Modelleisenbahnsteuerung (elektrisch)

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Beispiel für eine Modelleisenbahnsteuerung

Eine elektrische Modelleisenbahnanlage wird im Allgemeinen erst dann höhere Ansprüche befriedigen, wenn die Züge Geschwindigkeit (inklusive Anhalten) und Fahrtrichtung ändern können. Die Lokomotiven sollen steuerbar sein. Bei Modellbahn-Gleisanlagen mit Weichen ist es erwünscht, dass diese ferngesteuert umgestellt werden können.

Bei einfachen elektrischen Modelleisenbahnen wird die Geschwindigkeit der Lokomotive durch die Änderung der den Schienen zugeführten Fahrspannung mittels Stelltransformator stufenlos verändert. Für die individuelle Steuerung mehrerer gleichzeitig fahrender Züge ist der Aufwand größer. Die Komplexität der verwendeten Steuerungssysteme steigt mit der Zahl der zu beeinflussenden Züge.

Die Züge können mithilfe von Steuerungssystemen sowohl manuell als auch nach einem Programm gesteuert werden.

Manuelle Steuerung von Lokomotiven

Analoge Steuerung

Vor Einführung der Digitaltechnik wurden elektrische Modellbahnlokomotiven unmittelbar durch eine an das Gleis angelegte elektrische Spannung betrieben: Eine höhere Spannung hat eine analoge höhere Geschwindigkeit zur Folge. Bei mit Gleichspannung betriebenen Bahnen wird auf einer solchen Anlage die Fahrtrichtung durch Umpolen der Versorgungsspannung geändert, bei Wechselspannung übernimmt diese Funktion ein Umschalter in der Lokomotive, der durch kurzzeitige Impulse mit deutlich höherer Spannung umgeschaltet wird. Stillstand ist nur möglich, wenn der Motor keine Stromrichtung mehr wahrnehmen kann, was zum Beispiel durch Abschaltung des Stroms erreicht wird. Eine fahrtunabhängige Beleuchtung der Fahrzeuge ist ohne Zusatzaufwand nicht möglich.

A-Schaltung

Grundsätzlich die einfachste Möglichkeit ist, nur einen einzigen Zug zu steuern. Kommt eine weitere Lok dazu, besteht Bedarf, jeweils eine von beiden abzustellen. Eine Möglichkeit wäre ein Ausschalter an der Lok selbst, was sich aber besonders in größeren Anlagen als wenig praktisch erwiesen hat. Daher werden Abstellgleise oft elektrisch vom Hauptgleis getrennt und nur über einen Schalter oder Taster mit ihm verbunden. Es wird also weiterhin nur eine einzige Fahrsteuerung (Transformator) verwendet; gewisse Bereiche der Anlage können von der Steuerung ausgenommen, also abgeschaltet werden. So ist es in einfacher Weise möglich, eine Lok abzustellen und mit der nächsten weiterzufahren.

Ü-Schaltung

Bei mehrspuriger Gleisführung liegt es nahe, jeder Spur einen eigenen Fahrregler zuzuweisen. Typische H0-Anlagen der 1970er Jahre bilden eine zweispurige Hauptstrecke sowie eine einspurige Nebenstrecke (oder ein paar Rangiergleise) nach und setzen für jede dieser Fahrwege einen eigenen Transformator ein. In ähnlicher Form wurde bei Anlagen mit mehreren Bahnhöfen für jede der Zwischenstrecken ein eigener Fahrregler eingesetzt. Das ermöglichte in einfacher Weise und mit wenig Verdrahtungsaufwand die unabhängige Steuerung mehrerer Lokomotiven gleichzeitig; Hauptnachteil ist aber die Notwendigkeit, beim Wechsel des Stromkreises auch zu einem anderen Fahrregler übergehen zu müssen; im Moment des Wechsels sollten auch ihre Spannungen einander entsprechen. In der Literatur wird auch dies manchmal als A-Schaltung bezeichnet.

