Modellbahn-Elektrotechnik
Praxis: Energieversorgung
Die »elektrische Eisenbahn« braucht elektrische Energie, um zu fahren. Dem Thema »Fahrspannung« ist eine eigene Seite gewidmet. Doch auch das Drumherum – vom Weichenantrieb bis zur Häuserbeleuchtung benötigt »Strom«, und die auf diesen Seiten beschriebenen kleinen Hilfsmittel natürlich ebenso. Der Lichtspannungs-Ausgang des Fahrtrafos ist keine brauchbare Quelle dafür, denn der ist sehr schwachbrüstig ausgelegt. Darum ist für die Modell-Umwelt eine eigene Energiequelle erforderlich.
Wie wird der »Strom aus der Steckdose« modellbahngerecht?
Die aus der Steckdose kommende »Haushaltsspannung« mit 230 V können wir im Modellbau nicht gebrauchen. Sie muss heruntergespannt werden. Dabei hilft uns die Induktion.
In einem von Wechselstrom durchflossenen Leiter bauen sich ständig Magnetfelder auf und wieder ab im Takt der Wechselstromfrequenz. Bringen wir nun einen anderen Leiter in dieses Magnetfeld, wird ihm durch das ständig wechselnde Magnetfeld eine Spannung induziert. Diese Spannung schwingt mit derselben Frequenz wie die ursprüngliche Wechselspannung und kann einen anderen Stromkreis betreiben, der von dem ursprünglichen total getrennt ist.
Wir haben es also hier mit einer galvanischen Trennung zweier Stromkreise zu tun, die sich aber wesentlich enger beeinflussen als es z. B. beim Relais der Fall ist.
Zwei Spulen mit einem gemeinsamen Eisenkern erzielen noch einen besseren Wirkungsgrad der Energieübertragung durch das vom Kern verstärkte Magnetfeld. Aus Sicherheitsgründen verwendet man oft keine gemeinsame Wicklung, sondern der Kern wird als Hohlprofil ausführt und die Spulen separat um zwei Schenkel des Kerns gewickelt. So werden auch im Falle von Isolationsschäden in den Spulen direkte elektrische Verbindungen vermieden.
Wird die Spannung mit einer solchen Konstruktion lediglich zum Zwecke der galvanischen Trennung übertragen, nennt man eine solche Vorrichtung in der Fachsprache auch folgerichtig Übertrager. Sind Eingangs- und Ausgangsspule eines Übertragers identisch, wird der Ausgang die gleiche Spannung abgeben, die am Eingang eingespeist wurde – vom internen Verlust mal abgesehen.
Sobald wir aber Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl verwenden, kommt es zu einer Veränderung, die Spannung wird transformiert. Weniger Windungen in der Empfängerspule führen dazu, dass die Spannung an der Ausgangsspule geringer ist als in der Eingangsspule. Ein sehr nützlicher Zweck, wenn es darum geht, 230 V Haushaltsspannung auf spiel- und hobbyfreundliche Werte herunter zu transformieren. Das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung entspricht direkt dem Verhältnis der Windungszahlen von Primärspule zu Sekundärspule.
Ein Transformator, kurz Trafo, verträgt ausgangsseitig auch mehrere Sekundärspulen, dieses Prinzip finden wir in den üblichen Modellbahntrafos, in denen es eine feste Sekundärspule für den Geräteausgang und eine variable Sekundärspule für die Fahrspannung gibt. Andere Konstruktionen, bei denen es keiner variablen Ausgangsspannung bedarf, haben mehrere Sekundärspulen unterschiedlicher Windungszahl, an denen bedarfsgerecht verschiedene Spannungen für differenzierte Zwecke abgegriffen werden können.
Ganz raffiniert wird es, wenn die Spulen der Sekundärspannungen nicht völlig separiert sind, sondern untereinander verbunden. Genau genommen handelt es sich dabei um eine Spule, die an genau definierten Stellen Abgriffe besitzt. Zwischen den einzelnen Abgriffen liegen dann Sekundärspannungen an, die der Primärspannung im selben Verhältnis entsprechen wie die Windungszahl zwischen den beiden Abgriffen der Windungszahl der Primärspule.
Wichtig: Die von den Sekundärspulen abzuverlangende Leistung ist selbstverständlich begrenzt. Deshalb finden sich auf jedem handelsüblichen Trafo oder Netzteil konkrete Angaben, welche Ausgangsspannungen mit welcher Leistung belastet werden dürfen.
Der Stelltrafo
Um eine variable Ausgangsspannung z. B. zur Festlegung der Fahrgeschwindigkeit unserer Triebfahrzeuge zu erhalten, gibt es den 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.)
