Elektrik und Elektronik: Basiswissen

Litzen und Drähte

„Kabel” ist ein volkstümlicher Ausdruck, mit dem meist flexible Leitungen gemeint sind. Sie werden aus vielen einzelnen Kupferadern zusammengesetzt, die eventuell auch verdrillt (gegeneinander verdreht) sind. Drähte hingegen bestehen nur aus einem Kupferkern und sind daher biegbar, aber wenig flexibel. Werden sie zu oft scharf gebogen, brechen sie. Auch sind sie mechanisch in mancherlei Hinsicht nicht so belastbar wie Kabel.

Neben der Isolierung spielen bei Kabeln und Drähten der Querschnitt, angegeben in mm², die tragende Rolle. Es leuchtet sofort ein, dass durch die Kanüle einer Spritze in gleicher Zeit und bei gleichem Druck weniger Wasser fließen wird als bei einem dicken Trinkhalm. So ist es bei Kabeln auch. Der Querschnitt (die Fläche) muss zur Leitungslänge und dem zu erwartenden Strom passen.

Der spezifische Widerstand von Kupfer beträgt 1,7 × 10^-8 Ω/m bei 20° C.

Wer nicht mit negativen Potenzen vertraut ist: 10 hoch -8 bedeutet, dass 10 achtmal durch 10 geteilt werden muss. Das Ergebnis ist 0,0000001. Die Formel zur Berechnung eines Leitungswiderstands lautet:
R = Ω/m × (Länge l ÷ Querschnitt q).

Ist der Widerstand erst einmal bekannt, kann leicht der Spannungsabfall der Leitung berechnet werden (U = R × I).

Dazu ein Beispiel. Gegeben sei eine 20 m lange Litze mit 0,5mm². Der zu übertragende Strom beträgt 3A bei 12V. Da Leitungen hin und wieder zurück führen, müssen Sie bei zweipoligen Verbindungen die doppelte Länge einsetzen.

R = 0,00000017 × (20 × 1.000 [Millimeter] ÷ 0,5).
R = 0,00000017 × (20.000 ÷ 0,5) = 0,00000017 × 40.000.
R = 0,0068 Ω.

U = 3 × 0,0068 = 0,02 Volt. Dieser Verlust ist sicher zu verschmerzen.

Verlustfaktoren

Das oben ermittelte Fazit gilt allerdings nur unter Idealbedingungen, die meist nicht gegeben sind. Die Formel gilt nur bei 20° C. Die Anschlüsse des Kabels müssen verlustfrei leiten, was praktisch nie der Fall ist. 0,02 V sind ein größerer Teil von 5 V als von 12 (prozentual gesehen). Kälte verbessert die Leitfähigkeit, Wärme oder gar Hitze verschlechtert sie drastisch. Dennoch bleibt bei dem Beispiel normaler Weise genug Sicherheit.

H0–Modellbahner mit überschaubaren Anlagen brauchen sich um derlei wenig Sorgen zu machen. Selbst für eine Fahrstromversorgung mit 12 bis 15 Volt bei 3 Ampère reichen 0,5 mm² bequem aus. Kritischer wird es bei Gartenbahnen mit hohem Strombedarf und teilweise sehr großen Leitungslängen. Da sollten für Signalleitungen von elektronischen Schaltungen 0,2 mm², für die Versorgung elektronischer Schaltungen 0,5 mm² und für Fahrströme - die sich durchaus auf mehr als 5 A summieren können - eher 2,5 mm² einkalkuliert werden.

Kritisch sind - wie schon angesprochen - die Kabelanschlüsse. Hochleistungs–Steckverbinder sind sehr teuer. Klemmverbindungen mit Federmechanismus sind ein williges Opfer für Korrosion. Daher sollten schraubbare Verbindungen verwendet werden und die abisolierten Litzen–Enden stets mit Aderendhülsen geschützt werden. Das sind kleine Röhrchen, die vor dem Festschrauben auf das blanke Kabelende geschoben werden. Die Enden nur zu verzinnen, ist keine gute Idee: Zinn verformt sich im Laufe der Jahre unter Druck. Es ist jedoch nichts dagegen einzuwenden, Aderendhülsen mit den Kupferenden oder Kabel untereinander zu verlöten. Das schützt das Kupfer innen vor Korrosion.

