Modellbahn-Elektrotechnik
Praxis: Fahrspannung
Wie elektrische Spannung in die Lok gelangt, um dort im Motor zu arbeiten, ist den meisten Modellbahnern bekannt: Der Strom fließt über die Gleise. Was es dabei so alles zu beachten gibt, wird auf dieser Seite beschrieben.
Die aus der Steckdose kommende »Haushaltsspannung« mit 230 V können wir im Modellbau nicht gebrauchen. Sie muss heruntergespannt werden, wie auf der Seite Energieversorgung beschrieben. Dort ging es um Transformatoren mit fester Ausgangsspannung für statische Zwecke. Um die Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs zu beeinflussen, bedarf es weiteren Aufwands.
Der Stelltrafo
Die »klassische« Lösung ist der Stelltrafo. Hier kommt ein ringförmiger Kern zum Einsatz, auf den die Spulen gewickelt sind. An der (nicht isolierten!) Sekundärspule kann ein Schleifer frei bewegt werden, um Windungszahl und damit Ausgangsspannung zu verändern. Dieses Prinzip der Fahrgeschwindigkeitsregelung ist seit Jahrzehnten überholt durch verbesserte Fahrgeräte z. B. mit Impulslängensteuerung, Glockenanker-Motoren mit einstellbarem Spannungsregler und die digitale Steuerung.
Das Fahrgerät
Für den Anfang reicht der Stelltrafo, aber feinfühliges Fahren ist damit leider nicht möglich. Sie müssen aber nicht gleich auf digitale Steuerung umsteigen, denn es gibt Lösungen zur Verbesserung der Fahrqualität auch im herkömmlichen analogen Betrieb.
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Trägheit vs. Langsamfahrt
Die Drehgeschwindigkeit eines Motors hängt von der Stärke der Magnetfelder ab.
Beim Gleichstrommotor ist das äußere Magnetfeld statisch, nur das Feld der Ankerspulen kann über die Stromstärke beeinflusst werden. Beim Wechselstrommotor wirkt die Stromstärke auf die Stärke sowohl des äußeren als auch der Ankermagnetfelder. Je stärker der Stromfluss durch einen Motor, desto schneller dreht er sich. In Anbetracht der Abhängigkeiten von Strom, Spannung und Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz lässt sich die Geschwindigkeit über die Stromstärke oder die Spannung beeinflussen, denn der Innenwiderstand des Motors bleibt im Wesentlichen gleich.
Gängige Praxis ist die Steuerung über die Spannung, dazu dienen die typischen Modellbahn-Stelltrafos. Am Ausgang wird eine je nach Knebelstellung unterschiedlich hohe Spannung abgegriffen und über die Schienen in den Lokmotor geschickt.
Der Beschleunigung entgegen steht die Trägheit. Sie sorgt dafür, dass ein Motor bei geringer Spannung gar keine Anstalten macht, sich zu drehen. Ist das Trägheitsmoment überwunden, macht der Zug einen Bocksprung und fährt viel zu schnell.
Trägheit austricksen
Stößt man den Motor mit kurzen Spannungsimpulsen in voller Höhe der Betriebsspannnung an, wird die Trägheit überwunden ohne dass der Zug gleich losrast.
Da die Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs von der Länge der Impulse abhängt, wird diese Form der Geschwindigkeitseinstellung Impulslängensteuerung genannt. Mit dieser Technik lässt sich der Motor auch in Schleichfahrt bewegen, was mit den üblichen Fahrtrafos nicht gelingt.
Die Impulslängensteuerung
Ein Generator für variable Impulse mit der vollen Betriebsspannung lässt sich mit einer Schaltung realisieren, in der eine integrierte Schaltung mit der Bezeichnung NE 556 verwendet wird.
