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Der Einstieg in den digitalen Eisenbahnbetrieb, Teil 1




Einleitung
Jeder Modellbahner will mit seinen Modellen auf seiner Anlage fahren und das so vorbildgetreu wie irgend möglich. Durch den Einsatz der Digitaltechnik kann dieser Wunsch realisiert werden.
Egal welche Baugröße der Modellbahner bevorzt, der digitale Modellbahnbetrieb hat mit einer komplizierten Automatik nichts zu tun. Jeder Modellbahner der mit dem Einsatz der Digitaltechnik liebäugelt sollte sich folgende Punkte zuerst überliegen:

- Soll mit der Digitaltechnik ausschließlich der Fahrbetrieb gesteuert werden.
- Soll mit der Digitaltechnik der Fahrbetrieb gesteuert und überwacht werden.

Für die einfachste Betriebsanforderungen (digitaler Fahrbetrieb) kann jedes System genutzt werden, dass sich auf dem Markt befindet. Am einfachsten ist es allerdings sich hier ein kostengünstiges und international genormtes Digitalsystem (DCC) anzuschaffen. Auch für Märkliner ist dies mittlerweile ohne Probleme zu bewerkstelligen. Märkliner muss sich heute nicht mehr auf das Märklin-Digitalsystem beschränken. Die Kaufentscheidung wird hier von der Zahl der steuerbaren Loks, der Menge der zur Verfügung stehenden Adressen und Fahrstufen und den Produktangeboten des Händlers beeinflusst. Wichtigster Grundsatz ist: "Modellbahn-Projekt längerfristig und sorgfältig vorbereiten um kostspielige Fehlinvestitionen zu vermeiden."

Die meisten Heimanlagen sind von kleiner bis mittlerer Größe. Mit der zur Anschaffung anstehenden digitalen Steuerung geht natürlich der Wunsch einher, den Steuerungskomfort zu verbessern. Der Schattenbahnhof soll überwacht und betriebstechnisch mit einer automatischen, möglichst intelligenten Steuerung verwaltet werden. Zudem gilt es, das Streckennetz mit einer Blockautomatik zu versehen, um so den Nebenbahn- oder auch den Vorortzug mit einer Pendelautomatik zum ewigen Betrieb zu animieren. Außerdem sollen gegebenenfalls mit dem Gleisbildstellpult nicht nur die Weichen einzeln gestellt, sondern auch Fahr-und Rangierstraßen abgerufen werden können.

Um dies dann alles verwirklichen zu können ist die Kenntnis über das Funktionieren der Digitaltechnik unerlässlich. Der nachfolgende Aufsatz soll den Modellbahner in die Lage versetzen, sich durch das Wissen über die Digitaltechnik seine Kaufentscheidung sorgfältig und fundiert zu planen.


Die Definition von "Digital"


Wollen wir uns zuerst der banalen Frage zuwenden - Was macht den Unterschied zwischen "digital" und "analog" aus? -

"Analog". bedeutet "entsprechend, ähnlich".

Im Analogbetrieb bestimmt deshalb die Höhe der Spannung die Geschwindigkeit der Lokomotive - also je höher die Spannung ist, umso höher die Geschwindigkeit. Wenn keine Spannung am Gleis anliegt, bedeutet dies auch den Stillstand der Lok.

Auch alle Leuchtmittel (Lokbeleuchtung, Wageninnenbeleuchtung) leuchten je nach Spannung unterschiedlich stark. Man spricht deshalb beim Analogbetrieb auch von einer schienenbezogenen Steuerung.

Soll nun eine Lok fahren, so wird die Geschwindigkeit einer analogen Lokomotive am Drehknopf eines Fahrtransformators eingestellt. Im Innern des Trafos greift ein Schleifer je nach der Stellung des Fahrreglers eine unterschiedliche hohe Wechselspannung oder Gleichspannung ab (je nach System). Diese Spannung wird direkt an das Gleis abgegeben. Der Motor einer analogen Lokomotive dreht sich dann um so schneller, je höher die ihm zugeführte Spannung ist. Wird der Fahrregler auf Null gestellt, liegt am Gleis keine Spannung an. Die Lok steht.

