Modellbahn-Elektrotechnik
Energie nutzen
Am Fluss treibt das von der Schwerkraft angetriebene Wasser z. B. Mühlräder an, oder Wasserkraftwerke, die elektrische Energie erzeugen. Nach dem Energieerhaltungssatz geht nichts verloren, es wird nur eine Energieform in eine andere umgewandelt.
Energieverbrauch
Der bekannteste elektrische Verbraucher ist die Lampe. Sie setzt dem Strom einen Widerstand entgegen, der von der Spannung überwunden werden muss. Das geht nicht ohne Verlust elektrischer Energie vonstatten, und dieser Verlust zeigt sich in Licht und Wärme, die die Lampe ausstrahlt. (Da die Wärmeerzeugung der Glühfadenlampen die Lichterzeugung um ein Vielfaches übertrifft, ist sie heute weitestgehend von der Leuchtdiode abgelöst.)
Was da umgewandelt oder landläufig verbraucht wird, ist allerdings nicht der elektrische Strom, sondern das elektrische Potential, die Spannung. Korrekt formuliert, verbraucht sich der Potentialunterschied.
Je höher die Spannung, desto mehr Energie – was zur Folge hat, dass sehr viel Spannung gefährlich sein kann. Ab ca. 40 Volt kann ein Stromschlag gesundheitliche Auswirkungen haben.
Die Spannung übt den Druck aus, der die Elektronen durch die Leiter strömen lässt. Je höher dieser Druck, umso kräftiger der Stromfluss, die Stromstärke.
Das geht aber nicht unbegrenzt, denn die Leitfähigkeit des leitenden Mediums ist unterschiedlich. Je mehr Widerstand den Elektronen entgegengesetzt wird, desto geringer ist der Stromfluss.
Die Leistung ist der vierte wesentliche Wert, den wir in der Elektrotechnik beachten müssen: einerseits als Eingangsleistung, die bei der Modellbahn der Trafo zur Verfügung steht, andererseits als Summe der Bedarfe, die wir von so einem Trafo bedienen lassen. Ist der Leistungsbedarf zu hoch, können nicht alle Verbraucher ausreichend bedient werden: Lampen glimmen nur, Weichen schalten nicht, Züge bleiben stehen.
Stromhungrige Verbraucher machen uns Modellbahnern von jeher zu schaffen. Auf weiteren Seiten gibt es Tipps, wie wir uns dagegen wappnen, dass der Trafo schlappmacht.
Vor allem fällt auf, dass Magnetartikel wie Motoren und Weichenantriebe einen weit höheren Stromfluss erfordern als die Beleuchtung.
Das Ohm’sche Gesetz
Die wichtigsten Erkenntnisse zum Stromfluss und Widerstand verdanken wir dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm (1787−1854), der die Zusammenhänge von Spannung, Stromstärke, Widerstand und Leistung erkannte und in seinem berühmten »Ohm’schen Gesetz« niederlegte. Ihm zu Ehren wird der elektrische Widerstand in Ohm gemessen und mit dem griechischen Buchstaben Ω abgekürzt.
Die wichtigste Erkenntnis Ohms war jene, dass die elektrischen Faktoren Spannung, Stromstärke, Widerstand und Leistung miteinander verquickt sind. Seine elementare Erkenntnis fasste er in die Formel der Abhängigkeit des Stroms von Spannung und Widerstand: Spannung ÷ Stromstärke = Widerstand.
Um die Formel einfacher schreiben zu können, verwendet man international die Kurzzeichen:
U für Spannung, I für Stromstärke und R für Widerstand.
Die Formel lautet dann U ÷ I = R.
Fehlt noch die vierte Bezugsgröße, die Leistung.
elektrische Leistung = Spannung × Stromstärke
Da N für die elektrische Leistung steht, lautet diese Formel symbolisch N = U × I.
