Modellbahn-Elektrotechnik

Werkstatt-Praxis

Handwerkliches Geschick gehört auch bei der Elektronikbastelei dazu, aber das kann man bei Modellbahnern ja voraussetzen. Hier und auf den verlinkten Seiten gibt es ein paar spezifische Tipps.

Schaltung testen

Wenn Sie Schaltungen, die Sie in Fachzeitschriften oder Büchern gefunden und erfolgreich nachgebaut haben, kommen Sie sicher auf den Geschmack, eigene Schaltungen zu entwickeln, zumindest aber vorgegebene Schaltungen abzuwandeln. Das soll ja auch der Sinn dieser Seiten sein, ihnen das Rüstzeug für solcherlei Vorhaben zu vermitteln.

Das Steckbrett

Steckbretter sind platinenähnliche Plastikklötze, in denen sich Federblechstreifen verbergen, die die Löcher elektrisch miteinander verbinden und eingesteckte Bauteile fest halten. Damit können Sie eine Schaltung provisorisch aufbauen und jederzeit ohne Aufwand modifizieren, bis sie Ihren Vorstellungen entspricht.

Elektronik-Experimentierkästen

Ganz exklusiv und damit auch stärker an der Hobbykasse nagend sind Elektronik-Experimentierkästen, zum Beispiel von Kosmos oder Busch. Ihnen gemeinsam ist, dass sie eine Anzahl an Elektronik-Bauteilen enthalten, die auf spezielle Steckteile montiert sind und sich übersichtlich zu Schaltungen kombinieren und verbinden lassen.

Neben dem günstigen Preis spricht für das Steckbrett, dass eine funktionierende Schaltung meist 1:1 auf eine Platine übernommen werden kann, mit den getesteten Bauteilen und im nahezu selben Layout.

Neben dem günstigen Preis spricht für das Steckbrett, dass eine funktionierende Schaltung meist 1:1 auf eine Platine übernomen werden kann, mit den getesteten Bauteilen und im nahezu selben Layout.

Alle Bilder auf dieser Seite zeigen identische Blinkschaltungen mit einem Transistor-Oszillator.

Das richtige Werkzeug

Um sich den elektrischen und elektronischen Aspekten der Modellbahnerei zu widmen, ist nicht besonders viel zusätzliches Werkzeug erforderlich. Das meiste, was für elektrische Basteleien benötigt wird, haben Modellbahner eh in der Werkzeugkiste: Pinzetten, Vor- und Seitenschneider, Flachzangen, Schraubendreher, scharfe Messer und Feilen. Ergänzend dazu benötigen Sie auf jeden Fall einen Lötkolben. Abisolierzangen werden immer wieder als wichtiges Zubehör genannt, aber in unserem Bereich nützen sie nur wenig, weil wir es überwiegend mit sehr dünnen Litzen zu tun haben, die sich am schonendsten mit dem angefeilten Daumennagel entmanteln lassen.

Eine besondere Investition ist das Vielfach-Messgerät, im Fachjargon Multimeter geheißen. Viele Modellbahner halten es für entbehrlichen Luxus, doch dem ist nicht so. Es ist ein sehr nützliches und vielfältig einzusetzendes Hilfsmittel, das Sie nach einiger Zeit des Einsatzes nicht mehr missen möchten. Es gibt Multimeter in verschiedenen Ausführungen und Preisklassen, Sie sollten sich auf jeden Fall eines mit digitaler Anzeige gönnen. Gerade Laien unterlaufen bei den Drehspulinstrumenten mit den vielen nebeneinander liegenden Skalen gern Ablesefehler speziell bei der Frage der Dimension, die bei der Ziffernanzeige vermieden werden.

Die Grundbedürfnisse der Messtechnik erfüllen bereits billige Geräte, teurere weisen einige Zusatzfeatures wie Transistor- oder Kondensatortester auf, die recht nützlich bei der Bestimmung obskurer Bauteile sein können.

Häufig unbeachtet, aber sehr wichtig sind die mitgelieferten Prüfstrippen. Eine rote und eine schwarze mit Messspitzen gehören grundsätzlich dazu, doch sehr oft fehlt die dritte Hand, wenn die beiden vorhandenen schon die Prüfspitzen an die Messstellen halten, aber noch irgendetwas verändert werden muss. Deshalb ist unbedingt zu weiteren Prüfleitungen mit isolierten Krokodilklemmen an den Enden zu raten. Notfalls tun es auch aufsteckbare Klemmen, doch die Biester verschwinden erfahrungsgemäß immer dann, wenn man sie dringend benötigt. Prüfstrippen mit fest installierten Klemmen sind leichter wiederzufinden.
Apropos Krokodilklemmen: Dieses archaisch anmutende Zubehör ist auch aus der modernen Elektriker- und Elektronikerwerkstatt nicht wegzudenken. Eine Handvoll unterschiedlich gefärbter Kabel mit Klemmen an den Enden ist bei jeder Art von Experiment oder Fehlersuche ein unverzichtbares Hilfsmittel, um mal eben eine provisorische Verbindung herzustellen.

Richtig löten

Zum Löten verwenden Sie bitte einen kleinen Lötkolben mit schmaler Spitze und 10 bis 12 W Leistung. Das reicht völlig. Das dicke Gerät, mit dem Sie sonst Ihre Messingbausätze zusammenbringen, hat in der Elektronik nichts verloren.