Z-Schaltung

Um den Wechsel der Fahrregler zu vermeiden, werden hier die einzelnen Teilabschnitte den Fahrreglern zugeschaltet. Der Fahrweg ist also in Abschnitte aufgeteilt, die vor Fahrbeginn alle dem gewünschten Fahrregler zugeschaltet werden (der für die gesamte Fahrt gleichbleibt), nach Ende der Fahrt werden die Abschnitte wieder freigegeben. Parallel können andere Lokomotiven auf anderen Fahrstraßen mit einem anderen Fahrregler gesteuert werden.

Das System erfordert einerseits einen nicht geringen Verdrahtungsaufwand, entspricht aber andererseits recht genau der Situation beim Vorbild, wo ebenfalls Beginn und Ziel jeder einzelnen Fahrt vor Fahrtbeginn bekannt sind und alle Weichen dieser Fahrstraße richtig eingestellt werden müssen, ehe die Fahrt freigegeben wird.

Zusätzliche Leiter

Eine andere Möglichkeit, mehrere Lokomotiven auf demselben Gleis fahren zu lassen, entsteht durch einen weiteren parallelen Leiter. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Bei Einsatz von Elektrolokomotiven kann die Oberleitung wie beim Vorbild zur Spannungsversorgung eingesetzt werden. Dies ist sicher die vorbildgerechteste Lösung einer analogen Mehrzugsteuerung; sie wurde vor der Einführung der Digitaltechnik (siehe unten) auch von fast allen namhaften Herstellern unterstützt.
• 1935 führte die Firma Trix ein Dreischienen-Dreileitersystem ein, bei der die Fahrschienen elektrisch getrennt waren und ein zusätzlicher Mittelleiter den Masseanschluss bildete. Eine Lokomotive erhielt die Spannung also über die linke, die andere über die rechte Schiene, die dritte durch die Oberleitung.
• Eine dritte Möglichkeit wären zusätzliche Stromschienen etwa an der Seite, wie beim Vorbild bei U-Bahnen üblich. Derartige Systeme wurden nie von den großen Herstellern unterstützt, aber vereinzelt von Privatpersonen oder Modellbahnvereinen gebaut; wegen des Aufwandes haben sie sich nicht durchgesetzt.

Adressierte manuelle Steuerung

Ein ganz anderes Konzept entsteht, wenn die Steuerung der Lokomotive technisch von der am Gleis anliegenden Spannung getrennt wird. Das heißt, für Lokomotive und Wagenbeleuchtung steht immer die volle Spannung zur Verfügung; es müssen nun aber andere Methoden eingesetzt werden, um der einzelnen Lokomotive die gewünschte Fahrweise mitzuteilen. Die kann den Betrieb mehrerer Lokomotiven sogar auf dem gleichen Gleis gestatten (beispielsweise für Schiebebetrieb, Doppeltraktion); gleichzeitig werden so Sonderfunktionen möglich wie etwa Pfeifen, Entkuppeln und schaltbares Licht.

Das einfachste Verfahren wird vor allem bei batteriebetriebenen Bahnen eingesetzt: Entsprechend gebaute Gleisstücke betätigen bei der Vorbeifahrt hebelartige Schalter an der Lokomotivunterseite und können so die Lok anhalten oder ihre Geschwindigkeit und Fahrtrichtung beeinflussen. Diese Gleisstücke müssen nicht immer und auf jede Lok in jeder Fahrtrichtung den gleichen Effekt haben; sie können auch so gebaut werden, dass der Spieler die Funktion von außen ein-, aus- oder umschalten kann.

Wegen der hier offensichtlichen Beschränkung wurden mit der Entwicklung der Elektronik zunehmend raffiniertere Schaltungen entwickelt, durch die direkt und unmittelbar auf eine bestimmte Lokomotive eingewirkt werden kann:

Halbwellensteuerung

Die Firma Faller führte Ende der 1960er Jahre für ihr Modellautosystem AMS die Möglichkeit ein, in die Fahrpulte und Automodelle kleine Dioden einzusetzen. Die Anlage wurde dann mit Wechselstrom betrieben, und durch die Dioden sprach bei zwei hintereinanderfahrenden Fahrzeugen jedes nur auf eine der Halbwellen an. Dadurch war mit sehr geringem Aufwand eine echte unabhängige Steuerung möglich – allerdings kein Fahrtrichtungswechsel; wohl der Grund, weshalb sich das System bei Modelleisenbahnen nicht durchgesetzt hat.

