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SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

Bereich für alle Themen rund um die Modellbahn-Elektronik und elektr. Umbauten für Analogbetrieb.
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Threadersteller
schumo99
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SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#1

Beitrag von schumo99 »

Hallo,

Ich habe mich mal an die Entwicklung einer für Modellbahner geeigneten Lade-/Entladeschaltung von Supercaps (oder auch Powercap, Goldcap, EDLC oder wie man die Dinger auch immer nennen möchte) gewagt. Damit kann man dann – ähnlich wie bei kommerziell schon erhältlichen Speichern (wie z.B von ESU oder Lenz) – Kontaktprobleme sinnvoll überbrücken.
Das Ganze sollte klein, leistungsfähig und möglichst selbst aufbaubar sein. Außerdem sollte es sich nicht erwärmen.
Und so sieht das dann aus:

Bild

Von links nach rechts: PowerCap-Lader 0805 mit 5V/0,47F als Modul, PowerCap-Lader 0805 mit 5V/0,47F, PowerCap-Lader 0805 mit 2,5V/2F, PowerCap-Lader 0603 mit 2,5V/1F als Modul, PowerCap-Lader 0805 Platine

Hier gibt's nochmal eine Vorstellung mit Demonstartion als Video: https://youtu.be/aaiVNy22MxE

Entscheidend bei einem Pufferspeicher ist vor allem auch die Baugröße, da in vielen Modellen relativ wenig Platz ist. Die Platine misst nur 15x11x4mm (0805) bzw. 14x10x4mm (0603). Die gespeicherte Energie ist in allen Fällen in denen Supercaps zum Einsatz kommen um ein Vielfaches größer als die eines Elkos oder von Tantal- bzw. Keramikkondensatornetzwerken und damit eigentlich immer mehr als ausreichend für kurze Unterbrechungen. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Supercaps über eine Elektronik entladen werden müssen und somit nur ein Teil der Energie auch wirklich zur Verfügung steht.

Leistungsfähigkeit
Ich habe für eine meiner H0-Loks (Roco V200 bei 15km/h) die zurückgelegte Wegstrecke ab Trennstelle ermittelt:
Ohne Kondensator (nur Auslauf): 0,4 cm
Elko 1000µF bei VGleis = 18V:1,1 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/1F (6mm Supercap): 2,5 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/1F (8mm Supercap): 3,1 cm
PowerCap-Lader mit 2,5V/2F: 8,7 cm
PowerCap-Lader mit 5V/0,47F: 20,9 cm

Wer möchte kann noch etwas mehr rausholen und die Kondensatoren bis zu Ihre Spezifikationsgrenze von 2,7 bzw. 5,4V laden. Das bringt ca. 20% mehr Leistung. Aufgrund der besseren Effizienz der gewählten Entladeschaltung bei höheren Ausgangsspannungen empfehle ich die Verwendung von 5V Supercaps.


Kann ich das noch selber aufbauen?
Im Selbstbau müssen Kompromisse eingegangen werden. Dadurch stehen nicht alle Schaltungsmöglichkeiten offen und durch größere Bauteiltypen nehmen auch die Platinenausmaße zu. Ich habe versucht mit den PowerCap-Ladern 0805 und 0603 einen guten Kompromiss zu finden und zwei identische Schaltungen entworfen, die je nach Lötkenntnissen selbst bestückbar sind. Die kleinsten Bauteile sind 0805 und SOD-123 bzw. 0603 und SOD-523. Die Leistungsfähigkeit der beiden Typen ist identisch. Mit etwas Geschick, kann man so also noch ein wenig Größe einsparen.

Ich will auch sowas - was brauche ich dazu?
Zu allererst mal eine ruhige Hand und etwas Übung im Löten. Dünner Lötzinn (0,5mm), eine feine Lötspitze und eine kleine Pinzette sollten schon verfügbar sein. Der PowerCap-Lader 0805 lässt sich meiner Meinung nach ganz gut aufbauen. Den 0603er schaffe ich selber auch noch ohne Probleme. Unbestückte Platinen habe ich noch. Die nötigen Bauteile und den Bestückungsplan findet ihr in einem separaten Dokument. Darin ist der Supercap nicht enthalten, weil dieser eigentlich nicht festgelegt ist. Man kann da nehmen was man will; wichtig ist ein ausreichend hoher Peakstrom (> 0,5A) bzw. wenn der nicht angegeben ist, kann man sich auch am ESR orientieren (< 1 Ohm).

