Modellbahnelektrik

Die Fahrregler und Trafos auf der Modellbahn

- Einführung in das Thema -

Einführung Ohne Transformatoren und Fahrregler ist kein Fahrbetrieb auf der Modelleisenbahn möglich (weder analog noch digital). Deshalb ist es für den Modellbahner zweckmäßig, sich mal einen Überblick über das Trafo- und Fahrreglerangebot zu verschaffen. Gleich vorne weg, die hier vorgestellten Trafos und Fahrregler beziehen sich auf den analogen Fahrbetrieb. Selbstverständlich können manche der Trafos auch als Versorgungstrafo für den Digitalbetrieb verwendet werden, aber da bitte dann erst die entsprechenden Hinweise für die Digitalanlage lesen. Wie dem Modellbahner bekannt, vertreibt jeder Modelleisenbahnhersteller in der Regel Fahrregler und Trafos unter seinem Namen. Ihr könnt aber sicher sein, dass diese Geräte von Dritten hergestellt werden. Deshalb ist es vor allem bei Gleichstrombahnen jederzeit möglich Gleichstrom-Fahrtrafos von den unterschiedlichsten Herstellern einzusetzen. Es gibt auch Hersteller wie z.B. Titan, die sich auf den Trafobau spezialisiert haben. Für Beleuchtungsaufgaben auf der Modellbahn kann jeder Wechselstromtrafo eingesetzt werden, dazu braucht es kein teures Markengerät. Wichtiger ist hier eine ausreichende Leistung (Ampere) zu bekommen. Unter 0,5 bis 1 Ampere sollte hierzu kein Trafo eingesetzt werden. Tipp: Die älteren Märklin-Trafos sind sehr leistungsfähig und eignen sich für diese Aufgabe bestens. Wir haben also nun schon gelernt, dass jeder Gleichstromfahrtrafo für den Betrieb von allen mit Gleichstrom betriebenen Loks bzw. Motoren verwendet werden kann. Für die Beleuchtung reicht jeder Wechselstromtrafo aus, da es dem Lämpchen egal ist, ob es Wechselspannung oder Gleichstrom bekommt. Märklin-Fahrregler sind jedoch eine Besonderheit in der Modelleisenbahnlandschaft. Da die analoge Märklin-Modelleisenbahn mit Wechselstrom betrieben wird, kann dementsprechend auch nur sinnvoll hier ein Wechselstromtrafo eingesetzt werden. Dementsprechend sind die Trafos und Fahrregler von Märklin nicht mit einem Gleichrichter ausgestattet. Dafür haben aber die Fahrregler einen sog. Stromstoßschalter, mit dem die Richtungsumschaltung der Loks erfolgen kann. Diese Besonderheit der Märklin-Technik führt dazu, dass alle anlogen Märklin Trafos - ohne den Einbau von Gleichrichtern - nicht für Gleichstromanlagen verwendet werden können.

Geschichte der Modellbahn - Transformatoren Die erste elektrische Eisenbahn wurde im Jahr 1879 von der Firma Siemens auf der Berliner Gewerbeausstellung präsentiert. Im Jahre 1882 stellte die Nürnberger Firma Ernst Planck in der Zeitung für die Blechwarenindustrie eine elektrisch betriebene Spielzeugeisenbahn vor. Zuerst kamen lediglich Spielzeugbahnen in den Handel, die mit Batterien betrieben wurden. Ab dem Jahr 1900 wurde dann begonnen auch für Modelleisenbahnen den Strom aus dem Lichtstromnetz zu entnehmen. Unterschieden wurde damals noch in Schwachstrom- und Starkstrombahnen. Bei den Starkstrombahnen bestand die Gefahr starker Stromschläge, da die Trafotechnik in Hinblick auf Sicherheit noch nicht weit entwickelt war. Ferner gab es einzelnen Regionen und Orte wo nur eine begrenzte Stromversorgung vorhanden war. Die Netzspannung lag um die Jahrhundertwende bei rd. 110 Volt. Bei den sog. Starkstrombahnen war das Spielen durchaus gefährlich. Die 110 Volt wurden über sog. Lampenwiderständen auf etwa 60V reduziert. Die Geschwindigkeitsregulierung der Loks erfolgte mit zusätzlichen Widerstandsspulen. Wenn aber die Lokomotive nicht mehr auf dem Gleis stand und damit der Widerstand entfernt war, lag dann wieder die volle Stromspannung an. Ab dem Jahre 1927 wurde eine VDE-Vorschrift in Kraft gesetzt, die diese Sicherheitsrisiken ausschloss. In dieser Vorschrift wurde die max. Stromspannung für Spielzeuge auf 24 Volt begrenzt. Es wurde auch vorgeschrieben nur noch Transformatoren mit galvanischer Trennung der Primär- und Sekundärspule zu verwenden. Damit war der Grundstein für einen sicheren elektrischen Spielzeugbetrieb gelegt.

