Passende Gleisspannung für Spur-Z-Lokomotiven

Eine Besonderheit der Spur Z ist die im Verhältnis zu den größeren Spuren "massstabsgerecht" niedrigen Spannung, die laut Hersteller und Normen [1] als Maximum im Analogbetrieb zulässig ist: 10V 

Dieser Wert gilt aber nur für Analogbetrieb und kontinuierlichen Gleichspannungsbetrieb. Für den Digitalbetrieb und die dort zulässigen Spannungen am Gleis schweigen sich die Normen aber für die Spur Z aus (s. [2], [3]).

Zum Thema der maximal zulässigen Gleisspannung für digitalisierte Spur-Z-Lokomotiven hört und liest man daher vieles und nicht alles davon trifft zu!

Ganz im Gegenteil scheint dieses Thema Ausgangspunkt für besonders viele Missverständnisse und "Mythen" zu sein. Gründe für diese Missverständnisse gibt es mehrere:

1. Häufig wird übersehen, dass der Motor einer digitalisierten Z-Lok gar nicht mit der Gleisspannung in Berührung kommt - zwischen Gleis und Motor liegt ja der Lokdecoder und dieser benutzt die Gleisspannung nur, um daraus ein komplett anderes Signal für den Motor zu machen, eine Pulsweiten modulierte Wechselspannung. 
2. Es ist weitgehend unbekannt, wie sich diese PWM-Wechselspannung zur Gleisspannung verhält, dass z.B. die Amplitude dieser PWM-Wechselspannung immer geringer ist, als die Spannung des Gleissignals.
3. Es herrscht oft Unwissen darüber, dass eine PWM-Spannung ganz anders auf den Motor wirkt, als eine konstante Gleichspannung gleicher Höhe, für die aber die Herstellerangaben gelten.
4. Es kursieren viele, oft falsche Gerüchte darüber, ob und wie man Glockenankermotoren mit PWM betreiben darf.

Um alle diese Aspekte zu berücksichtigen und das Thema systematisch aufzubereiten, muss man etwas weiter ausholen und auch ein wenig theoretisch werden.

Für alle Ungeduldigen, die sofort wissen wollen, was Sache ist, kommt daher hier zunächst das Ergebnis der nachfolgenden ausführlicheren Betrachtungen:

 

Zusammenfassung und Praxistipps: Digitale Gleisspannung für Spur Z Der Motor der Z-Loks ist für eine konstante Gleichspannung von 10V bei analogem Betrieb ausgelegt.  Bei digitalem Betrieb liegt der Motor nicht mehr direkt an der Gleisspannung sondern ist mit den Motorausgängen des Decoders verbunden. Im Decoder wird aus der digitalen Gleisspannung eine komplett andere Spannung zur Steuerung des Motors erzeugt: Eine Pulsweiten modulierte Wechselspannung mit einer bestimmten, vom Decoder abhängigen Frequenz und Pulsen, deren Breite von der eingestellten Geschwindigkeit abhängt. Die Höhe der PWM-Pulse ist immer geringer (typischerweise um ca. 2V), als die Höhe der Pulse der digitalen Gleisspannung.  Für die Wirkung auf den Motor ist bei der PWM-Wechselspannung nicht die Amplitude, d.h. der Spitzenspannungswert entscheidend, sondern der Effektivwert der Spannung, der nochmals deutlich geringer ist.  Als optimaler Wert für die Spannung des digitalen Gleissignals für Spur Z kann 12Veff angesehen werden. Erstens arbeiten alle Decoder mit dieser Spannung problemlos - niedrigere Gleisspannungen führen schnell zu "Kommunikationsproblemen" zwischen Zentrale und Decoder. Zweitens produzieren die Decoder aus diesen 12Veff am Gleis typischerweise eine PWM-Motorspannung mit Spitzenwerten von ca. 10V und deutlich geringerer effektiver Spannung. Mit 12Veff ist also nicht nur ein sicherer Betrieb der Lokdecoder sichergestellt sondern auch eine sehr schonende PWM-Steuerung des Motors. Mit einer digitalen Gleisspannung von 12Veff liegt man daher immer auf der sicheren Seite und braucht sich keinerlei Gedanken um seine empfindlichen Z-Motoren machen.  Die Frage, wie man nun die optimale Gleisspannung von 12Veff erreicht, hängt ganz individuell von der verwendeten Zentrale bzw. dem eingesetzten Booster ab. Es gibt grundsätzlich folgende Möglichkeiten, von denen die letzte immer und mit jeder beliebigen Zentrale anwendbar ist: Die Höhe der Gleisspannung ist per Software oder Drehregler an der Zentrale einstellbar. Dies ist die einfachste und komfortabelste Möglichkeit. Einziges Problem: Wenn die Einstellung über einen Drehregler ohne Anzeige der eingestellten Spannung erfolgt, muss man diese am Gleis messen, um auch wirklich 12Veff einzustellen. Wie man das machen kann, steht weiter unten in der ausführlichen Erklärung. Die Gleisspannung der Zentrale kann durch Veränderung der Höhe der Versorgungsspannung der Zentrale selbst beeinflusst werden. In diesem Fall reicht es in der Regel, das mitgelieferte Netzteil gegen eines mit 12V auszutauschen. Aber Vorsicht: Es gibt Zentralen, die es nicht interessiert, was man ihnen selbst an Versorgungsspannung anbietet - sie machen daraus die unverändert, meistens zu hohe Gleisspannung für Spur-N oder -H0. Ein Beispiel für solche Zentralen ist die weit verbreitete Intellibox. Man kann sie zwar durchaus mit einem 12V-Trafo statt des empfohlenen 16V-Trafo betreiben, auf die Spannung am Gleisanschluss hat das aber praktisch keinen Einfluss, die bleibt fast genau so (zu) hoch, wie mit dem 16V-Trafo. Der Hersteller bietet eine (meistens kostenpflichtige) Umrüstung auf eine Z-kompatible Gleisspannung an (auch hier ist die Intellibox ein bekanntes Beispiel).  Man schaltet zwischen Gleis und Zentrale eine sogenannte Diodenkette und setzt damit die Gleisspannung auf die gewünschten 12Veff herab. Eine passende Diodenkette kann man fertig kaufen (siehe Links am Ende dieses Artikels) oder auch einfach selbst bauen (siehe weiter unten in der ausführlichen Erklärung). Diese Möglichkeit funktioniert mit wirklich jeder Zentrale und jedem Booster. Baut man die Diodenkette selbst, wird es auch sehr kostengünstig.