Die Leistung ist der vierte wesentliche Wert, den wir in der Elektrotechnik beachten müssen: einerseits als Eingangsleistung, die bei der Modellbahn der Trafo zur Verfügung steht, andererseits als Summe der Bedarfe, die wir von so einem Trafo bedienen lassen. Ist der Leistungsbedarf zu hoch, können nicht alle Verbraucher ausreichend bedient werden: Lampen glimmen nur, Weichen schalten nicht, Züge bleiben stehen.
Stromhungrige Verbraucher machen uns Modellbahnern von jeher zu schaffen. Auf weiteren Seiten gibt es Tipps, wie wir uns dagegen wappnen, dass der Trafo schlappmacht.
Vor allem fällt auf, dass Magnetartikel wie Motoren und Weichenantriebe einen weit höheren Stromfluss erfordern als die Beleuchtung.
Das Ohm’sche Gesetz im Modellbahnalltag
Was nützen uns diese Formeln für die Modellbahn? Sehr viel, denn mit ihnen werden viele auf den ersten (laienhaften) Blick unerklärliche Phänomene klar. Zum Beispiel die Frage, warum der Zug langsamer wird, wenn er sehr viele beleuchtete Waggons zu ziehen hat. Oder warum die Lampen der Bahnsteigs- und Straßenbeleuchtung flackern, wenn eine Weiche geschaltet wird.
Der mit der handelsüblichen Startpackung ausgelieferte Transformator hat auf seinem Typenschild eine Leistungsangabe von ca. 14 VA. Diese Angabe irritiert zunächst, haben Sie erfahren, dass Leistungen in Watt gemessen werden.
Andererseits wissen Sie aus den Formeln, dass Spannung mit Stromstärke multipliziert die Leistung ergibt, also Volt mal Ampere zur Wattzahl führt, demnach V × A = W. Und tatsächlich ist VA nichts anderes als die Einheit der multiplizierten Werte von Spannung und Stromstärke. Der Unterschied zwischen VA und W ist ein sehr feiner, aber auch sehr wichtiger – wichtig für die Elektrotechnik im Großen. Für uns Modellbahner ist die Unterscheidung unerheblich, deshalb können wir getrost beim Lesen von VA gedanklich W daraus machen.
Also 14 Watt liefert so ein kleiner Modellbahntrafo. Die Betriebsspannung unserer Modellbahn beträgt 14 Volt, daraus folgt, dass der Trafo einen maximalen Strom von 1 Ampere zu liefern imstande ist. Nicht mehr! Das ist die Gesamtbelastung, die wir dem Trafo zumuten dürfen. Sie ist intern bereits aufgeteilt auf die beiden Ausgänge der Fahrspannung und der Licht- und Schaltspannung, meist gleichmäßig zu 50%. Das heißt, für den Fahrbetrieb stehen 500 mA zur Verfügung und für die Beleuchtung außerhalb des Rollmaterials zuzüglich der Betätigung von Weichen, Magneten und Entkupplern noch einmal 500 mA. Das ist nicht viel. Addieren Sie für eine normale Modellbahnsituation die geringsten benötigten Stromstärken: eine Lok mit 100 mA für den Motor und 20 mA für die Stirnbeleuchtung zieht sieben Personenwagen à 20 mA für die Innenbeleuchtung. Schon ist die Leistung des Fahrspannungsausgangs zur Hälfte ausgelastet.
Auch im Schalt- und Dekorationsbereich kommen wir mit dem am anderen Ausgang des Trafos verfügbaren halben Ampere nicht weit. Die Lämpchen der Anlagenbeleuchtung können wir getrost mit der Waggon-Innenbeleuchtung gleichsetzen, das heißt Auslastung bei 25 Lampen – und was sind schon 25 Lampen? Wollen wir nun eine Weiche umstellen, kommen die größten Stromfresser der Modellbahn zum Einsatz, die Magnetantriebe. 600 mA ist schon ein sehr verbrauchsfreundlicher Antrieb, manche handelsübliche Weichenantriebe liegen höher. Bereits der Weichenantrieb allein überlastet den Ausgang! Da er sich aber den Strom mit den Lampen teilen muss, kann es vorkommen, dass er gar nicht voll durchzieht. Verhindern können wir das, indem wir für die verschiedenen Aufgaben zusätzliche Trafos einsetzen, die über größere Leistungsreserven verfügen.
