterne
  • Umbau der Beleuchtung auf LED (Laterne und Fahrstand)
  • Einbau einer Flacker-LED in die Feuerbüchse
  • Anschluß eines Verdampfers
Zuerst gibt es einen kleinen Überblick, eine Strom- und Signalskizze. Infos zu den einzelnen Komponenten mit Bezugsquellen folgen weiter unten im Bericht.

Strom- und Signal-Skizze

Zieht man auf der ersten Skizze eine Senkrechte von der Mitte etwas nach rechts versetzt, lässt sich der Aufbau thematisch sehr gut teilen: Links die Fernsteueranlage mit Empfänger, Fahrregler und Schaltmodule für die Funktionen; Rechts ist die Stromversorgung mit Akku-Pack, Sicherung, Umschalter auf Fahr- oder Ladebetrieb, Ladebuchse/Kabel und dem Li-Akku-Wächter.
LGB 995001 Schaltplan.jpg

Zur Fernsteuerung

Der Zusammenbau der Hauptkomponenten ist einfach:

Empfänger, Fahrregler und Schaltmodul lassen sich einfach zusammenstecken. Der Motor und dessen Spannungsversorgung erfolgt über Schraubklemmen am Fahrregler.
Beim Schaltmodul sind bereits Kabel für den Anschluss angebracht.

Wählt man einen Fahrregler mit BEC zur Stromversorgung des Empfängers (und möglicher Servos), bzw. mit automatischer Anpassung an den Regelbereich des Senders, so sind keine weiteren Einstellarbeiten nötig. Man kann nach dem Zusammenstecken also gleich losfahren ...


Etwas zur Stromversorgung

Der Akkupack besteht aus Batteriehalter und drei Li-Ionen-Zellen in Serienschaltung mit je 3,7 V Nennspannung. Da die Lok zwar recht genügsam ist, aber die gesamte elektrische Ausrüstung dennoch unter starker Beanspruchung bis zu 900 mA Strom zieht, sollten die Zellen für einen Dauerstrom von 1 A ausgelegt sein.
Dieser 2600-mAh-Typ in der Baugröße 18650 schafft in der Spitze bis zu 2C, also 2 x 2600 mA = 5,2 A ohne nennenswert in der Spannung einzuknicken. Daher ist eine 4-A-Sicherung vorgesehen, um ggf. bei einem "Unfall" einen Kurzschluss mit Kabelbrand zu verhindern.
LGB 995001 Stromversorgung.jpg
Als Schutz vor Tiefentladung dient der Akku-Warner, der ein optisches und vor allem starkes akustisches Signal beim Erreichen der Mindestspannung abgibt. Dazu später mehr.

Nötig ist dann noch der Umschalter, um zwischen Fahrbetrieb und Akkuladung zu wählen. Die Ladestellung ist gleichzeitig die Abschaltung für die Elektronik, also der An/Aus-Schalter für die Lok. Letztlich ist noch das modifizierte Balancerkabel zu erwähnen.
Dateianhänge
07.K800_DSCF3210.JPG
Empfänger und Multischalter haben hinter der Armatur Platz
05.K800_DSCF3163.JPG
Zuletzt geändert von gatzi am Mi 22. Okt 2014, 00:46, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 23:05

Die Kanalbelegung

Sie folgt meinem Schema wie ich es auch bei anderen Loks anwende:

Die Vor-/Rückwärtsfahrt wird über den linken Stellknüppel festgelegt. Dieser Knüppel wird im Allgemeinen mit einer Rastfunktion ausgeliefert. Feinfühliger geht es allerdins ohne sie.
Eingeplant ist hier in waagerechter Richtung das Schalten von ein bis zwei Servos. Bei einer 6-Kanal-Anlage kann das über zwei zusätzliche Schaltkanäle erfolgen, so dass dieser proportionale Kanal für andere Aufgaben zur Verfügung stünde.
Das Mehrfachschaltmodul für bis zu 4 Funktionen lege ich immer auf den rechten Steuerknüppel, ebenfalls in senkrechter Anordnung.
Hier (noch) nicht eingebaut ist ein Soundmodul, das bei mir rechts in waagerechter Richtung eingeplant wird und manuell 16 Sounds ertönen lässt (sowie bis zu 64 automatische), die wiederum 8 Ausgänge ansprechen können, die die Anlage also um weitere 8 Funktionen erweitert.
LGB 995001 Kanalbelegung.jpg