 

Dieses "Kochrezept" gibt zwar an, wie das Ergebnis ausszusehen hat und wie man dieses erreichen kann -  es bleiben aber viele Fragen offen. Angefangen mit der Frage, was eigentlich der Effektivwert einer Spannung ist, bis hin zu der "ominösen" Diodenkette ist noch nichts beantwortet.

 

Gehen wir das Thema also systematisch an und schauen uns zunächst einmal an, was eigentlich mit der Spannung vom Ausgang der Zentrale bis zum Motor passiert:

 

Zentrale, Gleis, Decoder, Motor - wo ist eigentlich welche Spannung zu finden

Ein häufiges Missverständnis bei Diskussionen über die maximal "erlaubte" Gleisspannung liegt in der Vorstellung, dass der Motor mit dieser digitalen Gleisspannung direkt in Berührung kommt. Das ist aber nicht der Fall!

Das folgende Schema (Abbildung 1) macht deutlich, dass nicht der Motor, sondern der Decoder mit dieser Gleisspannung (Abbildung 2) konfrontiert wird. Der Decoder macht aus dieser Spannung dann ein sogenanntes PWM-Signal (Abbildung 6), das sich sowohl in der Signalform, als auch in der Höhe deutlich von der Gleisspannung unterscheidet:

 

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Stromlaufs von der Zentrale über das Gleis, die Radschleifer, den Decoder bis zum Motor. Die digitale Gleisspannung A (siehe Abbildung 2) kommt mit dem Motor nicht in Berührung. Der Motor erhält das vom Decoder erzeugte Pulsweiten modulierte Signal B (siehe Abbildung 6). (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

 

 

Schauen wir uns zunächst einmal das Signal an, dass von der Zentrale auf das Gleis gelegt wird, also das eigentliche DCC- oder Selectrix-Signal.

In der folgenden Abbildung 2 ist als Beispiel ein DCC-Signal mit einem digitalen Speicheroszilloskop (DSO) an der Stelle A des Schemabildes in Abbildung 1 aufgenommen worden.

Die Nulllinie wird durch die kleinen gelben Dreiecke angezeigt (links mit einer kleinen "1" für Kanal 1 versehen). Wie man sieht, pendelt das rechteckförmige Signal symmetrisch um die Nullinie und erreicht gleiche Abstände nach "oben" im positiven Bereich und nach "unten" im negativen Bereich.

Das Gitternetz hat in vertikaler Richtung eine Auflösung von 5V, die positive Auslenkung des Signals erreicht knappe 2,5 Kästen, d.h. ca. 12V. Ebenso werden im negativen Bereich -12V erreicht. Schaut man ganz genau hin, so sieht man jeweils am Beginn des positiven und negative "Daches" der Rechtecke einen kleinen Peak, der etwas höhere Spannungsbeträge erreicht, ca. +/-13,5V. Diese Peaks entstehen als ganz kurzeitige leichte Überschwinger bei der Erzeugung und Verstärkung des Signals in der Zentrale. Sie spielen für die eigentliche Funktion und die weiteren Betrachtungen keine Rolle.

Sofort auffällig ist die unterschiedliche Breite der Rechteck-Pulse links und rechts in der Abbildung. Die schmalen Pulse stellen ein 1-Bit im DCC-Format dar, die breiten ein 0-Bit. Für Selectrix sähe das Bild etwas anders aus, dazu später mehr, für die jetzt folgenden Betrachtungen ist es grundsätzlich ersteinmal egal, ob es sich um ein DCC- oder ein Selctrix-Signal handelt.

In horizontaler Richtung entspricht ein Kästchen des hinterlegten Gitternetzes genau 40µs. Die schmalen Rechtecke im linken Bereich sind also jeweils ca. 60µs lang, was eine Periodendauer (vollständiges positives + vollständiges negatives Rechteck) von ca. 120µs ergibt. Die breiten Pulse auf der rechten Seite sind etwa doppelt so lang.

