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Elektrik und Elektronik: Fahrtregelung

Funkfernsteuerung von Lokomotiven über Akkus

Auf der vorherigen Seite wurde beschrieben, wie der Fahrstrom auf den Gleisen mit Funk ferngesteuert werden kann. Auf dieser Seite dreht es sich hingegen um die Funkfernsteuerung der Modellbahn–Triebfahrzeuge selbst. Der Fahrstrom kommt aus Akkus, die Schienen können, müssen aber nicht Strom führen.

Besonders Gartenbahner mit weitläufigen Anlagen wissen die „Freiheit vom Kabel” zu schätzen. Echtdampf–Loks („live steam”) werden meist auch per Funk gesteuert. Bei elektrisch betriebenen Großbahn–Loks gibt es auch die Möglichkeit, Akkus, Fahrtregler und Empfänger in einem Geisterwagen unterzubringen, wenn der Platz in der Lok nicht reicht. Diese Lösung wird hier vorgestellt.

Abschnitte dieser Seite:

 

Die Anforderungen

Auf analog und digital betriebenen Modelleisenbahn–Anlagen fahren die Triebfahrzeuge normaler Weise mit Strom, den sie aus den Schienen beziehen. Nun gibt es mindestens zwei Fälle, wo das nicht oder nur eingeschränkt geht. Ein gutes Beispiel ist die oben abgebildete Gartenanlage. Da gibt es keine Stromversorgung auf den Schienen. Ein zweites Beispiel sind Ausstellungsanlagen. Da gibt es zuweilen nicht die „richtige” Stromversorgung und beziehungsweise oder die Schienen sind wegen Echtdampf–Betriebs schwer verölt und verschmutzt.

Der Motor einer Lok benötigt eine regelbare Fahrspannung und genug Strom. Beides kann auch über ein Funkfernsteuerungs–System mit Fahrtregler und Akkus bereit gestellt werden. Dabei gibt es jedoch einiges zu bedenken.

Die Akkus benötigen relativ viel Platz und müssen im Großbahn–Bereich (zum Beispiel für 1:22,5) auch eine relative hohe Spannung bieten. Rund 14 Volt dürfen als Minimum angesehen werden. Damit kommen die meisten Fahrtregler aber nicht mehr klar.

Ist in dem zu steuernden Triebfahrzeug ein Glockenankermotor („Faulhaber”) eingebaut, spielt die Taktfrequenz der Impulsbreiten–Modulation im Fahrregler eine entscheidende Rolle. Sie sollte mindestens bei 1 kHz (Kilohertz) liegen, mehr ist besser. Das bieten nicht alle Regler.

Es ist außerdem wünschenswert, die Lok wahlweise analog oder digital per DCC–Signal steuern zu können.

Die Fernsteuerungs–Bestandteile kosten einiges Geld. Da liegt es nahe, diese Teile für mehrere Triebfahrzeuge zu nutzen, vor allem, wenn der Funkbetrieb nur gelegentlich gebraucht wird. Aus Gründen der Betriebssicherheit und Empfangsleistung sollten mindestens Anlagen aus dem 40 MHz–Band (FM) benutzt werden. Die Empfänger–Antenne sollte nicht zu lang sein, da sie sonst kaum unauffällig unterzubringen ist.

 

Empfänger, Fahrtregler, Akkus

Zur Lösung der Vorgaben mussten zunächst einmal geeignete Komponenten gefunden werden. Davon ist in diesem Abschnitt die Rede.

Da zwei Sender vorhanden waren, fiel die Wahl beim Empfänger recht leicht. Er sollte klein sein und für den Fall der Fälle mehr als zwei Kanäle bieten. Daher wurde auf eBay® flugs ein konventioneller ACT–Empfänger Micro-6 „geschossen”. Der brauchte lediglich eine neue Antenne (dazu später mehr). Ein passender Quartz kam von Fremde Seite Conrad.

Schwieriger wurde es schon beim Fahrtregler. Nach langer Suche fand sich dann bei Fremde Seite Modellbau-Regler.de der Typ Fremde Seite AS12/15RW BEC. Der Regler ist praktisch perfekt für den geplanten Zweck.