Kontakte

Ein „Kontakt” ist hier die Verbindung zwischen zwei elektrischen Anschlüssen. Dieser kann als Lötstelle, Schraub– oder Steckverbindung oder als Schalter beziehungsweise Relais–Kontakt ausgebildet sein.

Steckverbindungen müssen die zu erwartenden Ströme übertragen können. Der preisbewußte Modellbahner hat dabei die Möglichkeit, die Last auf mehrere benachbarte Kontakte zu verteilen, was oft günstiger und betriebssicherer ist als eine einzelne Hochleistungs–Steckverbindung. So gibt es zum Beispiel vergoldete Sub–Min -Stecker und –Buchsen, die je Pin (Anschlussstift) unter Idealbedingungen 3 Ampère übertragen können. Drei davon sind für 5 Ampère sicher ausreichend.

Bedenken Sie, dass Schienenverbinder auch Steckkontakte sind. Alles, was über eine temporär aufgebaute kleine Bahn hinaus geht, sollte neben den Gleisen Versorgungs–Leitungen haben, die in regelmäßigen Abständen den Fahrstrom ins Gleis einspeisen. Gerade an diesem Beispiel können viele in der Praxis nachvollziehen, was für Verluste durch schlechte Kontaktierung auftreten können (der Zug wird am der Anschlussstelle entgegen gesetzten Ende der Strecke immer langsamer).

Heutzutage sind Relais–Kontakte gegenüber früher wesentlich unanfälliger gegen Abnutzung und Abbrand durch Funkenbildung. Für langfristig planende Modellbahner sollte aber stets die Maxime gelten, wo irgend möglich mechanische Kontakte durch elektronische Schalter (Transistoren) zu ersetzen. Das ist leider bei der häufigsten Aufgabe - der Fahrstrom–Umpolung - jedoch noch nicht zu machen, zumindest bei hohen Maximalströmen. Wenn ein Relais eingesetzt wird, sollte es möglichst immer eine „waschdichte” Ausführung sein, und der mögliche Schaltstrom des Relais' sollte mehr als ausreichend bemessen sein (mindestens 20 % Sicherheit wegen möglicher Stromspitzen).

Farben, Dokumentation, Verlegung

Wo sehr viele verschiedene Kabel zusammenkommen - und das ist sowohl bei elektronischen Schaltungen wie auch allgemein bei Modellbahnen der Fall - gibt es nicht genug Farben, um jede Leitung individuell damit zu codieren. Dennoch ist es eine gute Idee, bestimmten Leitungs–Typen bestimmte Farben zuzuordnen.

Hilfreich sind kleine Röhrchen mit Buchstaben– und Zahlencodes, die es zum Aufschieben auf Litzen und Drähte als Sets zu kaufen gibt.

Der Rest besteht in einer ausgiebigen Dokumentation in Text– (und, wo nötig) auch Zeichnungsform. Sie selbst und eventuelle Nachfolger müssen in der Lage sein, auch Jahre später noch nachzuvollziehen, welche Leitung von wo nach wo führt und wozu sie dient. Eine Fehlersuche ist ohne solche Informationen entweder mühsam oder sogar nahezu unmöglich. Denken Sie an Ausdrucke und Backups (Datensicherung).

Achten sie bei stationären Aufbauten auch auf eine sorgfältige Verlegung und Befestigung der Leitungen. Vermeiden Sie engste Radien. Lassen Sie stets genug Luft, um auch einmal eine Anschluss–Lötstelle erneuern zu können. Binden Sie Kabel nicht wahllos mit Kabelbindern zusammen, sondern zunächst funktionale Gruppen, dann Knotenstellen oder mehrere Stränge.

„Kabelsalat” sorgt für Frust und verhindert erfolgreiche Wartung und Reparatur.

Netzspannungen müssen im Haus bleiben. Daher müssen bei elektrisch betriebenen Gartenbahnen mehrere Leitungen (mindestens vier) von der Stromversorgung ins Freie führen. Dazu sollten Kabel mit Knick–, Brand–, Frost–, Wasser– und Lösungsmittel–resistenten Isolierungen verwendet werden (die Gummi–Leitung des Typs H07RN–F erfüllt die meisten dieser Bedingungen, kostet aber auch richtig Geld).