Steuerung der Modelleisenbahn

Einleitung

Das meist verbreitete System zur Steuerung einer Modelleisenbahn ist heute über die Schienen realisiert: Die Fahrzeuge werden über die Schienen mit Strom versorgt und erhalten ihre „Fahrbefehle“.

Geschichtlicher Exkurs

Nach den Schiebe-Lokomotiven ohne Antrieb kam bald der Wunsch nach selbstfahrenden Zügen. Die ersten Modelle wurden mit einem „Uhrwerkantrieb“ ausgerüstet. Die enthaltene Feder gibt Ihre gespeicherte Energie an die Räder ab. Eine „Steuerung“, wenn man von der Möglichkeit absieht, einen „Aus“-Schalter am fahrenden Zug zu betätigen, konnte nur durch spezielle Ein- oder Anbauten am Gleis verwirklicht werden, die eben am fahrenden Zug einen entsprechenden Hebel oder Schalter betätigten. Sinngemäß gilt dies auch für später entwickelte Fahrzeuge, die mit Batteriebetrieb laufen oder für Echtdampf-Modelle, deren Steuerung über Hebel und Ventile an oder in der Maschine erfolgt. Das System der Schiebe-Züge hat sich übrigens bis heute teils erhalten, denken wir an die BRIO-Holzeisenbahnen.

Elektrische Eisenbahn

Wie eingangs erwähnt, hat sich mit der Entwicklung kleiner Elektro- Motoren die Versorgung über die Schienen durchgesetzt. Die Stromzufuhr erfolgt entweder über die beiden Schienen als zwei Pole einer Gleichspannung (⇒ Zweischienen-Zweileiter-System), über die beiden Schienen als ein Pol und einen Mittelleiter als Gegenpol einer Wechselspannung (⇒ Dreischienen-Zweileiter-System) oder über die beiden Schienen als je ein Pol und einen Mittelleiter als gemeinsamer Gegenpol zweier Gleichspannungen (⇒ Dreischienen-Dreileiter-System) Während letztere unter der Marke „TRIX Express“ schon sehr früh bekannt wurde, da mehrere Züge unabhängig auf dem selben Gleis gesteuert werden konnten, ist das System heute praktisch ausgestorben. Das Dreischienen-Zweileiter-System (landläufig kurz ‘‘Wechselstromsystem‘‘ oder nur ‘‘WS‘‘ genannt) ist die Technik die Märklin für seine H0-Bahnen einsetzt. Das asymmetrische Zweischienen-Zweileiter-System (landläufig kurz ‘‘Gleichstromsystem‘‘ oder nur ‘‘GS‘‘) wird, in Abhebung von Märklin, auch gerne als „Rest der Welt“ bezeichnet.

Analoge Steuerung

Analoge Steuerung bedeutet schlicht, dass es genau eine Regelmöglichkeit je Fahrgerät gibt. Durch Ändern der Fahrspannung am Regelgerät ändert sich ‘‘‘analog‘‘‘ dazu die Fahrtgeschwindigkeit. Soll die Fahrtrichtung geändert werden, so geschieht dies bei den Gleichstromsystemen durch umpolen der anliegenden Spannung. Beim symmetrischen Wechselstromsystem ist in den Fahrzeugen ein Fahrtrichtungsumschalter verbaut. Dies ist ein Relais, das durch einen kurzen Impuls mit erhöhter Spannung anspricht und die Umschaltung des Motorstromes bewirkt. Um Signale auf die Züge wirken zu lassen, werden vor dem Signal entsprechende, isolierte „Halteabschnitte“ eingerichtet. Das Signal ist im Prinzip auch ein Relais, das, je nach Stellung, den Halteabschnitt stromlos schaltet und damit einen Zug zum Stehen bringt.

Mehrzug-Betrieb analog

In der Sprache der Modelleisenbahner ist gelegentlich von „A-, Ü- und Z-Schaltung“ die Rede. Dies sind Steuerungs-Methoden, die allerdings einen etwas erhöhten Verkabelungsaufwand erfordern.

