Funktionsweise der Lokdecoder

Häufig werde ich nach der Funktion der Lokdecoder gefragt, andere Fragen beziehen sich auf den Unterschied der AC- und DC-Decoder oder weshalb beim Märklin Mittelleiter-System auch DC-Decoder zum Einsatz kommen. Hier möchte ich deshalb die grundlegenden Funktionen der Lokdecoder sowie deren Einbau erklären.

Funktionsbeschrieb

Damit dies verständlich ist, muss man das Digitalsystem als Ganzes betrachten:

Der Transformator (1) wandelt die sinusförmige Netz-Wechselspannung von 230Veff in 18Veff um. Über die gelbe und braune Litze gelangt diese Wechselspannung zur Zentraleinheit (2). Hier wird die Wechselspannung gleichgerichtet und daraus zwei Gleichspannungen erzeugt: einmal plus 24V und einmal minus 24V gegen Masse. Die Elektronik erzeugt daraus wiederum die Digitalspannung - eine rechteckförmige Wechselspannung mit einer Amplitude von circa ±20V. Diese Spannung gelangt über die rote und braune Litze ans Gleis. Der Decoder (3) erhält diese Spannung - welche die gesamten Fahr- und Schaltbefehle aller Loks enthält - über die Räder und Schleifer. Im Decoder werden die Informationen decodiert, also ausgewertet und - bei übereinstimmender Adresse - die entsprechenden Befehle ausgeführt. Der Motor (4) wird vom Decoder über eine Transistor-Brückenendstufe angesteuert. Aus diesem Grund muss der Motor beziehungsweise dessen Anschlüsse immer von Masse isoliert werden. Sonst würde ein Teil der Endstufe kurzgeschlossen, was meistens den Tod des Decoders bedeutet.
Der Motor wird mit einer Puls/Pausen modulierter Gleichspannung (PWM) angesteuert, welche bei Fahrtrichtungswechsel vom Decoder umgepolt wird. Die Spannung und Frequenz hängt dabei vom verwendeten Decoder ab. Bei höheren Fahrstufen, also zunehmender Geschwindigkeit wird zum Teil auch ein konstanter Gleichstrom-Anteil hinzugefügt.

Damit ist nun klar, dass auch beim Märklin Mittelleiter-System Gleichstrommotoren Verwendung finden (können): Die Ansteuerung des Motors ist ja völlig unabhängig vom Trafo (1), welcher nur die Speisung für die nachfolgende Zentraleinheit (2) bildet und ebenso unabhängig von der Spannung am Gleis, welche die Digitalinformationen enthält und gleichzeitig den Lokdecoder speist. Entscheidend ist dagegen, was der Decoder dem Motor liefert! Neben der in der oberen Grafik gezeigten Version mit Gleichstrommotor (DC-Motor) sind auch Decoder für Wechselstrom- bzw. Allstrommotoren verfügbar. Diese stellen wiederum die optimale Spannung für diese Motoren zu Verfügung und haben zusätzlich die Anschlüsse für die Feldspule.
 

Decoder Auswahl

Hier soll nun aufgezeigt werden, was es beim Digitalisieren einer Lok zu beachten gilt. Die Vorteile der Digitalisierung wurden auf anderen Seiten bereits dargestellt. Verschiedene Umbauten sind unter Lok Umbauten detailliert dargestellt.

Kurze Funktionsübersicht

Für die Digitalisierung der Lok wird also ein Lokdecoder benötigt. Diese kleine Elektronik empfängt das Digitalsignal am Gleis, de-codiert das Signal und steuert - je nach erhaltenem Befehl - den Lokmotor an. Damit nicht alle Loks gleichzeitig losfahren, wird im digitalen Signal eine Adresse übermittelt. Nur diejenigen Decoder reagieren auf den Fahrbefehl, welche auf dieselbe Adresse eingestellt sind, wie am Steuergerät angewählt wurde.

Läuft die Lok?

Eine etwas seltsame Frage zu Beginn, aber trotzdem sehr wichtig: Bevor man einen Umbau in Angriff nimmt, sollte man sich vergewissern, dass die Lok analog wirklich einwandfrei läuft. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Getriebe. Denn hat das Getriebe einen Defekt, wird der damit verbundene hohe Kostenaufwand für Reparatur und Umbau vielfach eine Digitalisierung nicht rechtfertigen. Je nachdem, ob der vorhandene Motor weiterverwendet werden soll oder durch einen moderneren Antrieb ersetzt wird, ist auch dieser Teil zu überprüfen.