Möchte man die Spannungs- und Zeitwerte des Signals wirklich genau ermitteln, muss man entweder ein Lineal zur Hand nehmen oder aber man benutzt die eingebaute Mess-Software des DSO ;)

 

 

 

 

 

 

Abbildung 2: Das Gleissignal einer DCC-Zentrale, die mit 12V betrieben wird. Die Spannung pendelt symmetrisch von -12V bis +12V (mit kurzen Spitzen von +/-13,6V) um die Nulllinie. Die effektive Spannung (Cyc-RMS) beträgt 12Veff. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

 

Die Ergebnisse dieser automatischen Analyse sind in der Abbildung im rechten Bereich unter "Measure" zu finden.

Ganz oben wird die Frequenz des Signals angegeben, sie beträgt 8,62 KHz, was einfach dem Kehrwert der unten angegebenen Periodendauer von 116µs entspricht. Diese Frequenz und die ihr zugrundeliegende Periodendauer entspricht der DCC-Norm (s. [2]). Der zweite Wert von oben (Pk-Pk = 27,2V) zeigt die Spitze-Spitze-Spannung (Peak to Peak) an, also die Spannungsdifferenz zwischem maximalem (positiven) und minimalem (negaiven) Spannungswert des Signals. Diese Extremwerte werden durch die kurzen Überschwinger am Anfang der positiven und negativen Pulse erzeugt und sind auch noch einzeln als "Minimum" und "Maximum" mit jeweils -13,6V und +13,6V angegben. Das zeigt zunächst nochmal, dass das Signal symmetrisch um die Nulllinie schwingt, sonst wären die beiden Beträge unterschiedlich groß.

Was man daraus jetzt aber keinesfalls ableiten darf ist die Vorstellung, dass dieses Signal von der Spannungshöhe und/oder von der Wirkung mit einer Gleichspannung von 27,2V gleichzusetzen ist!

Zunächst einmal sind im Spitze-Spitze-Wert die extrem kurzen Überschwinger enthalten, die keinerlei Rolle spielen (das wird weiter unten beim Thema Effektivwert noch klarer erklärt). Aber auch, wenn man diese abzieht und damit auf einen Spitze-Spitze-Wert von 24V kommt, kann dieser nicht mit einer gleich hohen Gleichspannung verglichen werden. Zur Bewertung der Wirkung eines solchen Signals auf einen Vebraucher, z.b. einen Motor, sind nicht die Spitzenwerte entscheidend, sondern der sogenannte Spannungs-Effektivwert. Dieser wird in der Messwertleiste der Abbildung unter "Cyc RMS" angegeben und beträgt 12V!

Damit sind wir dann beim Thema:

 

 

 

Was ist eigentlich der Effektivwert einer elektrischen Spannung und wie kann man ihn messsen?

Für einen Verbraucher, z.B. einen Motor, ist die Wirkung einer Spannung nicht nur von ihrer Höhe abhängig, sondern auch von der Länge des Zeitraums, in dem diese Spannung anliegt.

Auch ohne theoretischen Ballast kann man sich das anschaulich klar machen, wenn man überlegt, wie unterschiedlich ein Motor reagiert, wenn er erstens eine Stunde lang mit der maximal zulässigen Spannung betrieben wird oder zweitens mit dieser Spannung, die während einer Stunde nur zweimal für genau eine Sekunde eingeschaltet wird.

Im ersten Fall wird der Motor reichlich heiß sein, im zweiten Fall wird man keinerlei Erwärmung spüren. Die Erwärmung ist dabei ein gutes Maß für die Belastung des Motors, die im ersten Fall an die Grenzen geht, im zweiten Fall nicht der Rede wert ist.

Selbstverständlich kann man den Motor auch mit einem nur eine Sekunde oder kürzer dauernden Spannungspuls schädigen, wenn die Spannung sehr hoch ist - einen Blitzschlag würde er kaum überleben, auch wenn dieser nur einen Bruchteil einer Sekunde wirken würde. Eine Spannung, die einen Motor schon mit einem sehr kurzen Puls schädigt muss aber wirklich hoch, sehr viel höher als z.B. die maximal zulässige Dauerspannung sein. Ich habe es bisher nicht bis zum bitteren Ende getestet, aber ein Z-Motor hält durchaus kurzzeitig eine gepulste Spannung mit Spitzenwerten über 30V aus, sicherlich sogar deutlich mehr, das habe ich aber bisher nicht versucht ;)

"Aushalten" und dauerhaft "bekömmlich" sind natürlich nicht dasselbe: Auch wenn ein Z-Motor gepulste 30V zunächst überlebt, wird es ihm damit auf die Dauer nicht gut gehen, er wird heiss und der Verschleiss wird stark erhöht sein.

Was bei diesen Überlegungen aber deutlich geworden sein sollte:

Bei einem Wechselspannungssignal ist anders, als bei einer reinen Gleichspannung, nicht der absolute Spannungswert entscheidend, sondern auch die Zeit, in der die wechselnden Spannungen anliegen. Nur in diesen Zeiträumen kann auch Strom fliessen und der Motor belastet werden. Für den Motor macht es also einen Unterschied, ob ein 30V-Impuls nur 100µs lang ist oder aber 10s dauert. 

Es macht auch einen Unterschied, ob diese Pulse nur einmal pro 10min oder aber alle 2s auftreten.