Mit Hilfe der Spannungsimpulse ist es möglich, auch dem schlechtesten Motor noch Manieren beizubringen. Dazu bedarf es zunächst einiger theoretischer Überlegungen: Die Trägheit des ruhenden Motors muss überwunden werden, dazu bedarf es einer hohen Anfahrspannung. Die zur Überwindung der Trägheit benötigte Spannung beschleunigt den Motor aber danach zu stark. Wer schon einmal mit einer festsitzenden Mutter gekämpft hat, kennt sicher den Trick, dass man mit Hammerschlägen auf den Schraubenschlüssel wesentlich leichter zum Erfolg kommt als mit dauerndem Kraftaufwand. Genau dieses Prinzip lässt sich auch beim Motor anwenden. Kurze, kräftige Spannungsstöße bewegen den Motor aus seiner Ruhestellung, beschleunigen ihn aber nur wenig. Erst wenn diese Impulse länger andauern, dreht der Motor schneller.
Da die Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs von der Länge der Impulse abhängt, wird diese Form der Geschwindigkeitseinstellung Impulslängensteuerung genannt. Mit dieser Technik lässt sich der Motor auch in Schleichfahrt bewegen, was mit den üblichen Fahrtrafos nicht gelingt.
Ein Generator für variable Impulse mit der vollen Betriebsspannung lässt sich mit einer Schaltung realisieren, in der eine integrierte Schaltung mit der Bezeichnung NE 556 verwendet wird.
Im Schaltplan rechts sehen die Schaltung zum besseren Verständnis so, als wäre sie mit zwei separaten NE 555 aufgebaut. Realisieren lässt es sich leichter mit dem Doppel-555er NE 556, wie unten gezeigt. (Die Versorgungsanschlüsse geregelt und ungeglättet beziehen sich auf die Standard-Versorgungsschaltung.)
Mit der Außenbeschaltung wird die linke Stufe zum Oszillator und sorgt für eine beständige Rechteckschwingung mit sehr kurzen negativen Nadelimpulsen am Ausgang (Pin 3), die die rechte, als Monoflop, also Zeitschalter, geschalte Stufe an Pin 2 immer wieder in den aktiven Zustand bringen. Die Verweilzeit des Zeitschalters ist die Impulslänge, mit der der Motor gesteuert wird.
Das Ganze spielt sich im Hundertstel-Sekunden-Bereich ab: Der Oszillator schwingt mit ca. 100 Hz mit einem nur 1/100 der Schwingungsdauer ausmachenden Impuls am Ausgang. Der Timer wird also pro Sekunde 100-mal gesetzt; die Dauer der Fahrspannungsimpulse lässt sich innerhalb dieses Zeitrahmens bestimmen. Die in der Schaltung angegebenen Werte von P und R3 erlauben Impulslängen von 0,00008 bis 0,008 Sekunden. Die längste Verweilzeit liegt also noch innerhalb der Frist bis zum nächsten Starten der Verweilzeit; die Schaltung kann nicht übersteuert werden.
Mit dem Poti P lässt sich diese Impulslänge von extremer Schleichfahrt bis zur vollen Geschwindigkeit einstellen. Der Doppelumschalter am Schluss fungiert als Polwender – mehr Elektronik bedarf es nicht für ein durchaus komfortables Fahrgerät.
Beachten Sie beim Anschließen des Potis, dass die Geschwindigkeit steigt, je größer dessen Widerstand ist. Erklärung dieses auf den ersten Blick paradoxen Verhaltens: Der höhere Widerstand verlängert die Ladezeit des Kondensators, deshalb wird die Schaltschwelle erst später erreicht, die Impulse dauern länger.
Um den Motor aus der Schleichfahrt zum Stehen zu bringen, verbinden Sie Pin 4 über einen Schalter S1 mit Minus. Bei geschlossenem Schalter ist der Timer nicht arbeitsfähig.
Mit dem NE 556, der zwei NE 555 in sich vereint, lässt sich die Schaltung leichter aufbauen. Zum Beispiel genügt für die Verbindung vom Oszillator zum Timer ein Pinselstrich mit Leitlack auf der Platinenunterseite. Im Schaltplan ist die Oszillatorstufe und ihre Peripherie grün beschriftet, die Monoflopstufe blau.