Die Komponenten

Die Akkuzellen

Als Akku-Zelle habe ich mich für das Modell ICR 18650-26FH von Samsung entschieden. Sie geben bei 3,7 V als Maximalstrom 5,2 A (2,0 C) ab, wobei die nutzbare Energiemenge auf 2040 mAh sinkt. Bei 1,0 C (2600 mA) gibt es aber noch eine Ausbeute von 2300 mAh, bei 0,5 C (1300 mA) über 2400 mAh und bei 0,2 C (520 mA) wenigstens 2550 mAh.
Alle genannten Zahlen gelten für eine Entladung herunter bis auf 2,75 V Mindestspannung, die im Betrieb aber tunlichst vermieden werden sollte.

Um also Strom hungrige Motoren zu versorgen, ist es besser, von einem Spitzenstrom von 5,2 A abzusehen, da dann die Akkus bis zu 20 % weniger Energie abgeben.
Besser ist es, die Stromentnahme auf 1,0 A, besser 0,5 A je Zelle zu verringern. So wird die gespeicherte Energie optimal genutzt. Dazu können die Zellen parallel betrieben werden.
Größere Akkus, die einen höheren Dauerstrom abgeben, verwende ich zukünftig nicht mehr, da sie vom Platz her nicht so flexibel eingebaut werden können, es für sie noch keine (billigen) Batteriehalter gefunden habe und sie preislich keinen wirklichen Vorteil bieten.

Legt man die garantierte Mindestkapazität und den Preis als Faktoren fest, gehört diese Zelle meiner Sicht in die engere Wahl. Dafür hat sie aber keinen Überlade- und Tiefentladeschutz, weshalb ein Akku-Warner nachgerüstet werden sollte.

Nachteil der Li-Technik ist die geringe Kältestabilität. Bei 0° C stehen nur 80 % der Kapazität zur Verfügung, bei -10° C sogar nur 50 %. Die ideale Temperatur für diese Akkutechnik liegt bei 25° C, auf die sich auch alle technischen Angaben beziehen.

Bezugsquellen (grundsätzlich nur beispielhaft!):
Akkuteile.de https://www.akkuteile.de/samsung-icr-18 ... /a-100609/
Akku-Store24.de http://www.akku-store24.de/Akku/Industr ... zelle.html
Dateianhänge
01.K800_DSCF3014.JPG
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 23:12

Der Akku-Warner

Er stammt direkt aus China und hat neben einem Display zwei starke Piezo-Summer. Bis zu 8 Zellen können überwacht werden, wobei die Mindest-/Alarmspannung angepasst werden kann.
Die Anzeige zeigt im Wechsel die Gesamtspannung und die Spannungen der einzelnen Zellen. Bezogen habe ich den Warner über ebay. Suchwörter sind z.B. Lipo, Tester, Alarm, buzzer
LGB 995001 Akku.jpg
LGB 995001 SAkkuwaechter.jpg
05.K800_DSCF3170.JPG
10.K800_DSCF3260.JPG
Anzeige der Gesamtspannung
10.K800_DSCF3276.JPG
Anzeige einer einzelnen Zellenspannung, fotografiert durch ein Fenster des Fahrstands.
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 23:19

Schaltregler

Dies ist auch ein Modul aus asiatischen Landen. Eingestellt auf 5,5 V liefert es bis zu 1 A, hier für den Verdampfer und die Beleuchtung.
05.K800_DSCF3174.JPG

Der 6-Kanal-Empfänger (2,4 GHz)

