Gleisstrom

Bei allen Modellbahnen entstehen gelegentlich Kurzschlüsse, z.B. beim Befahren einer falsch gestellten Weiche. Das war schon immer so, auch bei Analog.

"Grosse" Zentralen und Booster haben nicht selten einen Maximalstrom von 5A. Die Hersteller wollen damit sicherstellen, dass auch grössere Anlagen mit mehreren gleichzeitig fahrenden Zügen mit genügend Energie versorgt werden können.

Das heisst, im Kurzschlussfall fliessen 5A durch Rad und Radschleifer einer Spur N Lok. Und weil es ein Kurzschluss ist, fällt im schlimmsten Fall die gesamte Spannung dort ab, wo der grösste Übergangswiderstand ist - zwischen Schiene und Rad, bzw. Rad und Radschleifer.

Die Verlustleistung Pv wird mit "Strom mal Spannung" berechnet:

Pv = U * I

Wenn also die maximale Spannung und der maximale Strom am Rad-Schiene-Übergang anliegen, dann entsteht die maximale Verlustleistung, die am betroffenen Rad in Wärme umgewandelt wird. Bei 24V und 5A am Gleis ergibt dies eine Leistung, bei der selbst eine 100W Glühbirne durchbrennt!

Die Erfahrung zeigt: Das ist viel zu viel. Bei 5A können Drehgestelle schon in wenigen Sekunden schmelzen. Es versteht sich von selbst:

Der Kurzschlussstrom muss auf ein unschädliches Mass begrenzt werden.

Spannung reduzieren!

Wenn wir obige Formel betrachten, sehen wir, dass die Spannung einen wesentlichen Einfluss hat: Die Verlustleistung ist unmittelbar abhängig von der Gleisspannung. Anderseits ist auch der resultierende Strom proportional zur Gleisspannung (ohmsches Gesetz). Obige Formel kann daher auch anders geschrieben werden:

Pv = U² / R

Nun sehen wir, dass der Einfluss der Gleisspannung auf die Verlustleistung sogar quadratisch ist: Wird die Gleisspannung halbiert, wird die Verlustleistung auf einen Viertel reduziert.

Dies ist ein wichtiger Grund, warum die Gleisspannung auf ein vernünftiges Mass reduziert werden soll.
Mehr Info zur Spannungsreduktion findest du hier.

Gleisstrom messen

Der digitale Gleisstrom kann mit normalen Multimetern nicht ohne weiteres gemessen werden. Das Multimeter geht im AC-Modus von einem Sinusförmigen Verlauf aus - der digitale Gleisstrom besteht aber aus einem Rechtecksignal. Das Multimeter zeigt daher wesentlich zuviel an.

Abhilfe schafft ein gewöhnlicher Gleichrichter aus vier Dioden, der in die Zuleitung zum Gleis gelegt wird, und ein Widerstand: Der Gleichrichter erzeugt aus dem hochfrequenten Wechselstrom einen Gleichstrom, der den Widerstand durchfliesst.

Die Spannung (U) am Widerstand (R) kann mit jedem Multimeter im DC-Modus gemessen werden. Sie ist proportional zum Strom im Gleis (I) (ohmsches Gesetz):

I = U / R

Mit vier Dioden BY299 und einem Widerstand z.B. 0.1 Ohm / 3W kann dies einfach auf einem Stück Lochrasterplatte aufgebaut werden:

Kurzschlussstrom reduzieren

Wie oben ausgeführt, muss der Kurzschlussstrom auf ein unschädliches Mass begrenzt werden.

Das Problem ist: Die Schutzschaltung in einem 5A Booster schützt zwar den Booster vor Beschädigung, aber nicht die Loks und auch nicht die Anlage. Da ein 5A Booster einen Maximalstrom von 5A zulässt, wird er einen Strom von 4A am Gleis als "normalen Betriebszustand" sehen. Daraus folgt: Wenn eine Lok bei 4A kaputt gehen, unternimmt der 5A Booster nichts dagegen. Pech gehabt :-(

Es gibt auch Booster, die die Flankensteilheit beim Stromanstieg auswerten. Übersteigt die Geschwindigkeit des Stromanstiegs einen Schwellwert und bleibt anschliessend hoch, liegt ein Kurzschluss vor. Diese Methode der Kurzschlusserkennung scheint mit aber nicht sehr verbreitet zu sein. Ich weiss nur von Zimo und den PSX Sicherungsautomaten, dass diese die Flankensteilheit auswerten.

Wieviel Strom ist denn überhaupt erforderlich?

Mit der oben gezeigten Messeinrichtung kann der Strom im Gleis bei diversen Betriebszuständen gemessen werden. So ermittelte ich folgende Werte als "Daumenregel" für Spur N Loks:

• Eine Lok mit Licht = 200-250 mA
(korrespondiert auch mit früheren Messungen)

• Eine Lok mit durchdrehenden Rädern (Maximalstrom) = 300-350 mA

Diese Werte gelten für konventionelle Eisenankermotoren. Glockenankermotoren (Faulhaber, Maxon) brauchen deutlich weniger Strom.

Nach meiner Einschätzung ist ein Maximalstrom von 2-3 A in einem Speisebezirk ("Stromkreis") für Spur N mehr als genug.

2A reichen locker für die fliegende Begegnung einer Dreifachtraktion und einer Doppeltraktion (oder 5 gleichzeitig fahrenden Zügen mit Einfachtraktion) und hat noch ca. 0.5 A Reserve.

