Modellbahnelektronik

Die elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Alle physikalischen Vorgänge und Zustände in der Elektrotechnik werden durch ruhende oder bewegte elektrische Ladungen verursacht.

Jeder elektrische Leiter enthält eine große Anzahl von beweglichen Elektronen. Sie ermöglichen erst den Transport von Ladungen und dadurch den elektrischen Strom.

Die elektrische Stromstärke beschreibt den Ladungstransport pro Zeiteinheit. Mathematisch dargestellt sieht dass so aus.

 dQ sind die Ladungsträger, dt ist die für den Ladungstransport betrachtete Zeit. Der elektrische Strom ist aber mit dieser Darstellung noch nicht vollständig beschrieben. Die Angabe seines Wertes ist nur in Verbindung mit der Richtung sinnvoll. In der Technik ist die Bewegung des Stromes entgegen der Bewegungsrichtung der Elektronen definiert.

Einer Ladung kann an jedem Ort ein definiertes Energieniveau zugeordnet werden. Bezeiht man das Energieniveau auf die Ladung selbst, erhält man das elektrische Potenzial φ. Es ist ein Maß für das auf die Ladung bezogene Energieniveau eines Punktes in einem elektrischen Stromkreis. Für eine Gleichspannung U zwischen zwei Punkten a und b gilt dann:

Damit haben wir die 2 wesentlichen Grundgrößen im Gleichstromkreis beschrieben und wir werden uns gleich der Anwendung im Gleichstromkreis zuwenden.

Im Bild ist der Grundstromkreis zu sehen. Er besteht aus einer elektrischen Quelle mit einem Plus- und einem Minuspol. die Punkte a und b befinden sich jeweils auf dem Potenzial φa und φb. Die Spannung ergibt sich aus der Gleichung

Uq =Uab = φa - φb

Beim Schließen des Schalters S beginnt nun ein Strom von höheren zum niedrigeren Potenzial zu fließen. Dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall Uv über den Verbraucher Ev.

In der Technik wird dann der Stromkreis nochmals etwas anders dargestellt:

Die Stromquelle wird vereinfacht als Kreis dargestellt. Da jede Stromquelle einen inneren Widerstand hat wird dieser als Innenwiderstand bezeichnet. Der Verbraucher als passives Element wird in unserem Beispiel als Ohmscher Widerstand dargestellt. Er setzt die zugeführte elektrische Energie in Wärme um.

Im Kurzschlussfall ist der Widerstand Ra sehr klein. Damit sind wir schon bei unserer ersten Rechnung für die Modellbahn am einfachen Gleichstromkreis.

Eine der wichtigsten Berechnungsformeln auf der Modellbahn ist die Berechnung des Spannungsverlustes. Nahezu jeder kennt das Phänomen, dass Lokomotiven auf einer Modellbahn in langen Gleisabschnitten langsamer werden. Das liegt zumeist daran, dass es sich bei den typischerweise verwendeten Modellbahnmotoren um Permanentmagnet Elektromotoren handelt. Diese haben die Eigenschaft, dass die Drehzahl von der Spannung abhängig ist. Bei entfernten Streckenabschnitten sinkt die Spannung ab und damit auch die Drehzahl des Motors. Die Lokomotive wird langsamer.

Natürlich beeinflusst dieser physikalische Effekt auch eine Reihe andere Prozesse. Es ist daher für uns wichtig, den Spannungsabfall beziehungsweise den Widerstand zumindest abschätzen zu können. Die entsprechende Formel lautet:

In der Formel steht l für die Länge und A für den Querschnitt des entsprechenden Leiters.

ρ ist eine Werkstoffkonstante und steht für den spezifischen Widerstand. Bei Kupfer bei 20°C gilt ρ = 0,0168 Ωmm²/m

Der Einfachheit halber rechnen wir immer bei 20°C, wohlwissend dass die Rechnung auch von der Temperatur abhängig ist, da sich der spezifische Widerstand mit der Temperatur verändert.

Für die Berechnung des Spannungsabfalls können wir die Formel des spezifischen Widerstandes in die Gleichung zum ohmschen Gesetz einfügen.