Er muss an den Sender “gebunden” werden. Mehrere Empfänger können mit einem Sender verbunden sein, so dass man im Betrieb das aktive Modell ein- und die nicht benötigten ausschalten muss. Umschalten per Fernbedienung ist mit Zusatzmodule auch möglich.
Nachträglich können die Empfänger natürlich mit einem anderen Sender (in der Regel desselben Herstellers) gebunden werden.
Bei Sender mit Speicherplätzen lassen sich die einzelnen Modelle individuell voreinstellen z.B. mit Fahrkurve oder Servoeinstellungen.
Die vorliegende Fernsteuerung ist von Hobbico. Eine 6-Kanal-Fernsteuerung mit Sender (Ttx650, 20 Speicherplätze) und Empfänger (TR624) ist für 129 EUR im Handel zu bekommen.
Je nach Anzahl der benötigten Empfänger kann ein teurer Sender durchaus Sinn machen, wenn der Preis der Empfänger entsprechend klein ist oder man auf "Nachbauten" zurückgreifen kann.
05.K800_DSCF3177.JPG

Mehrfachschalter

Dieser ist ebenfalls von Modellbau-Regler.de. Mit ihm lassen sich mit einem RC-Kanal vier Funktionen schalten. Der Strom darf bis zu 2 A je Ausgang getragen, die Spannung bis zu 20 V. Als Memorie-Schalter merkt er sich den Schaltzustand: Beim ersten Betätigen ein, beim zweiten aus, ...
Auf dem Markt gibt es ein breites Angebot an verschiendenen SChaltbausteinen die vielseitig einstellbar sind (Dauer-, Moment- oder Blinkfunktion), auch mit mehr Funktionsausgängen und die oft mit Zusatzfunktionen programmiert sind. Wie bei vielen Komponenten der RC-Welt genügt oft bloßes Verbinden mit dem Empfänger, um sie zu betreiben, eben Plug 'n' Play ...
05.K800_DSCF3190.JPG
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 23:24

Seuthe-Verdampfer

Die Nr. 5 ist ein "Klassiker". Vielfach in analogen Loks mit Spannungsbegrenzung eingesetzt, arbeitet er im Spannungsbereich 4,5 - 6 V. Der Verbrauch liegt bei 260 mA. Beliebt ist er auch im Schiffsmodellbau.
Der Verdampfer wird auch von anderen Modellbahn/-bau-Hersteller angeboten, dann unter den eigenen Marken wie z.B. LGB und Graupner.
Der Verdampfer hat keinen Trockenlaufschutz, kann aber dennoch trocken betrieben werden, wenn die Spannung 6 V nicht übersteigt.
Bei mir ist die Versorgungsspannung auf 5,5 V eingestellt, was kaum die Rauchwirkung mindert, aber die Lebensdauer verlängert.
05.K800_DSCF3178.JPG

Fahrregler

Modellbau-Regler.de stellt eine Anzahl sehr leistungsstarker und feinfühligen Fahrregler her, alle mit einer hohen Schaltfrequenz von 18 kHz, so dass es kein Motorpfeifen gibt.
Hier ist ein Bausatz verbaut, der eben zur Hand war, der "Volksregler 2". Der Zusammenbau ist unkomplizert, die Leistungsdaten imposant: 15 A Dauerstrom bei 14 V, in der Spitze 20 A.
Die Regelung ist feinfühlig und liefert 1 A für Empfänger und Servos.
Inzwischen würde ich aber eher zum AS12/6RW EASY greifen, da 6 A Dauerstrom im Gartenbahnbereich allgemein genügen, sogar kurzzeitig 10 A möglich sind. Die Größe beträgt dabei nur 20 x 17 x 5 mm! Der Regler ist komplett aufgebaut und passt sich automatisch an den Empfänger/Sender an. Allerdings müssen Empfänger und Servos separat mit Strom versorgt werden, da er kein BEC hat.
05.K800_DSCF3181.JPG
10.K800_DSCF3278.JPG
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Di 21. Okt 2014, 23:30

Beleuchtung

Über Flacker-LEDs aus Teelichte muss nicht gesondert berichtet werden oder über LEDs für Fahrstand und Loklaterne.
Interessant vielleicht der Hinweis, dass ich gerne Widerstände verwende mit doppelten oder dreifachen Werten als errechnet, um das Licht etwas zu dimmen. Oft sind die LEDs zu hell, so dass sie oft nachgefärbt werden. Wählt man allerdings statt dessen einen größeren Widerstand, spart man auch "kostenbaren" Akkustrom. Das zahlt sich besonders in der Masse aus.
Außerdem entspricht eine dezentere Beleuchtung oft eher dem Vorbild.
06.K800_DSCF3198.JPG
06.K800_DSCF3249.JPG