Technische und Physikalische Hinweise Bevor wir uns die Trafos (Transformatoren) und Fahrregler von den verschiedensten Herstellern im Einzelnen ansehen, noch ein paar physikalische bzw. technische Erklärungen und Hinweise. Die Farbenlehre Da die Märklin Eisenbahn der Spurweite H0 doch am meisten gekauft wurde und wird, ist es - vor allem für die Elektronikbastler- wichtig, sich mit den von Märklin verwendeten Kennfarben (für die verschiedenen Funktionen) auszukennen. Dabei muss zwischen Kabelfarben und Steckerfarben unterschieden werden: - gelbe (Stecker und Kabel) sind grundsätzlich die Spannungszuleitungen zum elektromagnetischer Verbraucher (Weichen, Signale) und die Anlagenbeleuchtung. - braun (bei Stecker und Kabel) generell für alle Masserückführungen - rot (Kabel und Stecker) ausnahmslos für die Fahrstromversorgung - grün (Kabel und Stecker) wird bei älteren Anlagen für die Weichen- und Signalantriebe verwendet. Zur besseren Funktion der Spulen wird teilweise auch eine getrennte Stromversorgung benutzt. - blau (Kabelfarbe) sind alle über Masse geschalteten elektromagnetischen Verbraucher. Welche Einstellung damit geschalten wird, hängt von der Steckerfarbe ab. - grün (Steckerfarbe) Signale auf Fahrt, Weichen auf Geradeaus, Drehscheiben in Rechtsrichtung - rot (Steckerfarbe) Signale auf Halt, Weichen auf Abbiegen, Drehscheiben in Linksrichtung, Dreiwegweichen auf links abbiegen schalten. - orange (Steckerfarbe) Signale auf Langsamfahrt, Dreiwegweichen auf rechts abbiegen schalten - schwarz (Kabelfarbe) kommt nur als Zuleitung analoger Beleuchtungen in Wagen vor. - grau (Kabelfarbe) nur intern bei Signalen als Glühlampenzuleitung. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sollte man diese Farbcodierung beachten.

Das Stromnetz, die Spannung und die Stromstärke Unser Stromnetz in Deutschland ist mit einer Spannung von 230 Volt Wechselspannung ausgestattet. Spannungen oberhalb von 50 Volt sind lebensgefährlich. In gewissen Situationen können sogar kleinere Spannungen gefährlich sein. Deshalb ist es erforderlich den Betrieb von Modelleisenbahnanlagen durch einen Trafo (Transformator) auf ungefährliche Spannungen herunter zu transformieren. Die zulässigen Spannungen im Modelleisenbahnbetrieb bewegen sich deshalb in der Regel zwischen 6 und 16 Volt. Bei einem Trafo sind zwei Spulen um einen Eisenkern gewickelt. Wird an der ersten Spule (Primärspule) eine Wechselspannung angeschlossen, entsteht ein wechselndes Magnetfeld im Eisenkern. In der zweiten Spule (Sekundärspule), welche um denselben Kern gewickelt wird und keine elektrische Verbindung zur ersten Spule besitzt, wird durch das wechselnde Magnetfeld wiederum eine Spannung induziert. Die Spannung am Ausgang der zweiten Wicklung hängt vom Verhältnis der Anzahl Windungen der ersten zur zweiten Wicklung ab.    Vergrößern -- Bild anklicken Die Spulenwicklung, die wir an der Eingangsspannung anschließen (220-230 Volt) bezeichnen wir als Primärspulenwicklung (Trafo-Eingang). Die Sekundärspulenwicklung, der wir z.B. eine 16 Volt Spannung entnehmen, nennt man Sekundärspannung (Trafo-Ausgang). Berechnet werden kann dies selbstverständlich auch. Dazu nehmen wir uns ein Beispiel. Angenommen die Primärwicklung umfasst 500 Windungen (um den Eisenkern), die Sekundärwicklung umfasst 50 Windungen. Das Verhältnis der beiden Wicklungen beträgt dann 10 : 1. Wird nun die Primärwicklung an das 230 V Stromnetz angeschlossen, entsteht (ohne Berücksichtigung der Trafo-Verluste) eine Spannung von 23 Volt. Macht man es anders herum, also legt man eine Spannung von 23 Volt an den Trafo im Sekundärbereich an, so wird der Strom hochtransformiert auf 230 Volt im Primärbereich. Die errechneten Werte müssen in der Praxis noch mit dem Wirkungsgrad des Trafos gemindert werden. Der Wirkungsgrad eines guten Trafos ist aber sehr hoch, sodass diese Berechnung für den Hobbyeisenbahner ausreicht. Fließt also am Ausgang ein Strom von 1 Ampere, so wird bei unserem Beispiel ein Eingangsstrom von 100 Milliampere (mA) messbar sein.