• A- Schaltung: Darunter versteht man die Anordnung mit einem einzelnen Fahrgerät und einem oder mehreren Abschnitten, die stromlos geschaltet werden können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, diverse Fahrzeuge nacheinander zu steuern, während die gerade nicht benutzten in „Abstellbereichen“ warten. Merke A wie Abstellgleis.
• Ü- Schaltung: Die Anlage wird in mehrere Abschnitte eingeteilt, die jeweils von einem eigenen Fahrgerät versorgt werden. Denkbar ist z. B. ein doppeltes Oval mit „Gegenverkehr“, wo die beiden Fahrtrichtungen voneinander getrennt sind. Auch sind Rangierbereiche mit eigener Steuerung eine häufig gewählte Variante der Ü-Schaltung. Zu beachten ist dabei immer, das bei Übergabe eines Fahrzeugs von einem zum anderen Fahrstromkreis die Fahrgeräte ungefähr auf gleiche Spannung gestellt sind. Merke Ü wie Übergabe.
• Z- Schaltung: Auch hier wird eine Anlage in Abschnitte eingeteilt. Je nach gewünschter Fahrtstrecke werden einzelne Abschnitte jeweils einem Fahrgerät zugeschaltet, nach Erreichen des Ziels werden die Abschnitte wieder für andere Fahrgeräte freigegeben. Dieses Vorherbestimmen einer „Fahrstraße“ und das anschließende Wiederfreigeben entspricht schon sehr dem Vorbildbetrieb. Der Verkabelungsaufwand der Z-Schaltung ist allerdings nochmals erheblich höher als bei den beiden anderen. Merke Z wie – richtig! – Zuschalten.

Oberleitung

Eine andere Möglichkeit, mehrere Züge unabhängig zu steuern, wäre eine weitere Stromzufuhr, wie sie beispielsweise TRIX Express bot. Auch durch eine Oberleitung kann über ein weiteres Fahrgerät ein zweiter Zug auf dem Gleis gesteuert werden. Bei der Ü-Schaltung würde sich also die Anzahl der möglichen, gleichzeitig unabhängig steuerbaren Fahrzeuge verdoppeln.

Digitale Steuerung

Einen ganz anderen Ansatz macht die digitale Steuerung. Die Fahrbefehle an die Lokomotiven werden auf die ständig in voller Höhe am Gleis anliegende Spannung aufmoduliert. Diese Art „Datenpäckchen“ werden von allen Loks empfangen, aber nur von denjenigen ausgeführt, für die sie auch bestimmt sind. Dazu werden den „Datenpäckchen“ Codes mitgegeben, die sogenannte Adresse. In den Triebfahrzeugen sind Empfängerbausteine, sogenannte Lokdecoder, die ihre eigene „Adresse“ erhalten haben und danach Daten, die für sie bestimmt sind, entgegennehmen und umsetzen. Neben den eigentlichen Befehlen zu Fahrtrichtung und Geschwindigkeit sind viele Decoder heute imstande, weitere Funktionen auszuführen bzw. an- und abzuschalten. Als Beispiele seien genannt: Spitzensignal, Rauchentwickler, Achtungspfiff, Fernlicht, Fahrwerksbeleuchtung, Bremsenquietschen, Entkuppeln, …

Zudem sind diverse Eigenschaften im Decoder „hinterlegbar“, also etwa eine vorbestimmte Höchstgeschwindigkeit, oder die Verzögerung beim Anfahren und Bremsen, wodurch ein noch wirklichkeitsnäheres Bild entsteht.

Signale an der Strecke, die nach analogem Muster installiert wurden, würden auch auf digitale Fahrzeuge wirken, jedoch wären solche Extras, wie etwa ein langsames Abbremsen dahin. Ohne Strom bleibt die Lok einfach stehen. Und auch die Lichter oder der Dampfentwickler wären aus. Mehr dazu unten im Abschnitt Zubehör/Signale.

Der Aufbau einer Oberleitung im Digitalbetrieb ist meist nur eine optische Angelegenheit, das die Notwendigkeit einer zweiten Spannunsquelle ja entfällt. Zudem sind die Modelloberleitungen nur unter großem Aufwand so kontaktsicher zu bauen, dass ungestörter Digitalbetrieb darüber funktionieren würde.