Mehr Power als aus dem Modellbahntrafo
So ein handelsüblicher, mit der Anfangspackung ausgelieferter Trafo, der sowohl Fahrspannung als auch Versorgung für Beleuchtung und Magnetartikel liefert, ist selten belastbar. Das merken Sie, wenn beim Schalten mehrerer Weichen die Beleuchtung flackert oder mehrere Weichen gleichzeitig gar nicht schaltbar sind. Welche Stromstärken einzelne Verbraucher »ziehen«, zeigt die Tabelle:
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Gerät
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Stromstärke
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Innenbeleuchtung pro Waggon (Lampen)
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50 … 100 mA
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Innenbeleuchtung pro Waggon (LED)
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40 mA
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Stirnbeleuchtung (Lampen)
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50 … 100 mA
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Stirnbeleuchtung (LED)
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20 mA
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Lokmotor
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100 … 1000 mA
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Magnetspulenantrieb (Weichen, Formsignale, Entkuppler, Relais)
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600 … 2500 mA
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DIL-Relais (Antriebsspule)
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15 … 40 mA
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Die Magnetantriebe sind die heftigsten Verbraucher, schon das Schalten zweier Weichen gleichzeitig kann den Trafo »in die Knie zwingen«.
Deshalb ist die Anschaffung eines oder mehrerer leistungsstärkerer Trafos unabdingbar. So können Fahrbetrieb und Peripherie versorgungstechnisch separiert werden.
Um Elektronik mit Spannung zu versorgen, rüsten Sie diese selbst mit einer Gleichrichtung und Spannungsglättung aus, das ist entschieden billiger als die Anschaffung konfektionierter Netzteile und vermeidet Kabelsalat.
Trafos zusammenschalten?
Immer wenn man denkt, jetzt sei man mit genügend Trafos ausgestattet, um alle gleichzeitig betriebenen Verbraucher zu versorgen, kauft man sich noch ein ganz tolles Ausstattungsstück dazu und schon klemmt es wieder irgendwo und man muss eine weitere Spannungsquelle besorgen.
Bei einem zusätzlichen Stück Inventar ist das zunächst mal einfach, denn man kann den neuen Trafo für eben jenes Objekt verwenden und nach Maßgabe verfügbarer Leistung auch noch weitere Neuzugänge anschließen. Aber was, wenn ein Anlagenstück dazu gebaut wurde und die Häuser- und Straßenbeleuchtung mit dem Rest der kleinen Welt konform geschaltet werden soll? Da liegt der Versuch nahe, einfach die Ausgänge zweier Trafos mit identischer Sekundärspannung parallel zu schalten, denn bei Parallelschaltung von Spannungsquellen addiert sich deren Leistung. So einfach ist das aber nicht, denn da kommt ja Wechselspannung aus den Ausgängen heraus und das hat zwei unschöne Nebenwirkungen.
Problem 1: Phasenlage
Wechselspannung vertauscht die Polarität der Ausgänge im Hundertstel-Sekunden-Rhythmus. Bei zwei nicht baugleichen Trafos können Sie aber nicht sicher sein, ob die Ausgangsbuchsen, die sie da verbinden, auch dieselbe Phasenlage haben. Wenn Sie sich da irren, sind gegenphasige Pole miteinander verbunden und die Spannungen heben sich gegenseitig auf. Deshalb finden sich in Fachbüchern häufig ausführliche Anleitungen, wie man für solche Situationen der Phasenlage der Trafos abstimmt.
Auf dieser Website finden Sie zu diesem Thema nichts! Und damit kommen wir zur zweiten und bedeutend wichtigeren Schwierigkeit beim Zusammenschalten von Trafos. So etwas ist nämlich überaus gefährlich.
Problem 2: Rückwärtsinduktion
Nehmen wir mal an, einer der beiden Trafos sei ans Netz angeschlossen, der andere aber nicht, sein Netzstecker hängt irgendwo lose herum. Dann wird Trafo 1 mit 230 V primär beschickt und wandelt das ordentlich in meinetwegen 14 V sekundär um. Diese 14 V versorgen nun mehr schlecht als recht die zahlreichen Verbraucher, denn die Leistung von Trafo 2 fehlt ja.
Trafo 2 ist aber sekundär mit dem Ausgang von Trafo 1 verbunden, in die Sekundärspule von Trafo 2 gelangen also 14 V Wechselspannung, die Trafo 2 nun auf umgekehrtem Wege in seine Primärspule induziert, wo allerdings 230 V erzeugt werden. Und diese 230 V liegen am ungeschützt herumbaumelnden Netzstecker von Trafo 2 an! Schöne Grüße auch an die Krankenkasse!