Nicht nur Halbleiter sind hitzeempfindlich, auch die nur 35 µm starken Kupferbahnen lassen sich mit ungeeignetem Gerät mühelos von der Pertinaxplatte ablösen. Fachleute sprechen in solchem Fall vom Platinenbraten.

Das richtige Lot

Als Lot kommt nur dünner Lötdraht (0,5 mm Ø) mit eingearbeitetem Flussmittel zum Einsatz, kein Lötwasser, keine Säure, kein Kolophonium! All diese Zusätze bewirken nur eines: erhöhte Störanfälligkeit Ihrer Schaltung.

Kupferbahn und Anschlussdraht werden durch innigen, aber kurzen Kontakt mit der Lötkolbenspitze erwärmt, dann kurz den Lötdraht von der anderen Seite gegen den Draht halten. Ist der Draht heiß genug, schmilzt das Lot, ein Rauchwölkchen steigt auf, Kolben und Lötdraht weg, warten – fertig.

Eine gute Lötstelle erkennen Sie daran, dass das Lot um den Draht einen schönen, konischen, glänzenden Kegel bildet. Konvexe Lötstellen, gar Tropfenform oder matte Oberfläche lassen darauf schließen, dass mit der Lötstelle etwas nicht in Ordnung ist – Fehlfunktion der Schaltung vorprogrammiert.

Die überstehenden Drahtenden werden erst nach dem Einlöten abgeschnitten. Bei Halbleitern bieten sie eine zusätzliche Möglichkeit der Wärmeabfuhr.

Freischwebende Verbindungen

Wenn Sie Kabel ohne Stützpunkte aneinander löten, müssen Sie verhindern, dass sich die beweglichen Lötstellen berühren und Schlüsse verursachen. Am besten treffen Sie dagegen doppelte Sicherheitsmaßnahmen:

Sorgen Sie für Versatz der Lötstellen!
Isolieren Sie die Lötstellen anschließend mit Klebeband oder Schrumpfschlauch.

Lötstellen wieder lösen

Um verlötete Teile zu trennen, muss die Lötstelle wieder erwärmt werden. Im einfachsten Fall lassen sich die Teile dann wieder auseinander ziehen. Muss dazu erst das Lötzinn entfernt werden, weil zum Beispiel verdrillte Litzen verlötet wurden, weil mehrere Anschlüsse eines Bauteils zu lösen sind oder der Draht vor dem Anlöten in einer Öse umgebogen wurde, müssen Entlöthilfen her.

Am einfachsten ist die Entlötlitze, eine flach geflochtene, mit Flussmittel getränkte Litze, die beim Erwärmen flüssiges Zinn von der Lötstelle absaugt.

Schaltung aufbauen

Freier Aufbau, Klemm- und Lötleisten

Die einfachste Form der Schaltungsrealisierung ist der „Igel“. Hierbei werden alle Bauteile einfach mit ihren Anschlüssen direkt aneinander gelötet, ein paar bunte Kabel ragen heraus, um die Schaltung anzuschließen – fertig. Dass so etwas nicht unbedingt professionell aussieht und auch nur für kleinste Schaltungen realisierbar ist, braucht wohl nicht noch erläutert zu werden.

Beim Einbau einer Schaltung im Rollmaterial unter den dort üblichen Platzproblemen bietet der Igel häufig einen Ausweg. Dann wird eben ein Transistor kopfüber ins Klo gesteckt und ein dicker Kondensator unters Waggondach geklebt.

Achten Sie bei diesem »fliegenden« Aufbau unbedingt auf die Anschlussbeinchen der Transistoren. Sie verbiegen sich leichter als jene der anderen Bauteile. Wenn Sie dann noch irgendwo hinein gezwängt werden, ist ein Kurzschluss nahe! Schützen Sie unisolierte weiche Drähte mit Isolierband oder Alleskleber!

Sehr beliebt bei Modellbahnern sind Klemm- und Lötleisten. Sie haben den Vorteil, dass sie Platz bieten und man nachträglich ohne besonderen Aufwand und ohne besondere Vorsicht immer wieder etwas ändern kann.

Nichts dagegen einzuwenden! Aber bitte nur, wenn es sich um minimale Schaltungen handelt. Für alle komplexeren Schaltungen sollten Sie sich doch lieber einen semiprofessionellen Aufbau auf einer Platine gönnen.

Platinen verwenden

Einer der häufigsten Gründe für den Verzicht auf Elektronik-Einsatz im Modellbahn-Bereich ist das Argument, dass das Ätzen von Platinen nicht nur kompliziert und fehlerbehaftet, sondern auch umweltschädlich sei. Die Begründung an sich stimmt, doch es mangelt an der Conclusio, wie es der Jurist ausdrücken würde. Elektronische Schaltungen bedingen nicht per se das Ätzen von Platinen. Die Aufbauskizzen in diesem Heft zeigen, dass sich auch komplexe Schaltungen auf Standardplatinen realisieren lassen.

Ein bisschen Überlegung ist natürlich dafür notwendig, aber das Erstellen eines zu ätzenden Platinenlayouts bedarf eines noch viel höheren Aufwands.

Sobald Transitoren und IC ins Spiel kommen, führt kein Weg an der Platine vorbei. Dazu bedarf es entgegen landläufiger Vermutungen keiner aufwendigen Entwurfs und Ätzarbeiten. Standard-Schaltungen für die Modellbahn lassen sich gut auf Standard-Industrieplatinen realisieren.