Wie der Maximalstrom eingestellt werden kann, steht vielleicht in der Booster-Bedienungsanleitung. Auch auf der Fremo-Webseite ist für einige Booster gezeigt, wie der Maximalstrom auf 3A eingestellt werden kann.

Wenn für dein Booster keine Anleitung oder keine Angaben vorhanden sind, habe ich hier eine Lösung.

Kurzschlussstrom oder Abschaltstrom?

Genau genommen behandelt der vorherige Abschnitt den Abschaltstrom. Also denjenigen Strom, bei dem der Booster denkt "jetzt ist genug" und abschaltet.

Die meisten Booster warten einen Augenblick mit Abschalten, damit die Stromstösse, die beim Laden von Pufferkondensatoren in den Loks auftreten, nicht zur Kurzschluss-Abschaltung führen. Sinkt der Überstrom innerhalb von meist 0.1 bis 0.3 Sekunden (je nach Gerät) wieder auf einen zulässigen Wert, wird nicht abgeschaltet. Dieses "weiche" Verhalten der Abschaltung ist wichtig für die Betriebssicherheit des Digitalsystems.

Daraus folgt: Bei Kurzschluss, solange der Booster nicht abgeschaltet hat, fliesst ein Strom, der wesentlich grösser ist als der offizielle Abschaltstrom! Dies muss so sein, damit der Booster den Überstrom überhaupt erkennen kann.

Im Idealfall ist dieser effektive Maximalstrom durch den Booster begrenzt. Aber ist das wirklich so? Und wie gross ist dieser effektive Maximalstrom? Das ist gar nicht so einfach herauszufinden. Im Grunde muss die Abschaltung im Booster drin unwirksam gemacht und dann bei Kurzschluss der Strom gemessen werden mit der oben beschriebenen Messeinrichtung. Oder man analysiert das Schaltschema der Endstufe (sofern vorhanden) und ermittelt den effektiven Maximalstrom rechnerisch.

Die Sicherheit für deine Lok resultiert daraus, dass nach kurzer Zeit abgeschaltet wird. Es wird also, aufgrund der kurzen Zeit, trotz hohem Strom keine gefährliche Energiemenge transportiert. Wie gross die Energiemenge tatsächlich ist, können wir aber nur abschätzen, wenn wir den Maximalstrom des Boosters kennen. Und es ist klar: Ein Strom von 10 A während 0.2 Sekunden ist ein anderes Kaliber als z.B. 2.7 A während 0.2 Sekunden.

Einteilung in Boosterbezirke

Wenn die oben genannten 2-3 A für den Betrieb auf deiner Anlage nicht ausreichen, kannst du die Anlage in mehrere Boosterbezirke einteilen. Bei Fremo hat sich hierzu eine gute "Daumenregel" eingebürgert: Jede Betriebsstelle (jeder Bahnhof) erhält ihren eigenen Booster.

Die Einteilung in Boosterbezirke bewirkt noch einen weiteren Effekt: Bei Kurzschluss in einem Boosterbezirk werden die anderen Bezirke nicht abgeschaltet. Das heisst, der Betrieb in den nicht betroffenen Abschnitten kann normal weiterlaufen.

Alternativ kann auch ein zentraler, "fetter" Booster (5A und mehr) verwendet werden, wenn die einzelnen Speisebezirke mit einem eigenen "Sicherungsautomaten" überwacht werden. Als Sicherungsautomaten können die PSX oder meine eigene Lösung verwendet werden.

Anlage vernünftig verkabeln!

Alle oben aufgeführten Überlegungen gehen ins Leere, wenn für die Anlagenverdrahtung zu kleine Querschnitte verwendet wurden. Denn sind die Widerstände in Kabeln und Steckern zu gross, kann es sein, dass im Kurzschlussfall der Abschaltstrom des Boosters gar nicht erreicht wird.

Beispiel: Wird ein 5A Booster verwendet und stellt sich im Kurzschlussfall nur ein Strom von 4A ein, dann kratzt das den Booster nicht, sondern deine Lok, die auf der falsch gestellten Weiche steht, wird schlicht und einfach gebraten. Bei einem 2A Booster und einem Kurzschlussstrom von 1.9A passiert das gleiche - deine Lok wird einfach etwas "langsamer" gebraten.

Die Anlagenverkabelung soll daher mit Kabeln von mindestens 0.75mm² Querschnitt erstellt werden, besser 1.0mm² oder 1.5mm². Dies hat sich bei zahlreichen Modellbahnern bewährt. Dünnere Kabel (0.25mm² oder weniger) sollen nur für die letzten Zentimeter durchs Trasseebrett bis zur Schiene verwendet werden.

Auch ist es eine gute Idee, häufig einzuspeisen (z.B. jeden Meter). Denn Neusilber leitet den Strom zehnmal schlechter als Kupfer. Ein Schienenprofil von ca. 1mm² Querschnitt leitet den Strom also gleich schlecht wie ein zartes Kupferdrähtchen von 0.1mm²!

Münztest
Lege eine Münze aufs Gleis an der Stelle im Boosterbezirk, die von der Einspeisung am weitesten entfernt ist. Schaltet der Booster (oder Sicherungsautomat) ab, wenn die Münze auf dem Gleis ist? (Kontrolllampe "DCC bereit" o.ä. muss erlöschen.) Wenn nicht, ist die Verkabelung zu schwach.

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