Elektrik: Stromversorgung

Hier wird keine Diskussion um Pro & Contra verschiedener Stromsysteme für Modellbahnen (Gleichstrom, Wechselstrom, Zwei– oder Dreileiter) entfacht. Das einzige hier behandelte Thema ist die Bereitstellung der nötigen Spannungs– und Stromquellen für eine Gleichstrom–Bahn, elektromagnetische und motorische Antriebe, elektrische oder elektronische Schaltungen und Beleuchtungen.

Bevor Sie weiterlesen, sollten Sie sich mit den Grundlagen zu Spannung und Strom vertraut gemacht haben.

Abschnitte dieser Seite:

• Der Transformator
• Gleichrichtung und Glättung
• Stabilisierung
• Spannungs–Verdoppelung
• Bedarf und Konzept
• Gemeinsame Masse

Der Transformator

Heutzutage wird wohl kaum noch jemand auf die Idee kommen, eine „richtige” Modelleisenbahn mit Batterien zu betreiben (eine Ausnahme bilden ferngesteuerte Modelle, die Akkus oder Batterien für die Empfänger, Servos und teils Antriebe benötigen).

Je größer die Eisenbahn wird (von Ausdehnung und Maßstab her), desto größer wird auch ihr Stromhunger, und der lässt sich ökonomisch nur aus dem Festspannungsnetz speisen. Die dort gelieferte Wechselspannung von 220 Volt (V) bei 50 Hertz (Hz) ist jedoch für Modellbahnen denkbar ungeeignet.

Ein Transformator ist das Mittel der Wahl. Er besteht aus einem Weicheisenkern, meist aus etlichen dünnen Blechplättchen, die mit zwei verschiedenen Spulen aus Kupferlackdraht umwickelt sind. Eine dieser Spulen auf der „Primärseite” besteht aus sehr dünnem Draht und vielen Wicklungen und wird an das Netz angeschlossen. Die Spule auf der „Sekundärseite” hat wenige Windungen aus dickerem Draht und liefert eine ungefährliche Kleinspannung. Diese darf bei Modelleisenbahnen maximal 24 V betragen.

Der durch die primärseitige Spule (Netz) fließende Strom verursacht ein Magnetfeld, das ebenso stark in der sekundärseitigen (Ausgang) Spule auftritt und dort einen Wechselstrom erzeugt. Das Verhältnis der Windungen ist proportional zur Spannungsänderung. Bei einem Trafo mit 2.000 Windungen (P) und 110 Windungen (S) gilt
Vout = 220 V × (110 ÷ 2.000) = 12,1 V.
Beim Strom gilt die Formel: Wenn sekundärseitig 1,2 Ampère (A) entnommen werden, fließen primärseitig
Ain = (110 ÷ 2.000) × 1,2 A = 66 mA.
Praktischer ist dieser Rechenweg: Ain = (12,1 ÷ 220) × 1,2 A.

Die Isolierung zwischen den Spulen muss gut halten, da bei der Modellbahn (zum Beispiel an den Schienen) mehr oder minder direkt die Ausgangsspannung des Trafos anliegt. Sichere Trafos haben deswegen ihre Wicklungen auf getrennten Kunststoff–Isolierkörpern (siehe Foto).

Zur Spannungsregelung bei Modellbahntrafos mit Schleiferabgriff (Drehknopf) siehe den Abschnitt „Stelltransformatore” auf der Seite zum Thema Fahrtregelung.

Gleichrichtung und Glättung

[ ± ]  [ b ]

Mit Wechselstrom kann nun (bei den meisten Systemen) nichts angefangen werden. Meist wird Gleichstrom benötigt. Mit Hilfe eines Graetz– oder Brückengleichrichters ist dieses Ziel zu erreichen. In ihm sind vier Dioden so verbunden, dass der Strom an den Ausgängen jeweils nur in eine definierte Richtung fließen kann.

Dadurch ergibt sich die unten im zweiten Bild dargestellte Situation. Die negativen Halbwellen sind nun „nach oben geklappt”, also positiv geworden. Die Spannung ist jedoch noch ungeglättet. Nach jeder Amplitude fällt sie wieder auf (nahezu) 0 Volt. Die Form ist zur Ansteuerung von Gleichstrom–Motoren gar nicht einmal so schlecht geeignet, da herkömmliche Motore durch das Pulsieren ihre Trägheit zwischen den Polen besser überwinden können als bei einer völlig glatten Gleichspannung. Diese Fragen werden unter Fahrtregelung behandelt.