AC oder DC

Wie im oberen theoretischen Teil aufgezeigt, werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Motorentypen in Modellbahnloks eingebaut. Zum einen sind es die unter anderem von Märklin millionenfach eingesetzten Allstrommotoren, welche analog mit Wechselstrom betrieben werden. Zum anderen sind es die vom Zweileiter-Sektor bekannten Gleichstrommotoren, welche eben mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Dazu gehören auch alle Faulhaber-Motoren, obwohl diese speziell angepasste Decoder benötigen. Der Unterschied besteht in der Art, wie das Magnetfeld erzeugt wird: Im Allstrommotor ist dazu eine gewickelte Feldspule am Stator vorhanden, beim DC Motor wird das Magnetfeld mit einem Permanentmagnet erzeugt.

Weshalb ist dies beim Umbau wichtig? Weil der Lokdecoder den Motor mit der richtigen Stromart versorgen muss. Für einen Allstrommotor wird also ein AC Decoder benötigt, für Gleichstrommotoren ein DC Decoder. Die Bezeichnungen AC- bzw. DC-Decoder bedeutet also, welcher Motor wird damit angesteuert, und nicht, welcher Strom liegt am Gleis an.

Zu beachten gilt in diesem Zusammenhang, dass viele Hersteller, welche vornehmlich Zweileiter-Loks anbieten, in ihren AC-Mittelleiter-Versionen ebenfalls DC-Motoren einbauen. Dazu gehören unter anderen Roco und Lima. Diese Loks sind besonders einfach zu digitalisieren, da hier ein Motorumbau entfällt. Ein Beispiel eines solchen Umbaus sehen sie auf der Seite Roco Be4/6.

Lastregelung - eine feine Sache

Die Lastregelung dient dazu, die Geschwindigkeit einer Lok bei Berg- und Talfahrt konstant zu halten, dies auch bei längeren, schweren Zügen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass ein DC-Motor als Generator funktioniert, wenn die Achse angetrieben wird. Die dabei erzeugte Spannung ist direkt abhängig von der Drehzahl. Decoder mit Lastregelung nutzen dies aus, indem sie laufend die vom Motor zurückgegebene Spannung messen und den Motor entsprechend nachregeln. Denn es gilt: Konstante Motordrehzahl gleich konstante Geschwindigkeit, da die Loks ein Getriebe mit fester Übersetzung haben.

Dieses Prinzip funktioniert demnach nur mit Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten (*1). Dies ist einer der Gründe, weshalb vielfach die "alten" Allstrommotoren im Zuge der Digitalisierung auf DC umgebaut werden.

Alter Motor, neuer Motor

Ein weiterer möglicher Grund, den bestehenden Motor zu ersetzen, ist die Laufruhe. Vor allem im unteren Drehzahlbereich haben Motoren mit dreipoligen Rotoren einen unruhigen, ja ruckeligen Lauf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Anker vom Stator angezogen werden, und somit eine bevorzugte Stellung, genauer gesagt sechs solcher Stellungen hat (alle 60°). Beim fünfpoligen Anker ist dieser Effekt durch die andere Geometrie weniger stark ausgeprägt. Man kann dies mit dem Automotor vergleichen: Eine V8 hat allgemein einen ruhigeren Lauf als ein 2 Zylinder.

Durch eine in der Geometrie verbesserten Stator sowie weitere Massnahmen wie mehr, dafür dünnere Schichten Eisenblech wurden die kleinen Motoren zudem auch in Bezug auf den Wirkungsgrad verbessert. Diese werden von Märklin als Hochleistungsantriebe mit und ohne Decoder als Umbauset angeboten.

Tabelle: Artikelnummern der Märklin Umbausätze

Schaltbare Funktionen

Das Digitalsystem bietet aber mehr als nur einen Mehrzugbetrieb. Je nach verwendetem Digitalformat können mehrere Funktionen in der Lok eingebaut und vom Fahrpult aus geschaltet werden. Folgende Funktionen sind häufig schaltbar ausgeführt:

Man unterscheidet dabei zwischen internen und externen Funktionen. Interne Funktionen betreffen nur den Decoder, brauchen also keine weitere Verdrahtung. Der schaltbare Rangiergang ist ein Beispiel einer internen Funktion. Ist diese aktiv, läuft die Lok mit reduzierter Geschwindigkeit, eine Verdrahtungsänderung ist hierzu nicht notwendig, da dies der Decoder selber steuert.
Externe Funktionen müssen verdrahtet werden, beispielsweise müssen die Lampen am Decoder angeschlossen werden. Dazu muss der Decoder über entsprechende Ausgänge verfügen. Wie viele dies sind, wird vom Hersteller in der Produktbeschreibung angegeben.