Dieses Fahrgerät ist nicht nur einfach und billig herzustellen, es dient auch als Referenz bei allen sonstigen Beiträgen auf diesen Seiten, bei denen es um elektronische Geschwindigkeitssteuerung geht.
Phasenanschnittsteuerung
Für Wechselstrommotoren gibt es ein nur ähnlich funktionierendes Pendant: die Phasenanschnittsteuerung.
Hier wird nicht die volle Wechselstrom-Sinuskurve ausgenutzt, sondern erst durchgeschaltet, wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten ist. Dieser Schwellenwert kann permanent variiert werden, was sich unmittelbar auf die Geschwindigkeit auswirkt. Im Gegensatz zur Impulslängensteuerung tritt allerdings hier nicht ständig die Spitzenspannung auf, sondern der Anstoß erfolgt mit einem niedrigeren Pegel. Damit ist die Phasenanschnittsteuerung nicht so feinfühlig steuerbar wie die Impulslängensteuerung, aber eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen auf jeden Fall.
Die Schaltung dafür ist überaus simpel, dazu bedarf es eines Triacs (Abkürzung für Triode alternating kurrent switch = Wechselstrom schaltende Triode). Wie das Symbol zeigt, ist der Triac quasi eine Diode mit beidseitiger Durchlassrichtung. Auf Durchlass schaltet sie allerdings erst, wenn am Gate eine bestimmte Schwellspannung überschritten wird. Mit dem Poti bestimmen wir diese „Zündspannung“. Beim nächsten Nulldurchgang der Spannungskurve sperrt der Triac wieder.
Eigentlich ist die Phasenanschnittsteuerung für unser Hobby entbehrlich, denn wie bereits erläutert, sind in den Wechselstromtriebfahrzeugen Allstrommotoren verbaut, die ebenso gut mit einer Impulslängensteuerung gefahren werden können.
Vorsicht beim Einsatz selbst entwickelter Triac-Schaltungen! Bei deren Betrieb können Oberschwingungen entstehen, die bis in den Bereich der Funkfrequenzen reichen und Ärger mit der Netzaufsicht verursachen.
Die Fahrtrichtung
Für Modellbahner wird die Stromflussrichtung vordergründig bei der Fahrtrichtung der Gleichstromsysteme wirksam.
Gleichstrom-Fahrgeräte
Um zu erreichen, dass alle Triebfahrzeuge bei gleicher Polung an den Schienen in dieselbe Richtung fahren, wurde international genormt, die Motoren und Getriebe im Fahrzeug so anzuschließen, dass sich das Fahrzeug vorwärts bewegt, wenn an der rechten Schiene oder der Oberleitung positives und an der linken Schiene negatives Potential anliegt. Die Zuleitung erfolgt also immer über die rechte Schiene oder die Oberleitung, die Ableitung über die linke.
Das ist natürlich relativ. Soll der Zug in die Gegenrichtung fahren, dann wechseln objektiv die beiden Schienen ihre Polarität, doch subjektiv aus der Sicht des Modell-Lokführers bleibt es dabei: In Fahrtrichtung rechts ist plus, links minus. Diesen Polwechsel vollziehen wir vom Fahrgerät aus.
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Bei Grundausstattungen mitgelieferte Fahrgeräte für Gleichstrombahnen sind in der Regel so konstruiert, dass der Stellknopf eine neutrale Mittelstellung hat, bei der kein Strom fließt. Wird er nach rechts gedreht, sorgt das Fahrgerät für die richtige Polung zur Fahrtrichtung nach rechts. Beim Drehen nach links werden die Schienen entgegengesetzt mit den Ausgängen des Fahrgeräts verbunden, so dass der Zug in die Gegenrichtung fährt. Viele elektronischen Fahrgeräte verfügen über keine Mittenstellung, sie haben den Einstellknopf nur zur Geschwindigkeitseinstellung; für die Fahrtrichtung ist ein zusätzlicher Polwendeschalter zuständig.
Polwender
Als Polwender kommt regelmäßig ein doppelter Umschalter zum Einsatz, der über Kreuz mit Fahrgerät und Schienen verbunden wird, so dass die Polung beim Umschalten vertauscht wird.