Deshalb die dringende Bitte: Erhalten Sie sich Ihre Gesundheit und Ihren Besitz, indem Sie auf solche Experimente verzichten. Jeder Transformator benötigt sein ureigenstes Betätigungsfeld; das Zusammenschalten mehrerer Transformatoren ist grobe Fahrlässigkeit!
Tipp: Computer-Netzteile recyclen
Wenn ein Computer verschrottet wird, liegt das meist nicht daran, dass er rundum verbraucht ist, sondern dass seine Technologie nicht mehr zeitgemäß ist. Die Netzteile in den Computern jedoch sind in den meisten Fällen noch brauchbar, wirklich sicher und verglichen mit den im Modellbaubereich angebotenen Trafos wahre Kraftpakete.
Diese Netzteile sind so konstruiert, dass sie ohne Sicherheitsbedenken direkt an den Anlagen-Unterbau geschraubt werden können. Sie
- sind schutzisoliert,
- sind leistungsfähig,
- liefern modellbahngerechte Gleichspannungen von 12 V, 5 V und 3 V,
- besitzen eine Lastregelung und
- ein Kühlventilator ist auch schon einbaut.
Aus dem Netzteil kommt ein dicker Kabelbaum hervor, dessen Kabel in unterschiedlichen Arten von Steckern enden. Die Kabelfarben sind bestimmten Spannungen zugeordnet; die Vielfalt der Spannungen ist je nach Bauart unterschiedlich.
Auf dem Gehäuse finden Sie Aufkleber mit Informationen, wie hoch die einzelnen Ausgangsspannungen belastet werden dürfen. Die üblichen Zuordnungen der Kabelfarben zeigt die Tabelle rechts; Sie sollten diese im Einzelfall aber mittels Multimeter überprüfen.
Netzteile vom Typ ATX müssen Sie allerdings überlisten, denn sie arbeiten nur, wenn sie an die Hauptplatine eines Computers angeschlossen sind. Bei manchen reicht es, das grüne Kabel mit schwarz kurzzuschließen, schon ist die Kontrollschaltung überlistet. Andere benötigen eine Last zwischen diesen beiden Anschlüssen, um einwandfrei zu arbeiten; in diesem Fall fügen Sie eine Lampe mit 5 V /2 W zwischen grün und schwarz ein. Welches Netzteil welche Art der Überbrückung benötigt, müssen Sie empirisch ermitteln.
Gewiss, die Verwendung eines Computer-Netzteils entspricht nicht so ganz den EU-Sicherheitsanforderungen für Spielzeug, aber warum sollen wir bei unserem Hobby nicht auch die weitgehende Auslegung der Industrie benutzen. Modellbahn ist kein Spiel, sondern ernsthaftes Hobby. Und sicher sind die PC-Netzteile auf jeden Fall, solange Sie sie nicht öffnen und darin etwas verändern.
Als zusätzliche Sicherungsmaßnahme empfehle ich Ihnen, jeden vom PC-Netzteil abgegriffenen Versorgungsstromkreis einzeln mit einer Schmelzsicherung abzusichern, damit bei Überlastungen oder Kurzschlüssen nicht erst die Sicherung des Netzteils abschalten muss.
Wechselspannung für die Modellbahnelektronik gleichrichten und glätten
Die elektronischen Zubehöre benötigen Gleichspannung, um zu funktionieren; der Modellbahntrafo liefert aber am »Zubehörausgang« meist Wechselspannung. Sie aufzubereiten, ist kein Problem mit einer ganz einfachen Schaltung.
Zunächst muss die Wechselspannung mit einem Gleichrichter zu einer Gleichspannung umgewandelt und mit einem Kondensator ein wenig geglättet werden. Um die Spannung noch »glatter« zu bekommen, bedient man sich eines Spannungsreglers. Schaltungen der Modellbahnelektronik brauchen meist eine Spannung von 12 V; die liefert ein Regler des Typs 7812. Damit lassen sich sowohl die Elektronik als auch die von ihr gesteuerten »Stromfresser« zugleich betreiben.
Die Spannung vom Trafoausgang wird zunächst mit einem Brückengleichrichter sortiert. Direkt hinter dem Gleichrichter kann die Gleichspannung für Magnetartikel abgegriffen werden, da kommt es nicht auf Glättung und Regelung an. Die Diode vor dem Glättungs-Kondensator am Eingang des Spannungsreglers verhindert, dass sich die Magnetartikel an dessen Ladung »bedienen«.
Die Universal-Versorgung für die Peripherie
Diese kleine Schaltung ist in der Lage, sowohl geregelte Spannungen für die Elektronik als auch »Kraftstrom« für Magnetartikel zu liefern. Das gemeinsame Bezugspotential erlaubt es, Magnetartikel elektronisch zu schalten: Die elektronischen Komponenten liefern im aktiven Zustand ein negatives Signal, das direkt vom Magnetartikel umgesetzt werden kann. Der Unterschied liegt im positiven Potential, dass für die Elektronik geglättet ist und für die Spule wellig, aber kräftig.