Zentrale, Booster

Der digitale Betrieb einer Modellbahn erfordert irgendeine zentrale Steuereinheit, die die Befehle, die der Anwender am Bedienpult gibt, in die erwähnten Datenpäckchen umformt und mit dem Betriebsstrom ins Gleis schickt. Nach den Versprechungen der Hersteller aus der Frühzeit der Digital-Technik wären mit dem Anschluss zweier Kabel von der Zentraleinheit ans Gleis sämtliche Verdrahtungsarbeiten für immer erledigt. Rein theoretisch stimmt das, da sämtliche Weichen und Signale ja unmittelbar in oder an der Strecke plaziert sind. Alleine die Leistungsfähigkeit der Zentraleinheiten macht die Sache technisch unmöglich. Wenn wirklich nur eine einzige Zentrale sämtliche Loks, beleuchteten Wagen, Weichen und Signale über den Fahrstromkries zu versorgen hätte, würde sie schon bei einer mittelgroßen Anlage schnell wegen „Überlast“ abschalten. (Schließlich wurde das Ganze ja immer noch unter dem Aspekt konstruiert, dass es in Spielzimmern und in den Händen von „technischen Laien“ betrieben würde. ‘‘Safety first!‘‘) Um nun eine größere Anlage ausreichend mit digitalem Strom versorgen zu können, sind sogenannte ‘‘Booster‘‘ notwendig. (Hier haben wir nun der deutschsprachigen Wikipedia etwas voraus, dort kennt man „Booster (Elektrotechnik)“ nur als Verstärker im Zusammenhang mit elektrischen Gitarren.) Ein Booster ist ein Verstärker, der die digitalen Befehle von der Zentrale erhält und sie in einen weiteren, vom ersten Abschnitt isolierten Bereich mit der Versorgungsspannung einspeist.

PC-Steuerung

Als weitere Ausbaustufe ist bei digitalen Systemen auch eine Steuerung über einen PC möglich. In diesem Fall würden die Fahrbefehle etc. mit Keyboard und Maus am Bildschirm erteilt und über ein Interface an das Gleis geleitet. Reizvoll an dieser Variante ist natürlich, dass sich auf dem größeren PC-Bildschirm zusätzlich auch ein virtuelles Gleisbildstellwerk darstellen und bedienen lässt. Damit wird das Programmieren und Abrufen von Fahrstraßen (also der richtigen Weichenlage für eine bestimmte Zugbewegung nebst aller sichernden Signalstellungen) erheblich komfortabler als es mit einer „normalen“ Digital-Zentrale je sein könnte. Ein solches virtuelles Gleisbildstellwerk bietet zudem noch die Möglichkeit, die aktuellen Standorte / Streckenabschnitte der Züge grafisch darzustellen. Dazu wäre allerdings zusätzlich noch der Einbau von Rückmeldern erforderlich, nebst der notwendigen Gleistrennstellen und natürlich – der Verkabelung.

Funkfernsteuerung

Der Vollständigkeit halber erwähnt wird hier noch eine exotische Variante im Modellbahnbetrieb: die Funkfernsteuerung. Diese findet sich hauptsächlich bei Echtdampf-Modellen, die nicht den „Lokführer“ dabei haben, wie es bei Großmodellen mit Aufsitz-Tender z. B. der Fall ist. Bei den „kleineren“ Echtdampfern wird also eine Servo-Apparatur zum Bedienen der Schieber, Ventile und Hebel installiert, die sich per Funk aus der Ferne ansteuern lässt. Auch elektrische Modelle sind gelegentlich mit Funksteuerung ausgestattet, denken wir uns eine weitläufige Gartenbahn, deren Betreiber lieber in Sichtweite seiner fahrenden Modelle nebenher geht als einsam am Ende des Gartens im „Stellwerk“ zu hocken. Diese Technik ist insbesondere bei Batterie-/Akku-getriebenen Fahrzeugen von Vorteil, die zudem nicht auf eine Fahrstromspeisung aus (möglicherweise verschmutzen) Schienen angewiesen sind.

