Wie viele von Euch wissen, bin ich ein großer Freund sorgfältiger Planungen. Dabei erreicht mich zuweilen der Vorwurf des "über-Theoretisierens", dem ich aber ebenso gelassen wie standfest ins Auge sehe, da ich ziemlich genau weiß, was und wie ich es will.
Da gerade so schön Pfingsten ist und ich vorhin <freu> 20m Kabel H07RN-F 5G 4 (neu und extrem günstig für nur 33,27 Euro) auf eBay® schießen konnte, steht mir der Sinn danach, Euch das Ohr bzw. Auge blutig zu tippen
. Elektro-Freunde könnte das interessieren, die anderen sollten sich schnell weg clicken, denn jetzt kommt's knüppeldick.Elektrikkonzept für meine Segment-Anlage (Teil 1)
Hier dreht es sich um das Elektrik- und Elektronik-Konzept für eine kleine, mobile Segmentanlage, an der ich wie bei meiner kleinen Lok seit Jahren herum plane. Unterdes bin ich an einem ganz erfreulichen Punkt.
Eine Zeit lang habe ich damit geliebäugelt, über einen Sinus-Wechselrichter auch einen Betrieb mit zwei 12 Volt- oder einer 24 Volt-Kfz-Batterie zu ermöglichen. Davon bin ich aber schnell abgekommen, da es da etliche Folgeprobleme gibt. Die Anlage soll mit 8,4 Metern Länge als Minimum und 60, 75, 110, 125, 135 oder 150cm Tiefe in gerader Linie und nur in Hallen (kein Problem) oder im Freien (sehr wohl ein Problem!) aufbaubar sein.
Das Problem beim Aufbau im Freien: Nahezu alle Stromversorgungs- und End-Geräte sind nur für den Betrieb in trockenen Räumen bzw. sogar nur im Haus zugelassen. Die einschlägigen Vorschriften begrenzen darüber hinaus die Spannung auf 24 Volt und den zulässigen Strom - wenn ich nicht irre - auf etwa 10 Ampère.
Erfahrene Gartenbahner wissen, dass es nicht weniger als 6 Ampère Strom sein sollten, die für die Fahrzeugbetrieb entnommen werden dürfen. Und ich rede hier nur von einem Betrieb mit eher einer als zwei Loks und eventuell noch ein paar beleuchteten Wagen.
Bei etwa 22 Volt und rund 6 Ampère Maximal-Strom kann man sich noch nicht so richtig weh tun - die Zunge quer über die Schienen zu legen ist aber schon keine gute Idee mehr, auch wenn das mächtig prickelt
. Spaß beiseite: Solange das alles in der eigenen Wohnung stattfindet, ist es nur eine Sache des eigenen Verantwortungsgefühls. Bei öffentlichen Veranstaltungen hört der Spaß aber auf - schon aus Versicherungs- und Haftungsgründen. Daher ist eines schon einmal klar: Netzspannung hat draußen - außer in teuren und thermisch problematischen, Wetter-festen und Wasser-dichten Schaltkästen - nichts verloren. Die erste Prämisse bei der Planung war daher: Alle Netzteile müssen ins Haus, nach draußen dürfen nur Kleinspannungsleitungen führen (bis 24 Volt / 10 Ampère).
Damit waren die ersten Aufgaben klar:
- Reduzierung der Leitungen auf ein nötiges Minimum.
- Berechnung des Strombedarfs, der benötigten Spannungen und des dafür wiederum nötigen Leitungsquerschnitts.
- Grobplanung eines Netzteils.
- Grobplanung der Segment-Anlagen-Topologie (hier: Elektro-Landschaft).
Daraus soll Anlagen-seitig einiges mehr erzeugt werden. Bevor ich aber dazu komme, gehe ich noch einmal auf die Verbindung Netzteil - Anlage ein.
Für Gleichspannungen bzw. -Ströme gilt folgende idealisierte Formel:
Der Spannungsabfall Ua (Volt) entspricht wegen des Hin- und Rückleiters 2 × l (Länge in Metern) × I (Strom in Ampère) ÷ ( Leitwert des Leitermaterials × Leitungsquerschnitt in Quadratmillimetern ).