Wenn Sie sich entschlossen haben, eine Schaltung auf einer Standardplatine aufzubauen, gehen Sie geplant vor! Entwerfen Sie die Anordnung und Verbindungen der Bauteile auf einem Rasterblatt. Die üblichen Standardplatinen sind in der verlinkten PDF-Datei zu finden, die Sie ausdrucken können.

Die Wahl der richtigen Platine ist wichtig für die Form und Größe der aufgebauten Schaltung.

Die vom Handel angebotenen Platinen erfüllen durchgängig eine Norm: Ihre Bohrungen sind jeweils 2,54 mm (⅒") voneinander entfernt. Das ist das so genannte Rastermaß, dem auch nahezu alle stehenden Bauteile entsprechen. Ihre Anschlüsse sind exakt in diesem Abstand oder einem Vielfachen davon angeordnet. Nur einige großformatige Elkos, Trafos und Relais sowie einige andere seltene Ausnahmen, die aber für uns nicht von Interesse sind, entsprechen nicht dieser Norm. Auch der Abstand der Beinchen von IC beträgt 2,54 mm. Mit Industrieplatinen können Sie also sicher sein, Ihre Bauteile sauber platzieren zu können, was die Planungsarbeit energisch vereinfacht.

Erste Frage ist natürlich, welche der verschiedenen Arten von Industrieplatinen denn zum Einsatz kommt. Nach meiner persönlichen Erfahrung hat sich die so genannte IC-Experimentierplatine in ihren verschiedenen Ausführungen eigentlich am besten bewährt.

Gängig sind die beiden abgebildeten Typen, bei der rechten ist eine höhere Packungsdichte möglich, wenn reichlich Peripheriebauteile zum Einsatz kommen.

Häufig ist die rechte Variante auch zum Aufbau komplexer diskreter Schaltungen gut geeignet.

Andere Erwägungen kommen zum Tragen, wenn zwischen durchgehenden oder in Dreierblöcken unterbrochenen Leiterbahnen zu entscheiden ist.

Durchgehende Leiterbahnen müssen aufgetrennt werden, um einigermaßen dicht ausgenutzt zu werden. Bei den Dreilochblöcken sind Leitlackbrücken erforderlich. Welche Form günstiger ist, lässt sich nur anhand des Aufbauentwurfs beurteilen. Rein platzmäßig kann die durchgehende Variante geringfügig kleiner ausfallen, wie das nebenstehende Beispiel zeigt.

Platine planen

Als erste müssen integrierte Schaltungen und Platinenrelais eingeplant werden, denn an ihnen müssen sich die diskreten Bauteile orientieren. Danach bauen Sie die einzelnen Bereiche des Schaltplans rund um die IC auf, am besten haken jedes in den Bestückungsplan endgültig aufgenommene Bauteil im Schaltplan ab.

Verbindungen zwischen zwei Leiterbahnen können auf zwei Arten erfolgen: Liegen die beiden Kupferflächen unmittelbar nebeneinander, reicht meist etwas Leitlack, der auf der Unterseite aufgetragen wird. Allerdings ist Leitlack nur für geringe Stromstärken zu gebrauchen, weshalb bei höherem Bedarf an Leistung – zum Beispiel am Emitter und Kollektor eines Leistungstransistors – Drahtbrücken aus 0,5 mm (Neu-)Silberdraht zum Einsatz kommen.

Um aufgerollten Draht zum „Brückenbau“ schön gerade zu bekommen, schneiden Sie ein längeres Stück ab, klemmen ein Ende in den Schraubstock, greifen das andere Ende mit der Flachzange und ziehen mit einem kräftigen Ruck.
Drahtbrücken können schon mal um die Ecke laufen. Allerdings ist in diesen Fällen besonders darauf zu achten, dass sie nicht mit den Anschlüssen anderer Bauteile in Berührung kommt. Verwenden Sie in solchen Fällen isolierte Drahtbrücken (»Klingeldraht«, keine Litze, die lässt sich nicht gut verlegen).
Alle externen Anschlussstellen sollen am Platinenrand liegen, das erleichtert die Verbindung mit der Außenwelt.

Verwenden Sie Steckverbinderreihen, müssen die Anschlüsse natürlich nebeneinander liegen. Das lässt sich nicht immer leicht verwirklichen. Führen Sie ggf. die Anschlüsse mit Drahtverbindungen zu einer zusätzliche Kontaktreihe am Rand der Platine.

Ebenfalls leicht zugänglich müssen Trimmpotis sein. Die stehenden Ausführungen gehören an den Rand der Platine. Lässt sich ein Poti nicht ohne hohen Verdrahtungsaufwand am Rand platzieren, müssen Sie die liegende Ausführung nehmen, die jedoch mehr Platz einnimmt.

Elkos sind bei größeren Kapazitäten platzgreifend. Unterbringungsprobleme lassen sich leichter lösen, wenn man große Elkos außerhalb der Platine unterbringt.

Wenn Sie auf dem Papier alles untergebracht haben, lassen Sie den Entwurf mindestens 24 Stunden liegen und kontrollieren ihn dann noch einmal. Erst danach machen Sie sich daran, die Platine zu bestücken.

Platine bestücken

Ist Ihr Aufbauplan fertiggestellt, muss zuerst die Platine passend zugeschnitten werden. Dafür reicht eine sehr fein gezahnte Säge.