Im Nachfolgenden finden Sie ausführliche Erläuterungen zu den Komponenten.
1. Gleichspannung glätten
Einsteiger schätzen die Funktion des Gleichrichters häufig falsch ein, deshalb hier zur Erläuterung: Der Gleichrichter sorgt lediglich dafür, dass die Eingangsspannungen nach Plus und Minus sortiert werden – also eine rein qualitative Gleichrichtung, die Spannung pulsiert weiter mit 50 Hz.
Auf die Höhe der Spannung hat der Gleichrichter keinen Einfluss (mal abgesehen von je 0,6 V Verlust auf beiden Seiten wegen des Spannungsabfalls in den Dioden). Die ständig auf- und abschwellende Spannungshöhe gibt der Gleichrichter unverändert an seine Ausgänge weiter.
Die so gleichgerichtete Spannung gilt als ungeglättete Gleichspannung, die ständig zwischen dem höchsten Spannungswert und Null schwankt.
Da Wechselspannung mit einer Frequenz von gemeinhin 50 Hertz schwingt, erfolgen die Wechsel so schnell, dass anspruchslosere Bauteile diese Schwankungen hinnehmen – und wir Menschen mit unseren trägen Sinnen ohnehin.
So stellt sich die subjektive Spannung als ein Mittelwert aus den Einzelwerten innerhalb eines Durchlaufs dar. Dieser Wert wird als Effektivspannung bezeichnet und auf Wechselstromquellen (Trafos) auch so angegeben, abgekürzt mit Ueff.
Als nächster E‑Wert bietet sich 68 µF an.
Mittels einer eingeschleiften Spule ließe sich das noch weiter glätten, bequemer geht es jedoch mit einem Spannungsregler.
2. Spannungsregler
Es gibt Spannungsregler, die werkseitig auf eine bestimmte Spannung eingestellt sind, und solche, deren geregelte Ausgangsspannung man durch äußere Beschaltung beeinflussen kann.
In Stromversorgungen benutzen wir Festspannungsregler, denn hier wollen wir unsere Betriebsspannung abgreifen und an der sollte sich nichts ändern.
Festspannungsregler
3. Noch etwas glatter
Allerdings ist das, was den Regler verlässt, immer noch keine völlig geglättete Spannung. Wer vermutet, da käme auf dem Oszilloskop eine ganz gerade Linie raus, irrt. Auch die geregelte Ausgangsspannung hat noch eine gewisse Restwelligkeit, bei der 78er- und 79er-Familie liegt sie bei ca. 4% der Ausgangsspannung.
Sollen integrierte Schaltungen aus dieser Spannungsquelle versorgt werden, muss noch ein Kondensator von ca. 100 nF nachgeschaltet werden, um die Restwelligkeit aufzufangen. Dieser Kondensator sollte räumlich so dicht wie möglich am Regler installiert werden, also am besten gleich in die dem Ausgang und dem Masseanschluss nächstliegenden Platinenlöcher.
So eine Versorgung lässt sich leicht auf einer Streifenplatine realisieren. Bei einer Größe von max. 25 × 10 mm lässt sie sich leicht direkt am Ort des Geschehens unterbringen oder in die zu versorgende Schaltung integrieren.
Und noch ein weiterer Kondensator empfiehlt sich, der aber weit weg vom Regler, dafür in unmittelbarer Nähe jedes in der Schaltung benutzten integrierten Schaltkreises unterzubringen ist. Diese dienen der Störsicherheit der einzelnen IC und ihre Kapazität sollte rd. 10 nF betragen.
Die Spannung zum Verbraucher bringen
Die Ringleitung
Wir schalten von einem Bedienpult oder mit einer wie auch immer beschaffenen Fernbedienung. Doch wollten wir jede Aktion direkt zum Verbraucher übertragen, brauchten wir dafür einen erheblichen Kabelaufwand: viele dünne für Signalansteuerungen oder dicke für Magnetartikel. Trennen wir aber auf nach Signalspannung und Betriebsspannung, reduziert sich der Aufwand erheblich. Anstatt vieler dicker Kabel mit geschalteter Betriebsspannung brauchen Sie nur ein besonders dickes mit drei Phasen, das unter der Anlage in die Nähe aller Verbraucherschwerpunkte führt. So haben wir 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 oder zu deren vorgeschalteten Steuerungsmodulen oder Boostern führen.
Auf diese Ringleitung beziehe ich mich in den diversen Schaltungsvorschlägen dieser Seiten.