Anbei der Bestückungsplan für die Baugröße 0805 (0603 muss ich noch zusammenstellen) und eine Kurzbeschreibung mit weiteren Infos.

EDIT: Es gibt auch eine etwas kleinere Version der Platine mit Bauteilen in 0603 und ein paar zusätzlichen Funktionen. Die Leistungsfähigkeit beider ist absolut identisch. Also, wenn's auf die Größe ankommt, am besten auch mal Post #47 anschauen...

Nachtrag: Platinen in der Baugröße 0805 sind leider vergriffen und wurden mittlerweile durch V2 in der Baugröße 0603 ersetzt. Die Beschreibung dazu ist in Post 47.

Nachtrag: Es gibt jetzt noch eine kleinere Version mit 0402er Bauteilen. Vorstellung dieser mit Bauteilliste in Post #120 und Video: https://youtu.be/2AqKPHZORpE

Nachtrag 13.04.21: Ich habe die Platinen umgestellt. Es gibt jetzt nur noch 0805 (gelb), 0402 (blau) und 0201 (weiß). Die Funktionalität ist unverändert und bei allen Versionen gleich. Der Grund für die Umstellung ist, dass man leichter die Enable/Charge-Leitung von Decodern, die das unterstützen, anschließen kann. Man muss das aber natürlich nicht und kann auch weiterhin einfach nur V+ und GND anschließen. Die neuen Baugrößen können leistungsstärkere Induktivitäten aufnehmen und sind sogar etwas kleiner als das bisherige Platinendesign:
  • 0805 (gelb): 14 x 10 x 4,5mm
  • 0402 (blau): 10 x 9,5 x 4,5mm
  • 0201 (weiß): 9 x 8 x 4,5mm
Ich habe dazu extra noch eine neue Aufbauanleitung geschrieben, die ihr hier als Anhang zu diesem Post findet. Diese beinhaltet auch mögliche Aufbauvarianten und Tipps zur Fehlersuche.

Viele Grüße
Matthias
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Zuletzt geändert von schumo99 am Di 13. Apr 2021, 17:40, insgesamt 6-mal geändert.
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CarstenLB
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#2

Beitrag von CarstenLB »

Hallo Matthias,

sehr interessant, vielen Dank.

Insbesondere gefällt mir, daß man Platine und Goldcap separat in der Lok unterbringen kann... wesentlich flexibler...

Hast Du auch Erfahrungen mit dem ESU LokSound? Bezüglich dem ESU PowerPack gibt es dort folgende Einschränkung:
http://www.esu.eu/support/faq/loksound/loksound-v40/
An meinem neuen LokSound V4.0 (M4) Decoder funktioniert das PowerPack nicht!
Entweder Sie möchten AUX6 benutzen, oder das PowerPack

Einen "normalen" Kondensator muß ich mal noch ausprobieren...
Viele Grüße

Carsten

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günTTer
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#3

Beitrag von günTTer »

Hallo zusammen,
ich bin in der glücklichen Lage, daß ich die SCL von Matthias schon testen konnte.
Da ich in Spur TT baue, habe ich meine Ergebnisse im TT-Forum vorgestellt. Im Anhang findet ihr meine Testergebnisse mit einer PIKO BR 294 und Lenz Silver+ PluX12.

Anbei der Link zum TT-Board https://www.tt-board.de/forum/threads/t ... ung.55682/.

mfG
Günter
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Viele Grüße aus Franken
Günter

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schumo99
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#4

Beitrag von schumo99 »

Hallo Carsten,
ich habe keinen ESU LokSound. Aus meiner Sicht sollte meine Schaltung überall funktionieren, wo auch ein normaler Pufferelko geht. Der Anschluss ist ja gleich. ESU verwendet ja beim PowerPack noch die 3.Leitung (Charge); vielleicht kann die der LokSound nicht beeitstellen. Meine Schaltung braucht die Chargeleitung nicht, sondern prüft selbst ob Gleisstrom da ist oder nicht und schaltet sich dann zu oder eben nicht.
Grüße
Matthias
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tramspotters
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#5

Beitrag von tramspotters »

Klingt sehr interessant. Wo genau wird denn der Goldcap angeschlossen? Braucht man dafür spezielle Decoder?