Mit anderen Worten: Der Effekt einer Wechselspannung auf einen Verbraucher hängt nicht direkt von den Spitzenspannungswerten des Signals ab, sondern von der "mittleren Spannung über einen Zeitraum". Das ist dann schon die anschauliche Definition des Effektivwertes einer Wechselspannung.

Dieser "mittlere" Wert hängt nach den o.g. Betrachtungen einmal von der Form der Pulse ab (sinus- oder rechteckförmig, Höhe, Dauer) und zum anderen von der Frequenz, in der die Pulse auftreten. 

Die Bestimmung des Effektivwertes kann daher sehr kompliziert sein, wenn das Signal z.B. sehr kompliziert geformt ist. Wer sich für diese Thema tiefgreifender interessiert, dem empfehle ich den Wikipedia-Link unter [8] als Einstieg in die Thematik. Für unsere Zwecke brauchen wir das aber nicht weiter vertiefen, denn wir haben es zum Glück mit sehr einfachen Signalen zu tun: Sowohl die Digitalsignale am Gleis (egal, ob DCC oder SX), als auch das PWM-Signal am Motor sind rechteckförmig und damit die einfachste Form eines Signals.

Betrachten wir nochmal das in Abbildung 2 gemessene DCC-Gleissignal. Hier haben wir, egal zu welchem Zeitpunkt, entweder +12V oder -12V anliegen (und ganz kurz am Anfang jedes Pulses +13,6V/-13,6V). Es wäre jetzt naheliegend, einfach den sogenannten arithmetischen Mittelwert zu bilden. Wir könnten z.B. eine Periode (ein positiver + ein negativer Puls) der schmalen Rechtecke auf der rechten Seite des Bildes in 100 Zeitschritte unterteilen und die zu diesen Zeitpunkten gemessenen Spannungen aufsummieren. Wenn man diese Summe dann durch 100 teilt, hat man den Mittelwert der auftretenden Spannungen.

Rechnen wir das ruhig einmal kurz durch. Wir betrachten 50 Zeitpunkte des positven und 50 Zeitpunkte des negativen Pulses. Der erste Spannungswert wird +13,6V sein, danach folgen 49 mal Spannungswerte von 12V. Dann kommt ein Spannungswert von -13,6V gefolgt von 49 mal -12V. Die Summe der Werte ist also: +13,6V + (49 x +12V) + (-13,6V) + (49 x -12V) = 0 !

Dieses rechnerisch korrekte Ergebnis ist elektrisch offensichtlich sinnlos. Für den Motor ist eine symmetrisch zwischen +12V und -12V pendelnde Spannung sicherlich nicht gleichbedeutend mit einer durchgängig nicht vorhandenen Spannung. Dem Motor ist es prinzipiell völlig egal, wie die Spannung gepolt ist, er ändert einfach seine Drehrichtung und die Belastung bleibt unabhängig von der Drehrichtung gleich.

Kinematisch gesehen hätte dieser Mittelwert von Null bei einem Gleichstrom-Motor noch einen gewissen Sinn: Wer schon mal eine Analoglok auf ein Gleis gesetzt hat, an dem ein Digitalsignal liegt, weiss, dass sich die Lok nicht bewegt (wie bei einer Spannung von 0V), er weiss aber auch, dass der Motor durchaus belastet wird, singende Geräusche von sich gibt, weil er tatsächlich arbeitet, durch die hohe Frequenz der "Umpolung" aber nicht vom Fleck kommt. Die Belastung ist sogar durchaus hoch und man sollte daher einen solchen Versuch nicht unbedingt nachmachen oder zumindest nur sehr kurz durchführen.

Fazit: Die einfache Mittelwertbildung führt nicht zu einem brauchbaren Wert für den Effekt der Spannung.

Die Lösung für dieses Problem hat einen englischen Namen: Die Root-Mean-Square-Berechnung eines Mittelwertes. Root-Mean-Square wird meistens abgekürzt mit RMS und der deutsche Begriff ist nicht etwa die direkte Übersetzung "Wurzel-Mittelwert-Quadrat", sondern "quadratischer Mittelwert". 

Rechnerisch ist der Unterschied zum arithmetischen Mittelwert, dass die zu mittelnden Werte zunächst quadriert, dann aufsummiert, die Summe dann durch die Anzahl der Werte geteilt und von dem Ergebnis dann die Wurzel gezogen wird. Kompliziert?

Es wird sehr viel verständlicher, wenn wir es auf unser DCC-Signal aus Abbildung 2 anwenden. Wieder unterteilen wir eine Periode in 100 Zeitpunkte, womit wir wieder die 100 Werte +13,6V + 49 x +12V für den positiven Puls und -13,6V + 49 x -12V für den negativen Puls haben. Diese Werte werden jetzt aber quadriert und dann addiert. Also (13,6)² + 49 x (12)² + (-13,6)² + 49 x (-12)² = 184,96 + (49 x 144) + 184,96 + (49 x 144) = 14481,92. Hier wird schon klar, dass durch die Quadrierung die negativen Spannungswerte "positiv gemacht werden" und nicht mehr die positiven Werte aufheben können. Den quadratischen Mittelwert bekommt man jetzt durch Division der Summe durch die Anzahl der Werte, in unserem Fall also 14481,92 / 100 = 144,8192 und anschliessendes Wurzelziehen: 12,0340

Der effektive Spannungswert unseres DCC-Signals beträgt also 12,03V und diesen Wert gibt auch das Oszilloskop als gerundeten Cyc RMS (als RMS-Wert für einen Cyclus/eine Periode) von 12,0V in Abbildung 2 an.