Dasselbe passiert auch mit der Lokbeleuchtung. Auch hier leuchten die Lampen entsprechend der angelegten Spannung. Deshalb leuchten beim Analogbetrieb die Lampen auch erst auf, wenn die Lok anfährt.
Auch beim Märklin System, das nicht mit Gleichstrom sondern mit Wechselstrom arbeitet, funktioniert dies so. Der Richtungswechsel der Lok erfolgt allerdings hier mit einem Spannungsstoß, also einer noch höheren Spannung. Entweder wird dazu am Märklin-Trafo ein extra Knopf gedrückt, oder (bei anderen Märklin-Trafos) der Drehknopf wird nach unten gedrückt oder über die Stellung "Null" gedreht.
Durch den hohen Stromstoss wird dann ein Relais in der Lok bewegt, das einen Fahrtrichtungsumschalter bedient. Die Fahrspannung durchfließt während der Fahrt immer auch den Magneten, der den Fahrtrichtungsumschalter an sich zieht. Eine Feder verhindert, dass der Umschalter bei normaler Höhe der Fahrspannung schon aktiviert wird. Erst eine höhere Spannung ist dann so stark, die Federkraft zu überwinden und den Umschalter zu betätigen.

Um Funktionsschaltungen auszuführen (Weichen, Signale ect) müssen bei einem Analogbetrieb z.B. zu jeder elektrisch betriebenen Weiche die erforderlichen Kabel verlegt werden. Diese Kabel werden dann an das entsprechende Stellpult und an den Trafo (zur Stromversorgung) angeschlossen. Bei einer Großanlage liegt dann unterhalb der Modellbahnanlage ein regelrechter Kabelwald.



Was bedeutet nun das Wort "Digital"?
Digital bedeutet, dass Informationen durch Zahlen dargestellt werden (0 und 1).

Im Digitalbetrieb besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Schienenspannung und der Lokgeschwindigkeit. An der Schiene liegt im Digitalbetrieb immer die volle Schienenspannung an. Dabei handelt es sich um eine rechteckförmige Wechselspannung, die ständig zwischen Plus und Minus wechselt. Diese Wechselspannung ist konstant, lediglich das Pulsmuster ändert sich und gibt so digitale Informationen weiter. Diese digitale Informationen wird von einer Digitalzentrale generiert und enthält Informationen über die anzusprechende Adresse, Geschwindigkeit, zu schaltende Sonderfunktionen etc.

Digitaler Strom
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Jede Lok auf dem Gleis benötigt deshalb einen Empfängerbaustein (Lokdecoder), dem eine bestimmte Adresse zugeordnet ist. Wird die beim Decoder eingestellte Adresse angesprochen, so werden alle zur Adresse gehörenden Informationen ausgeführt - z.B. Lok beschleunigen, Licht einschalten, Fahrgeräusche generieren etc etc. Eine digitale Steuerung ist somit eine lokbezogene Steuerung.

Der Vorteil der digitalen Steuerung liegt nun darin, dass jede Lok für sich alleine angesprochen und dementsprechend völlig unabhängig von anderen Loks gefahren werden kann. Damit ist das Tor geöffnet für den von jedem Modellbahner ersehnten Mehrzugbetrieb.
Um die digitale Steuerung verständlicher zu machen, betrachten wir mal nachfolgendes Bild:

Digitaler Strom     Digital-Bild
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Wie dem Bild zu entnehmen ist, fließt auch bei der Fahrreglerstellung "0" ein Strom. Wird der Fahrregler auf die Stellung 4 gebracht, so wird diese Wechselstromspannung moduliert - sprich: sie wird mit einer digitalen Information versehen. Diese digitale Information spricht den betreffenden Lokdecoder an, der darauf hin den Lokmotor zum laufen bringt. Die Lok fährt. Durch ein weiteres Hochdrehen des Fahrtreglers, wird eine weitere digitale Information an den Lokdecoder gegeben und die Lok erfährt eine Beschleunigung. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder weiteren Drehung des Fahrreglers auf die nächsthöhere Laststufe. Umgekehr funktioniert das selbstverständlich genauso. Tatsächlich wird somit am Fahrpult die Stellung des Fahrreglers in eine Zahl umgewandelt, die der eingestellten Fahrgeschwindigkeit entspricht. Diesen Vorgang nennt man "digitalisieren" oder "codieren". Codieren heißt dementsprechend dann auch eine Information umwandeln oder verschlüsseln. Die Zahl "15" wird beim Märklin System übrigens zum Umschaltung der Fahrtrichtung benutzt.