Das Umschalten kann natürlich auch auf Distanz erfolgen, indem ein Relais am Gleis mit zwei Tasten vom Stellpult bedient wird.
Abzuraten ist von einer Polwendeschaltung mit Transistoren. Im Vergleich zu den beiden Varianten mit Schalter oder Relais ist sie zu aufwendig.
Märklin-Fahrgeräte
Das Märklin-System setzt in H0 auf ein anderes Prinzip. Seine Motoren laufen mit Wechselstrom. Die Fahrtrichtung muss bei diesem System unabhängig von der Stromrichtung sein, deshalb wird sie bei Märklin-H0 durch einen zusätzlichen Schalter in der Lok eingestellt, der mit Hilfe des berühmt-berüchtigten Überspannungsimpulses betätigt wird.
Auch Fahrgeräte für das Märklin-System haben keine Mittenstellung, hier gibt es nur die Einstellung der Geschwindigkeit. Die Fahrtrichtung des Zuges ist davon abhängig, in welche Richtung sich das Triebfahrzeug zuletzt bewegt hatte.
Digital-Fahrgeräte
Die digitalen Steuerzentralen fragen bei der Zuweisung zu einem Triebfahrzeug dessen aktuelle Daten ab und zeigen sie im Display an, natürlich auch die Fahrtrichtungseinstellung.
Vom Fahrpult zum Rollmaterial
Es gibt viele Möglichkeiten, die Fahrspannung in die Schienen einzuspeisen.
Die metallenen Schienen eines Modellbahngleises sind gut geeignet, die Betriebsspannung aufzunehmen und über die Räder der Lok zum Motor und zu den Lok-Laternen zu transportieren. Die Hersteller verwenden für die Gleise gut leitende Materialien, meist Neusilber. Diese Legierung ist ein Kompromiss aus guter elektrischer Leitfähigkeit, wirtschaftlichen Kosten und vorbildgerechtem Aussehen. Bei der Zuleitung zum Gleis kommt es auf das Aussehen nicht so sehr an, die Kabel werden ja verdeckt verlegt und sind mit einem Isolator ummantelt, hier kommt überwiegend Kupfer zum Einsatz.
Die Schwellen, welche die Schienen miteinander verbinden, müssen aus einem isolierenden Material sein, heutzutage immer ein Kunststoff.
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Der Stromkreis läuft bei der Modellbahn unabhängig von der Gleisfigur auf dem Wege von der Spannungsquelle über das Zuleitungskabel, über eine Schiene, über die Räder/Skischleifer in die Lokomotive, durch den Motor und die Lampen, wo er Arbeit verrichtet, zurück durch die gegenüberliegenden Räder, durch die ableitende Schiene, durch das Ableitungskabel zur Spannungssenke. Für die Zuleitung gibt es unterschiedliche Anschluss-Gleisstücke und -Verfahren, die je nach Hersteller variieren. Metallklemmen an Schienen sind auffällig und unbedingt einzuschottern. Bei hohlen Bettungsgleisen (z. B. Märklin C, Roco Line) ist die Einspeisung natürlich besonders unauffällig (Bild rechts außen).
Sie können (speziell bei bettungslosen Gleissystemen) die Zuleitungskabel an einer schlecht einsehbaren Stelle direkt an die Schienen löten. Dieses Verfahren ist das billigste, Sie müssen nur darauf achten, dass Sie die Plastikteile beim Löten nicht zu stark erwärmen – ein paar Metallklemmen, neben der Lötstelle an die Schiene geklemmt, leiten die Wärme ab.