Er bietet eine variable Taktfrequenz. Auf Rückfrage erfuhren wir die genauen Daten von Manja Willing, der Anbieterin. Im Bereich zwischen 0 und etwa 70 % Knüppelausschlag taktet der Regler mit 18 kHz. Dadurch laufen die Motore extrem leise. Danach schaltet der Regler auf 2,3 kHz zurück, was den Wirkungsgrad hoch hält und die Wärmeentwicklung verringert. Dieses Konzept ist sehr klug und lobenswert!

Der Vorwärts–Rückwärts–Regler unterstützt bis zu 16,8 Volt (ohne BEC) und - wie hier getestet wurde - problemlos 14,8 Volt mit BEC. „BEC” steht für englisch „battery eliminate circuit”, Schaltkreis zur Einsparung einer Batterie. Gemeint ist in diesem Fall der sonst übliche, separate Empfänger–Akku mit meist 4,8 Volt.

Die Größe ist mit 36 × 30 × 9 mm schön klein und der Preis mit 32,95 € erfreulich günstig. Eine Abbildung findet sich weiter unten.

Nun blieb noch die Frage nach den Akkus. Da der RC–Betrieb wohl nur selten gebraucht wird, sollte es möglichst eine Ausführung sein, die auch anderweitig benutzt werden kann. Die fand sich in dem Typ für die Digitalkamera. Es handelt sich dabei um Lithium–Ionen–Akkus als Doppelzellen, also mit 7,4 Volt Nennspannung. Zwei davon in Serie ergeben also 14,8 Volt. Sie werden auch mit 1.100 mA angeboten, sind klein (57 × 32,2 × 15,7 mm) und wiegen nur 51 Gramm. Die originale Nikon–Bezeichnung lautet EN-EL 1.

Als Halterung für die Akkus wurden zwei zusätzliche Ladeschalen des Ladegeräts abgespeckt und dann miteinander verklebt. Der urspüngliche Zustand ist auf dem dritten Bild dieses Abschnitts zu sehen. Ihre Vorteile: Sie sind verpolungssicher, die Akkus rasten sicher ein, sie sind billig und leicht zu bearbeiten und zu kleben.

 

Steckerbelegung für Servos und Fahrtregler

Übersicht von Steckerbelegungen für Servos und Fahrtregler.
[ ± ].

Bevor es ans Eingemachte geht, folgt hier noch ein kleiner Exkurs. Diese Abbildung zeigt die Belegung der gängigen Steckersysteme für die Verbindung vom Empfänger zu Servos und Fahrtreglern. Das Minus– und Plus–Symbol sind wohl klar, das „I” steht für „Impuls”.

Bevor Sie in einem Fall wie diesem teure und Platz fressende Adapter kaufen, sollten Sie bei Bedarf lieber zum Lötkolben greifen und ein passendes Kabel anbringen.

Dunkel gefüllte Kontakte kennzeichnen Stifte (Multiplex, Microprop), nicht ausgelegte Buchsen (Futaba, Conrad, Graupner, Mikroantriebe.de, Simprop, Robbe).

Bei vielen Empfängern passen sowohl die Stecker von Futaba / Conrad als auch die von Graupner / JR. Achten Sie bitte unbedingt auf die Polarität und Verpolungssicherheit. Ein Fahrtregler kann in kürzester Zeit durch Falschpolung oder Kurzschlüsse zerstört werden.

Der Fahrtregler Fremde Seite AS12/15RW (drittes Bild des Abschnitts) wird ab Werk mit einem Graupner–Stecker ausgeliefert und passt damit direkt an den geplanten Empfänger - und wegen seiner Eignung für Bühler–Motore auch optimal für originale LGB®–Fahrzeuge.

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Antennen–Fragen

Leider braucht es noch einen kleinen Ausflug vor dem konkreten Test. Das Thema dieses Abschnitts ist die Länge der Empfänger–Antenne.

Bei RC–Anlagen werden am Sender und Empfänger Antennen benötigt. Auf dem ersten Foto der Seite ist die ausgezogene Antenne eines 40 MHz–Senders im Sonnenlicht zu sehen. Diese Antenne müsste eigentlich knapp 7,5 Meter lang sein.