Da die Kupferbahnen sehr empfindlich sind, schneiden Sie immer von der Leiterbahnseite her, um sie beim Sägen nicht abzureißen. Empfehlenswert ist auch, nicht zwischen zwei benachbarten Kupferbahnen zu schneiden, sondern die erste nicht mehr benötigte Lochreihe entlang.

Zum Bestücken von Platinen gibt es spezielle Rahmen, die bei größeren Platinen durchaus angebracht sind. Sie sparen sich eine Menge Arbeit, wenn Sie rationell erst alle Bauteile einer Art von oben bestücken, dann die Bauteile mit der Andruckplatte sichern und den kompletten Rahmen zum Löten umdrehen. Bei kleineren Schaltungen geht es aber auch schon mal ohne solches Spezialzubehör.

Gehen Sie beim Bestücken nach der Devise „von flach nach groß“ vor.

Zuerst kommen die Drahtbrücken dran. Damit die auch wirklich möglichst flach aufliegen, biegen Sie sie nicht aus der freien Hand, sondern mit Flachzange und Biegelehre, die saubere Drahtbiegungen korrekt im Rastermaß gestattet. Sind alle Drahtbrücken gesteckt, sichern Sie sie gegen Herausfallen und drehen die Platine um.

Sichern Sie die durch die Platine gesteckten Anschlussdrähte nicht durch schräges Abbiegen der Drähte! Zwar schützt so etwas gegen das Herausrutschen, aber wenn Sie einen so eingelöteten Draht wieder herauslöten möchten, ist er auch dagegen geschützt! Die Drähte und auch später die Anschlussdrähte der Bauteile sollen immer senkrecht aus der Unterseite der Platine herausragen.

Haben Sie alle Drahtbrücken eingelötet, sind die Widerstände dran. Zwar sind Kleinleistungsdioden noch kleiner, aber als hitzeempfindliche Halbleiter werden sie erst mal zurückgestellt. Sie kommen im nächsten Arbeitsgang dran, dann müssen sie die Hitze vom Löten der Widerstände nicht mehr ertragen.

Nach den Dioden geht es an die liegenden Kondensatoren, dann an die IC.

IC-Fassungen verwenden!

Tun Sie sich den Gefallen und löten Sie integrierte Schaltungen nicht direkt in die Platine. Sie sind der fehleranfälligste Teil einer Schaltung, lassen sich aber wegen der vielen Anschlussbeinchen am schlechtesten wieder auslöten. Außerdem schützen Sie die IC vor Löthitze, wenn Sie sie erst nach dem Löten in die Fassung stecken.

Nun kommen die stehenden und größeren Kondensatoren an die Reihe, dann Potis und externe Anschlüsse.

Ganz zum Schluss löten Sie die Transistoren und sonstigen Halbleiter ein. Verbesserten Hitzeschutz erzielen Sie, wenn Sie sie nicht ganz bis zur Platine durchstecken, sondern etwas Abstand halten. In ganz eklatanten Fällen kann eine Klemmpinzette oder Krokodilklemme als Wärmeableiter dazwischen geklemmt werden.

Die Leitlackverbindungen auf der Unterseite malen Sie mit einem feinen Pinsel erst auf, wenn alles andere fertig ist. Anderenfalls würden Sie beim Löten den Lack wieder abbrennen.

Dann endlich werden die IC-Chips in ihre Fassungen gesteckt. Das Einstecken integrierte Bausteine in die zugehörigen Fassungen ist manchmal nicht so ganz einfach, weil die Anschlussbeinchen zu weit gespreizt sind. In diesen Fällen biegen Sie sie nach innen, indem Sie den Chip seitlich auf eine glatte Fläche legen und den gesamten Block gleichmäßig in Richtung der Anschlüsse abrollen.

Und ganz am Schluss steht noch einmal der Vergleich der fertigen Platine mit dem Bestückungsplan, erst dann wird die Stromversorgung angeschlossen!

Relais auf der Platine?

Es gibt Relais im DIL-kompatiblen Gehäuse, die exakt in die IC-Reihen von Standardplatinen passen. Die meisten von ihnen sind 1xUM oder 2xUM und da auch die Belastbarkeit der Schaltkontakte den bei der Modellbahn auftretenden Leistungen locker standhält, steht ihrem Einsatz für unsere Zwecke nichts entgegen.

Magnetspulen direkt auf der Platine! Hier müssen Sie besonders vorsichtig sein, um Schäden an den Halbleitern durch Induktion zu vermeiden! Dafür gibt es zwei Grundregeln:

Bringen Sie Relais möglichst weit weg von störanfälligen Halbleitern wie IC unter.
Fangen Sie Induktionsspannungen gleich dort ab, wo sie entstehen, also unmittelbar an der Spule. Dazu hat sich der Trick bewährt, die Löschdioden auf der Leiterbahn-Seite der Platine zwischen die Spulenanschlüsse zu löten.

Von der Schaltung zum Verbraucher

Zentral oder dezentral?

Bei Anlagenvorstellungen sieht man oft große Metallkästen, in denen alle Steuerungselemente zentral zusammengefasst sind. Von dort aus führen dicke bunte Kabelbäume zu den Verbrauchern.

Andere Modellbahner arbeiten dezentral und platzieren die Elektro- und Elektronikmodule, die nicht zwingend in der Nähe der Bedienpulte benötigt werden, möglichst nahe am Verbraucher.