U=R*I

Berechnungsbeispiel: Die Zuleitung zu einem Boosterabschnitt ist 3m lang. Der Maximalstrom wird mit dem Kurzschlusstrom von 3A gleichgesetzt. Da der Booster durch die eingebaute Kurzschlusssicherung beim eingestellten Kurzschlussstrom, in unserem Fall 3A abschaltet kann kein größerer Strom auftreten.

In unserem Beispiel tritt bei der von uns verwendeten Litze rechnerisch ein Spannungsabfall von 0,36V auf. Da wir in der Rechnung den Auslösestrom der elektronischen Sicherung im Booster als Strom eingestezt haben, können wir davon ausgehen, dass der tatsächliche Strom deutlich niedriger liegt. DAs führt dazu, dass der Spannungsabfall auch deutlich niedriger ausfällt. Auch in Anbetracht dessen, dass in der Rückleitung ein Spannungsabfall entsteht kann man davon ausgehen, dass insgesamt der Spannungsabfall unter 1V liegt. Bei einer digital Versorgungsspannung von ca. 18V sind das etwa 5%. Der Wert kann ohne Probleme toleriert werden. In der Praxis hat sich auch gezeigt, dass bei Rückmelderanspeisungen eine 0,14mm² Litze ohne Probleme verwendet werden kann, soweit der Strom auf 3A (unser typischer Booster Kurzschlussstrom) abgesichert ist.

 ACHTUNG: Bei Verwendung von leitungsstärkeren Boostern (z.B 5A oder 8A) ist diese Auslegung nicht geeignet. Wir hatten in der Gleiswendel einen 8A Booster, der irrtümlicherweise mit 0,14mm² Litze angeschlossen wurde. Dabei entstand ein klassischer Kabelbrand ohne dass die Sicherung ausgelöst hat.

Es gibt kaum ein Thema, dass die Funktionsfähigkeit einer digitalen Modellbahn so stark beeinflusst, wie die grundlegende Anlagenmasse. Darunter ist im wesentlichen zu verstehen, wie die Ströme der einzelnen Verbraucher wieder zurück zur Spannungsquelle fließen.

In den frühen Märklin Tagen des 20. Jahrhunderts war diese Frage sehr schnell beantwortet. Das durchgehende Metall-Gleisbett schuf eine hervorragende Basis als gemeinsame Masse. Damit war auch das System der gemeinsamen Masse schnell weit verbreitet und hat sich in vielen Bereichen bis heute gehalten. Die große Herausforderung moderner Digitalsteuerungen ist aber, dass dieses sehr einfache System in vielen Bereichen nicht mehr den Anforderungen der modernen Digitalkomponenten gerecht wird.

Viele moderne Booster kommen mit einem gemeinsamen Rückleiter nicht mehr zurecht. Unter Synchronisierungsprobleme werden dazu einige wesentliche Grundlagen beschrieben.

Wir groß ist nun die effektive Motorleistung unserer Lokomotiven.

Mit der Formel P = U*I (vgl. Grundlagen) kann die Leitung im Gleichstromkreis relativ leicht berechnet werden. Für H0 Lokomotiven im Digitalbetrieb kann man davon ausgehen, dass die Motoren nur in seltenen Fällen mehr als 1A Motorstrom ziehen. Bei einer effektiven Motorspannung von ca. 14 V ergeben sich daraus 14V*1A=14VA=14W. Dieser Wert unterliegt natürlich großer Streuung, aber mir ist noch keine sauber funktionierende Lokomotive untergekommen, die im Betrieb deutlich mehr als 1A Motorstrom gezogen hat.

Seit einigen Jahren geistern die kleinen Italiener durch die Modellbahnwelt. Ursprünglich stammt das System tatsächlich aus Italien. In der Zwischenzeit gibt es aber eine kaum überschaubare Anzahl an Clones.

Die CDE Schnittstelle ist keine Schnittstelle an sich. Dabei handelt es sich lediglich um eine 3-polige Anschlussmöglichkeit für Booster. 2 Drähte beinhalten das Digitalsignal, 1 Draht beinhaltet die Kurzschlussrückmeldung.

Auf der Homepage des Modellbahnclub Sankt Florian werden unterschiedliche Lokomotiven beschrieben.