Tonfrequenzsteuerung

Systeme mit in die Lokomotiven eingebauten Frequenzfiltern und entsprechend ausgerüsteten Fahrtreglern gestatteten bereits in den frühen 1970er Jahren den unabhängigen Betrieb von mehreren Lokomotiven auf dem gleichen Gleis. Trix EMS („Elektronisches Mehrzugsystem“) beispielsweise steuerte in jedem der drei möglichen Stromkreise (zwei im Dreischienengleis und einer bei zusätzlicher Oberleitung) zusätzlich zu einer klassisch betriebenen Lok eine weitere durch eine überlagerte Wechselspannung. Alternativ hatte Philips sein EZR-System entwickelt, das aber schnell wieder verschwand. Außerhalb Frankreichs nie recht bekannt wurde das System Jouefmatic der Firma Jouef, das bis zu acht unabhängige Lokomotiven auf einem Gleis ohne Oberleitung erlaubte.

Diese Systeme waren aber recht kostenintensiv und aufwändig in Bau, Einstellung und vor allem im Platzbedarf in der Lok und konnten sich daher alle noch nicht recht durchsetzen. In Deutschland wurde die Tonfrequenzsteuerung statt für Mehrzugbetrieb eher für das Auslösen von Einzelfunktionen verwendet, vor allem dem Pfeifen der Lok.

Drahtlose Fernsteuerung

In größeren Maßstäben (etwa Nenngröße I oder II) ist die Funkfernsteuerung („RC-Fernsteuerung“) heute nicht unüblich; wegen der großen Entfernungen etwa auf einer Gartenanlage bietet sich dies an, da dort der Lokführer sowieso neben seiner Lokomotive hergehen will und lieber auf ein Kabel verzichtet. Die Empfänger werden in die Lokomotiven eingebaut. Es ist dort nicht einmal ungewöhnlich, die Züge mit Akkus oder Echtdampf zu betreiben, so dass dort manchmal gar keine Spannung an den Schienen anliegt.

Digitale Steuerung

Nachdem digitale Bauelemente in großen Stückzahlen und kleinen Bauformen erhältlich waren, wurden eine Reihe konkurrierender digitaler Systeme entwickelt. Hier liegt am Gleis eine konstante Versorgungsspannung an, die von digitalen Steuersignalen überlagert wird. Ein Empfänger in dem Schienenfahrzeug liest aus diesen Signalen Steuerbefehle aus, die für die Beeinflussung der Geschwindigkeit, der Fahrtrichtung und von Zusatzfunktionen wie Geräuscheffekten oder Licht genutzt werden können. Jedes fernsteuerbare Fahrzeug wird durch eine Adresse identifiziert. Hierdurch ist eine unabhängige Steuerung von prinzipiell beliebig vielen Schienenfahrzeugen möglich, ohne dass Trennstellen im Gleis vorhanden sein müssen.

Verbreitet sind neben einigen anderen vor allem zwei Standards: Im Zweileiter-Bereich ist es das Digital-Command-Control-System (DCC), das auf der Entwicklung der Firma Lenz Elektronik basiert. Im Mittelleiter-Bereich, namentlich Märklin H0, ist das Märklin-Motorola Digitalsystem vorherrschend, das seit 2004 systematisch durch ein neues System, Märklin Systems (mfx), ersetzt wird; dieses bietet ähnliche Möglichkeiten wie das DCC-System. Für die kleine Nenngröße N wird meist das SelecTRIX-System der Firma Trix eingesetzt. Einige weitere Anbieter, vor allem Fleischmann und ZIMO, boten eine Zeit lang eigene Systeme an, die eine gewisse Verbreitung erfuhren, inzwischen aber durch DCC ersetzt wurden.

Werden die Anlagen größer/komplexer, müssen zum Beispiel verschiedene Stromversorgungsbereiche (Verteilung der Last auf mehrere so genannte Booster) und Rückmeldebereiche (welches Fahrzeug befindet sich in welchem Anlagenabschnitt?) berücksichtigt werden.