Ich halte die dezentrale Technik für sinnvoller, denn sie vermeidet unnötige Kabelwege. Dabei geht es weniger um die materielle Ersparnis als um die Störungssicherheit. Je weniger Weg ein elektrisches Signal zwischen Steuerung und Verbraucher zurücklegen muss, desto weniger Störungen ist es ausgesetzt. Und auch bei der Fehlersuche haben Sie es leichter, wenn Sie zwischen Modul und Verbraucher nicht noch etliche Meter Kabel prüfen müssen.

Gehen Sie mit der Elektronik dicht an den Endverbraucher heran. Vom Stellpult kommen Steuerbefehle über dünne Leitungen, werden dort aufbereitet und lassen mit Spannung aus der Rundumversorgung Arbeit verrichten.

Besonders bei Signalschaltungen zeigen sich die Vorteile der dezentralen Lösungen. Dabei wird vor allem deutlich, wie unrationell eine zentrale Steuerung ist, wenn ein Ereignis vor Ort vom Fahrbetrieb beeinflusst wird und im Gegenzug den Fahrbetrieb beeinflussen soll.

Die Ringleitung

Anstatt vieler dicker Kabel mit geschalteter Betriebsspannung brauchen Sie nur ein besonders dickes mit drei Phasen.

Damit Sie nun nicht zu viele Stromversorgungsleitungen legen müssen, empfiehlt es sich, Versorgungsspannungen jedweder Art als Ringleitungen um und durch die Unterwelt der ganzen Anlage zu führen. So haben Sie die benötigten Spannungen immer auf kurzem Weg zur Verfügung.

Dafür müssen Sie Kabel mit großem Querschnitt nehmen, um unterwegs nicht zu viel Verluste durch den Leitungswiderstand zu erfahren. Gut geeignet sind die eigentlich für Installationszwecke gedachten NYM-Leitungen mit 1,5 mm². Dank ihrer Stabilität müssen sie nicht so häufig fixiert werden. An den Versorgungspunkten wird ein Stück Streifenplatine oder Lötleiste unter die Anlage geschraubt, worauf die einzelnen Komponenten zugreifen können.

Mindestbedarf sind folgende Ringleitungen:

positives ungeglättetes Potential für Magnetantriebe, Motoren etc.
positives, geregeltes Potential für Elektronik, gesteuerte Beleuchtung, Lichtsignale etc.
gemeinsames negatives Potential.

Somit müssen nur noch die Steuerleitungen vom Stellpult zu den Verbrauchern – sprich: zu deren vorgeschalteten Fernsteuerungen oder Boostern führen.

Stecken, Klemmen, Schrauben oder Löten?

Manche Modellbahner vertrauen ja immer noch der Devise „Was der Zubehörhandel liefert, muss gut sein.“ Doch jede lose Verbindung ist ein Störfaktor! Die berühmt-berüchtigten Modellbahn-Querlochstecker und noch viel mehr die daraus abgeleiteten Billigvarianten wie die Klemmstecker im Bild rechts sind alles andere als störungssicher.

So eine Modelbahnanlage ist Erschütterungen ausgesetzt und jede Erschütterung kann dazu beitragen, dass sich eine ohnehin schon nicht ganz feste Steckverbindung weiter lockert.

Ein weiterer Nachteil der Einzelstecker ist auch, dass jede Umbauarbeit, bei der ein Kabelbaum zu lösen ist, zur Steckerfummelei ausartet.

Schraubverbindungen – z. B. Lüsterklemmen(leisten) sind stabiler, aber ebenfalls nicht gerade leicht zu bearbeiten.

Sie erleichtern sich das Leben, wenn Sie für lösbare Verbindungen keine Einzelstecker, sondern mehrpolige Steckverbinder benutzen. Auch hier ist wieder ein Blick in den Computerbereich anzuraten. Die dort verwendeten Mehrfachstecker sind auch für unsere Zwecke bestens geeignet, die zugehörigen Kabel des geringen Querschnitts wegen weniger. Aber die Kontaktsicherheit bei Computersteckern ist vom Feinsten, denn dort kommt es ja auf sehr sichere Übertragung an.

Bei allen Arten der Verbindungen sollten Sie darauf achten, dass die Kabel nicht zu stramm sitzen. Im Gegenteil: Es ist besser, eine kleine Kabelschleife vorzusehen, die nicht nur thermische Spannungen ausgleicht, sondern auch bei Eingriffen, Reparaturen und Umbauten die Arbeit erleichtert.

Löten ist die sicherste Methode, elektrische Verbindungen herzustellen. Allerdings nur dann, wenn diese Verbindung nur in Notfällen wieder getrennt werden muss. Auch für die Verbindung zur Rundum-Versorgungsleitung ist die beste Methode, Stützpunkte in Form von Lötleisten-Stücken in der Nähe von Verbraucher-»Nestern« anzubringen.

Kabelbäume

Eigentlich sind wir Modellbahner recht ordentliche Menschen. Auf der Anlage ist meist eine Idylle aufgebaut, das Rollmaterial steht aufgeräumt auf seinen Abstellgleisen und manche fahren sogar streng nach Fahrplan (und sind dabei auch noch besser als das Vorbild). Doch wirft man einen Blick unter so manche Anlage und sieht die so genannte Verkabelung …

Bei den genannten Methoden hängen die Kabel leider unschön durch. Im Fachhandel gibt es Klemmleisten, die mehrere straff gespannte Einzelkabel aufnehmen, aber deren Fassungsvermögen ist begrenzt. Spiral- und andere Schläuche sind ebenfalls ein gutes Ordnungsmittel, aber teurer und nicht so leicht handhabbar wie Klettbänder; es gibt auch spezielle Schläuche mit Einfüllhilfen.