Wenn wir Kupfer als Leitermaterial annehmen (was wir wohl dürfen), beträgt dieser Leitwert 56. Durch Wechselspannung und feindrähtige Litzen verbessert sich das Ergebnis deutlich, aber das juckt wenig, denn gefragt ist nur der schlechteste anzunehmende Fall.
Damit sieht die Sicherheits-Kurzformel so aus, wobei "A" der Leiterquerschnitt in mm² ist:
Ua = 2 x l x I ÷ (56 x A)
Achtet bitte auf die Klammern hinten, sonst wird Mist gerechnet!
Da nicht immer ein Gebäude in unmittelbarer Nähe sein dürfte und das Verbindungskabel sicher verlegt werden muss, bin ich von rund 20 Metern Leitungslänge ausgegangen.
Ihr könnt Euch nun selbst den Spaß machen und ausrechnen, wieviel Spannung bei 40 Metern Leitungslänge und nur 1,5mm² verloren geht. Dazu kommen noch im Mittel zehn Meter (fünf Meter hin und fünf zurück) auf der Segmentanlage und die Übergangs-Widerstände an den Steckverbindern.
Diese Frage war damit eindeutig geklärt: Es sollten 4 mm² als Querschnitt sein. Ein leichter Spannungsverlust bei der 12 Volt-Leitung ist verschmerzbar, bei der DCC-Versorgung eher nicht. Wenn ich die Leitungen auf der Segment-Anlage mit nur 2,5mm² ausführe, beträgt der Spannungsabfall bei 6 Ampère im schlimmsten Fall rund 1,5 Volt - kein Problem bei 18 Volt am Eingang.
Bevor ich zu der Art des Kabels komme, zeige ich erst einmal ein Schema, damit das hier nicht zu sehr in "Bleiwüste" ausartet.
Plan für die Strom-/Spannungs-Versorgung einer geplanten Segmentanlage.
Das Netzteil wurde ja schon angesprochen. Kurz zur Anlagen-Seite: Da soll wahlweise eine analoge Steuerung, eine DCC-Zentrale (Lenz, Zimo, Roco multiMaus pro®) oder ein Roco-Verstärker 10764 (aktuelle multiMaus) angeschlossen werden können. Für den eigentlichen Schienenstrom soll ein Booster von Lothar Gallus sorgen. Bei der DCC-Anlage favorisiere ich privat die noch nicht verfügbare Roco-multiMaus pro®, aber die Bus-Kabel sollen natürlich auch Zimo-kompatibel sein - dafür wird dann R12 mit fünf belegten von sechs Polen benötigt.
Da die multiMaus pro® (mit Funk, CV-Auslesen und PC-Schnittstelle) automatisch beim Wechsel in den Programmier-Modus den Ausgang auf den Programmier-Gleis-Ausgang schaltet (bescheuert!), nützt deren Hauptgleis-Ausgang mir nur noch herzlich wenig, zumal ich keine getrennten Stromkreise brauche.
Die 16 VAC sollen bei Bedarf auch weniger Leistungs-hungrige Verbraucher treiben, die auf 16 VAC angewiesen sind, während die 12 VAC richtig 'was wegschaffen müssen. Und zwar: Die Elektronik-Stromversorgung (+12 VDC gegen GND mit max. 5A), bei Bedarf weitere stabilisierte Spannungsregler, z.B. für die Verstärker der Hintergrund-Geräusche mit rund 40 Watt sowie den Lichtstrom - und da kommt schnell viel zusammen.
Die negative Spannung von 12V gegen GND ist pfiffig, weil so Stellmotore wie für Weichen mit Transistoren massekompatibel getrieben werden können. Mechanische Relais würde ich gerne soweit möglich und sinnvoll vermeiden.
Wichtig ist noch, dass im Netzteil zumindest die zwei DCC Transformatoren phasengleich angeschlossen sind. Die Prüfung darauf ist recht einfach: Zwischen je einem Ausgang zweier beteiligter Transformatoren wird die Spannung gemessen. Ist sie etwa gleich der höheren Ausgangsspannung, sind sie primärseitig phasengleich geschaltet. Ist die Spannung so hoch wie die Summe beider Spannungen, sind sie verkehrt geschaltet.