Fassen wir jetzt mal die Erkenntnisse der bisher zugegebenermaßen trockenen Betrachtungen und Rechenbeispiele zusammen:

1. Entscheidend für die Belastung eines Motors sind nicht die Spitzenwerte einer Wechselspannung, sondern der Effektivwert, der als quadratischer Mittelwert über den betrachteten Zeitraum, bzw. bei periodischen sich gleichartig wiederholenden Signalen wie unseren digitalen Gleisspannungen für eine Periode angegeben wird.
2. Der Effektivwert ist immer geringer, als die Spitzenwerte der Wechselspannung.
3. Der Effektivwert kann berechnet werden, wenn man das Signal genau kennt, also Form und Frequenz bekannt sind. Dies setzt ein Oszilloskop zur Darstellung des Signals voraus.

Nachdem wir bisher ein DCC-Signal als Beispiel benutzt haben, sei noch kurz auf die Unterschiede bei einem Selctrix-Signal hingewiesen. Das Selectrix-Signal ist ebenfalls ein Rechtecksignal, sieht aber etwas anders aus (s. Abbildung 3):

 

 

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Selectrix-Signals, entnommen aus [3]. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

Wie man sieht, ist auch das SX-Signal symmetrisch, es pendelt zwischen gleich hohen positiven und negativen Spitzenwerten. Auch die Breite der positiven und negativen Rechteckpulse ist wie beim DCC-Signal gleich, sie wechseln sich aber nicht regelmäßig ab. Wie wir jetzt wissen, ist aber das Verhältnis von positiven und negativen Pulsen für den quadratischen Mittelwert und damit für den Effektivwert egal - durch die Quadrierung gehen nur die Beträge, nicht aber das Vorzeichen in diesen Wert ein. Der wesentliche Unterschied zum DCC-Signal sind jedoch die zwischen den Rechteckpulsen liegenden Null-Phasen. Diese führen dazu, dass der Effektivwert eines Selectrix-Signals immer etwas niedriger sein wird, als der Effektivwert eines DCC-Signals mit gleich hohen Spitzenspannungswerten. Das bedeutet aber, dass in folgenden Betrachtungen ein Spannungswert, der für DCC auf der sicheren Seite für Spur Z liegt, immer auch für Selectrix "sicher" ist!

Bevor wir uns jetzt zum Abschluss des Themas "Effektivwert" der wichtigen Frage zuwenden, wie man diesen eigentlich mit "Hobby-Mitteln" messen oder bestimmen kann, sei noch ein wichtiges Detail nachgetragen:

Die bisherigen Aussagen zum Effektivwert sind streng genommen zunächst nur für einen sogenannten "ohmschen" Verbraucher, also z.B. einen Widerstand gültig. Der von mir als Bespiel benutzte Motor stellt aber auch eine induktive Last dar. Damit ist gemeint, dass in ihm die Ankerwicklungen nichts anderes darstellen, als Spulen, in denen induktive Vorgänge dazu führen, dass sekundäre Spannungen und Ströme erzeugt werden, die man genau genommen in die Betrachtungen mit einbeziehen müsste. Abgesehen davon, dass eine solche Betrachtung den Rahmen vollständig sprengen würde, ist es aus praktischer Sicht auch nicht nötig, da dies zu keinen praktisch wirksamen Unterschieden führen würde, eine Begründung fogt noch im Abschnitt zum PWM-Signal.

Nun aber zu der Frage:

Wie misst man eigentlich den Effektivwert?

Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten, inklusive der Überlegung, ob eine Messung überhaupt nötig ist. Gehen wir aber systmatisch vor:

Aus der bisherigen Darstellung ist schon klar geworden, dass ein Oszilloskop, am besten mit einer automatischen RMS-Berechnung, die beste und genaueste Möglichkeit ist, den Effektivwert eines digitalen Signals oder auch des PWM-Signals zu bestimmen. Nun gehört ein solches Gerät nicht zur Standardausstatung eines Modellbahners und es wäre auch völlig abstrus, sich ein Oszilloskop nur zum Zweck der Messung der digitalen Gleisspannung und der Decoder-PWM anzuschaffen. Diese Möglichkeit kommt also nur für diejenigen in Frage, die ohnehin schon damit ausgestattet sind, oder sich ein Gerät leihen können. Für die überwältigende Mehrheit der Modellbahner wird es aber keine Option sein.

Die zweite, sehr genaue und einfache Möglichkeit ist die Verwendung eines digitalen Multimeters mit "True RMS" Messung (s. Abbildung 4):

 

Abbildung 4: Gleichzeitige Messung eines DCC-Signals mit Oszilloskop und True RMS Multimeter zum Vergleich. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

Wie die Abbildung zeigt, ist die Messung mit einem solchen Multimeter sehr genau und verläßlich. Das "True" bezieht sich bei diesen Geräten darauf, dass für praktische beliebige Signalformen ein korrekter Effektivwert bestimmt wird. Geräte, die nur "RMS" fähig sind, können das in der Regel nur für bestimmte Signalformen und Frequenzen, z.B. Sinussignale mit 50Hz. Diese nutzen für die Messung der digitalen Gleisspannung nichts!