Siehe auch: Modellbahndecoder

Steuerung durch Computer

Die Steuerung ist auch über einen Computer möglich. Neben den digitalen Empfängern in den Fahrzeugen werden hierzu eine Schnittstelle sowie ein Programm (zum Beispiel TrainController, mobastWIN oder Digital-S-Inside), das diese anspricht, benötigt. Da die Bedienung nun mit Maus und Tastatur am Bildschirm des Rechners stattfindet, können weitere Steuer- und Schaltgeräte entfallen, was einen erheblichen Preisvorteil bedeutet. Auch die meisten Digitalzentralen können über eine PC-Schnittstelle alternativ Befehle vom Computer verarbeiten. In diesem Fall ist der PC nur ein Bedienelement. So kann man z. B. Lokomotiven mit der Hand, die Weichen aber über ein Software-Gleisbild stellen. In letzter Zeit entstanden einige Programme, die den Führerstand verschiedener Lokomotiven realistisch am Bildschirm darstellen, so dass eine Art Simulatorbetrieb mit der Modellbahn ermöglicht wird.

Fahrwegsschaltung

Der gesicherte Fahrweg des Vorbilds wird durch die Stellung der Weichen festgelegt und durch Signale gesichert. Während sich zum Stellen von Weichen und Signalen und zur Zugbeeinflussung früh Möglichkeiten entwickelten, wurde die Schaltung ganzer Fahrwege inklusive entsprechender Fahrwegssicherung in analogen Steuerungen wegen des Aufwands nur selten realisiert. Mit der heutigen Digitalsteuerung und entsprechenden Softwareprogrammen ist dies jedoch kein Problem mehr.

Mechanische Schaltung

Ein mechanischer Umschalter an den Weichen und Signalen stellt diese; derartige „Handweichen“ werden von allen namhaften Herstellern gebaut. Für höhere Ansprüche können die Stellelemente durch Hebel und Seil- oder Bowdenzüge bis an den Anlagenrand verlegt werden.

Eine weitere – leicht vorbildwidrige aber sehr effektive – Möglichkeit ist der Einsatz als sogenannte „Klappweiche“, die von den Weichenenden her befahren und dabei aufgeschnitten wird. In der Gegenrichtung („spitz befahren“) wird nur eine Fahrrichtung verwendet, es ist also keinerlei Steuerung von außen notwendig.

Ein großer Nachteil der mechanischen Schaltung war das Fehlen einer sogenannten „Herzstückpolarisierung“. Zwei-Leiter-Modellbahnsysteme benötigen am Herzstück der Weiche entsprechend dem gestellten Fahrweg eine Spannungsversorgung mit der jeweils korrekten Polarität. Das Problem tritt auf, da das Herzstück, je nach Weichenstellung, das rechte oder das linke Rad führt und dort dementsprechend der Minus- oder der Pluspol der Fahrspannung anliegen muss. Bei der Herzstückpolarisierung ist unbedingt zu beachten, dass die Weiche dann beim Befahren keinesfalls aufgeschnitten werden darf, sondern immer geschaltet werden muss, andernfalls kommt es zu einem Kurzschluss. Bei mechanischen Schaltungen fehlt in der Regel die Herzstückpolarisierung, was bei Zwei-Leiter-Systemen dazu führt, dass Fahrzeuge mit wenigen Stromabnahmepunkten bei langsamer Fahrt in diesem Bereich stehen bleiben.

Weichen in einem System mit Mittelleiter benötigen keine Herzstückpolarisierung.

Analoge elektrische Steuerung

Hier werden die Weichen und Signale mit elektromagnetischen Antrieben ausgestattet, die die mechanischen Elemente bedienen. Die Ansteuerung der Antriebe erfolgt über Stromimpulse, die gleichzeitig die Versorgungsspannung des Antriebes bilden. Ausgelöst werden diese Impulse von Tastern am Anlagenrand. Nachteil dieser Lösung ist ein extrem hoher Verkabelungsaufwand, da jeder Antrieb mit drei, Signalantriebe teilweise sogar mit noch deutlich mehr Kabeln, angeschlossen werden müssen.

