Gleisspannung

Oft liest man in News Groups oder WEB Foren über "unerklärliche" Probleme mit Fahrzeugen. Anwender klagen über das schnelle Ableben von Lämpchen, Überhitzung von Decodern, schmelzenden Lokomotiv-Dächern oder plötzlich sterbenden Decodern. In vielen Fällen ist schlicht und einfach bei weitem Überhöhte Gleisspannung Schuld an den Problemen.

Frequently news groups or WEB forums carry questions about irresolvable problems. They cause short live time of lamps, overheating of decoders, melting loco cases or suddenly dying decoders. Quite frequently too high track voltage is the reason for such problems.

Generell sollte die Spannung so gering wie möglich gewählt werden. Die meisten Industriefahrzeuge, wenige Fahrzeuge wie der Liliput 4030 sind die Ausnahme, fahren so und so viel zu schnell.

Generally speaking: as low as possible! Usually the speed of locos is much to high for model speed

Gleisspannung und Flankensteilheut / track voltage and max transition time

Quelle NMRA / source NMRA

In der R.P. S 9.1 sind von der NMRA festgelegten Spannungen dokumentiert. Bisweilen haben sich leicht davon abweichende Spannungen eingebürgert.

Gleisspannung nach NMRA Empfehlungen / track voltage according to NMRA recommendations

Die Spannungen gelten im Analogbetrieb jeweils als Maximalspannung, für Digitalbetrieb als dauerhafte Gleisspannung.

The voltages are max voltage for analog mode or permanent voltage for digital operation

Die (digitale) Gleisspannung ist für den Modellbahner nur schwer zu messen. Wegen dem rechteckförmigen Wechselstrom bei etwa 10kHz können Multimeter nicht verwendet werden. True RMS Instrumente, Oszilloskope oder Spezialinstrumente sind dafür nötig. Ein guter Anhaltspunkt sind dennoch Multimeter im AC mode. Man muß den angezeigten Wert ungefähr mit Faktor 1,4 verkleinern. Das Instrument geht von einer Sinussignalform aus, tatsächlich liegen aber Rechtecke an. Also einfach 1,5-2V vom angezeigten Wert abziehen.

The (digital) track voltage is hard to measure for the average model railroader. The track voltage has a rectangular shape and uses frequencies of about 10kHz. True RMS instruments, oscilloscopes or special meters are required to get correct readings. A good base of information about the actual track voltage is using a normal meter and correct the reading by 1,4. or roughly just subtract 1,5-2V from the meter reading.

Aufgrund der oben angegebenen Grafiken und Spannungen ist es nötig die Spannung jeweils an den verwendeten Maßstab anzupassen. Ergänzend ist eine Stabilisierung der Gleisspannung erforderlich um bei wechselnder Belastung am Gleis zumindest von der Versorgung her stabile Verhältnisse zu schaffen. Spannungsabfälle in der Verkabelung verursachen weitere Veränderungen.

Based on the sources listed above it is clear that the voltage needs to be adjusted depending on the scale. It is recommended to stabilize the voltage as well. This avoids changing voltage leaves caused by different loads. Of course voltage drops caused by cabling change the situation as well.

Zu geringe Spannung kommt kaum vor. Bei Modellen mit eingebautem Decoder kann man beobachten, daß Analogbetrieb oft erst ab etwa 5-7V möglich ist. 

To low voltage is seldom a problem. Usually on models with installed decoder you'll see that the model starts later moving, typically at 5-7V track voltage.

Dieser Fall tritt sehr häufig bei Einsteigerlösungen auf. Einerseits werden für den Spielbetrieb für Kinder gerne hohe Spannungen angelegt. Kinder lieben schnelle Züge! Durch fehlende Schutzschaltungen gelangen aber oft extrem hohe Einschaltspitzen aufs Gleis. Für die kleinen Maßstäbe sind die üblichen 20-22V die dann am Gleis ständig anliegen einfach zu viel. Motore verschleißen unnötig schnell, Lämpchen brennen schnell durch und die Vorwiderstände der LEDs werden unnötig warm. Auch die Decoder erzeugen viel Abwärme, auch im Stillstand. Die Prozessoren werden üblicherweise mit 5V oder weniger betrieben und brauchen 5-20mA Strom. Wenn man 20V abbauen muß entstehen so schnell 0,5 bis 1W Abwärme. Können diese nicht abgeführt werden, in H0 und N gibt es nur wenig Oberfläche um Abwärme abzuführen, führt das zu geschmolzenen Dächern.

Wie man sieht gibt es, abgesehen vom infantilen Wunsch Rennloks zu betreiben, keinen Grund hohe Gleisspannungen zu verwenden, weil man sich damit eine Reihe von Schadensformen einhandelt.

Cheap beginner solutions often have that problem. Children love fast locos. That's why toy vendors often use high track voltage to make the models moving fast. Missing protection leads to high power up spikes. for smaller scales the usually 20-22V are much too high! Motors wear out fast, bulbs burn quickly. The resistors of LEDs warm up extremely. Also the decoders warm up more on high track voltage. A processor needs 5-20mA. If the decoder needs to get rid of 20V that means 0,5W to 1W power needs to be transported away. The general problem is that the volume and surface of N or H0 scale is quite limited. If the heat can not be dispensed enough the results are melted loco roofs.

As you can see high track voltage has no good use, apart of the infantile wish to have rocked speed locos on the track. The amount of disadvantages and damages is high.

Gute Zentralen bzw. Booster bieten einstellbare und Stabilisierte Spannungsversorgungen. Der Elektronikaufwand dafür verursacht faktisch kaum Mehrkosten.