Sehen wir uns noch weitere Vorteile der digitalen Steuerung an:

  • Jede Lok kann direkt angesprochen werden. Damit werden grundsätzlich auch keine Trennabschnitte zum Abstellen von Zügen mehr benötigt. Allerdings ist das nur die halbe Wahrheit. Soll nämlich eine Anlage automatisiert werden, so sind Trennabschnitte, zumindest zum Rückmelden, wieder notwendig. Aber da kommen wir hier schon zu sehr ins Detail.

  • Bei digital betriebenen Modelleisenbahnanlagen wird die Verdrahtung einfacher. Im einfachsten Fall werden nur 2 Drähte zum Anschließen der Gleise an die Zentralstation benötigt. Wer allerdings mehr als einen Kreis mit einem Abstellgleis baut, wird damit dann allerdings doch nicht mit dieser einfachen Verdrahtung auskommen. Sobald die Anlage größer wird, muss darauf geachtet werden, dass man mehrere Einspeisepunkte vorsieht, die nicht zu weit auseinanderliegen, um das Digitalsignal nicht durch den Widerstand der Schienenprofile zu verfälschen (die Empfehlung des oftmaligen Einspeisens gilt natürlich auch im Analogbetrieb - hier geschieht dies aber oftmals automatisch, da man Trennstellen vorsehen muss, die mit eigenen Stromanspeisungen versehen werden müssen).

  • Mehrzugbetrieb: Wenn mehrere Züge auf der Anlage verkehren sollen, so muss ein Booster (Verstärker) vorgesehen werden. Das Thema "Booster" wird im weiteren Verlauf noch ausführlich behandelt. Nur hierzu folgendes. Der Booster hat die Aufgabe einen Teil der Anlage mit Strom zu versorgen, der vom Rest der Anlage allpolig abgetrennt ist (z.B. Isolierverbinder an beiden Gleisprofilen an jeder Seite zur restlichen Anlage - insgesamt also mindestens vier Isolierstellen).
    Wenn Schaltvorgänge auch über das Digitalsystem erledigt werden sollen (es kann selbstverständlich auch weiterhin analog geschaltet und digital gefahren werden oder auch umgekehrt), steigt der Verdrahtungsaufwand. Für jedes Objekt (Weiche, Signal, Häuserbeleuchtung etc.) wird ein entsprechender Decoder benötigt. Dieser Decoder bekommt seine Informationen entweder von einem Signal-Bus oder direkt vom Gleissignal (abhängig vom Digitalsystem).
    Die zu schaltenden Verbraucher werden direkt an den Decoder angeschlossen. Die Vorteile des digitalen Schaltens liegen in der dezentrale Verkabelung (es müssen nicht alle Leitungen bis zu einem zentralen Stellpult gezogen werden) und der Möglichkeit, bei Verwendung eines Interfaces (Schnittstelle), alle Schaltvorgänge über einen PC zu steuern.
    Der Vorteil hier: Gleisbildstellwerke lassen sich am Computer wesentlich schneller und einfacher erstellen.

Noch ein Hinweis sei hier noch gestattet.

Es wird immer wieder von Märklin-Modellbahnern die Frage gestellt, ob der Digitalbetrieb auch mit Wechselstrom funktioniert. Hier gibt es eine klare Antwort.

Im Digitalbetrieb gibt es keinen Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrom. Alle Digital betriebenen Loks besitzen Gleichstrommotoren.
Weshalb die älteren Märklin Loks mit Ihren Wechselstrommotoren auch digital fahren können (natürlich nur, wenn ein Lokdecoder eingebaut wird) liegt daran, dass es sich beim "alten" Märklin Motor um einen Allstrommotor handelt, der sowohl mit Gleichstrom, als auch mit Wechselstrom betrieben werden kann.