Der Übergangswiderstand
Beim theoretischen Betrachten des Stromkreises am Gleis geht ein Problem zunächst unter und stellt sich erst im Betrieb als störend heraus: Die Fahrspannung wird an einer Stelle in das Gleisoval (um mal vom einfachsten Fall auszugehen) eingespeist. Von diesem Anschlussgleis geht es dann weiter in die folgenden Gleisstücke. Die sind üblicherweise mit Steckschuhen oder speziellen Verbindungselementen angefügt. Steckschuhe sind die herkömmliche Form, mit der die Schienen sowohl mechanisch als auch elektrisch verbunden werden. Systemverbinder haben sich in den letzten Jahren bei den neuen Bettungsgleisen durchgesetzt; hier sind die beiden Verbindungsarten getrennt, die mechanische Koppelung übernehmen Verbinder am Unterbau. Beim Märklin-C-Gleis gibt es überhaupt keine mechanische Verbindung zwischen den Schienen zweier Gleisstücke mehr, sie stoßen stumpf aufeinander. Die elektrische wie die mechanische Verbindung liegen in der Bettung.
Allen Verbindungsarten ist gemein, dass sie als elektrische Verbindungen nicht optimal sind. Gewiss, da fließt Strom hindurch, doch nicht ungehindert. Es gibt keine perfekte Steckverbindung, in jeder Form von Stecker und Buchse oder anderen Kontaktschlüssen steckt ein Übergangswiderstand. Und der addiert sich von Schienenstoß zu Schienenstoß!
Abhilfen gibt es dafür verschiedene. Perfekt aus elektrischer Sicht wäre es natürlich, auf Steckverbindungen zu verzichten und alle Schienenstöße zu verlöten. Das hat aber leider einen Nachteil: Komplett verlötete Schienenstränge haben keinen Spielraum für thermische Dehnungen. Das kann zu Verwerfungen führen, die den Betrieb gefährden. Die gesteckte Verbindung ist also so schlecht auch wieder nicht: Löten ja, aber nicht total. Einen Ausweg bieten mehrere Einspeisungen, bei festen Gleistücken vielleicht eine pro Meter, bei langen Flexgleisen seltener.
Von der Schiene übers Rad
Die größte Herausforderung für den Stromfluss bei der Modellbahn ist der Stromfluss von der Schiene ins Rad und umgekehrt. Diese Verbindung hat kaum Fläche, ist völlig lose, wird nur durch den Druck hergestellt, den die Räder auf die Schienen ausüben. Und die bewegen sich auch noch ständig – eine sehr unsichere elektrische Verbindung also.
Gesteigert werden die Kontaktprobleme durch Staub und Schmutz, der sich auf den Schienen ablagert. Staub ist ein schlechter Leiter, jeder Schmutzpartikel unterbricht den Stromfluss zwischen Rad und Schiene. Die Unterbrechung hat einen unangenehmen Nebeneffekt: Wird ein Stromfluss unterbrochen, hat er das Bestreben, dennoch weiterzufließen. Über eine gewisse, von der Höhe der Spannung abhängige Distanz schafft er, die Luft zwischen den beiden Enden des unterbrochenen Leiters zu überbrücken. Dabei entsteht der so genannte Abreißfunke und gibt Wärme ab. Diese Wärme sorgt nun dafür, dass der Staub an der Schiene festbäckt und beim nächsten Überfahren erst recht zur Funkenbildung führt. Eine unselige Kettenreaktion, der wir vorbeugen müssen.
Es gibt viele Vorschläge, wie man die Anlage vor Staub schützen kann, aber von einer bespielten Modellbahnanlage können wir Staub niemals hundertprozentig fernhalten. Wir können ihn deshalb nicht an der Ursache bekämpfen, sondern müssen gegen seine Wirkungen vorgehen. In jedem Modellbahnfachhandel gibt es diverse Reinigungsgeräte für Schienen; das einfachste ist eine Art harter Schwamm, mit dem die Schienenköpfe von Hand abgerieben werden können. Damit kommen Sie natürlich nur an die leicht zugänglichen Gleise heran, alles was verdeckt liegt, ist damit nur schwer zu putzen. Dafür haben die Modellbahnhersteller fahrbare Putzgeräte entwickelt:
- Da wäre zunächst der antriebslose Waggon, unter dem ein schmirgelnder Putzkörper federnd befestigt ist; der Wagen ist besonders beschwert, um den Putzkörper gut anzudrücken.