Ein brauchbares True RMS Multimeter ist inzwischen zwar ab ca. 65,- € erhältlich, für den "normalen" Modellbahner, der typischerweise ja schon ein ansonsten völlig ausreichendes einfaches Multimeter besitzt, wird sich die Anschaffung aber nicht lohnen. Falls man aber ohnehin noch ein Multimeter braucht oder aber weitergehend an den elektronischen Aspekten der MoBa interessiert ist, wäre es eine Überlegung wert. Aber Vorsicht: Die True RMS Fähigkeit dieser Geräte ist immer nur bis zu einer bestimmten maximalen Frequenz des Signals korrekt. Diese sollte für die Messung von digitalen Gleissignalen bei mindesten 10kHz, besser bei 20kHz liegen.

 

Wer aber (berechtigterweise) nicht in ein solches Gerät investieren will, wird eventuell einfach mal ausprobieren, was das vorhandene Multimeter anzeigt. Davon muss man ganz einfach abraten!

Sie zeigen im DC-Modus typischerweise nichts an, im AC-Modus ist die Anzeige, die man mit solchen nicht True RMS fähigen Geräten erhält, mehr oder weniger zufällig und auf jeden Fall falsch - je nach Konstruktion des Multimeters sogar grob falsch. Die Abbildung 5 zeigt als abschreckendes Beispiel die Ergebnisse bei der Messung des gleichen Signals wie in Abbildung 4 mit einem ganz einfachen "Baumarkt-Multimeter" und einem schon gut ausgestatten, aber eben nicht True RMS fähigen Gerät:

Abbildung 5a: "Baumarkt-Multimeter" ohne TRMS (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)	Abbildung 5b: "Gehobenes" Multimeter ohne TRMS (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

Es gibt jedoch eine sehr brauchbare Methode, um mit einem normalen Multimeter zu einer ausreichend genauen Messung zu kommen: Man baut sich eine kleine Schaltung zur Gleichrichtung des Signals auf und misst dann die so erzeugte Gleichspannung im DC-Modus. Das Ergebnis entspricht dann ausreichend genau dem Effektivwert des Signals.

Eine Bauanleitung für solch eine Schaltung (und viele weitere nützliche Infos) ist auf der 1zu160-Webseite (s. Link [6]) zu finden - ich kann mir hier also einen Schaltungsvorschlag sparen.

Für alle diejenigen, die unter den jetzt aufgezählten Möglichkeiten keine für sie passende gefunden haben, lautet der beste Ratschlag: Zunächst einmal das Thema bis zum Ende durchlesen. Eventuell wird das Ergebnis dann sein, dass man gar keine Messung braucht, weil man die eigene Zentrale auch ohne Messung auf die optimale 12Veff Gleisspannung einstellen kann - sei es durch eine entsprechend geänderte Versorgung der Zentrale oder durch Reduktion der bekannten Ausgangsspannung der Zentrale mittels Diodenkette - das kann man berechnen und braucht keine Messung.

 

 

 

Für den Motor letztlich entscheidend: Das PWM-Signal des Decoders

 

Kommen wir nun endlich zum entscheidenden Signal für unsere Z-Motoren: Das PWM-Signal, das der Decoder aus der Gleisspannung erzeugt und zumeist lastgeregelt an den Motor weitergibt.

Die Abbildung 6 zeigt ein solches PWM-Signal bei Langsamfahrt. Das Signal wurde direkt an den Motoranschlüssen gemessen und der Decoder liegt dabei an dem in Abbildung 2 gezeigten DCC-Signal mit 12Veff Gleisspannung.

Auch ein PWM-Signal ist ein Rechtecksignal. Es ist aber nicht symmetrisch, sondern zeigt in Abbildung 6 nur positive Ausschläge, da an der Zentrale langsame Vorwärtsfahrt eingestellt wurde. Bei Rückwärtsfahrt würde der Decoder negative Rechtecke erzeugen.

Inzwischen, nach den vorangegangenen Erklärungen, ist die Interpretation des Oszilloskop-Bildes relativ einfach:

Wir sehen positive Rechteck-Pulse von ca. 16µs Länge und ca. 10V Höhe. Jeweils am Anfang jedes Pulses gibt es einige kurze Überschwinger, ein induktiver Effekt des Motors und für den Effektivwert der Spannung ohne Bedeutung. Zwischen den Rechtecken bleibt die Spannung gut 40µs lang auf Null. Daraus ergibt sich dann eine Frequenz von gut 15KHz und eine Effektive Spannung von 4,4V.

