Digitalsysteme
(allgemein - Prinzip)
Die frühere
Art der Modellbahnanlagen, gleich ob Gleichstrom (DC) oder
Wechselstrom (AC) waren sogenannte "Analog Anlagen". Dies bedeutet
z.B. für die Steuerung einer Lok, daß ihre Motorumdrehung und
damit die Geschwindigkeit unmittelbar von der
jeweils am
Trafo / Regler eingestellten Gleisspannung
abhängig ist.
Die Spannungshöhe verändert sich (im allgemeinen) gleichförmig zur
neuen Einstellung.
Die Magnetartikel, d.h. die Spulen von Weichen,
Signalen, etc., werden bei dieser Anlagenart über Schalter bzw. Taster direkt
an eine Trafospannung geschaltet.
Auch Lampen werden direkt über Schalter bzw. Taster mit der
Trafospannung verbunden.
Bei den "Digitalen Anlagen" wird in der Zentrale
des Digitalsystems ein digitales Signal erzeugt und zur Steuerung der Lok über das
Gleis übertragen.
Auch die Magnetartikel sowie Lampen / LEDs / Signale werden über ein
digitales Signal gesteuert, welches in diesem Fall typischerweise
über einen separaten Bus (bestehend aus 2 - 5 Leitungen)
übertragen wird.
Das digitale Signal setzt sich zusammen aus einem
Adressteil und einem Steuer- / Befehls-Teil.
Damit eine Lok bzw. ein Magnetartikel oder eine
Lampe (Birne) / LED über ein Signal
angesprochen werden kann, benötigen diese jeweils einen Decoder.
Ein Decoder hat die Aufgabe eine digital
übertragene Information in ein "analoges Objektverhalten zu
übersetzen"; z.B. die Spule einer Weiche an eine Trafospannung zu
schalten.
Jeder Decoder hat
in dem digitalen System eine Adresse (wie eine Hausnummer)
und wenn ein
Decoder mehrere Objekte, z.B. Magnetartikel, schalten kann, dann hat dieser
Decoder eine weitere Adressunterteilung. Dies würde den Wohnungen in einem
Haus entsprechen. Typisch sind weitere Adressunterteilungen von 4, 8, 16;
was mit der Definition von Byte / Bit in der Software (SW) zu tun
hat.
Eine solche Unteradresse, also ein Bit, kann zwei Zustände
einnehmen > "0" und "1".
Ein solcher Zustand übermittelt dann eine Information an den
Adressaten (entspricht Briefinhalt bei der Post).
Der Decoder ermittelt die übertragende Adresse und
vergleicht diese mit der eigenen Adresse
("Briefkasten - Funktion"); anschließend entschlüsselt
er das digitale "Steuer-Signal" und steuert die sich daraus
ergebenden Hardware - Funktionen.
Was der Lok-Decoder, der Magnetartikel-Decoder,
etc. dann im einzelnen zu tun haben, das ergibt sich aus der
jeweiligen Software (Firmware), die sich auf dem Decoder befindet
und alle Funktionen steuert
(Schnittstellenspezifikation).
An ein Gleis oder einen Bus (Bezeichnung für eine elektr. Verbindung zwischen min. 2 Geräten
über die in einem bestimmten Verfahren elektr. Signale zur
Informationsübermittlung ausgetauscht werden) können 1 - n
Decoder
angeschlossen werden; n wird durch das verwendete digitale System
(s. unten) vorgegeben.
am Markt verfügbare
Digitalsysteme
Auf dem Markt werden verschiedene digitale Systeme
angeboten, u.a.
-
das / die System(e) aus dem Hause Märklin
("Motorola I und II" sowie mfx bzw. M4 von der Fa.
ESU, Ulm)
-
ferner das DCC System, welches von diversen
Modellbahnherstellern dadurch unterstützt wird, daß ihre
Produkte auf dieses System ausgerichtet sind
-
und dann das aus dem Hause Trix stammende
Selectrix (SX) - System, welches heute von verschiedenen
Herstellern weiterentwickelt wurde und vertrieben wird.
Heute liegen, nach Übernahme der Fa. Trix durch die Fa. Märklin,
die Rechte an Selectrix bei der Fa. Märklin.
Meines Wissens nach bietet jedoch kein Modellbahnhersteller
dieses System in seinen Produkten direkt mit an.