Eine vernünftige Waggonbeleuchtung selbst zu bauen ist einfacher als erwartet und eine Menge Bastelspaß für einen Nachmittag. Die Schaltung zeigt ganz einfach wie es geht.

Als Bauteile benötigt man je Wagen:
1 Brückengleichrichter                            € 0,20 
je nach Wagenlänge 2 bis 8 weiße LEDS à 0,20      € 1,60
je LED eine Vorwiderstand ca. 1kOhm   à 0,15      € 1,20
1 Ladewiderstand ca. 200Ohm                       € 0,15
1 Platinenstreifen                                € 1,00
--------------------------------------------------------
Summe                                             € 4,15

Damit erhalten Sie ab unter 5 Euro flackerfreies Licht 
in Ihren Personenwagen 

Bastelspaß ist gratis Der Aufbau geht sehr leicht von der Hand. Die Platine wird der Länge nach in Streifen zerschnitten, die genau 3 Leiterbahnen breit sind. Das geht am besten mit einer kleinen elektrischen Säge (Proxxon) oder einer kleinen Bandsäge.

Das Bild zeigt den schematischen Aufbau auf einer Lochrasterplatine. Die Leiterbahn ist 2x zu durchtrennen. Die einzige Fehlerquelle ist eine Verpolung von Bauteilen. Bei den Brückengleichrichtern sind + und - aufgedruckt. Am Kondensator ist die Polung ebenfalls aufgedruckt. Bei den LEDs ist das lange Beinchen der Plus-Pol.

Die Unterscheidung von Kabeln auf der Anlage ist sehr wichtig, um Fehlverkabelungen vorzubeugen. Wir haben ein ganz einfaches Schema entwickelt:

• rot/gelb verdrillte Leitungen liefern ein DCC Signal und sind direkt mit der Zentrale verbunden
• rot/schwarz verdrillte Leitungen sind Leitungen zu Weichenantrieben
• rot rote Leitungen sind Rückmelderleitungen und “Zuleitungen der Gleisversorgung”
• schwarz werden Rückleitungen vom Gleis ausgeführt
• gelb/weiss 16V Wechselstrom für Licht und andere Verbraucher
• Loconetkabel
• Netzwerkkabel

Um über den Verlauf von Kabeln genau Bescheid zu wissen werden alle Kabel an den beiden Enden beschriftet. Je nach Kabellänge werden auch im Verlauf noch Beschriftungen angebracht. Das entsprechende Schema ist ganz einfach.

• B0001 Boosterleitung - je nach Farbe handelt es sich um ein Hin- oder Rückleitung. Die Nummer entspricht der Nummerierung in der Dokumentation bzw. der entsprechenden DCC/Loconetadresse.
• W0001 Weichenansteuerung - die Kabel können abhängig vom Weichenatrieb 2- oder 3polig sein und bestehen zumindest aus einer roten und einer schwarzen Litze. Sie verbinden die Weiche mit dem Weichendecoder

Das H0 Zweileitersystem ist zweifelsfrei das am weitesten verbreitete Modellbahnsystem. Dabei wird der Fahrstrom von einer Schiene des Gleises zur über den Motor zur zweiten Schiene geleitet. Im 2-Leiter System kommen typischerweise Gleichstrommotoren zu Einsatz. Dadurch ist das System zumindest vom prinzipiellen Aufbau einfach, robust und preiswert.

Das Bild zeigt die drei wesentlichen, jemals verwendeten Systeme. Beim 2-Leiter Gleis, links im Bild, kommt der Strom von einer Schiene läuft durch den Motor und durch die zweite Schiene zurück ans Steuergerät.

Bei “dreischienigen” System von Märklin kommt der Strom aus dem Mittelleiter, läuft über den Motor und beide Fahrschienen zurück an das Steuergerät. Der große Vorteil war über viele Jahre die Möglichkeit Kehrschleifen problemlos zu durchfahren. Mit der Verbreitung elektronischer Bauteile ist das in den Hintergrund getreten.

Bei den 2 Bildern für das TRIX EXPRESS System wird der Strom vom Mitteleiter zum Motor geleitet (und dann jeweils nur über eine Fahrschiene zurück zum Regelgerät. Die Möglichkeit 2 Züge auf einem Gleis unabhängig voneinander zu betreiben hats sich jedoch spätestens mit Einführung der Digitaltechnik technisch überholt. Für TRIX EXPRESS gibt es noch eine kleine Fangemeinde.

