Jens Mohr

Ingenieur  +  Betriebswirt
 

... das (H0) Modellbahnprojekt
St. Margareten 

 



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Jens Mohr
83224 Grassau
(Chiemsee/Achental)

 


Digitalsysteme


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 ....

  1. 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.
     

  2. 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.
     

  3. 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.
     

  4. 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.
     

  5. 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 ..

  1. 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 !!!)

  2. Der Nutzer bemerkt solche Gleisverschmutzungen erst, wenn die Kapazität der Lok-Decoder-Kondensatoren nicht mehr ausreicht, um über solche Stellen hinwegzu- kommen.

  3. 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.

  4. 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.


HINWEISE     zu mit  *  markierten Worten

Alle Firmenbezeichnungen / Firmennamen; Produktbezeichnungen / Produktnamen stellen keine Werbung oder Empfehlung dar, sondern beschreiben nur die in diesem Projekt individuell und subjektiv ausgewählten Produkt - Hersteller bzw. Lieferanten als auch deren verwendeten Produkte zur Anschauung, Darstellung und Beschreibung des eigentlichen Projekt - Inhalts.

Analoges gilt auch für die eingetragenen Links (s. hierzu Distanzierung auf der Link-Seite).

Der Leser soll selbst auf dem Markt recherchieren und für seine Bedürfnisse selbst entscheiden, welches Produkt er einsetzen will und wo er sich dieses beschaffen möchte.

In dieser Veröffentlichung verwendete Produktnamen / Produktbezeichnungen sind von / durch den einzelnen Hersteller(n) geschützt. Ihre Nutzung dient lediglich zur Kennzeichnung / Beschreibung des Produktes selbst.
Analoges gilt für die erwähnten
Firmenbezeichnungen / Firmennamen.