Auswahl des Decoders

Sieht man in einschlägigen Katalogen nach, ist die Auswahl an Lokdecoder mittlerweile fast unüberschaubar. Man wird aber schnell feststellen, dass es nur wenige zur Auswahl gibt, welche alle Anforderungen für einen bestimmten Umbau erfüllen. Folgende Kriterien gilt es auszuwählen:

Decoder Einbau

Mit vier Drähten zum Ziel

Genau vier Litzen sind notwendig, um eine Lok digital tauglich zu machen. Mit zwei Litzen wird der Decoder mit der Gleisspannung versorgt, zwei weitere Verbindungen führen vom Decoder zum Motor. Die Motoranschlüsse dürfen dabei auf keinen Fall noch mit Masse - also dem Gehäuse - verbunden sein. Der Decoder wird also einfach zwischen Stromabnahme und Motor geschaltet. Das ist alles! Halten Sie das in Gedanken, wenn ein Umbau ansteht. Denn alle weiteren Anschlüsse werden nur für zusätzliche Funktionen benötigt.

Deshalb meine Empfehlung: Bevor alle Litzen am Decoder gekürzt und verlegt sind, alle Lampensockel isoliert wurden und alles zusammengebaut wurde, testen Sie die grundsätzliche Fahrtauglichkeit der Decoder/Motor Kombination mit nur diesen vier - provisorisch angelöteten - Verbindungen.

Der erste Test gestaltet sich demnach wie folgt:

Die bestehenden Anschlüsse zum Motor werden entfernt, die Motoranschlüsse mit einem Ohmmeter auf Verbindung zum Gehäuse überprüft und gegebenenfalls isoliert. Dazu muss schon mal eine Leiterbahn durchgetrennt werden (z.B. Fleischmann-Loks).

Die Stromabnahme erfolgt bei 2-Leiter Loks meist mit Radschleifern (links und rechts). Bei Mittelleiter-Loks bildet das Gehäuse die Verbindung zu den Schienen; der Mittelleiter wird mit einer dünnen Litze angeschlossen. Bei Elektroloks ist vielfach noch eine kleine Leiterplatte für die Umschaltung von Oberleitung auf Schleiferbetrieb vorhanden. In diesem Fall wird der Decoder hier angeschlossen.

Motorentstörung - für einen ungestörten Fernsehempfang.

Alle Motoren, welche einen Kollektor besitzen, erzeugen ein so genanntes Kollektor-Feuer. Neben dem Abbrand der Kohlen und Bürsten sowie der Kollektorplatten erzeugt dieses auch hochfrequente Störungen. Dabei kann die Energie ausreichen, um andere Geräte, vornehmlich Empfangsgeräte wie Radio, Fernseher, Funktelefone u.a. zu stören. Mit geeigneten Massnahmen kann diese Störung eingedämmt werden. Dabei gilt, dass eine Störung immer möglichst nahe der Störquelle vernichtet werden soll. In unserem Falle bedeutet dies, Entstörmassnahmen direkt am Motor anzubringen. Dies wird mit folgender Schaltung erreicht:

Die zwei Drosseln kommen in die Zuleitung zum Motor, die drei Kondensatoren sollen die Störimpulse kurzschliessen bzw. gegen Masse ableiten. Die Entstörung ist immer anzuwenden, falls dies nicht ausdrücklich vom Decoder-Hersteller anders beschrieben wird. Die Entstörung hat keinen Einfluss auf das Fahrverhalten sondern dient - wie oben bereits aufgeführt - der Eindämmung der Störsignale.

Inbetriebnahme

Sind alle Anschlüsse nochmals überprüft und freie Drahtenden des Decoders isoliert, kann eine erste Testfahrt stattfinden. Stecken Sie dazu einige neuwertige Gleise zusammen und schliessen sie diese an das Fahrpult an (Control Unit, IntelliBox, Mobile Station etc.). Drücken Sie die Stopp-Taste und setzen die Lok aufs Gleis. Falls der Decoder eine Schalterreihe zum Einstellen der Adresse hat, sehen Sie im Handbuch oder hier nach, auf welche Adresse diese eingestellt sind. Bei programmierbaren Decodern steht in der Bedienungsanleitung des Decoders, welche Adresse ab Werk eingestellt ist, vielfach ist es die Adresse 03. Stellen Sie die entsprechende Adresse am Fahrpult ein und drücken Sie die Start-Taste. Die Lok sollte sich nun beim drehen des Fahrtreglers in Bewegung setzen.