Zubehör

Weichen

Bisher hatten wir uns mit den Bewegungen der Züge befasst, also Fahrt, Halt und so weiter. Natürlich will der Modellbahner seine Züge nicht endlos im Kreise fahren lassen. Also werden die Strecken verzweigt. Das Standardprinzip eines Weichenantriebes ist eine Doppelspule, deren Anker über ein kleines Gestänge die Bewegung der Weichenzungen bewirkt. Dazu bedarf es einer Stromzuführung und zweier Rückleitungen, eine für „Gerade“ und eine für „Abzweig“. Üblicherweise genügen kurze Schaltimpulse, um den Anker in der Spule zu bewegen, weshalb für die Weichensteuerung grundsätzlich „Taster“ vorgesehen werden. Bei einer Dauer-Beaufschlagung mit Spannung können die Spulen sich so sehr erwärmen, dass sie durchbrennen. Es hat zwar Ansätze gegeben, die Antribe mit einer Endabschaltung auszurüsten, diese haben sich jedoch als nicht sehr dauerhaft erwiesen. Viele Bastler haben in der Folge die Endlagenschalter überbrückt und sind wieder zum Momentimpuls zurückgekehrt. Alternativen zur Doppelspule bieten, abhängig von der Bauart der Weichen, heute preiswerte Servoantriebe oder auch Stellmotoren. Diese sind erheblich robuster als die serienmäßigen Antriebe und haben zum Teil eine vorbildgetreu langsame Stellgeschwindigkeit.

Analog

Als Impulskontakt-Geber kommen verschiedene Dinge in Frage: Die Stellpulte der Hersteller sind nur für den manuellen Betrieb geeignet. Will man dagegen die Weichenstellung durch die fahrenden Züge beeinflussen, beispielsweise um in einem Schattenbahnhof en Zug- und Gleiswechsel zu automatisieren, so kann man Schalt-Gleise oder auch Reed-Kontakte installieren. Versierte Bastler bauen sich Schaltungen mit Lichtschranken oder Hall-Sensoren auf. Unproblematisch ist im Wechselstrom-Analogbetrieb, dass die „Masse“, gegen die die Weichen zum Stellen geschaltet werden, das gleiche Potential hat wie die „Masse“ des Bahnstromes. Selbst bei getrennter Versorgung von Magnetartikeln über den einen und Fahrstomeinspeisung über den anderen Trafo funktioniert dies einwandfrei, wenn beide Trafos eine Verbindung ihrer Massepole erhalten. Der Verdrahtungsaufwand steigt natürlich beträchtlich, je nach Anlagengröße, man bedenke, dass zum Beispiel immer zwei Leitungen von jeder Weiche zum zentralen Stellpult geführt werden müssen. Als Richtwert für den Stromverbrauch kann bei einer Doppelspulen-Weiche etwa 6VA angenommen werden. Auch wenn diese Leistung nur für einen Moment benötigt wird, sollte man im Auge behalten , dass nicht unbedingt 5 Weichen auf einen Schlag gelegt werden sollten, wie es für eine Sbf-Steuerung vielleicht geplant wird. In diesem Moment würde der 30VA-Trafo, der vielleicht noch einen oder zwei Züge (mit Beleuchtung?) zu versorgen hat, unweigerlich überlastet.

Digital

Die schöne Idee ist, dass die Verdrahtung eingespart wird. Die Weichen können direkt an den Gleisstrom angeschlossen werden und erhalten Ihre Stellbefehle ebenfalls über die Schienen, wobei noch ein Funktionsdecoder vorgeschaltet werden muss. Aber auch dabei ist zu beachten, dass der Leistungsbedarf der Weichenantriebe zu Lasten der Fahrstromversorgung geht. Viele Digitalbahner entschließen sich daher, die Weichen weiterhin analog zu betreiben und aus einem getrennten Trafo zu versorgen. Hierbei sollte genau geprüft werden, ob sich die analoge Spannung nicht irgendwo mit der Digitalspannung berührt, was zu Problemen und Schäden an der Elektronik führen kann. Das Ansteuern der Weichen durch fahrende Züge muss digital dann nicht über Schaltgleise geschehen, es gibt Möglichkeiten, die Zentraleinheiten zu programmieren, so dass, in Verbindung mit den Rückmeldungen der Züge, die Weichen entsprechend automatisch gestellt werden.