- Mit ansteckbaren Filzen oder Bürsten können Sie jeden beliebigen Waggon zum Reinigungswagen nachrüsten: Eine federnde Halterung wird an eine Achse geclipst und zieht eine kleine Bürste über die Gleise. Auch hier sollten Sie zusätzlichen Ballast einbringen, um für guten Andruck zu sorgen.
- Noch effektiver reinigt die Reinigungslok, unter der sich zwei mit Schmirgelpapier beklebte Teller drehen (Bild rechts).
- Wer es ganz reinlich mag, hängt an das Gespann aus Reinigungslok und Reinigungswagen noch einen Gleisstaubsauger, der den Abrieb gleich aufnimmt und so Sekundärverschmutzungen unterbindet.
Hier noch Foto vom Filzclip einfügen!
Egal welches Verfahren zur Reinigung Sie verwenden, sollten Sie auf jeden Fall beherzigen, die Schienenköpfe regelmäßig zu pflegen, um einen störungslosen Fahrbetrieb zu gewährleisten. Nicht nur die Schienen bedürfen der regelmäßigen Reinigung, auch die Räder müssen ab und an vom festgebackenen Schmutz befreit werden. Radschleifer, die auf die Laufflächen zugreifen, helfen, solche Verschmutzungen zu vermeiden. Sollte der Schmutz sehr fest sitzen, ist der Einsatz von Kontaktspray aus dem Elektronikhandel hilfreich.
Da mit höherer Spannung auch stärkere Verschmutzungen überwunden werden können, fahren Gartenbahnen mit höherer Betriebsspannung als andere Systeme. Deren Gleise sind naturgemäß stärkeren Verschmutzungen ausgesetzt, was mit der höheren Spannung relativiert werden soll. Dennoch ist gerade bei besonders stark der Witterung ausgesetzten Anlagen ein höherer Pflegeaufwand anzuraten.
Um die Stromabnahme weiter zu verbessern, sollten Sie für eine breite Stromabnahmebasis sorgen. Da nur über die Räder Strom geleitet wird, sind möglichst viele Räder zur Stromabnahme heranzuziehen. Bei zweiachsigen Lokomotiven sollten Sie deshalb auf Haftreifen verzichten. Dabei handelt es sich in der Regel ohnehin fast ausschließlich um Rangierfahrzeuge, die keine so großen Lasten ziehen müssen; deshalb ist der Verzicht auf Zugkraft zu Gunsten der elektrischen Betriebssicherheit sinnvoll.
Mit dem Entfernen der Gummiringe ist es allerdings nicht getan, denn diese liegen in Nuten im Radreifen. Die Räder würden dann mit den Spurkränzen auf den Kleineisen-Imitationen der Schwellen rattern. Sie müssen schon jedes Haftreifen-Rad komplett gegen eines ohne Nut austauschen.
Vom Rad muss die Spannung irgendwie auf das Lok-interne Kabelnetz übergehen. Dafür kommen Schleifer zum Einsatz und die Ausstattung differiert erheblich. Sie können bei mehrachsigen Loks nicht unbedingt davon ausgehen, dass alle Räder ohne Haftreifen auch als Kontakt genutzt werden. Schauen Sie Ihren Loks mal unter die Verkleidung, wenn sie öfter zum Stehenbleiben oder Hoppeln neigen. Mit Schleifern, die auf die Achse zugreifen, wird ein Abnahmepunkt pro Achse verschenk; als Gegenpol muss eine weitere Achse herhalten, deren Isolierung auf der anderen Seite liegt. (Das Märklin-System ist da echt im Vorteil; Trix Express hat dagegen das Mank, dass für das Dreileitersystem schon beide Seiten vergeben sind.)
Die Ausstattung der Stromabnahmepunkte lässt sich mit etwas Geschick verbessern, indem Sie alle Räder zur Stromaufnahme mit Radschleifern ausstatten. Der Fachhandel hält dazu Neusilber- oder Bronzefedern bereit, die Sie nachträglich installieren können. Die Grafik unten zeigt einige Stromabnahmemethoden.