Ein elektrischer Kurzschluss ist eine nahezu widerstandslose Verbindung der beiden Pole einer elektrischen Spannungsquelle, oder allgemeiner zweier Schaltungspunkte mit normalerweise verschiedenem Potential, durch die die Spannung zwischen diesen Teilen auf einen Wert nahe null fällt. Dieser Begriff bezeichnet sowohl die physische Verbindung (ohne Stromfluss) als auch das Ereignis des extremen Stromflusses durch diese Verbindung, sobald sie oder die Spannungsquelle aktiviert werden. Wikipedia, abgerufen am 2023-05-29

Leider sind Kurzschlüsse auf der Modellbahn ein nahezu regelmäßiger Betriebszustand. Das viele Gründe über die man hier diskutieren könnte. Als Beispiel soll nur das unten angefügte Bild dienen. Wir hatten plötzlich das Problem, dass unsere Rückmelder zeitweise stark zu blinken begannen. Nach mehreren Stunden Suche war das Problem gefunden. Eine Neue Lokomotive vom Hersteller ESU zieht beim Überfahren der PIKO Herzstücke Funken. Der Radreifen verbindet die beiden Flügelschienen und löst das Problem aus. An einer Lösung wird gearbeitet.

Im Bild ist das Aufblitzen des “Kurzschlusses” recht schön zu erkennen. Die Folgen sind weniger schön. In dem Moment erkennt natürlich der Booster einen Kurzschluss, schaltet sich ab und kurz darauf wieder ein. Die Rückmelder spielen verrückt und es kommt unweigerlich zu Störungen im Fahrbetrieb.

Ist halt alles nur Spielzeug für große Männer.

In der Configuration Variable 1 (CV1) wird die Lokadresse gespeichert. Diese Adresse dient dazu, eine Lok eindeutig zu identifizieren.

Dieser Variable dient dazu, die Anfahrspannung, bei der die Lokomotive gerade sauber anfährt einzustellen. Ein zu großer Wert führt beim Anfahren zu einem Ruck, ein zu kleiner Wert führt möglicherweise dazu, dass die Lokomotive nicht anfährt.

Mit der CV3 kann das Anfahrverhalten der Lokomotive verändert werden. Ein großer Wert läßt die Lokomotive langsam beschleunigen. Kleine Werte führen dazu, dass die Lokomotive rasch beschleunigt.

• 28 Heljan
• 40 Kato
• 53 Rautenhaus
• 62 Tams Elektronik
• 85 Uhlenbrock
• 97 Doehler und Haas
• 99 Lenz
• 101 Bachmann Trains
• 109 Viessmann
• 115 Dietz
• 117 cT Elektronik
• 123 Massoth
• 129 Digitrax
• 131 Trix
• 145 Zimo
• 151 ESU
• 155 Fleischmann
• 157 Kühn
• 159 LGB
• 161 Roco
• 186 Brawa

Die NEM650 ist eigentlich keine Schnittstelle im engeren Sinn. Vielmehr werden in der NEM650 die Farben der Drähte und die Verkabelung einer Modellbahnlokomotive ohne Decoderschnittstelle beschrieben. https://www.morop.org/downloads/nem/de/nem650_d.pdf

Die NEM651 beschreibt die ursprüngliche 8-polige Schnittstelle, wie sie lange in den verschiedensten Lokomotiven angewendet wurde https://www.morop.org/downloads/nem/de/nem651_d.pdf

Die NEM652 Schnittstelle entstand als sehr flache 6-polige Schnittstelle für kleine Spurweiten https://www.morop.org/downloads/nem/de/nem652_d.pdf

Landläufig ist die Schnittstelle als PluX8, PluX12, PluX26 und PluX22 bekannt. Die Kontaktbelegung folgt aber einem sehr gut durchdachten System, so dass damit eine große Bandbreite bedient werden kann. https://www.morop.org/downloads/nem/de/nem658_d.pdf

Die Schnittstellen NEM660 und NEM662 sind defacto Märklin und Kühn Standards und werden hier nicht weiter beschrieben.