Signale

Analog

Um Züge zum Halten zu bringen, sind die Signale als Relais konsturiert. In Stellung "Halt (Hp0)" ist die Stromzufuhr zu einem Abschnitt vor dem Signal unterbrochen, Bei Stellung "Fahrt(Hp1)" wird der Farhstrom wieder zugeschaltet. Die meisten Signalantriebe verfügen zusätzlich über ein zweites Kontaktpaar, mit dem der Farhstrom in einer Oberleitung parallel geschaltet wird. Zudem werden entweder über Gestänge die Signalflügel bewegt oder über weitere Kontakte der Lichtwechsel geschaltet. Die Ansteuerung solcher Signale erfolgt genau wie diejenige der Weichen über Momentkontakte in Stellpulten oder Schaltgleise etc.

Das oben gesagt zum Thema Ansteuerung und Stromverbrauch gilt prinzipiell genauso für die Signale der Bauarten, die mit Doppelspulenantrieben ausgestattet sind. Ebenso die Unterschiede im Analog- oder Digitalbetrieb.

Digital

Eine analoge Einbauweise im digitalen Gleisnetz würde sicherlich funktionieren, denn ohne Strom fährt auch eine digitale Lok nicht. Allerdings würden die digitalen Maschinen einiger ihrer charmanten Eigenschaften beraubt, wie z. B. das Spitzensignal oder der Dampfentwickler, die beim Vorbild ja auch bei haltendem Zug in Betrieb wären. Insofern ist es nicht sehr sinnvoll, die Signale mit ihrem An-Aus-Schalter zu installieren. Der ambitionierte Modellbahner wird vielmehr eine Möglichkeit finden, die Züge durch Rückmelder zu orten und bei "Hp0" vorbildnah bis zum Stillstand zu verlangsamen. Der "Haltpunkt" liegt in diesem Fall also in der Steuerung durch die Digitalzentrale fest, das eigentliche Signal hat dann nur noch schmückende Funktion. Varianten der Möglichkeiten zum vorbildgetreuen Abbremsen findet ihr unter ⇒ Bremssystem.

Bei Lichtsignalen der neueren Generation gibt es noch einige Besonderheiten. Der Stromverbrauch durch die LEDs ist vernachlässigbar gering, die Ansteuerung erfolgt direkt über die digitale Gleisspannung. Die Signale müssen mit der Zentrale „bekannt gemacht“ werden, es wird ihnen also eine Adresse zugeteilt. Mancher Modellbahner hat große Verwirrung erlebt, nachdem er seine Signale adressierte und sie dann, zur Erleichterung weiterer Ausgestaltungsarbeiten, nochmals aus ihren Steckfassungen entfernte. Bei Wieder-Inbetriebnahme der Signale stellte er fest, dass die falschen Signale auf die Steuerbefehle reagierten. Wie das? Die Adresse wird im Signal hinterlegt, nicht im Aufstellort. Nehme ich nun ein Signal aus seinem Stecksockel und setze es an anderer Stelle ein, so bleibt die Adresse bestehen, es reagiert also auf die Befehle, die es eigentlich an seinem ursprünglichen Standort ausführen sollte. Wer also derartige, digitale und baugleiche Signale aus Wartungs-, Bau- oder Transportgründen abbaut, sollte den Standort irgendwie vermerken, um die Verwirrung zu vermeiden.

Beleuchtung und weitere Verbraucher

Die Spielerei mit der Elektrik macht das Modellbahnhobby so interessant. Was hat sich die Industrie nicht alles einfallen lassen an Spielereien. Straßenlaternen und Hausbeleuchtung, drehende Mühlräder, Kirmes-Fahrgeschäfte, Lauflichter, Radarfallen, und, als bisher jüngste Generation, bewegte Figuren in H0. Die allermeisten dieser Attraktionen sind von ihrer Natur her, völlig unabhängig vom Bahnverkehr, nehmen wir vielleicht mal die elektromagnetisch gesteuerten Bahnschranken aus. Insofern ist es immer sinnvoll, der Beleuchtung der Städte und Dörfer und all den anderen „Show“-Verbrauchern einen vollkommen unabhängigen Stromkreis (oder mehrere) zur Verfügung zu stellen. Gerade heutzutage, da auch weiße LEDs erschwinglich wurden und zur stimmungsvollen Beleuchtung herangezogen werden, bietet es sich an, die Städte und Dörfer im Modell zusätzlich mit einer Gleichspannungsquelle auszurüsten.