Wegen der schlechten Fahreigenschaften von Allstrommotoren im Digitalbetrieb stellte deshalb auch Märklin alle Lokmotoren auf Gleichstrom um. Im einfachsten Fall wird die Feldspule durch einen Hamo- Magneten und der Umschalter durch einen Decoder getauscht, um aus einer klassischen Wechselstromlok eine Digitallok zu machen.

Der in der Lok eingebaute Decoder übernimmt im konventionellen Betrieb dann die Funktion des Fahrtrichungsumschalters. Hier haben es die 2- Leiter Fahrer einfacher, da hier grundsätzlich nur Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen.





Die Digitaladresse


Die Vorteile beim Digital-System ergeben sich dadurch, dass zusätzlich zur Fahrgeschwindigkeit noch eine zweite Information über das Gleis übertragen wird, nämlich die "Digital-Adresse" einer Lokomotive.
Die Digital-Adresse einer Lokomotive kann mit einer Telefonnummer verglichen werden. Jedes Telefon hat eine bestimmte Nummer, unter der es angewählt werden kann. Wird diese Telefonnummer gewählt, klingelt nur das eine Telefon mit genau dieser Nummer. Alle anderen Telefone "fühlen sich nicht angesprochen" und bleiben stumm.
Ähnlich verhält es sich bei der digitalen Modellbahn. Jede Digital-Lok (und auch jede Märklin-DELTA-Lokomotive) hat eine eigene Nummer. Diese Nummer wird als Digital-Adresse bezeichnet.
Um nun die Geschwindigkeit einer bestimmten Lok zu ändern, wird neben der Geschwindigkeit die Adresse derjenigen Lokomotive ans Gleis übertragen, für die die Information bestimmt ist. Und nur diese eine Lokomotive ändert schließlich ihre Fahrgeschwindigkeit.Man könnte sich auch vorstellen, jede Lok hat einen Funk-Telefonanschluss mit einer bestimmten Telefonnummer, über diese Nummer kann der Fahrdienstleiter (Bediener der Zentraleinheit) dem Lokführer (Lokdecoder) telefonisch Anweisungen übermitteln.

Das Ansprechen einer Lok über eine bestimmte Digital-Adresse ist also der eigentliche Grund für die Mehrzugfähigkeit des Digital-Systems.

Die Informationen an die Lok übernimmt die Zentraleinheit (egal von welchem Hersteller). Die Weiterleitung der Befehle von Fahr- und Stellpulten erfolgt in digitaler Zahlenform. Als Träger für diese Zahlenwerte dient der digitalisierte Strom im Gleis, der stets in voller Stärke anliegt und zur Übermittlung der Zahlenwerte mit speziellen Strom-Impulsen überlagert wird (Digitale-Pakete). Aus einer Vielzahl unterschiedlicher Impulse müssen nun alle Loks und natürlich auch die Weichen - wenn sie digital geschaltet werden sollen - zwei Dinge erkennen, und zwar:
    1. ob sie angesprochen (=adressiert) wurden

    2. wenn ja, die Information, die ihnen sagt, was sie tun sollen. Dazu benötigen sie einen „Filter“, der diese digitalen Adressen und die mit ihnen gelieferten Informationen versteht und wieder in analoge Ströme umwandelt. Diese Aufgabe übernehmen die sog. Decoder in den Loks und auf der Anlage. In der Praxis sieht das so aus:

Wie wir bereits wissen, wird jeder Lok und jeder Weiche eine Adresse, das ist ein Zahlenwert ähnlich einer Telefonnummer gegeben. Dann stellt man die Decoder auf die jeweilige Adresse ein und verbindet sie mit dem entsprechenden Lokmotor oder Weichenantrieb. Damit erhalten diese nur noch die Informationen, die zu ihrer Adresse gehören. Die Decoder sind bei einigen Herstellern schon im Lokgehäuse eingebaut. Andere haben den Platz und eine Schnittstelle für den Anschluss der Decoder bereits vorgesehen. Decoder für Weichen sind in der Regel nicht in der Weiche eingebaut. Diese müssen getrennt erworben werden.

Jede Lokomotive im Digital-System besitzt eine eigene Digital-Adresse (Telefonnummer) und wertet nur die Informationen aus, die mit dieser Adresse gesendet werden. Damit ist jede Lok individuell steuerbar.