Was bis heute zu einer geringeren Marktverbreitung, im Vergleich
zu den beiden anderen Systemen, führte.
Die weiteren am Markt angebotenen
digitalen Systeme werden hier nicht betrachtet, da dies den Rahmen
der Internetseiten "sprengen" würde. - Ich bitte um Verständnis
-.
Eine erweiterte Gegenüberstellung der
Digital-Systeme ist dem linken Register "Gegenüberstellung"
zu entnehmen.
Digitalsysteme -- was
ist beim Einsatz zu bedenken
Auslegung des Systems
Die Befehls- / Auftrags- / Ergebnis-Übermittlung in digitalen
Systemen erfolgt in Bezug auf einen "Übertragungskanal" oder "Bus"
seriell, d.h. sollen mehrere Lok- und / oder Magnetartikel-Einstellungen vorgenommen werden, dann können die zugehörigen
Decoder ("Empfänger") zeitlich nur hintereinander angesprochen
werden. Es dauert demnach eine Zeit "t" bis alle Einstellungen
erfolgt sind.
Eine "Parallelität" in der zeitlichen Abarbeitung
von Magnetartikel- Einstellungen bzw. Abfrage von
Melde-Ergebnissen läßt sich nur dadurch erreichen, das mehrere Zentralen mit "Übertragungskanälen"
(z.B. SX-Bussen) zur Verfügung gestellt werden.
Eine parallele Schaltung von Gleisanschlüssen zur
Vervielfachung der
Lok-Zugriffe über mehrere Zentralen ist nicht möglich.
Beim Einsatz von mehreren Zentralen ist darauf zu achten, wie ein
"Parallelbetrieb" vom Gerätehersteller zugelassen (unterstützt)
wird und ob damit das angestrebte Ziel erreicht werden kann.
Der Einsatz von mehreren Zentralen von verschiedenen Herstellern
ist oftmals sehr problematisch und nicht angeraten.
Auch die Verwendung von Decodern verschiedener Hersteller an einem
Bus kann u.U. trotz aller "Normungen" zu Problemen führen.
Es ist deshalb notwendig, bereits bei der Planung
darauf zu achten, wie und in welcher zeitlichen Folge und
funktionalen Abhängigkeit die einzelnen Magnetartikel,
Lichtsignale, Loks, etc. später angesprochen werden sollen, um das
System optimal auslegen und möglichst störungsfrei betreiben zu
können.
Da die jeweiligen Lok- / Steuer- / Melde- Decoder
jeweils zu konfigurieren sind (Adresse und Funktionalität), ist es
empfehlenswert, daß an einen Bus nur Decoder (Module) eines
Herstellers angeschlossen werden, um möglichen Problemen bei einer
Konfiguration im eingebauten Anlagenzustand aus dem Weg zu gehen.
elektrische Systembetrachtung
Im Gegensatz zu analogen Anlagen MUSS bei
digitalen Systemen wesentlich mehr Wert auf die elektrische
Verdrahtung / Verkabelung gelegt werden und die publizierten Erfahrungen
sollten unbedingt Beachtung finden.
Der Grund für das erhöhte Anforderungsprofil bedingt sich aus den
physikalischen Gesetzmäßigkeiten in Verbindung mit den
elektrischen Kennzeichen eines digitalen Systems, so z.B. ...
-
im Gegensatz zu den analogen Anlagen wird eine
Frequenz im unteren kHz Bereich verwendet
>> Leitungs - Übersprechen / Einkopplung (Signalstörung)
müssen beachtet werden
-
in den Decodern finden Signalauswertung auf
"TTL-Pegel" (1-2 Volt Unterschiede)
statt und Signal (Bitmuster) müssen noch auswertbar
sein (Flankensteilheit)
>> Spannungsabfall auf den Busleitungen ist zu
minimieren
>> Einkopplung von Störsignalen auch von außerhalb des
Anlagenaufbaus sind zu unterbinden
-
hochfrequente Störungseinkopplung von
Lok-Motoren
>> Schleifringen, Bürsten, Kohlen
-
höhere Ströme in einem Gleisabschnitt
>> im digitalen System können mehrere Loks in einem
Gleisbereich gleichzeitig fahren, eine gegenseitige
Beeinflussung ist zu vermeiden (Störungseinkopplung,
Spannungsabfall am Gleis und den Zuleitungen)
-
digitale Systeme sind anfälliger bei
"Vermaschungen" von Spannungen aufgrund bestehender -- oft nicht
gewollter -- elektr. Verbindungen
>> auf Entkopplung der Stromkreise ist genauestens zu
achten
Fazit:
In digitalen Systemen müssen
alle Leitungen / Kabel in einem weit höheren Querschnitt
ausgeführt werden als in einem analogen System. Ferner sind die
Leitungs- / Kabel-Führungen sorgfältig zu planen, damit
Übersprechen / Einkopplungen vermieden werden. Dies gilt auch in
Zusammenhang mit den 240 V - Zuleitungen.