Bei höheren Ansprüchen bietet die elektrische Steuerung immerhin die Möglichkeit eines Gleisbildstellwerks, das bei größeren Anlagen die Orientierung sehr erleichtert.

Digitalsteuerung

Dieser Ansatz reduziert den Verdrahtungsaufwand enorm, da alle Elemente durch den gleichen zwei- oder vieradrigen Bus gesteuert werden. Weichen und Signale verfügen über einen Dekoder, der ähnlich wie die Schienenfahrzeuge durch eine Adresse identifiziert wird. Auch hier kann das Steuerungssignal gleichzeitig Versorgungsspannung sein.

Diese Dekoder können sich direkt in den Weichen und Signalen befinden. Häufiger jedoch werden analoge Zubehörartikel über Dekodermodule mit zumeist 4 Adressen angeschlossen. Die Basisadresse eines Moduls ist einstellbar bzw. anlernbar. Je nach Funktion gibt es unterschiedliche Dekoder für

• Magnetartikel (Weichen, Signale), die mit Stromstößen gesteuert werden
• motorische Antriebe (Weichen mit Stellmotor), die umgepolt werden müssen
• Lichtsignaldekoder (pro Signal sind mindestens 2 Adressen notwendig, wenn 4 Signalbegriffe angezeigt werden sollen)
• Servomotoren
• andere Verbraucher, die ein- und ausgeschaltet werden müssen
• spezielle Aufgaben, wie Drehscheiben

Im Flugzeug- und Schiffsmodellbau sind Servomotoren immer günstiger geworden. Das hat dazu geführt, dass auch im Modelleisenbahnbereich heute häufig Signale, Weichen, Entkuppler etc. damit angesteuert werden. Der große Vorteil liegt darin, dass diese Motoren unabhängig von der Lokation der Weiche sind – der Stellweg kann teilweise bis über 100 cm Entfernung an den Anlagenrand verlegt werden, was die Wartbarkeit massiv verbessert. Hinzu kommt, dass Servomotoren eine hohe Stellkraft ermöglichen, mit der auch Weichen mit durchgehender Weichenzunge gestellt werden können.

siehe Hauptartikel Modellbahndecoder

Rückmeldung

In allen Systemen ist grundsätzlich die Rückmeldung der tatsächlichen Weichen- und Signalstellung möglich, doch erfordert dies immer einen erweiterten Aufwand für die Verkabelung. Diese Rückmeldung ist nicht nur wichtig zur Anzeige, sondern auch zur Erhöhung der Betriebssicherheit bei automatischer Steuerung. In einer ansonsten manuell betriebenen Anlage können damit auch Verschluss- und Sicherheitssysteme des Vorbilds realisiert werden.

Für eine automatische Steuerung ist es unbedingt erforderlich zu wissen, wo sich die Züge aktuell befinden, damit bestimmte Aktionen ausgelöst werden können. Dazu werden Rückmelder an den relevanten Stellen an den Gleisen benötigt. Möglich ist die Rückmeldung durch

• Kontaktschienen
• Stromfühler (kurze Teilstücke oder ganze Blockstrecken)
• Lichtschranken (Einweglichtschranken an den Seiten oder Reflexionslichtschranken von unten)
• Reedschalter
• Hall-Sensoren

Auch diese Rückmeldungen können sowohl aufwendig analog oder einfacher digital über ein BUS-System zur Zentrale übermittelt werden. Da digitale Rückmeldungen getrennt von den Steuerbefehlen verarbeitet werden, laufen diese auch meist über einen eigenen Informationsstrang. Damit sind sogar Rückmelder mittels RFID oder Strichcode möglich, die nicht nur feststellen können, dass sich ein Fahrzeug an der Stelle befindet, sondern auch welches.