Das erscheint nicht machbar. Da die Funkwellen Schwingungsknoten an ganzzahlig teilbaren teilbaren Werten ihrer Länge haben (also zum Beispiel bei der Hälfte, einem Viertel, einem Achtel bis hin zu einem Vierundsechszigstel), können Antennen beim Sender und Empfänger auf einen solchen Bruchteil gekürzt werden. Wie kommt die Länge zustande und wie lässt sie sich berechnen?

Die Länge einer Antenne wird wie die Wellenlänge mit der Einheit Lambda bezeichnet. Funkwellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Deren Wert (c) wird hier mit 299.792 km/s angesetzt. f sei die Funkfrequenz. Aber Achtung! Zum Beispiel ergibt die Mitte des bei 40 MHz verfügbaren Spektrums schon ganz andere Werte als die Annahme „40 MHz”. Diese Mitte liegt etwa bei 40,825 MHz (Kanal 82).

Die Formel zur Berechnung der Basis–Antennenlänge lautet
Lambda = c ÷ f.

Bei Kanal 82 ergibt sich daher 299.792 ÷ 40,8 = 7.347,8 mm. Sender– und Empfangs–Antenne müssten also rund 7,35 Meter lang sein - pure Illusion. In der Praxis sind die Antennen im 40 MHz–Band rund 950 mm lang und entsprechen damit Lambda ÷ 8 . Das ist zumindest beim Empfänger noch zuviel für Modelleisenbahnen, denn aufgerollte Antennenkabel sind ganz schlecht.

Bei Modellbahnen kommt noch hinzu, dass die Schienen eine störende induktive Schleife bilden (können), zumindest beim Kreisverkehr. Auch spiegelnde Oberflächen wie Teiche können für Störungen sorgen. Diese gilt es zu vermeiden, denn die wertvollen Modelle sollen tunlichst nicht bei Unfällen ihre Flugtauglichkeit beweisen (zwinker).

Eine Verlegung der gekürzten Antenne fernab von Akkus, Motoren und Fahrtreglern ist von Vorteil. Ferner sollte die Antenne in einem rechten Winkel verlegt sein: das erste Stück waagerecht und dann gerade nach oben. Wie Tests zeigten, spielt das sehr wohl eine Rolle.

Ebenso wurde aber auch bewiesen, dass selbst Lambda ÷ 32 (rund 230 mm) noch sehr gute und Gartenbahn–taugliche Ergebnisse bringen kann (siehe nächster Abschnitt).

 

Test und Aufbau für den „Geisterwagen”

Für den Test wurde an Stelle des Lokmotors zunächst ein anderer Faulhaber–Motor angeschlossen (siehe Foto in diesem Abschnitt). Die Antenne war auf 23 cm gekürzt.

Aus praktischen Gründen ist am benutzten Sender der „Gashebel” rastend eingestellt. Die Programmierung des Fahrtreglers klappte erst im zweiten Anlauf, weil es gar nicht so leicht ist, den Nullpunkt schnell zu treffen.

Bei ersten Tests am Basteltisch wurde der Regler kaum handwarm. Daran änderte auch ein am Empfänger angeschlossenes Standardservo mit einem großen Ruderhorn nichts. Also wurde der Versuchsaufbau in den Hof mit anschließendem Garten verfrachtet und die Empfänger–Antenne wie geplant ausgerichtet (siehe weiter unten).

Sehr bald wurde klar, dass für den Reichweitentest eine Helferin oder ein Helfer nötig sein würde, als nämlich das Ruderhorn nur noch schlecht mit bloßem Auße zu erkennen war. Nach über 26 Metern - beim Nachbargrundstück - wurde der Test beendet. Auf diese Entfernung gab es jedenfalls keinerlei Probleme.

Im folgenden Abschnitt ist der geplante Aufbau für einen offenen Niederbordwagen zu sehen. Akkus, Regler und Schalter werden an einem Ende in einer Kiste versteckt, der Empfänger etwa in der Mitte, und die Teilung zwischen waagerechtem und senkrechtem Antennenteil liegt am anderen Ende. Der Knick im waagerechten Teil ist gewollt, damit die Antenne ja nicht parallel zu den Schienen liegt.