In dem ein oder anderen Fall muß auch die Verwendung von
geschirmten Kabeln in Erwägung gezogen werden. Dann wird ein Masse
/ Schirm - Konzept benötigt.
Masse - GND (Ground) - Konzept
Im Internet wird verschiedentlich über eine
GEMEINSAME Masse / GND diskutiert und in diesem Zusammenhang auch
über das Trennen / Zusammenschließen von Boostern über eine
Leitung (Schiene).
Auch seitens der Komponentenhersteller, so ist zu
lesen -- vielleicht auch vom jeweiligen Digitalssystem abhängig --
, daß ihre Komponenten in einem
Konzept der gemeinsamen Masse / GND korrekt arbeiten. Diese
Angaben wurden von mir nicht überprüft!!!!
Ich vertrete den Standpunkt, daß in den
Modellbahnanlagen eine gemeinsame Masse / GND fehl am Platze ist
und zwar aus folgenden Gründen ....
-
Es gibt keine Einsparung auf Seiten der
Verkabelung.
Beispiel:
Es soll ein Zug 1A(Ampere) benötigen; ein Booster leistet max. 3 A; Hin
und Rückleiter (Gleisversorgung) ist wegen des Spannungsabfalls
bei 3 A auf 1,5 mm² kalkuliert.
Sollen 6 Züge gleichzeitig fahren, dann werden 2 Booster
benötigt. Bei einer gemeinsamen Masse / GND muß der
Leiterquerschnitt, bei gleichem Spannungsabfall für 6 A
ausgelegt sein, also ca. den doppelten Querschnitt haben.
Dieses Beispiel kann man fortsetzen und es zeigt, es gibt KEINE
Einsparung bei der Verkabelung.
Wird dies ignoriert, so fließen z.B. 6 A über einen Querschnitt
von 1,5 mm², dann erhöht sich der Spannungsabfall auf der
"einen" Gleisversorgungsseite gegenüber der anderen Seite. Dies
führt zu Asymmetrien bei der Boosterversorgung und damit sind
Probleme vorprogrammiert.
Da die Zugfahrten nie gleichzeitig stattfinden, sondern
zeitversetzt, aber doch so, daß mal der maximale Fall auftritt,
so stellen sich auch noch unterschiedliche Belastungen ein.
-
Gefährdung der Elektronik
Bei mehreren Boostern werden diese von einer
Zentrale mit einem gemeinsamen Takt und einer Codierung zur
Erzeugung des digitalen Gleissignals versorgt / gesteuert.
Alle elektronischen Bauteile besitzen eine sehr große Streuung
in ihrem zeitlichen Schaltverhalten als auch in ihren
elektrischen Werten (Toleranzen).
Diese Streuung kann dazu führen, daß sich bei einer gemeinsamen
Masse / GND Ausgleichströme / -Spannungen einstellen, die zu
einer -- oft langsamen -- Zerstörung von Booster-Bauteilen
führen können.
-
Gegenkopplung und digitales Steuersignal
Bei der Verwendung einer gemeinsamen Masse / GND
sind die sich ergebenden Stromflüsse innerhalb des Leiters nicht
in die gleiche räumliche Richtung gerichtet; dies ist durch den
Anlagenaufbau (Gleise - Gleisversorgung - Booster) bedingt.
Da jeder Strom in einem Leiter ein magnetisches Feld erzeugt, welches in direktem Zusammenhang mit der Stromrichtung steht, so
treffen diese magnetischen Felder mit unterschiedlicher Stärke
und Richtung innerhalb eines Leiters aufeinander.
Hier besteht die Gefahr, daß das digitale Steuersignal temporär
so verschlechtert wird, daß eine Auswertung durch die Decoder
nicht möglich ist. Dies kann zu verzögerten Zugreaktionen
führen.