Beim Bau des Netzteils und seines Gehäuses werde ich mich der Hilfe eines ausgebildeten Elektrikers versichern. Damit bekomme ich zwar kein CE-, VDE- oder sonstiges Siegel, aber immerhin mildernde Umstände
.Zurück zum Kabel und seinen Steckverbindern. Wie eingangs geschrieben, lag die Kunst zunächst darin, die Zahl der Leitungen weitgehend zu reduzieren. Wie Ihr im Schema erkennen könnt, sind das nun noch sechs. Zwischendurch lag ich bei neun
.Sechs klang für mich zunächst ganz blöd, denn was für Kabel das sein sollte(n), stand für mich von Anfang an in Stein gemeisselt: Es sollte und musste H07RN-F sein. Das wird hier wohl nur wenigen etwas sagen. Bei Wikipedia wird das gut erklärt. In den einschlägigen Katalogen und auf dem entsprechenden Web-Seiten habe ich aber nur fünfpolige Ausführungen gefunden.
Ich habe eine ganze Weile gebraucht, bis ich begriffen habe, dass der Erdleiter bei den "G"-Typen eine eigene Leitung ist. Ein Kabel des Typs H07RN-F 5G hat also fünf Leiter plus einer Erdleitung, insgesamt also sechs - und einen fetten Durchmesser von 19,5 bis 20 Millimetern.
Das Zeugs ist leider gemein teuer. Bei Conrad zu schauen, macht wenig Sinn - es gibt weit günstigere Angebote. 20 Meter sind - plus Versand - ab etwa 75,- Euro zu haben. Conrad ruft sogar 5,63 Euro je Meter auf (112,60 Euro). Ihr seht, da bin ich mit 43,27 Euro inklusive Versand für Neuware gut weggekommen.
Das Kabel hat viele Vorteile. Es ist sehr Temperatur-beständig, flexibel, Öl-, Benzin- und trittfest und darf sogar unter Wasser verlegt werden. Dazu kommen die Flammwidrigkeit und allerlei andere Vorteile, wie die feindrähtigen Litzen - kurzum, perfekt für mein Vorhaben.
Mein nächstes Problem waren die Steck-Verbindungen für das Kabel. Knapp 10 Ampère im Niedervolt-Bereich sind kein Pappenstiel. Ich bin mir noch nicht ganz sicher, aber Industrie-Verbinder sollten es schon sein. Dabei spielt auch die zugesagte Trennungs- und Verbindungs-Zahl eine Rolle. So ab etwa 500 ist das auf der sicheren Seite.
Derzeit favorisiere ich die Wieland-Steckverbinder und -Gehäuse 6polig + PE. Da krankt's eigentlich nur daran, dass der Stecker-Gehäuseausgang maximal für 2,5mm²-Kabel gebaut ist - bei 6 × 4mm² müsste ich auf eine Zugentlastung verzichten. Hat einer von Euch Industrie-Elektrikern vielleicht eine bessere Idee? Ich bin für jede Anregung dankbar!
So, und nun geht's richtig zur Sache. Hier folgt das Blockschaltbild der geplanten Elektrik und Elektronik für die Segment-Anlage. Das sieht mächtig kompliziert aus, ist es aber nicht unbedingt.
Denkt Euch den Übergang zwischen den Segmenten rechts von der 16 VAC-Einspeisung und links von der 12 VAC-Einspeisung oben im Blockschaltbild. Das heisst, neben Steuer-Leitungen müssen sieben Leistungsleitungen steckbar zwischen den Segmenten ausgeführt sein.
Das Wichtigste zuerst: Die braune und dunkelblaue Leitung stehen für die Fahrstrom-Versorgung. Die soll wahlweise von einer externen DCC-Anlage, dem Verstärker 10764 von Roco, dem der neuen multiMaus pro® oder einem analogen Fahrpult kommen können. Das ist hier ein bisschen flapsig eingezeichnet.