Im Bürobedarfs-Fachhandel finden Sie ein Hilfsmittel, das dem Spiralschlauch ähnlich sieht: den Ringbinder. Eigentlich ist es seine Aufgabe, Broschüren zusammenzuhalten, doch auch unter der Modellbahnanlage macht er sich gut. Kabel lassen sich leicht herausziehen oder neu einfügen und an jeder beliebigen Stelle sind Abzweigungen aus dem Kabelbaum möglich.

Der von Elektronikern viel gelobte Schrumpfschlauch ist hier völlig unbrauchbar, wenn es um das Nachrüsten geht. Sein Einsatzgebiet sind zusammengefasste Kabel innerhalb einer Schaltung.

Wichtig: Buchführung

Ein wichtiges Ordnungskriterium sind die Farben der Kabel. Die Plastikisolierungen gibt es in diversen Farben – auch mehrfarbig geringelt – und als aktiver Modellbahner kann man eigentlich gar nicht genug verschiedenfarbige Kabel in der Bastelkiste haben. Bewährt haben sich auch Flachbandkabel, in denen mehrere Kabel unterschiedlicher Farbe zusammengefasst sind, um mehrere unterschiedliche Verbraucher an einem gemeinsamen Ort anzusteuern.

Sie sollten sich ein Farbschema zulegen, anhand dessen Sie immer deutlich erkennen können, welches Potential welche Leitung führt. In der Elektronik werden übrigens schwarz und braun regelmäßig für Nullpotential verwendet und rot für Plus.

Vorsicht: Beim Starkstrom ist schwarz Phase, also das gefährliche Ende!

Egal für welches Material und welches Verlegesystem Sie sich entscheiden, sollten Sie doch Buch führen über Ihre Verdrahtung. Nichts ist frustrierender, als wenn man bei der Suche nach einem auszutauschenden oder umzulegenden Kabel einen ganzen Kabelbaum auseinander reißen muss, obwohl es reichen würde, an einem der Drähte ein wenig zu zupfen – wenn man nur wüsste, an welchem.

Verdrahtung

Ob fester Draht oder Litze, haben ihre Vor- und Nachteile. Der starre Draht muss nicht so oft gestützt werden, sondern bleibt selbst in Form; dafür ist er beim Verlegen auf kleinem Raum manchmal etwas störrisch. Litze ist nun mal schlabberig, aber dafür macht sie jede Richtungsänderung klaglos mit.

Viel wichtiger ist das Metall, das darin verwendet wird. Litze besteht fast immer aus Kupfer, Draht meist aus Kupfer oder Neusilber. Auch die Leitung setzt dem Strom einen Widerstand entgegen, wie stark er ist, hängt vom Material ab.

Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand

Welchen Widerstand ein Stoff dem elektrischen Strom entgegensetzt, ist abhängig von Material. Jeder Stoff besitzt seine eigene Leitfähigkeit, gemessen in »Siemens pro Meter (S/m)« und mit
dem griechischen Buchstaben σ (sigma) in Formeln dargestellt.

Siemens ist eine abgeleitete Einheit, 1 S ist die Leitfähigkeit, die bei 1 V 1 A fließen lässt.
Das ist der Kehrwert der Widerstandsformel:
Widerstand: 𝑅 = 𝑈 ÷ 𝐼
Leitfähigkeit: 𝜎 = 𝐼 ÷ 𝑈

Somit ist die Leitfähigkeit der Reziprokwert des spezifischen Widerstands, der zur Unterscheidung vom tatsächlichen Widerstand mit ρ (rho) bezeichnet wird; also 𝜌 = 1 ÷ 𝜎.

Den Zusammenhang von spezifischem und tatsächlichem Widerstand zeigt die Formel
𝑅 = 𝜌 · 𝑙 ÷ 𝐴, wobei 𝑙 für die Länge des Leiters steht und 𝐴 für die Querschnittsfläche.

Je länger ein Leiter ist, desto größer der Widerstand,
je größer der Querschnitt, desto geringer.

Auf den Widerstand sich auswirkende Temperaturunterschiede können wir im Hobbybereich vernachlässigen.

(Dank an Bernd Schoeneburg für den Korrekturhinweis)

Welcher Leitungs-Querschnitt für welchen Zweck?

Es gibt bindende Festlegungen des VDE für Kabelquerschnitte in Abhängigkeit von der benötigten Stromstärke. Diese Vorschriften gelten für den Installationsbereich, also Spannungen oberhalb unserer »spielerischen« 25 V maximal. Dennoch ist die Frage eines ausreichenden Kabelquerschnitts für uns nicht unwichtig, denn bekanntlich geht auf dem Weg durch die Kupferleitung auch Leistung verloren.