Für den Betrieb elektronischer Schaltungen sind Halbwellen ungeeignet. Sie werden daher mit Hilfe eines großen Elkos, typischerweise mit 2.200 µF und mehr, vorgeglättet. Dadurch ergibt sich etwa der unten rechts gezeigte Spannungsverlauf. Die Amplituden sind nicht mehr so hoch, die Spannungseinbrüche entfallen fast ganz.

Wichtig: Der Glättungs–Elko am Eingang sollte (Faustregel) die doppelte Spannungsfestigkeit der Transformator–Nennspannung haben (also bei 24 V nächsthöherer verfügbarer Wert = 63 V). Die Amplituden von Wechselspannungen betragen das 1,4142–fache der Nennspannung (Faktor Wurzel aus 2), bei 24 Volt also fast 34 Volt. In Folge werden Sie bei Gleichrichtung und Glättung eine deutlich höhere Gleichspannung aus einer Wechselspannung gewinnen (rechnerisch × 1,4142 - 1,2 Volt).

Die Spannung ist jetzt noch nicht stabil. Sie wird in Abhängigkeit von entnommenen Strom und anderen Bedingungen größer oder kleiner werden. Das ist nicht so gut.

Stabilisierung

Vor Jahren mussten Spannungsregler noch aufwendig selbst gebaut werden, zum Beispiel mit dem IC (Schaltkreis) LM723. Heute gibt es fertige Bauteile, die mit wenigen zusätzlichen Teilen auskommen, in Leistungsstufen von 100 mA bis 10 A zu kaufen. Überschüssige Spannung wird bei fließendem Strom in Wärme umgewandelt. Die Bauteile müssen gegebenenfalls mit Kühlkörpern versehen werden.

Wesentlich eleganter arbeiten Schaltregler, da bei ihnen kaum überschüssige Energie anfällt. Je geringer der Unterschied zwischen der zugeführten und der entnommenen Spannung ist, desto geringer wird die Belastung beider Typen ausfallen.

Das erste Bild zeigt die Schaltung einer Stromversorgung für den Fahrstrom einer Modellbahn in Nenngröße II(m). Die Beschaltung von Spannungsreglern wurde schon unter Bauteile erklärt. Die hier gezeigte Schaltung kann maximal 10 A bei 24 V regeln, sie wird jedoch „nur” mit 7,5 A Maximalstrom betrieben.

Rechnerisch dürften am Ausgang wegen der Halbleiter–Übergänge maximal 20,8 V ankommen. Es sind jedoch 23,5 V. Dieses Plus ergibt sich daraus, dass die Amplituden der Wechselspannung am Eingang in Wirklichkeit das 1,4142–fache (Wurzel aus 2) der Nennspannung betragen. Die Spannung am Eingangs–Elko kann also höher sein als 24 V - 2 × 0,6 V (Spannungsabfall aus dem Gleichrichter).

Durch die zusätzliche Glättung am Ausgang (der Wert sollte etwa ein Zehntel des Eingangs–Elkos sein) ist diese Spannung nun für den Betrieb elektronischer Schaltungen sehr gut geeignet - nur unnötig stark.

Für elektronische Schaltungen sind 12 V bei höchstens 3 A besser geeignet. Der untere Schaltplan zeigt die nötige Schaltung mit einem Festspannungsregler 7812.

Gemeinsame Masse

Eine nahezu unerlässliche Bedingung für den Betrieb einer Modellbahn mit Hilfe elektronischer Schaltungen ist das Konzept des gemeinsamen 0–Leiters beziehungsweise der „Masse”. Eine andere gängige Bezeichnung hierfür ist „gemeinsamer Rückleiter”. Es spielt eine entscheidende Rolle, wo Sie diese Masse (kurz GND für englisch „ground”) zusammen schalten.

Das normale Konzept für Modellbahnen sieht vor, dass es eine so genannte „Null–Schiene” gibt. Diese Schiene (nicht Gleis, denn ein Gleis hat zwei Schienen) wird hinter der Polwende–Einrichtung (also abweichend vom hier gezeigten Schaltplan) mit dem Minuspol anderer Strom– oder Spannungsquellen verbunden, sodass sich eine gemeinsame Masse bildet (siehe aber auch positive und negative Spannungen).

Der Vorteil dieser „System–Masse” liegt eben darin, dass sie überall als gemeinsamer Nenner verwendet werden kann (und daher auch nur einmal, in hinreichender Kabelstärke) über die Anlage geführt werden muss. Gegen diesen Pol geschaltete Verbraucher werden „massekompatibel” genannt.

Die Sicherungen der Stromkreise müssen bei solchen Schaltungen in der Plus–Zuleitung zu den Verbrauchern liegen.