 

 

 

Abbildung 6: Das PWM-Signal, das der Decoder aus dem Signal von Abbildung 2 bei langsamer Vorwärtsfahrt erzeugt. Die effektive Spannung beträgt nur 4,4Veff. Details siehe Text. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

 

Abbildung 7 zeigt, wie sich das Signal verändert, wenn der Regler der Zentrale auf Maximalgeschwindigkeit gestellt wird: Die Höhe der Rechtecke bleibt unverändert bei etwa 10V, sie werden aber breiter und sind jetzt ca. 50µs lang. Die Null-Phasen werden dagegen kürzer und verringern sich auf ca. 15µs. Durch diese Erhöhung der Pulsweite steigt der Effektivwert der Spannung auf 7,2Veff - wohlgemerkt: Bei Maximalgeschwindigkeit, die auf einen Wert eingestellt wurde, der noch deutlich über einer vorbildgerechten Höchstgeschwindigkeit liegt. 

Selbst, wenn diese Beschränkung aufgehoben wird, kann das PWM-Signal maxiaml einen Effektivwert von 10V erreichen, nämlich dann, wenn die Pulsweite so groß wird, dass die Nullphasen komplett verschwinden.

 

Abbildung 7: PWM-Signal bei Maximalgeschwindigkeit.

 

 

Fazit:

 

Aus den gezeigten Beispielen lassen sich folgende Schlüsse ziehen:

 

1. Die Höhe (Spitzenwert) der PWM-Pulse, die ein Decoder erzeugt, liegt ca. 2V niedriger, als der Effektivwert der Gleisspannung. Dieser Zusammenhang zeigt sich bei allen meinen Decodern (verschiedene Typen von unterschiedlichen Hersteller) und ist einfach elektronisch bedingt.
2. Mit einer Gleisspannung von 12V RMS ist daher selbst bei maximaler Ausregelung des PWM-Signals in eine konstante Gleichspannung ohne Nullphasen keine Überlastung eines Z-Motors möglich, weil dieses "Worst Case Szenario" genau dem vom Hersteller angegebenen Höchstwert von 10V-DC im Analogmodus entspricht.
3. Da mit 12V RMS am Gleis auch alle mir bekannten Decoder gut arbeiten und keine Kommunikationsprobleme zu befürchten sind, stellt ein Effektivwert von 12V RMS am Gleis den optimalen Wert für die Spur Z dar!

 

 

 

Wie stellt man nun die Gleisspannung auf 12Veff ein?

 

Praktisch alle derzeit erhältlichen Zentralen und Booster sind zwar auf Spur N und Spur H0 Gleisspannungen zu konfigurieren, einen Einstellmöglichkeit für Spur Z sucht man aber fast immer vergeblich.

Trotzdem ist es aber kein wirkliches Problem, die optimalen 12Veff zu realisieren - wie genau, hängt von der benutzten Zentrale bzw. dem benutzten Booster ab. 

Die einfachste Möglichkeit ist die 

Direkte Einstellung per Software oder Drehregler

 

Die bequemste Möglichkeit ist sicherlich eine direkte Einstellmöglichkeit der Gleisspannung an der Zentrale - entweder per Software oder per Drehregler. Bei den meisten Zentralen wird die Suche in der Bedienungsanleitung aber zum frustierenden Ergebnis führen: Für N und H0 gibt es Einstellmöglichkeiten, nicht aber für Spur Z.

Tatsächlich sind mir nur einige Booster (z.B. von Uhlenbrock) bekannt, bei denen es einen Regler für die Ausgangsspannung gibt, mit dem man auch die passenden 12Veff für Spur Z einstellen kann. Bei diesen muss man das Ergebnis der Einstellung aber entweder per Messung (s.o.) kontrollieren, oder sich an den richtigen Wert herantasten: Solange herunterregeln, bis die erste digitalisierte Lok nicht mehr richtig auf die Fahrbefehle reagiert. Dann wieder etwas höher drehen und anschliessend alle vorhandenen Loks mit Decoder sorgfältig testen, ggf. noch höher drehen, bis alle Decoder sicher funktionieren.

 

Umrüstung durch den Hersteller

 

Eventuell gibt es die Möglichkeit, die Ausgangsspannung vom Hersteller auf einen Z-bekömmlichen Wert umrüsten zu lassen. Einen solchen Service gibt es z.B. für die Intellibox von Uhlenbrock. Im Zweifelsfall lohnt sich also eventuell eine Anfrage beim Hersteller.

Austausch des Versorgungs-Trafos oder -Netzteils

 

Bei sehr vielen (leider nicht allen) Zentralen hängt die Höhe der Gleisspannung direkt von der Höhe des Netzteils oder des Trafos zum Betrieb der Zentrale ab. D.h.: Tauscht man das Original-Netzteil oder -Trafo gegen eines mit 12V (12V DC oder 11V AC) aus, so kommt "hinten" auch ein Gleissignal von 12Veff heraus.

Dieses Verfahren funktioniert z.B. mit den meisten Einsteiger-Zentralen (Multimaus von Roco, Profi Boss von Fleischmann, Mobile Station von Märklin/Trix etc.), aber auch mit vielen "großen" Zentralen. Auch hier hilft im Zweifelsfall eine Anfrage beim Hersteller.

Nicht gut funktioniert dieses Verfahren bei einigen Zentralen, die selbst eine höhere Spannung benötigen, um noch zu arbeiten oder aber auch bei Zentralen, die intern noch einen eigenen Wandler haben. So gibt z.B. die Intellibox immer die in den Technischen Daten genannten Spannungen für N oder H0 aus, unabhängig davon, wie hoch die Eingangsspannung des Trafos ist.