Sichern und Umschalten

Sicherung und Umschalter lassen sich gut hinter den Aufstiegen zum Fahrstand verstecken. Für den Schalter habe ich allerdings einen weniger getarnten Platz gewählt, um ihn besser erreichen zu können.
Denkbare Anschlüsse des Kippschalters sind: Umschalter von Fahrbetrieb auf Akkuladung, als An-Aus-Schalter um lediglich den Akku vom "Bordnetz" zu trennen oder als Umschalter von Schienen- auf Akkustrom.
In allen Fällen muss darauf geachtet werden, dass bei Betriebsende neben der verbauten Elektronik/Elektrik auch der Akku-Warner vom Akku getrennt wird, damit er diesen nicht langsam aber sicher leert.
08.K800_DSCF3214.JPG
08.K800_DSCF3225.JPG
08.K800_DSCF3255.JPG
Etwas roter Schrumpfschlauch auf dem Kipphebel tarnt diesen, so dass der Hebel auf höhe der Kupplung kaum auffällt
Zuletzt geändert von gatzi am Mi 22. Okt 2014, 00:12, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: LGB 99 5001: Umbau auf RC und Li-Ionen-Akku

Beitrag von gatzi » Mi 22. Okt 2014, 00:11

Nun zum Ergebnis:

Die Lok fährt bei einer Spannung von rund 11 V mit ihrer vorbildlichen Geschwindigkeit (25 km/h beim Vorbild), schafft sogar "45 km/h" im Dauerbetrieb. Je nach länge des Zuges und eingeschalteten Verbraucher können ununterbrochene Fahrzeiten von gut 3 - 5 Stunden erreicht werden:


Test 1

Bei 30 km/h Vorbildgeschwindigkeit, zwei Zweiachsern, eingeschaltetem Licht und Verdampfer beträgt der Verbrauch knapp 500 mA/h. Dabei zieht der Verdampfer mit 260 mA noch den Löwenanteil.
Hierbei konnte eine Dauerfahrzeit von 5 Stunden erreicht werden, bis der Warner bei 3,3 V Mindesspannung Alarm schlug.
11.K800_DSCF3284.JPG

Test 2

Im zweiten Durchlauf wurde die Höchstgeschwindigkeit (umgerechnet 45 km/h) eingestellt. Zwei zusätzliche Wagen kamen hinzu, alle Verbraucher waren weiterhin eingeschaltet. Nach knapp 3 Stunden war die Untergrenze von 3,3 V erreicht. Der Verbrauch betrug laut Ladevorgang 2640 mA, was knapp 900 mA/h ergibt.
113.K800_DSCF3304.JPG

Fazit:

Mit dem Ergebnis hält die Lok einen ganzen Fahrtag durch. Die Akkus sind innerhalb von 3 - 3,5 Stunden nachgeladen. Platz wäre noch für ein weiteres Akkupack, so dass Fahrzeiten von 10 Stunden nicht unmöglich - und bezahlbar - sind, denn der Akkusatz - so wie ich ihn verbaut habe mit Batteriehalter, Akkuwarner, Ladekabel und Akkuzellen - hat mich keine 20,- EUR gekostet (incl. Versandkosten verteilt auf eine Menge von 5 Loks).

Zähle ich die Preise für alle Fernsteuer-Komponenten zusammen:
  • Empfänger 19,- EUR
  • 6-Ampere-Fahrregle 18,- EUR
  • Akku mit Halterung und Akkuwarner 20,- EUR
  • 4-fach-Schalter 19,- EUR,
ergibt das einen Gesamtpreis von 76 EUR, was durchaus preiswert ist für eine Funk gesteuerte Lok ist, die unabhängig vom Schienenstrom auf Analog- und DCC-Anlagen fahren kann.

Für 110 EUR mehr erhält man den Sender (im Set mit einem Empfänger für 129 EUR), der in 20 Speicherplätzen für Modelle je eine Motorkurve und Anschlageinstellungen für die Servos, sowie Schalterbelegungen und Servokombinationen abspeichert.

Weitere Umbauten werden also folgen ...

Viele Grüße
Holger
Dateianhänge
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