-
Fehlersuche wird SEHR erschwert
Booster können nur einen gewissen räumlichen
Bereich (Gleise) mit Strom versorgen (Beispiel oben: 3 Züge).
Sollen mehrere Züge gleichzeitig unterwegs sein, so müssen mehr
Booster eingesetzt und die gesamte Gleisanlage in
"Boosterkreise" unterteilt werden.
Würde jetzt eine Trennung der beiden Schienen (2 Leiter) bzw.
des Mittelleiters und der Aussenschienen (3 Leiter) zur
Abgrenzung der Boosterkreise (Boosterbereiche) fehlen und nur
EINE Leitung getrennt sein (gemeinsame Masse / GND) , dann wird
eine Fehlerortung -- abhängig vom Fehlerbild -- erschwert, da
die Bereiche nicht wirklich vollständig -- ohne großen Aufwand
-- trennbar sind.
-
Gegenseitige Störung der Takte bei Einsatz
mehrerer Zentralen
Finden mehrere SX - Zentralen Einsatz auf der
Anlage, so muß Sorge dafür getragen werden, daß es zu keiner
"Vermaschung" der SX-Busse und deren Signalen (Takten) mit
anderen Zentralen über deren SX-Busse kommt.
Störungen im Betrieb sind bei einer "Vermaschung"
vorprogrammiert.
Im SX-Bus wird auch die
Decoder-Spannungsversorgung mitgeführt.
Der GND-Punkt ist oftmals Ursache für Verbindungen, die über
Gleisanschlüsse, Trafos, etc. -- meist unbeabsichtigt --
stattfinden.
Analoges wird sich bei den anderen digitalen Systemen finden
lassen.
ABER --- BOOSTER an gemeinsame MASSE legen mit der
Zentrale
In aller Regel werden Booster über einen SEPARATEN
GND Punkt miteinander verbunden. Diese Verbindung ist aber keine
gemeinsame Masse / GND im obigen Sinne, sondern ein
Potentialausgleich zum Schutz der Elektronik beim Überfahren der
Schienen-Trennstellen (Booster - Grenzen).
Beim Selectrix * - System
müssen die Booster (aus dem Hause Müt / DIGIRAIL) alle über
einen Masse-Punkt verbunden werden, damit es zu keinen Problemen
in der obigen Form kommt.
Über die GND-Ltg des PX-Busses sind die Booster dann auch mit
dem GND der Zentrale verbunden.
Bei Einsatz eines der beiden anderen digitalen Systeme sind die
Angaben der jeweiligen Hersteller zu beachten bzw. bei diesen
die entsprechende Anfrage einzubringen.
zeitliche Systembetrachtung
Die zur Auftragsübermittlung eingesetzten
Übertragungsprotokolle sind in den einzelnen, oben erwähnten,
Digitalsystemen sehr unterschiedlich.
Grundsätzlich gilt:
Je mehr Funktionen, z.B. bei einer Lok, durch den Nutzer
angesprochen werden können, um so umfangreicher (Anzahl Bytes /
Bits) wird das
Protokoll und um so mehr Zeit wird für die Übertragung als auch
für die Auswertung im z.B. Lok - Decoder benötigt, bevor dieser
die neue Einstellung vornehmen kann.
Auch der Einsatz von sog. Multi-Protokoll
Zentralen und Decodern erfordert zusätzliche Zeit, da ja z.B. im
Lok-Decoder auch noch auszuwerten ist, um welches digitale System
es sich denn handelt und erst dann kann der Protokollinhalt
ermittelt und verarbeitet werden.
Analoges gilt auch für den Fall, daß ein Decoder
Informationen an die Zentrale zurücksenden kann.
Auch die verwendete Frequenz ist ein zu
betrachtender Faktor, d.h. steht die verwendete Frequenz in einem
richtigen Verhältnis zu dem Protokoll und zu der physischen
Übertragungstrecke (Störungen).
Im Falle der Lok-Steuerung kommt noch hinzu, daß
die Übertragungsstrecke, das Gleis und die Räder / Stromaufnehmer,
keine idealen Leiter darstellen, da ihre Verschmutzung mit der
Dauer des Betriebes zunimmt und sich dadurch störende
Unterbrechungen in der Datenübermittlung ergeben, die eine
komplett neue Übermittlung notwendig machen.