Die Blockschaltbilder W1 bis W4 sowie Gs1 und Gs2 stehen für die Schaltungen der vier Weichen und zwei Gleissperren (andere Baustelle und anderes Thema). Der DCC-Bus (ganz unten) mit RJ12 (sechspolig belegte "Western"-Steckverbindungen) als Verbindung dürfte für die meisten DCC-Systeme kompatibel oder zumindest anpassbar sein. Er ist's auf jeden Fall für Zimo, Lenz und Roco.
Die stabilisierten Festspannungsregler für 12V (plus und minus gegen GND) wurden ja schon angesprochen. Für die -12 VDC-Leitung tut's ein dünner Leiter - mehr als ein paar 100 mA werden da kaum verblasen werden.
Die Weichen- und Gleissperren-Schaltungen dienen nur der Betriebssicherheit und dem Komfort. Die Stellhebel sollen händisch bewegbar sein und dann auch für die richtige Polarität der Herzstücke sorgen, aber Weichen-Decoder oder etwas ähnliches hätte ich auch gerne. Die Möglichkeit, die Schaltungen auch über Transistoren gegen GND zu treiben, wird mehr als Kindersicherung gebraucht (bei einer drohenden Falschfahrt mit folgendem Kurzschluss am Herzstück). Ich vertrete die Ansicht, dass Übel wie Kurzschlüsse im Vorfeld vermieden werden sollten, hier über getaktete IR-Lichtschranken (wegen des enormen Stromverbrauchs) mit einer XOR-Logik für die beiden Seiten.
Zum Schluss für heute noch eine Erklärung zum Audio- und Lichtteil, zunächst Audio. Ich habe mich ein wenig in Audacity eingearbeitet (Freeware) und auf SoundSnap etliche teils sehr gute Audio-Aufnahmen für spezielle und atmosphärische Geräusche gefunden und herunter geladen. Nun war die Frage: Wie bekomme ich den von mir so geschätzten, atmosphärischen Sound am besten ans Ohr?
Da 8,4 Meter Länge kein Pappenstiel sind, möchte ich die (meist nur mono benötigten) Sounds auf vier Kanäle aufteilen. Von weither klingende Sounds wie Kirchenglocken kann ich dann immer noch auf zwei Stereo-Kanäle verteilen. Als Tonträger bieten sich zwei identische MP3-Player mit nachgeschalteten, kleinen und lokalen Verstärkern und wetterfesten Lautsprechern an. Leider wird es nicht möglich sein, diese beiden zu synchronisieren - und Player mit vier oder gar acht Ausgängen habe ich bisher nicht gefunden. Ausgeprochen lokale Geräusche kann ich dann noch per Zeitgenerator und Voice-Modul einspielen, zum Beispiel das Tuckern eines Lanz Bulldog. Davon unberührt bleibt der Sound meiner kleinen Lok, mit dem ich auch noch nicht zufrieden bin - da werde ich Herrn Dietz noch einmal bemühen müssen. Einen PC oder ein Notbuch will ich auf keinen Fall für den Betrieb brauchen, egal mit welchem Betriebssystem.
Zweitens, die nächtliche Ausleuchtung. Ich möchte die Lampen - eher aus antiquierten Gründen - mit 12 Volt betreiben. Da kann schnell einiger Strom zusammen kommen. Daher gilt wie eigentlich immer: Die Leistung wird lokal geschaltet (sprich: je Segment und hier über Relais), die Steuerleitungen werden über Sub-Min-D-Verbindungen durchgeschliffen. Das "DL" steht für "Dauerlicht", beispielsweise Bahnhofsbeleuchtung und Weichensignale. "Ry" ist ein internationales Kürzel für "Relais", die Freilaufdiode Plicht. Da über Sub-D etliche solche Steuerleitungen machbar sind (und das um kleines Geld im Gegensatz zu den Leistungsleitungen), sind für andere Leuchtmittel (Häuser etc.) Programme (via PIC) oder Zufallsgeneratoren denkbar.
Nun bitte ich um eine angemessene Steinigung für meinen frivolen Plan
.Beste Grüße,
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