Es werde Licht

Die häufigste Funktion einer Lok ist wohl das Licht. Schon die ersten Decoder für das Märklin Motorola Format besassen einen entsprechenden Ausgang. Genau genommen sind es zwei Ausgänge für eine Funktion: für das vordere Licht ein Ausgang, für das hintere Licht ein zweiter Ausgang. Ist die Funktion F0 eingeschaltet leuchtet je nach Fahrtrichtung die entsprechende Lampe, aber nie beide zusammen.

Der Anschluss der Lampen kann auf zwei Arten erfolgen:

Variante 1: Lampe ist bzw. bleibt mit Masse/Gehäuse verbunden. Dann wird der freie Lampenanschluss mit dem Decoder verbunden. Bei Märklin Decoder sind dies die Litzen grau (vordere Lampe) und gelb (hintere Lampe).

Variante 2: Beide Anschlüsse der Lampe sind bzw. werden gegen Masse isoliert. Dann wird ein Lampenanschluss mit dem entspr. Decoderausgang (grau oder gelb) verbunden. Der zweite Lampenanschluss wird mit dem als "Rückleiter" bezeichneten Anschluss des Decoders (bei Märklin die orange Litze) verbunden.

Variante 2 hat den Vorteil, dass die Lampe gleichmässig und flackerfrei leuchtet.

Soll zusätzlich ein rotes Schlusslicht leuchten, muss dieses zusammen mit dem Licht der gegenüberliegenden Lokseite angeschlossen werden.

Anschluss weiterer Funktionen

Alle weiteren Funktionen werden wie beim Licht angeschlossen. Zu beachten gilt jeweils der maximale Ausgangsstrom sowohl der einzelnen Funktionen wie des Decoders als gesamtes.

Fahreigenschaften verbessern

Bei neueren, programmierbaren Decodern, insbesondere solcher aus dem Hause ESU der Jahren 2004 und 2005, wird immer wieder von Problemen mit der Stromabnahme und dadurch schlechte Fahreigenschaften berichtet. In der Tat reagieren diese Decoder empfindlich auf Stromunterbrüche, auch kurzzeitige. Dieser Effekt - auch Alzheimer genannt - rührt daher, dass der Decoder bei Stromunterbruch die eingestellte Fahrstufe verliert und von Fahrstufe 0 wieder hochregelt. Inzwischen gibt es eine Einstellmöglichkeit, damit der Decoder seine letzte Fahrstufe nicht vergisst, das grundsätzliche Problem mit der Empfindlichkeit auf Stromunterbrüche bleibt aber bestehen.

Der beste Weg, diesen Fehler zu umgehen ist, die Schienen und Räder immer sauber zu halten. Leider ist dies nicht immer so einfach möglich, weshalb hier weitere Verbesserungsvorschläge folgen.

Verbessern des Massekontaktes

Bei 2-Leiter Loks längst üblich sind so genannte Radschleifer. Diese aus federndem Metall hergestellten Kontaktbleche stellen die elektrische Verbindung zur Radinnenseite oder zur Achse her. Roco Loks haben teilweise einen Radschleifer, welcher auf dem Radkranz aufliegt und ab und an zu quitschenden Geräuschen neigt. Bei den meisten Märklin-Loks wurde bislang auf solche Federkontakte verzichtet - es hat sie nicht benötigt. Mit zunehmender Digitalisierung und dem damit verbundenen empfindlicheren Verhalten der Loks auf kurzzeitige Stromunterbrüche sind diese Kontakte aber ein guter Weg, die Fahreigenschaften nachhaltig zu verbessern. Solche Kontaktfedern kann man käuflich als Ersatzteile anderer Loks erwerben, oder mit etwas Kreativität selber herstellen. Als mögliche Lieferanten für solches Material dienen unter anderem alte Relais. Zuerst wird man an jenen Rädern solche Feder anbringen, welche keine Haftreifen besitzen. Auch eine Vorlaufachse kann unter Umständen zur Verbesserung herangezogen werden.

Schleifer

Besonderes Augenmerk sollte auch dem Schleifer gewidmet werden. Neben der genauen Ausrichtung parallel zur Lok sollte dieser auch nicht zu kurz sein. Viele Probleme mit der Stromübertragung im Weichenbereich lassen sich lösen, indem ein längerer Schleifer montiert wird. Aber Vorsicht: Dieser darf natürlich keine Verbindung zum Lokgehäuse herstellen, auch im Bereich der erhöhten Pukos bei den Weichen. Der Schleifer selbst sollte stets sauber sein, was beim normalen Betrieb eigentlich gegeben ist. Das Kontaktfeld, an dem der Schleifer den Stromfluss überträgt, sollte frei von Fett und Öl sein.