Der Verbraucher verbraucht Potential, dieser Potentialverlust wird vom Elektro-Fachmann als Spannungsabfall bezeichnet, ein für Laien leicht irreführender Fachbegriff.
Hinter der Lampe besitzt der Stromfluss nicht mehr dieselbe Kraft wie vor der Lampe. Das gilt für alle Verbraucher und deshalb können wir auch nicht beliebig viele Verbraucher hintereinander in den Stromkreis schalten.
Um den Verbrauch etwas deutlicher zu betrachten, müssen wir die Leistung betrachten. Wir kennen ihn von der Bezeichnung für die Helligkeit früherer Glühlampen, oder für die Kraft, mit der ein Magnetartikel seine Arbeit verrichtet. Leistung wird in Watt gemessen, abgekürzt mit W. Im Haushalts- und Industriebereich wie auch bei der großen Bahn haben wir es häufig mit größeren Leistungen zu tun, die in Kilowatt (1 kW = 1.000 W) oder gar Megawatt (1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W) angegeben werden. Bei Hobbyanwendungen wie unserer Modellbahn dagegen begegnen uns kleine Leistungen im Watt- oder Milliwatt-Bereich (1 W = 1.000 mW).
Ein Haushaltsgerät, auf dem eine Leistung von 100 W angegeben ist, hat einen geringeren Verbrauch als eines mit 500 W. Ein weiterer Wert ist auf Elektrogeräten angegeben und mit dem Kennbuchstaben V versehen. V steht für Volt und gibt die Betriebsspannung des Verbrauchers an. Bei Haushaltsgeräten steht dort in der Regel 240 V, das elektrische Haushaltsnetz wird mit 230 V beschickt, damit liegt die Netzspannung knapp unter der maximal verträglichen Nennspannung, aber hoch genug, um das Gerät zu betreiben.
Unser Hobby arbeitet mit weit geringeren Spannungen, sie liegen zwischen 1 V und 20 V. Das hat einen sicherheitstechnischen Hintergrund, denn bis 42 V gelten elektrische Spannungen als gesundheitlich ungefährlich und bis 25 V als für Spielzeug geeignet. (Die ersten Modellbahner lebten gefährlicher als wir heute, denn ihre Anlagen wurden mit einer lebensgefährlich leichtsinnigen Technik direkt am Hausnetz betrieben.)
Um die Wirkung von elektrischer Spannung besser zu verstehen, stellen wir uns eine Spannungsquelle (z.B. einen Transformator) vor, die je nach Einstellung Spannungen unterschiedlicher Höhe liefern kann. Zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse ist eine Lampe angeschlossen, deren Spannungsangabe 12 V lautet. Solange die Spannungsquelle abgeschaltet ist, reagiert die Lampe nicht, denn zwischen den Anschlüssen besteht kein Potentialgefälle, keine Spannung lässt keinen Strom fließen. Bei Hochschalten auf eine Versorgungsspannung von 5 V beginnt der Glühfaden in der Lampe zu glimmen; bei 12 V leuchtet die Lampe richtig hell und bei 20 V macht sie „Ping!“ und ist durchgebrannt. Fazit: Die Nennspannung auf der Lampe (wie bei allen Verbrauchern) ist als Grenzwert unbedingt zu beachten! Überschreitet die Versorgungsspannung die Nennspannung, wird die Lebensdauer verkürzt bis hin zum sofortigen Durchbrennen!
(Glühfadenlampen sind zwar inzwischen out, aber dasselbe gilt für Leuchtdioden als Verbraucher, am Glühfaden lässt sich das Ganze nur anschaulicher vermitteln.)