Parallelschaltung von Trafos Weshalb all diese Erklärungen werden sich nun manche Modellbahner fragen. Ich nehme das Stromkabel des Trafos, stecke es in die Steckdose, schließe die elektrischen Anlagenteile entsprechend an und die Anlage ist stromversorgt. Soweit so gut. Für diese Modellbahner braucht es die o.g. Ausführungen auch nicht. Nun gibt es aber Bastler-Spezialisten unter dieser Spezies und für die wird es nun interessant oder auch gefährlich - wie man es sieht -. Nachfolgend ist eine Parallelschaltung von zwei Trafos zu sehen (ist nicht erlaubt). Der Ausgang des ersten Trafos speist den zweiten Trafo an dessen Ausgang ein. Dieser wiederum transformiert die (ungefährliche) Sekundärspannung wieder auf volle Netzspannung hoch (am Eingang). Kapiert was dann passiert ?? Zum Vergrößern -- Bild anklicken Am gezogenen Netzstecker des zweiten Trafos liegt nun wieder die volle Netzspannung von 230 Volt an !!! Wenn nun der nicht ausreichend informierte Modellbahner hier hinlangt, oder gar den Netzstecker in die Steckdose steckt, dann knallt es ordentlich (lebensgefährlich) und ggf. sind dann auch die Trafos in den Trafohimmel gegangen. Deshalb Finger weg von elektrischen Experimenten, wenn man sich nicht gut auskennt. Aus diesem Grund dürfen Trafos niemals Sekundärseitig parallel geschaltet werden. Es können nur die Masseanschlüsse aller Trafos miteinander verbunden (bei Märklin sind das die braunen Litzen), die gelben Anschlüsse dürfen niemals miteinander verbunden werden.