Derzeit wird empirisch davon ausgegangen, daß im Mittel 2 - 3
Übertragungsversuche stattfinden müssen, bevor ein komplettes
Protokoll den Lok-Decoder erreicht.
Sind auf einer Anlage mehrere Loks unterwegs und
sollen auch noch Magnetartikel bedient werden, so kann es eine
"geraume" Zeit dauern, bis eine Lok auf einen neuen Befehl /
Auftrag reagieren kann.
Während dieser Zeit hat die Lok aber auch, in Abhängigkeit von der
aktuellen Geschwindigkeit, eine Wegstrecke (cm) zurückgelegt.
Anmerkung:
Im Internet werden
Lok-Decoder beworben, die eine größere
"stromlose Strecke" überbrücken können.
Zu diesem Zwecke sind diese
Decoder mit größeren Kondensatoren
(Kapazitäten) ausgestattet, als dies "normalerweise" der Fall ist.
Solche Decoder bergen aus meiner Sicht indirekt vier gravierende
Nachteile in sich ..
-
Beim Einschalten der
Gleisspannung (Booster / Zentrale) erfolgt durch die Aufladung
der Lok-Decoder-Kondensatoren, die sich elektrisch gesehen
"parallel" auf den Gleisen befinden, ein hoher, kurzzeitiger
(ms) Stromfluß. Dieser kann über dem max. zulässigen Stromfluß
liegen, also einen Kurzschluß darstellen.
Selbst elektronische Sicherungen sind nicht dafür ausgelegt,
ständig überlastet zu werden.
Sie verschlechtern sich "schleichend" und können evtl. bei einem richtigen
Kurzschluß ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen (> Brandgefahr !!!)
-
Der Nutzer bemerkt solche
Gleisverschmutzungen erst, wenn die Kapazität der
Lok-Decoder-Kondensatoren nicht mehr ausreicht, um über solche
Stellen hinwegzu- kommen.
-
Nachdem eine Lok solche
Stellen passiert hat, werden die Kondensatoren wieder mit einem
höheren Strom aus dem Booster / Zentrale nachgeladen. Im Prinzip
kommt es dabei zu stärkeren Stromschwankungen und evtl. auch
Spannungsschwankungen. Dies kann zu Problemen bei der Steuer-
und Kommunikations- Elektronik führen.
-
Während der -- unbemerkt --
relativ großen Schmutzstellen findet natürlich auch keine
Kommunikation statt. Die Lok kann also erst sehr viel später auf
neue Einstellungen reagieren, wenn dann die Informationen
überhaupt noch gesendet werden.
Fazit:
Was wie ein Vorteil aussieht, kann sich bei digitalen Systemen im
operativen Einsatz schnell als gravierender Nachteil entpuppen;
.... und irgendwann muß man die Gleise doch reinigen.
kleine Anlagen
Hier gibt es wenige Loks und wenige Magnetartikel.
Die Elektronik wird mit der Datenübertragung immer schnell genug
sein.
große Anlagen
Hier gibt es viele Loks und viele Magnetartikel.
Bedingt durch die verhältnismäßig langen Fahrstrecken bei
"maßstabsähnlichen" Geschwindigkeiten sollte die Datenübertragung
genug Zeit zur Datenübermittlung haben.
mittelgroße Anlagen
Diese Anlagengröße erscheint kritisch, da eine
recht hohe Anzahl von Loks gesteuert werden soll und oft auch
viele Magnetartikel zu schalten sind. Während die Fahrwege (Blöcke
zwischen Weichenstraßen / Signalen) oft nur eine Zuglänge
erreichen, also verhältnismäßig kurz sind ( ~ 1,50 bis 2,00 m).
Im Gegensatz zu den beiden anderen Anlagengrößen kann es hier zu
zeitlichen Engpässen bei der Übertragung, insbesondere bei
Lok-Befehlen, kommen. Infolgedessen könnte es zu Unfällen aller Art
kommen. Auch das Überfahren von roten Signalen -- was immer wieder
zu beobachten ist -- kann sich aus "fehlerhaften" Auslegungen
ergeben.
was ist zu tun ??
Es ist deshalb notwendig, bereits bei der Planung
darauf zu achten, daß durch die richtige Kombination der
Anlagenkomponenten und ihrer Systemanordnung, insbesondere unter
Berücksichtigung des digitalen Systems, zeitliche
Übertragungsengpässe möglichst nicht auftreten.