Das gängigste digitale Rückmeldesystem ist das s88-Rückmeldebussystem, das ursprünglich von einem Märklin-Zulieferer stammt. Zwei andere Rückmeldesysteme sind das Loconet oder der RS-Bus. Die Rückmeldungen erfolgen bei S88 durch hintereinander gesteckte Module, deren 8 oder 16 Adressen sich meist nur durch die Position innerhalb der Kette ergeben. Der Anschluss erfolgt oft über ein Interface direkt an die serielle Schnittstelle oder aber auch den Universal Serial Bus eines Computers.

Automatische Steuerung

In der britischen und amerikanischen Modellbahntradition richtet sich eine Modellbahn an einen oder mehrere Spieler, welche die Rolle von Lokführer und Fahrdienstleiter einnehmen. In Deutschland hingegen werden Anlagen tendenziell eher für Zuschauer gebaut, so dass ab einer gewissen Größe schnell der Bedarf entsteht, die Anlage zu automatisieren. Mit dem Aufkommen der digitalen Modelleisenbahnsteuerungen wurde es – vornehmlich in der Kombination mit Computersteuerungen – möglich, vollautomatischen Betrieb mit Teilautomatisierung zu verbinden. Während öffentliche Anlagen aufgrund der Betriebssicherheit größtenteils vollautomatisch betrieben werden, findet sich im privaten Bereich inzwischen immer häufiger auch die Kombination von Vollautomatisierung und manueller Steuerung. Dabei übernimmt der PC die Fahrwegsicherung mittels eines entsprechenden Steuerungsprogramms, während gleichzeitig der Bediener als Lokführer tätig wird.

Auch eine Kombination aus analoger und digitaler Technik ist bei der automatischen Steuerung möglich, kommt jedoch eher selten und vor allem im Rahmen von Migrationen zum Einsatz. Als Vorteil der Analogsteuerung wird angesehen, dass das Stellen eines Signals (etwa durch daran angebrachte zusätzliche Kontakte) dort gleich den davorliegenden Abschnitt stromlos schalten kann, so dass der nächste Zug – egal, welcher dies ist und wann er ankommt – dort stehenbleibt; beim Zurückstellen des Signals wird er dann sofort wieder anfahren. In einer Digitalsteuerung muss in einem solchen Fall jeweils festgestellt werden, dass ein Zug sich einem Halt zeigenden Signal nähert und welcher dies ist, und dieser Zug muss die entsprechenden Steuerbefehle bekommen; beim Umstellen des Signals auf „Grün“ muss entsprechend festgestellt werden, welcher Zug gerade davor wartet. Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass bei der Einsatz einer digitalen Steuerung eine Steuerung über Computertechnik sinnvoll ist. In diesem Falle hat das Steuerungsprogramm auf dem PC genaue Kenntnis über die Motorkennlinie der eingesetzten Loks und kann die Loks somit zentimentergenau an einer bestimmten Stelle vor dem Signal stoppen. Hierzu ist zwingend eine Rückmeldung notwendig, so dass der Computer feststellen kann, wo sich eine Lokomotive im Moment aufhält und mit welcher Geschwindigkeit sie fährt.

Die digitale automatische Steuerung gestattet einen sehr weitgehenden Einfluss auf die Lokomotive durch vorbildgerechte Formung der Anfahr- und Bremsvorgänge und das Auslösen von Sonderfunktionen wie Geräuschen und Lichteffekten. Wer einen automatisierten Betrieb wünscht, wird bei heutigem Stand der Technik meist eine computerbasierte Digitalsteuerung einsetzen.

Die Automatisierung gestattet auf recht einfache Weise einen Mehrzug-Fahrbetrieb. Sie stößt aber – zumindest im nicht-professionellen Bereich – auch heute noch sehr schnell an ihre Grenzen, sobald es um die Modellierung weiterer vorbildgerechter Vorgänge geht wie etwa das An- und Abkuppeln von Lokomotiven und Wagen oder deren (virtuelles) Be- und Entladen.

Weblinks

Modellbahnheute.de über die Umrüstung von analog auf digital (Tipps, Tricks, Grundgedanken, Erfahrungen, Vor- und Nachteile)

Einzelnachweise

Normen europäischer Modelleisenbahnen – NEM

DCC – Digital Command Control Working Group der National Model Railroad Association – Entwicklung und Fortführung des DCC Standards