Die Phasengleichheit Wenn mehrere Trafos auf der Modellbahnanlage in Betrieb gehen sollen, kann es vorkommen, dass die Sekundärspannung eines Trafos zu einem gegebenen Zeitpunkt negativ ist, während bei einem anderen Trafo zum selben Zeitpunkt die Halbwelle positiv ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Netzstecker der Trafos umgekehrt zueinander eingesteckt sind (siehe nachfolgendes Bild. Zum Vergrößern -- Bild anklicken Leider sind die Stecker an den Trafos nicht gekennzeichnet, daher kann man die Phasenverschiebung nicht erkennen. Auf dem nachfolgendem Bild sieht man deutlich, wie sich die Ausgangsspannungen zweier Trafos zueinander verhalten, wenn sie nicht phasengleich angeschlossen sind. Zeitpunkt A ist der Nulldurchgang, dieser ist bei beiden Trafos identisch. Doch während bei ersten Trafo jetzt die positive Halbwelle folgt, folgt beim zweiten Trafo die negative Halbwelle. Die Spannungsdifferenz ist bei Zeitpunkt B am höchsten, nämlich doppelt so hoch wie die Spannung eines einzelnen Trafos (voraussetzung: zwei identische Trafos werden verwendet). Da bei größeren analogen Anlagen mehrere Trafos für mehrere Stromkreise verwendet werden (die Übergänge zu den jeweiligen Stromkreise müssen voneinander getrennt werden), tritt folgendes Problem auf. Fährt eine Lok mit Ihren Schleifern über eine derartige Trennstelle, wird bei gleicher Phasenlage der Trafos ein relativ bescheidener Ausgleichstrom fliessen. Ist hingegen die Phasenlage wie bei unserem Bild um 180° verschoben, entsteht eine sehr hohe Spannung zwischen den Stromkreisen. Diese Spannung, kann doppelt so hoch sein wie die Ausgangsspannung eines Trafos. Da der Schleifer der Lok die Trennstelle zu den Stromkreisen überbrückt funkt und zischt es erheblich unter dem Schleifer. Dies ist im Betrieb nicht nur unschön anzusehen, es kann auch auf Dauer eine analoge Lok erheblich beschädigen. Damit solch ein elektrischer Spuk abgestellt werden kann, muss die Phasengleichheit sichergestellt werden. Die Frage ist nun aber wie bewerkstelle ich dies? Aber auch für diese Frage gibt es eine Antwort. Variante 1: Da den Trafos beim Einstecken der Zuleitung in die Steckdose nicht angesehen werden kann, ob sie phasengleich arbeiten oder nicht, benötigt man eine 220 V Steckerleiste mit Ein/Ausschalter (am besten beleuchtet). Den Stecker der Steckerleiste in die Steckdose stecken und darauf achten, dass der Ein/Ausschalter ausgeschaltet ist. Dann die beiden Trafos an die Steckdosenleiste anschließen. Nun werden die braunen Sekundäranschlüsse (Masse) der Trafos miteinander verbunden. Es wird dann eine 12 Volt Glühlampe oder ein Messgerät (Voltmeter) benötigt. Die Glühlampe oder das Messgerät wird mit den beiden gelben stromführenden Sekundäranschlüssen verbunden (meistens gelbe Leitungsadern). Nun den Schalter der Steckerleiste einschalten. Wenn nun die Lampe leuchtet oder das Messgerät ausschlägt, muss der Netzstecker des zweiten Trafos gedreht werden. Wenn die Lampe nicht leuchtet bzw. der Voltmeter nichts anzeigt, sind beide Trafos phasengleich. Dieses Vorgehen ist natürlich nur bei reinen Wechselstromtrafos erforderlich. Bei Gleichstromtrafos gibt es ja diese Phasenverschiebung nicht. Variante 1: Es werden zwei Trafos mit je einem Anschlussgleis mit Mittelleiterisolierung verbunden. Der Schienenkörper wird wie üblich an Masse (braune Trafobuchse) angeschlossen, der Mittelleiter an die Lichtleitung (gelbe Trafobuchse). Nun nimmt man einen Beleuchtungssockel mit Glühbirne und Draht und hält die Drahtenden der Anschlüsse an die Mittelleiter der Gleise. Leuchtet die Glühbirne auf, so muss der Stecker eines Trafos in der Steckdose umgedreht werden. Anders ausgedrückt: Bei gleicher Polarität darf die Birne nicht aufleuchten. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Gesamtmasse (wenn überhaupt) aus Sicherheitsgründen nur zwischen Trafos an der selben Sammelsteckdose empfehlenswert ist. Bei Digital betriebenen Anlagen wird die Wechselspannung der Trafos zuerst gleichgerichtet um dann anschließend von der Endstufe z.B. der Control-Unit oder des Boosters von Märklin als Digitalstrom an die Gleise zu gelangen. Trotzdem sollte auch hier die Phasengleichheit eingehalten werden. Bei einem Fehler in den Stromkreisen, kann dies die Rettung einer elektronischen Baugruppe bedeuten. Der Halbwellentrafo Unsere Netz-Wechselspannung hat eine Frequenz von 50 Hz. Diese Frequenz besteht aus 50 positiven und 50 negativen Halbwellen. Da die Modellbahnen, mit Ausnahme alter Märklin-Modelle, die noch nicht digital laufen und auch nichts mit negativen Halbwellen anfangen können, muss diese Wechselspannung gleichgerichtet werden. Es gibt hierzu zwei Möglichkeiten: 1. Die Halbwellengleichrichtung 2. Die Vollwellengleichrichtung. Bei der Halbwellengleichrichtung werden nur die positiven Halbwellen durchgelassen, die negativen werden unterdrückt. Im Sekundärbereich kommt also eine Gleichspannung heraus, die aus 50 positiven Halbwellen besteht, zwischen denen sich jeweils 50 Phasen ohne Spannung befinden. Die sog. Halbwellentrafos arbeiten nun im unteren Regelbereich mit Halbwellengleichrichtung, und erst ab einer bestimmten Reglerstellung gehen sie langsam zur Vollwellengleichrichtung über, d.h. die negative Halbwelle wird nach und nach in die Lücken eingesetzt. Bei der Vollwellengleichrichtung werden dagegen nicht nur die positiven Halbwellen durchgelassen, sonder die negativen "nach oben geklappt", so dass im Sekundärbereich 100 positive Halbwellen herauskommen. Die Umschaltung von Halb- zu Vollwellen erfolgt natürlich kontinuierlich und elektronisch. Zum Vergrößern -- Bild anklicken Die Halbwellentrafos arbeiten somit im unteren Regelbereich mit einer Halbwellengleichrichtung, und erst ab einer bestimmten Reglerstellung gehen sie dann langsam zur Vollwellengleichrichtung über, d.h. die negative Halbwelle wird nach und nach in die Lücken eingesetzt. Dies soll eine verbesserte Leistung bei der Langsamfahrt bringen und einen ruhigen Motorlauf bei höheren Geschwindigkeiten. Die Weiterentwicklung ist dann die Impulsbreitensteuerung (z.B. beim Roco ASC-1000).