Threadersteller
schumo99
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#6

Beitrag von schumo99 »

Hallo,
da mich einige Fragen erreicht haben, schnell ein paar kurze Antworten:
  • Unbestückte Platinen könnt ihr von mir für 2,50€/Stück bekommen
  • Fertig aufgebaute Platinen habe ich nicht und plane das auch nicht. Man muss also selber löten, oder ein kommerzielles Modul von ESU oder Lenz kaufen ;)
  • Die benötigten Bauteile kosten ca. 4-5€/Platine je nachdem wo und wie viele man kauft. Leider gibt's nicht alle Teile bei "Conrad" und "reichelt", so dass man wahrscheinlich mehrere Versender nehmen muss, es sei denn man hat einen gut bestückten Vorrat zu Hause. Wenn gewünscht kann ich die Bauteile auch besorgen und Euch dann zur Verfügung stellen. Einen wirklichen finanziellen Vorteil bringt das, wenn eine größere Menge zusammen kommt.
  • Die Supercaps schließt man über deren 2 Pole direkt an der Platine an. Im ersten Post habe ich ein Foto verlinkt. Da sieht man, dass die Supercaps entweder direkt huckepack an der Platine anliegen oder über ein Kabel angeschlossen werden. So hat man die Möglichkeit kompakt zu bauen oder den Supercap an anderer Stelle der Lok zu platzieren, je nachdem wie die Platzverhältnisse sind. Auf der Platine sind entsprechende Lötpads vorgesehen.
  • Die besten Ergebnisse erzielt man mit den 5V Supercap-Typen.
  • Beim Aufbau bitte mit der Ladeschaltung des Supercaps anfangen. Das ist die Seite auf die der APS3211 IC sitzt. Immer mit den Bauteilen in der Mitte der Platine beginnen und dann nach außen vorarbeiten (sonst kommt man in der Mitte mit dem Lötkolben nicht mehr dran). Wenn die Ladeschaltung fertig ist, Strom anschließen (12-15V) und die ausgegebene Spannung an der Stelle kontrollieren, an der später der Supercap sitzt. Die Spannung darf hier nicht höher sein, als die Spezifikation des Supercaps. Danach die Rückseite der Platine bestücken und dabei wieder in der Mitte anfangen und nach außen vorarbeiten. Als letzte kommt dann der Supercap dran.
Grüße

Matthias
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schumo99
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#7

Beitrag von schumo99 »

Hallo,
Die Diode D1 und die Spule L1 sind entscheidende Bauteile für die Funktionsfähigkeit.
Bei der Auswahl bitte beachten:
- die Diode D1 sollte ein Rating für den Strom von 1,5A oder mehr haben
- die Spule L1 sollte mind. 2A Peakstrom verkraften, ohne in die Sättigung zu gelangen
- die Widerstände der Baugröße 0805 und 0603 sollten eine Genaugikeit von 1% haben
- der Widerstand der Baugröße 1206 muss mind. 500mW vertragen (bitte die 10 Cent mehr investieren, damit er nicht durchbrennt...)

Grüße
Matthias
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Hardi
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#8

Beitrag von Hardi »

Hallo Matthias,

das ist absolut genial!

Vielen Dank, das Du dieses Projekt mit uns teilst.

Wenn ich das richtig gesehen habe benutzt Du einen Step-Down Schaltregler zum Laden des Kondensators. Dadurch
  • wird die Schaltung nicht warm
  • ist der Wirkungsgrad deutlich höher
  • ist der Ladestrom 3 mal kleiner
=> Das muss ich unbedingt haben!

Ich wurde gerne 10 Platinen bei Dir bestellen. Ich schicke Dir gleich eine Mail.
Wenn Du Dir die Mühe machst die Bauteile zu bestellen, dann bin ich auch gerne dabei.

Könntest Du auch die Schaltung dazu zeigen?