Die Skizzen sind proportional, die Ladefläche entspricht der eines LGB®–Waggons. In der Stirnansicht ist zu sehen, dass die Antenne nicht höher werden darf. Die dunkle Begrenzungslinie entspricht dem auf 1:22,5 umgerechneten Lichtraumprofil für Schmalspurbahnen. Die kleine Kugel am Ende der Antenne dient nicht nur dem Schutz der Augen, sondern leitet auch atmosphärische Störungen ab.

 
Zeichnung: Anordnung der Teile von der Seite und von oben gesehen. [ ± ].
 

Umbauten und Beschaltungen an Triebfahrzeugen

Lokomotiven, die mit Hilfe des Geisterwagens fahren sollen, brauchen mindestens eine Anschluss–Möglichkeit für den Fahrstrom, und zwar auf beiden Seiten. Das kann eine verpolungssichere Buchse sein.

Bei der im Bau befindlichen (neuen) 99 021 fiel die Wahl auf eine BEC–Steckverbindung. Das klappt gut, weil diese Stecker und Buchsen mehr als genug Strom übertragen können und der Motor nur wenig Strom braucht. Das Foto dieses Abschnitts zeigt das vordere Anschlusskabel einmal hinter der Pufferbohle versteckt und einmal im heraus gezogenen Zustand. Die Doppellitze wurde in einer Aussparung des Antriebsblocks zu einer Sammelstelle im Rahmenende geführt.

Richtig gut wird die Funk–Lösung jedoch erst mit etwas mehr Aufwand. Dazu muss in den Triebfahrzeugen eine Stecker–/Buchsen–Kombination als Wahlschalter eingebaut werden. Die folgende Abbildung zeigt die Beschaltung.

 

In der mittleren Stellung des Steckers sind die Schienen mit dem Eingang des Digital–Decoders verbunden und der Motor mit dessen Ausgang. Wird der Stecker links aufgesteckt, wird der Decoder–Eingang mit dem Fahrstrom aus dem Geisterwagen versorgt, die Schienen sind nicht verbunden. In der dritten Stellung ganz rechts wird der Motor direkt mit dem Fahrstrom aus dem Funk–Set verbunden, die Schienen sind wieder „isoliert”.

Würde der Stecker nun um noch eine Position weiter nach rechts aufgesteckt (was nicht eingezeichnet ist), wäre der Motor statt über den Decoder direkt mit dem Schienenstrom verbunden.

Aus Platzgründen bieten sich zweireihige Stift– und Buchsenleisten im Rastermaß (RM) von 2,54 mm an. Die gibt es auch mit vergoldeten Kontakten und Hochleistungs–Federn, sodass sie genug Strom übertragen können. Das zeigt sich auch am erheblichen Kraftaufwand, der zum Lösen so einer Verbindung nötig ist.

Diese Anordnung und Beschaltung bietet mehrere Vorteile. Einer davon: Beim Betrieb über Funk kann es Ihnen egal sein, ob auf den Schienen Strom liegt, ob es da einen Kurzschluss gibt oder ob die Schienen verdreckt oder stark verölt sind. Analog–fähige Decoder, das ist der nächste Punkt, werden den Fahrstrom aus dem Geisterwagen auch als Analogstrom betrachten. Das heißt, wenn beim Betrieb über den Decoder das Licht eingeschaltet wäre, wäre es das auch beim Funkbetrieb. Der Nachteil dabei: Im Decoder gehen etwa 1,2 Volt Spannung verloren. Das kann bei der hier gezeigten Lok schon zuviel sein.

 

Fazit

Das Prinzip hat einen kleinen Nachteil. Beim Umsetzen der Lok muss der Geisterwagen von Hand am anderen Ende angeschlossen werden.

Gemessen am Aufwand und den Kosten bietet sich die Lösung jedoch für so genannte „Gastfahrer” bei Ausstellungen und auf Strom–losen Gartenbahnen an. 2008 mussten für alle gekauften Teile rund 114 € bezahlt werden (mit Ladegerät, aber natürlich ohne Sender).

Noch zwei Hinweise zum konkreten Aufbau der Geisterwagen–Ladung. Der senkrechte Teil der Antenne sollte für Transporte mindestens umklappbar sein. Die zwei Kisten und der Antennenfuß werden am besten trennbar gebaut. Die Stege dazwischen können nach dem Zusammenbau mit Säcken oder Schüttgut versteckt werden.

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