Bei Auslieferung ist jede Digital-Lok auf eine bestimmte Adresse eingestellt, die aber jederzeit geändert werden kann. Jede Lokadresse liegt z.B. beim Delta-System zwischen den Nummern 01 und 80. Sie wird bei älteren Delta-Decodern an einem achtpoligen Schalter auf dem Digital-Lokdecoder eingestellt. Dieses Bauteil wird "Codierschalter" genannt und besteht aus acht kleinen Schiebeschaltern (gilt nur für Delta Decoder).
Jeden dieser kleinen Schalter kann man entweder auf ON (= Ein) oder OFF (= Aus) schalten. Durch die Kombination der acht Schalterstellungen wird eine bestimmte Lokadresse festgelegt. Allerdings sind aus schaltungstechnischen Gründen nicht alle Schalterstellungen "erlaubt".
Eine Codiertabelle für Digitale Lokadressen ist in der Bedienungsanleitung jeder Digital-Lokomotive enthalten. Die neueren Decoder haben aber dieses "Mäuseklavier" nicht mehr. Hier sind die Adressen von der Digizentrale aus einstellbar.

Funktion der digitalen Adresse                                                              Der Digitalschalter

Digitaler Schalter                                                                   Digital-Bild
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Welche Grundausstattung braucht man zur Digitalanlage


Bevor wir uns die einzelnen benötigten Teile ansehen vorab noch folgendes:

Informationen werden von einem Sender zu einem Empfänger übertragen. Der Sender ist jeweils die Digitalzentrale (Z.B. Control Unit, Central Station, Mobil-Station, Intellibox etc.). Meist werden an den Zentralen weitere Eingabegeräte, Handgeräte, Handregler, Lok-Maus oder ähnliches angeschlossen, die Steuerbefehle des Nutzers aufnehmen. Die Aufgabe der Zentrale ist die Steuerbefehle passend umzuformen und sie über die Gleise zu den Loks zu übertragen. In den Loks sind Lokdecoder eingebaut, die die Signale auswerten und entsprechend Motor, Licht und Zusatzfunktionen steuern.

Zunächst benötigt man also mindestens:
    - Eine Digital-Lok (Lokdecoder)

    - Eine Digital-Zentraleinheit mit Eingabeeinheit,

    - Einen Versorgungstransformator (Booster) (wenn der Booster nicht in der Zentraleinheit integriert)

    - ein Digital-Fahrpult.

    - einen Transformator - Das kann für den Anfang ein herkömmlicher Fahrtrafo sein.


Digital       Digital-Fahren
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Bei den neueren Digital-Zentraleinheiten gibt aber bereits integrierte Booster, so z.B. bei der Märklin Central-Station, Mobile-Station, Intellibox von Uhlenbrock, FMZ-Zentrale von Fleischmann u.s.w.

Will man z.B. aber die Leistungsfähigkeit von Zentral-Stationen voll ausschöpfen, sollte man den speziell für den Digital-Betrieb entwickelten Transformator einsetzen. Damit können auf der Anlage mindestens vier H0-Lokomotiven gleichzeitig fahren - alle im gleichen Stromkreis.
Bereits mit dieser Grundausstattung können jederzeit weitere Fahrpulte an Digitale Zentrale (z.B. die CONTROl-UNIT) angeschlossen werden.
In die Zentrale wird die Nummer einer Lok eingegeben und mit dem Fahrtregler wird die Geschwindigkeit geregelt. Weitere Loks können gleichzeitig gefahren werden. Dazu werden die Nummern weiterer Loks in die Zentralstation eingegeben und diese dann angesteuert. Die erste Lok fährt mit ihrer letzten Einstellung weiter. Die zweite ebenfalls u.s.w.. Das alles auf dem gleichen Stromkreis.

Weitere Lokomotiven oder mehrere beleuchtete Zuggarnituren benötigen natürlich mehr Strom. Dann wird keine weitere Zentraleinheit, sondern ein zusätzlicher "BOOSTER" benötigt. Dazu aber auf den nächsten Seiten mehr.

Digitalanlagen
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