Werbeeinblendung:
Falls Du es noch nicht gesehen hast, hier meine kleinen Bastelleien: https://www.stummiforum.de/viewtopic.php?f=7&t=165060

Hardi
Haltet Euch unbedingt von diesen Seiten fern:
͏͏͏ viewtopic.php?f=7&t=165060
͏͏͏ https://wiki.mobaledlib.de/
sonst wird Eure Anlage niemals fertig…

Unsere Anlage findet Ihr unter meinem Profil bei „Webseite“

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schumo99
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#9

Beitrag von schumo99 »

Hallo,
genau es ist ein Step-down Wandler damit man beim Laden des Supercaps nur eine geringe Wärmeentwicklung hat und dann ein Step-up Wandler um dem Lokdekoder wieder eine ausreichende Spannung (etwa 10V) zur Verfügung zu stellen. Das ganze wird kombiniert mit einer Spannungsmessung damit die Ladeschaltung abgeschaltet wird, wenn man Strom aus dem Kondensator entnehmen will. So beisst sich die Katze nicht in den Schwanz...
Grüsse
Matthias
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TTbeilroder
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#10

Beitrag von TTbeilroder »

Hallo,

Ja,eine Schaltung dazu ist nicht schlecht,mir den dazugehörigen Wandlern.
Im TT-FORUM kann man Ja die Anhänge net Öffnen.
Gruss
Volker
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günTTer
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#11

Beitrag von günTTer »

TTbeilroder hat geschrieben: Mo 19. Aug 2019, 14:50 ...
Im TT-FORUM kann man Ja die Anhänge net Öffnen.
Gruss
Volker
Also ich kann dort alles öffnen. Kann es sein, dass du im Tt-Board nicht angemeldet bist ?
Mfg
Günter

P.S.: Einen Schaltplan findest du im Tt-Board übrigens nicht, gibt es nämlich nicht.
Viele Grüße aus Franken
Günter

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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#12

Beitrag von TTbeilroder »

Hallo Günter,
Nein!
Warum sollte ich?
Gruss
Volker

cab
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#13

Beitrag von cab »

Hallo,
ein Schaltplan ist gar nicht nötig. Wenn man sich die Bauteile ansieht und dann die Datenbätter durchforstet sieht man schnell, dass es sich um die Standardapplikationen handelt. Auf der einen Seite die Ladeschaltung als StepDown und auf der anderern Seite die Pufferschaltung als Stepup. Genial :idea: übereinandergelegt und schon hat man was braucht. Ein bisschen Grips gehört natürlich auch dazu. :roll:
Grüße
Carsten

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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#14

Beitrag von TTbeilroder »

Hallo,

Leider haben nicht Alle soviel "Grips" wie unser cab......

Gruss

Volker
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günTTer
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#15

Beitrag von günTTer »

TTbeilroder hat geschrieben: Mo 19. Aug 2019, 15:25 Hallo Günter,
Nein!
Warum sollte ich?
Gruss
Volker
Hallo Volker,
um Anhänge laden zu können 😉

Mfg
Günter
Viele Grüße aus Franken
Günter

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Harald
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#16

Beitrag von Harald »

Hallo Matthias,

ich habe mal eine grundsätzliche Frage........... :wink:

Ist die Lok in dem Zeitfenster, in dem sie über den CAP mit Strom gespeist wird, digital steuerbar ?

Ich überlege, wie das ganze bei einer Lok aussieht, die über ein Computerprogramm gesteuert wird
mit Weg-Zeit-Berechnungen durch das Programm.


Viele Grüße von

Harald

vikr
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#17

Beitrag von vikr »

Hallo Harald,
Harald hat geschrieben: Di 20. Aug 2019, 22:26
ich habe mal eine grundsätzliche Frage........... :wink:

Ist die Lok in dem Zeitfenster, in dem sie über den CAP mit Strom gespeist wird, digital steuerbar ?
Sinn des Puffers ist den Decoder mit allem was dran hängt immer dann zu versorgen, wenn der Kontakt zur Schiene gerade unterbrochen ist. Solange fährt die Lok gemäß des letzten verstandenen Befehls weiter.
Wenn CV 3 bzw. CV 4 ungleich 0 sind, wird das auch performt. Der Computer kann seine Korrekturbefehle erst wieder los werden, wenn Kontakt besteht.

MfG

vik

jogi
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#18

Beitrag von jogi »

Hallo , Jogi hier


Lenz hat in der Köf auch einen GolCap Speicher.