Für die Modellbahn hat sich eine vereinfachte Berechnung bewährt:

max. Stromstärke [A] = 10 × Leitungsquerschnitt [mm²]

Mit dieser Faustformel sind Sie bestimmt im sicheren Bereich, sie liegt noch weit unterhalb der Obergrenzen des VDE. Eine NYM-Leitung mit 1,5 mm², die sich sehr gut für eine Ringleitung rund um die Anlage eignet, ist laut VDE für 20 A zugelassen, nach der Faustformel kommen wir auf 15 A. Ein handelsübliches Modellbaukabel hat einen Querschnitt von 0,14 mm², kann also bedenkenlos mit einem Strom von 1,4 A belastet werden. Computer-Flachbandkabel dagegen sind nur für anspruchslose Verbraucher zu verwenden, denn ihr Querschnitt beträgt nur 0,05 mm², das reicht für einen Magnetantrieb schon nicht mehr.

Sichern, bevor es Schäden gibt

Diesen Geruch mögen wir Modellbahner gar nicht: verschmorte Isolierung. Das bedeutet immer, dass ein Bauteil oder eine Leitung zu hoch belastet wurde und nun dabei ist, zum Altmetall zu mutieren. Um dies auszuschließen, sind viele elektrische und elektronische Komponenten mit elektrischen Sicherungen (zu) versehen.

Not-Aus

Ganz wichtig: Es gibt immer wieder mal Situationen, da wünscht man sich, mit einem Schlag die komplette Stromversorgung der Modellbahnanlage abschalten zu können, um schlimme Folgen zu verhüten. Diese Folgen werden zwar selten so krass ausfallen, wie sie an Arbeitsmaschinen etc. möglich sind, doch die dort üblichen dicken, auffälligen Not-Aus-Schalter sind auch für unsere Zwecke gut, weil auch ein „Betriebsfremder“ sie sofort als solche identifiziert.

Diese Schalter haben nur einen Nachteil: Sie werden direkt ans 230V-Netz angeschlossen, weshalb Sie sicherheitshalber eine Elektro-Fachkraft bitten sollten, diesen Schalter zu installieren. Gewiss, das kostet mehr, als wenn man es selbst machte, doch es wäre schon peinlich, wenn ein Unfall ausgerechnet von einem falsch installierten Notschalter verursacht würde.

Sicherungen

Sicherungen kennen wir auch aus dem Haushalt und dem Auto; in den Sicherungskästen finden sie sich, um im Ernstfall den Stromfluss zu unterbrechen und damit Schäden vorzubeugen.

Die einfachste Form ist die Schmelzsicherung, beim Hausanschluss ein Keramikkörper, in Geräten eine kleine Glasröhre, in der ein Metallfaden eingeschlossen ist. Durch diesen genau in seinen physikalischen Werten bestimmten Metallfaden läuft der gesamte Strom dieses Kreises. Dabei wird der Draht warm, denn auch er ist ein Verbraucher. Da er jedoch in Reihe mit allen anderen Verbrauchern seines Stromkreises liegt, bestimmt nicht er allein den Gesamtwiderstand, sondern die maßgebliche Größe ist die Summe der Ströme, die durch die anderen Verbraucher fließt. Übersteigt sie einen bestimmten Wert, wird der Sicherungsdraht zu heiß und er brennt durch. Damit ist der komplette Stromkreis spannungslos – Gefahr gebannt.

Außer den elektrischen Werten finden Sie auf Sicherungen noch Kennbuchstaben, die auf die Ansprechzeit hinweisen. Manchmal kann es nämlich sein, dass eine abgesicherte Schaltung durchaus eine kurzfristige Überschreitung des zulässigen Stromes verkraftet. Es wäre wenig sinnvoll, müsste dann jedes Mal die Sicherung erneuert werden. Deshalb gibt es fünf Klassen der Sicherungs-Charakteristik.

Die höchste Strombelastung einer Sicherung steht auf den Metallkappen, die zugleich Anschlüsse sind und in spezielle Halterungen passen.

Sicherungen verhindern, dass durch zu starken Stromfluss Kabel zu warm werden oder Geräte wegen zu hohen Dauerstromflusses durchbrennen.

Der typische oder maximale Verbrauch ergibt sich aus den elektrischen Kennwerten eines Verbrauchers: Betriebsspannung, Leistung, Stromstärke, Innenwiderstand. Mit zwei bekannten Werten lassen sich die beiden unbekannten jederzeit errechnen. Meist sind die Betriebsspannung und die Leistungsaufnahme bekannt, der Innenwiderstand kann mit dem Multimeter gemessen werden; so lässt sich die abzusichernde Stromstärke nach dem Ohmschen Gesetz leicht ermitteln.

Sicherungshalter

Zwei Varianten der Sicherungshalter für unsere Zwecke gibt es, die Platinen- und die Gehäuseversion. Bei der Platinenfassung sind zwei Federklammern auf der Schaltungsplatine des Gerätes befestigt, in die die Sicherung eingeklipst wird. Um hier eine durchgebrannte Sicherung auszuwechseln, muss das Gehäuse geöffnet werden. Sofern damit zu rechnen ist, dass Sicherungen des Öfteren ausgetauscht werden müssen, werden ins Gehäuse von außen zugängliche Sicherungshalter eingebaut, die die Sicherung mit einem Schraubdeckel in ihre Anschlüsse drücken.

Bimetall-Sicherungen

Da auf der Modellbahnanlage bei Montage- und Wartungsarbeiten, aber auch durch Entgleisungen häufiger Kurzschlüsse vorkommen, wäre eine Schmelzsicherung die weniger geeignete Sicherung für Modellbahn-Trafos. Aber es gibt noch andere Sicherungsformen. Der Wärmeeffekt des Stromflusses lässt sich für Schutzvorrichtungen nutzen.