Zweiter Schleifer

Zwei Schleifer werden bei Zugkompositionen (D: Wendezüge, CH: Pendelzüge) verwendet. Die Stromabnahme erfolgt dann immer vom vorderen Schleifer in Fahrtrichtung gesehen. Der Grund dafür ist, dass der Zug in stromlosen Bereichen oder Bremsstrecken vor Signalen korrekt anhält. Der jeweils hintere Schleifer wird dabei vielfach für die Wagenbeleuchtung eingesetzt. Es muss also bei Fahrtrichtungswechsel eine so genannte Schleiferumschaltung erfolgen. Dazu ist entweder ein spezieller Decoder nötig, oder ein Standard-Decoder wird entsprechend umgebaut. Ein Relais schaltet den eigentlichen Stromfluss über den entsprechenden Schleifer um.

In diversen Publikationen wird auch der Vorschlag gemacht, mittels zweier Schleifer die Stromzuführung einer Lok zu verbessern. Als Beispiel könnte eine Dampflok mit einem Schleifer unter der Lok, und einem zweiten, zusätzlichen Schleifer unter dem Tender versehen werden. Es leuchtet ein, dass auf diese Weise Probleme gerade in Weichenfeldern mit den recht grossen Puko-Abständen behoben werden können. Allerdings darf man dabei die Nachteile dieser Lösung nicht ausser Acht lassen. Neben dem höheren Lärmpegel ist vor allem das Problem beim Überfahren einer Stromkreis-Trennstelle zu beachten.

Trennstellen beachten

Mittlere und grössere Modellbahn-Anlagen werden in mehrere Stromkreise unterteilt. Der Grund liegt im maximal möglichen Strom der Booster. Dieser liegt je nach Booster-Modell zwischen 2 und 6 Ampere, was für den Betrieb von 3 bis 12 Züge reicht. Dabei ist neben der Lok auch der Stromverbrauch beleuchteter Wagen mitzurechnen, und dieser kann beträchtlich sein. Ein beleuchteter ICE von Märklin kann somit gut und gerne 1.2 A Strom benötigen. Es hängt also stark vom Rollmaterial ab, wie viele Züge gleichzeitig unterwegs sein können. Reicht der Strom eines Boosters nicht aus, wird mit einem zweiten Booster ein getrennter Stromkreis mit Digitalstrom versorgt. Die Trennung erfolgt beim Mittelleiter-System durch eine Isolierung des Mittelleiters. Wird eine Trennstelle von einem Fahrzeug mit Schleifer überfahren, so kommt es zu einer kurzen Verbindung beider Stromkreise. Genau dies kann aber zu massiven Problemen und mitunter zur Zerstörung einer der Booster führen. Um dies zu vermeiden, sollte die Trennstelle nicht zu lange elektrisch verbunden werden. Sind zwei oder mehr Schleifer in einer Zuggarnitur vorhanden und elektrisch miteinander verbunden, kann dies durch die lange Dauer der Verbindung zu genanntem Problem führen.

Trennstelle analog zu digital

Gerade zu Beginn einer Umstellung von analog auf digital wird häufig der Wunsch geäussert, erstmal nur einer der bestehenden Stromkreise auf Digitalbetrieb umzurüsten. Dies ist grundsätzlich möglich, birgt aber auch ein Risiko. Analoge und digitale Stromkreise dürfen nämlich niemals - auch nicht für den Bruchteil einer Sekunde - miteinander verbunden sein. Um dies zu vermeiden bedient man sich so genannter Trennwippen. Die Aufgabe dieser Kunststoffteile ist es, den Schleifer über die Trennstelle hinweg hochzuheben; der dabei entstehende kurze Stromunterbruch muss die Lok mit ihrer kinetischen Energie überwinden. Hier ist klar, dass es mit zwei verbundenen Schleifern unweigerlich zur Überbrückung der Trennstelle und in der Folge zur Zerstörung der Elektronik kommen würde.

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Fussnoten

*1   Das Prinzip des Generators funktioniert auch bei Allstrommotoren, wenn die Feldspule fremd eingespeist wird. Wird also an der Feldspule ein Gleichspannung angelegt und die Achse gedreht, wird auch der Allstrommotor zum Generator. Somit ist es auch möglich - zumindest in der Theorie - einen Allstrommotor mit Lastregelung zu betreiben. Von TAMS sind entsprechende Decoder erhältlich, die Lastregelung kommt aber nicht an das von DC-Motoren her gewohnte Fahrverhalten heran. Man könnte (kann) auch herkömmliche DC-Decoder mit einer zusätzlichen Schaltung verwenden.