Der erkennt aber, ob noch ein Digital Signal am Gleis anliegt , oder ob es Stromlos geschaltet ist.
Liegt das Signal noch an, kann man z.B. die Fahrtrichtung wechseln.
Siehe mein Video: https://www.youtube.com/watch?v=PEPouK-IXo0

Sollte nur eine Info sein
Bastelnde Grüße Jogi ;
Elektronische Bauteile kennen 3 Zustände:Ein-Aus-Kaputt".
K-Gleise,DCC mit IB .CS2 nur Test Mfx freie Zone.MoBa MÄ seit 1954.
Jogis Bahn
mein letzter Umbau
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günTTer
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#19

Beitrag von günTTer »

Harald hat geschrieben: Di 20. Aug 2019, 22:26 ...
Ist die Lok in dem Zeitfenster, in dem sie über den CAP mit Strom gespeist wird, digital steuerbar ?
Hallo Harald,
die Lok ist tatsächlich noch digital steuerbar Auch wenn keine Energie von den Schienen zur Lok übertragen wird, bleibt die Informationsübertragung Dank hochfrequenter Komponenten bestehen.

Nur wozu willst du die Lok steuern? Sinn der Pufferschaltung ist doch einen unversorgten Abschnitt zu durchfahren und nicht genau dort anzuhalten.

Mfg
Günter
Viele Grüße aus Franken
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#20

Beitrag von Pirat-Kapitan »

günTTer hat geschrieben: Mi 21. Aug 2019, 09:23 Nur wozu willst du die Lok steuern? Sinn der Pufferschaltung ist doch einen unversorgten Abschnitt zu durchfahren und nicht genau dort anzuhalten.
Moin Günter,
aber vielleicht beschleunigen oder kurz nach diesem stromlosen Abschnitt anhalten oder auch die Richtung wechseln?

Lenz hatte das auf einer Messe in H0 mal sehr schön mit einem auf das Gleis gelegten Blatt Papier demonstriert.

Schöne Grüße
johannes
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#21

Beitrag von volkerS »

Hallo,
normalerweise ist eine Lok, wenn sie aus dem Energiespeicher versorgt wird, nicht mehr steuerbar. Die Information wird ja über das Gleis übertragen. Hätte die Lok Kontakt zum Gleis bräuchte sie den Puffer nicht. Vielmehr fährt die Lok mit den Einstellungen, die sie zuletzt erhalten hat, weiter. Solange, bis der Puffer auch leer ist. Vorteil des Puffers ist, dass der Controller im Decoder weiterläuft und die sonst nötige Startsequenz des Controllers nicht durchlaufen werden muss.
Volker

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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#22

Beitrag von TTbeilroder »

Hallo,

Genauso ist es!

Gruss

Volker

Wolfgang181
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#23

Beitrag von Wolfgang181 »

Hallo Matthias,
vielen Dank für Deine Mühe und die Arbeit die Du Dir gemacht hast. :gfm:

Wenn ich mir das ansehe ist das genial und vom Preis her ja ungebrochen günstig.
Ich würde die Schaltung gerne aufbauen und testen.
Im Moment komme ich zwar arbeitsbedingt kaum zum Hobby, aber es kommt auch wieder die Zeit wo ich mich ausführlich der Leidenschaft Modellbahn hingeben kann.
Ich würde gerne erstmal 4 Platinen nehmen.
Schick mir doch bitte die Infos wohin ich was bezahlen soll, bzw. Deine Anschrift und Bankverbindung.
Muss nicht sofort sein, wäre aber schön wenn Du im September daran denken könntest.

Viele Grüße Wolfgang
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günTTer
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#24

Beitrag von günTTer »

Pirat-Kapitan hat geschrieben: Mi 21. Aug 2019, 12:33 Moin Günter,
aber vielleicht beschleunigen oder kurz nach diesem stromlosen Abschnitt anhalten oder auch die Richtung wechseln. ...
Hallo Johannes,
eine meiner Loks konnte bei einem Test sogar 2m durchfahren bzw nach 50cm stoppen und zurückfahren (0,25F/10V, TT V90). Das ist eine nette Spielerei, aber ohne praktischen Wert.
Eine Pufferung für 1 - 5 cm Fahrt reicht vollkommen, alles andere ist ein Fall für die Rad- und Gleisreinigung.

Mfg
Günter
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Re: SuperCapLader im Eigenbau: Goldcaps als Pufferspeicher

#25

Beitrag von vikr »

Hallo GünTTer
günTTer hat geschrieben: Mi 21. Aug 2019, 09:23 die Lok ist tatsächlich noch digital steuerbar ... Dank hochfrequenter Komponenten.
drahtlos? :o

MfG

vik
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