 

Reduktion der Gleisspannung durch eine Diodenkette

 

Die "Diodenkette" ist eine Methode, die immer funktioniert, d.h. mit einer Diodenkette kann man auch solche Zentralen oder Booster anpassen, bei denen die o.g. Methoden nicht funktionieren. Auch, wenn man sich die Kosten für eine Umrüstung vom Hersteller sparen möchte, kann man ohne Nachteile eine Diodenkette benutzen.

Die Idee einer Diodenkette ist, dass man den Spannungsabfall von ca. 0,7V an einer von Strom durchflossenen Diode nutzt. Durch Hintereinanderschalten von mehreren Dioden kann man die Gleisspannung schrittweise um 0.7V, 1.4V, 2.1V,... usw. verringern.

Man muss allerdings immer zwei Dioden gegenpolar zusammenschalten, weil ansonsten der positive oder negative Anteil des Signals abgeschnitten wird und damit das Signal für die Decoder nicht mehr verständlich ist.

Abbildung 8 zeigt den Schaltplan einer solchen Diodenkette, die Abbildungen 9 und 10 zeigen zwei Möglichkeiten des Aufbaus. Der fliegende Aufbau mit einer Lüsterklemme ist allerdings nur zum Testen empfehlenswert, da er ansonsten irgendwann zu einer sicheren Fehlerquelle mit Wackelkontakten wird. 

 

Abbildung 8: Schaltplan für Diodenketten zur Reduktion der Gleisspannung

 

Mit dem fliegenden Aufbau kann man aber sehr einfach die richtige "Länge" der Diodenkette herausfinden, wenn man keine Möglichkeit zum Messen des Effektivwerts der Gleisspannung hat. Man hängt dazu einfach solange ein weiteres Diodenpaar an die Kette an, bis Verständigungsprobleme zwischen Zentrale und Lokdecodern auftreten. Dann nimmt man das letzte Paar wieder aus der Kette und hat die richtige Länge bestimmt.

 

Abbildung 9a: Aufbau einer Diodenkette mit 10 antiparallelen 1A-Dioden-Paaren auf Lochrasterplatine. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)	Abbildung 9b: Aufbau einer Diodenkette mit 10 antiparallelen 5A-Dioden-Paaren auf Lochrasterplatine. (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

 

 

 

Abbildung 10: "Fliegender" Aufbau einer Diodenkette mit 4 antiparallelen 5A-Dioden-Paaren mit einer Lüsterklemmenreihe.  (Für eine größere Darstellung auf das Bild klicken.)

 

 

Kennt man den genauen Wert der Gleisspannung (z.B. aus den Technischen Daten der Zentrale), kann man auch einfach die Differenz zu 12V durch 0,7 teilen und hat damit dann rechnerisch die richtige Länge gefunden.

Etwas aufpassen muss man bei der Wahl der Dioden. Sie sollten ausreichend stromfest sein und mindestens 3A sollten sie schon aushalten - nicht deshalb, weil 3A wirklich auftreten werden, sondern weil die Dioden durch diese Reserve nicht zu heiss werden, wenn wir die Z-typischen 1A-1,5A fließen lassen.

Wem der Selbstbau zu kompliziert ist: Diodenketten kann man auch fertig kaufen (siehe Linkliste).

 

 

Und Glockenankermotore?

Kommen wir am Ende dieses Artikels noch einmal auf die noch offene Frage aus der Einleitung zurück: Gilt all das bisher gesagte auch für Glockeankermotoren?

Ohne hier in die Tiefe zu gehen: Die Antwort ist ein eindeutiges Ja!

Einzig auf die PWM-Frequenz sollte man acht geben. Niedrige Frequenzen im dreistelligen Hertz-Bereich sind nicht gut für Fauhaber, Maxon und Co und führen zu deren schnellem Verschleiß. Da praktisch alle aktuellen Decoder jedoch PWM-Frequenzen im Bereich von mehreren Kiloherz ermöglichen (entweder ausschliesslich oder als Alternative zu einem niedrigen Frequenzbereich per CV-Konfiguration wählbar), ist die Digitalisierung auch dieser Motoren problemlos.

 

 

Normen, Referenzen, Links

[1] NEM 630: Gleichstromzugförderung, Elektrische Kennwerte

[2] NEM 670: Digitales Steuersignal DCC Bitdarstellung 

[3] NEM 680: Digitales Steuersignal SX Bitdarstellung

[4] Untersuchung der Abhängigkeit zwischen digitaler Gleisspannung und Motorspannung bei DCC-Lokdecodern, Forenbeitrag im ZFI-Forum, Registrierung erforderlich. Wird demnächst auch hier auf der Seite mit weiteren Messungen eingestellt werden.

[5] Betrachtungen zur Gleisspannung von Arnold Hübsch: http://atw.huebsch.at/dcc/gleisspannung.htm

[6] Gute Erklärung zum Thema aus Spur-N-Sicht auf 1zu160: http://www.1zu160.net/digital/tipps-tricks.php

[7] Anleitung zur Spannungsreduktion mit Dioden von Lidfinski: http://www.ldt-infocenter.com/page/pdf/page_972.pdf

[8] Wikipedia-Eintrag zum Effektivwert eines Signals: http://de.wikipedia.org/wiki/Effektivwert