Sobald einem Bimetall, also einer festen Verbindung zweier Metallstreifen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, Wärme zugeführt wird, dehnen sich beide Metalle aus, das eine aber stärker als das andere, so dass sich das Bimetall verbiegt.

Diese Wärmezufuhr kann auf zweierlei Weise erfolgen: Entweder wird der Strom selbst durch das Bimetall geschickt und sorgt unmittelbar für dessen Erwärmung oder das Bimetall wird mit isoliertem Widerstandsdraht umwickelt und von diesem aufgeheizt. Die wärmeabhängige Biegung lässt sich nun in einen Schaltvorgang verwandeln, wenn das Bimetall Bestandteil eines Stromkreises ist, der durch die Verbiegung aufgetrennt wird. In diesem Stromkreis fließt also Strom nur so lange, als ein bestimmter Wert der Stromstärke nicht überschritten wird, denn zu starke Erwärmung öffnet den Bimetallschalter. Bevor der Trafo überlastet wird, schaltet der Bimetallschalter ab und man muss warten, bis er sich wieder abgekühlt hat und den Trafo wieder einschaltet. Bei manchen Geräten schaltet der sich zurückbiegende Kontakt nicht von selbst wieder ein, sondern es ist ein Entsicherungsknopf am Gehäuse zu drücken.

Alles einzeln absichern?

Am sichersten ist es, jeden Sub-Stromkreis für sich abzusichern, denn wenn an einer Zuleitung ein Magnetantrieb und ein Lichtsignal hängen, sind deren Stromstärken sehr unterschiedlich. Man kann aber auch übertreiben. Sinnvoll sind separat abgesicherte Stromkreise immer dort, wo von einem sehr hoch belastbaren Anschluss dünne Leitungen abzweigen, die bei Fehlern schon mal warm werden können, ohne dass die „Hauptsicherung“ etwas davon bemerkt.

Fehler rasch finden

Dezentrale Sicherungen sind meist versteckt unter der Anlage angebracht, wo die Sicht nicht unbedingt gut ist. Eine simple, billige Ergänzung der Sicherungen hilft beim Auffinden einer durchgebrannten Sicherung.

Löten Sie parallel zur Sicherung eine Leuchtdiode und deren Vorwiderstand ein. Solange die Sicherung intakt ist, nimmt der Strom den Weg des geringsten Widerstands, und die LED bleibt dunkel. Brennt der Sicherungsfaden jedoch durch, quält sich der Strom durch Widerstand und LED; die LED leuchtet auf, aber der Strom ist zu schwach, um dahinter noch Schaden anzurichten.

Ein Vorwiderstand von 1 kΩ als Einheitsgröße erfüllt die an ihn gestellte Aufgabe bei allen modellbahnüblichen Betriebsspannungen.

Liegt Wechselspannung an, muss zusätzlich zu LED und Vorwiderstand noch eine Sperrdiode in Reihe geschaltet werden.

SMD verarbeiten

Es gibt auch Experimentierplatinen für SMD, man braucht im Hobbybereich also nicht in jedem Fall speziell entworfene und selbst geätzte Platinen, doch durch ihre Kleinheit sind die Bauteile noch hitzeempfindlicher als ihre großen Kollegen. Das bedeutet, man darf sie nur mit einer geregelten Lötstation verarbeiten. (Zwar gibt es den immer wieder auftauchenden Tipp, einen 2 mm starken Kupferdraht fest um die Spitze eines kleinen Lötkolbens zu wickeln und dessen abgespreiztes Ende als Lötspitze für zu verwenden, doch haben die Tippgeber ihre Rechnung ohne den Ausdehnungskoeffizienten des Kupferdrahtes gemacht. Der Draht ist nämlich weicher als die Lötspitze, und so ist abzusehen, wann er nicht mehr fest sitzt.)

Kleben statt Löten

Es geht jedoch auch ohne Ätzen und Löten, denn Klebstoff und Leitlack erfüllen diesen Zweck ebenso sicher. Unsere Modelle sind überwiegend aus Plastik, also haben wir zum Beispiel mit der Innenseite eines Waggondaches einen hervorragend isolierten Träger. Darauf werden (nach Anfertigung eines Bestückungslayouts) die Bauteile mit ein paar Tropfen Klebstoff fixiert.

Achten Sie darauf, dass bei nicht ganz geraden Flächen die Anschlüsse der Bauteile fest auf der Basisfläche aufsitzen, notfalls bis zum Aushärten beschweren!

Mit einem feinen Pinsel wird dann der Leitlack zwischen den zusammenzuschaltenden Anschlüssen aufgetragen, fertig ist die zwar nicht fachgerechte, aber brauchbare SMD-Schaltung. Auch Leitungskreuzungen sind möglich, indem Sie »Null-Ohm-Widerstände« benutzen.

Apropos Leitlack

Leitlack ist eine spezielle Lackmischung, der leitende Partikel beigemengt sind. Nach dem Durchtrocknen vermag dieser Farbauftrag geringe Ströme zu transportieren. Leitlack kommt immer dort zum Einsatz, wo ein Draht – und sei er noch so dünn – störend wirkt. Er kann auch außen auf sichtbare Fläche aufgetragen und nach dem Durchtrocknen überstrichen werden. Wegen der geringen Belastbarkeit ist er allerdings nur für Leuchtdioden, Mikrolampen und Elektronikschaltungen mit geringem Stromfluss zu gebrauchen.

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