Bei besonders einfachen Konstruktionen wird auf diese unbedingt erforderlichen Schutzmaßnahmen zum Nachteil des Modellbahners verzichtet. Man kann hier aber ohne großem Geldaufwand nachbessern:

1. Spannungsbegrenzung am Ausgang: mit 2 Zenerdioden gegengleich in Serie geschaltet quer zum Gleis kann man die Spannung begrenzen, Überschwinger und Einschaltspitzen begrenzen. Achtung diese Schaltung soll nur Spannungsspitzen fressen. Sie kann nicht zur Reduzierung der Gleisspannung benutzt werden. Das kann leicht den Booster überlasten.
2. Laptop Netzteil statt Trafo: Hauptursache für einbrechende Spannungen sind die im Spielzeugbereich verwendeten "weichen" Trafos. Diese geben bei Ihre Nennbelastung deutlich weniger Spannung ab als als bei geringer Belastung. Laptop Netzteile sind üblicherweise Schaltnetzteile, diese sind wesentlich kleiner und leichter als klassische Trafos. Üblicherweise sind sie auch Kurzschlußfest, dennoch sollte man für eine korrekte Absicherung sorgen.
3. Labornetzteile: diese bekommt man im Elektronikversand. Der Vorteil gegenüber Festspannungsnetzteile wie jene von Laptops ist die einstellbare Spannung.
4. Einstellbare Externe Schaltnetzteile: diese kleinen Geräte mit Leistungen bis 5A sind unter €50,- zu haben.

Good central stations or Boosters have adjustable stabilized output. Required components are so cheap that it does not pay to leave them off.

Especially extremely simple designs don't offer that important protective feature. The usually challenged beginner is often not able to understand the drawbacks of such a decision. Without big investments the problem can be fixed easily:

1. Voltage Limitation at the Output: just 2 zener diodes on the output reversed in series limits the voltage. Attention that circuit should be designed to cut spikes. It may not be used to lower voltage at all. That would overload the booster of the CU.
2. Laptop Power supplies: biggest problem on model railroad layouts are the toy transformers. They use weak iron core. That causes a big voltage drop on regular load compared to the much higher voltage in idle mode. Laptop power supplies are usually switches power supplies. They are also much smaller than transformers. Usually those power supplies are protected against shortages on the output. I recommend to install proper fuse!
3. Lab Power Supply: every electronics mail order house carries many different kinds of power supplies. They have the advantage to offer adjustable output voltage.
4. Adjustable External Power Supplies: a hybrid of lab power supply and laptop. The are small, cheap offer up to 5A and sell for less than €50,-

Schaltnetzteil / switching power supply

Nicht alle Zentralen können mit stabilisierter Gleichspannung betrieben werden. Klassischer Fall ist die IntelliBox und deren Derivate. Diese benötigt unbedingt eine AC Versorgung!

Viele geregelte Zentralen brauchen einige Volt mehr am Eingang um "Luft" zum Regeln zu haben. Beispielsweise braucht das MX1  um 24V abgeben zu können zumindest 26-27V am Versorgungseingang. Das liefert ein klassischer 24V Trafo weil die 24V Effektivwert gemeint ist, es gibt also Sinusspitzen die bis 33V reichen. Wenn man ein MX1 mit einer DC Quelle versorgen möchte müßte diese eben um etwa 3V mehr abgeben als man am Gleisausgang entnehmen will. Heiko herholz hat einige Meßergebnisse dokumentiert.

Da die Zentralen üblicherweise für AC Versorgung ausgelegt sind, sollten speziell bei hohen Strömen Transformatoren verwendet werden. Bei DC Versorgung wird der Gleichrichter nur einseitig verwendet, das kann zu Überhitzung führen. Eine Stabilisierte DC Quelle ist aber auf jeden fall die bessere Lösung falls der Booster keine Stabilisierte Versorgung anbietet.

Not all central units can be operated with DC power. Well known example is the Intellibox and its variants. They require AC as power supply

Many stabilized boosters require some volts more than the track output should deliver. For example the MX1 requires 26-27V to deliver 24V to the track. A typical transformer with 24V AC has sinus waves going up to 33V. The 24V is the effective value. So the MX1 has enough room to stabilize on 24V. A DC power source needs to deliver 2-3V more than the track output should be.

As central units are usually designed to be powered by via a AC transformer it might cause unsymmetrical load on the rectifiers if a DC source is used. Anyways if this small potential drawback is monitored a stabilized source is definitely the better solution if the Booster does not offer that feature.

Größtes Problem für Modellbahnen sind die Einschaltspannungsspitzen beim Einstecken des Trafos. Ich habe hinter dem Roco Booster und Roco Trafo Spitzen über 25V gemessen. Hinter dem LGB MZS II sind es regelmäßig 40V und mehr. Das ist selbstverständlich weit außerhalb der Normen DCC als auch EU und US Sicherheitsrichtlinien, welche 22V als absolutes Maximum nennen. Der Modellbahner kann sehr leicht das Problem in Grenzen halten.

Am Ausgang des Boosters wird eine Glühlampe angeschlossen. Im kalten Zustand hat die Lampe einen geringen Widerstand und saugt verläßlich die Spannungsspitze weg. Sobald sie leuchtet hat sie einen höheren Widerstand und belastet die Anlage nur unwesentlich und kann auch gleich als Schienenspannungsanzeige dienen. Dieses Nothilfsmittel das ich allen Modellbahnern mit solchen Zentralen nur wärmstens anraten kann, behebt aber nicht das Proben, der "weichen" einbrechenden Stromversorgung die üblicherweise auch viel zu hoch ist.

Biggest Problem for model Railroaders are power up spikes on the track. Behind the Roco booster and Transformer I have measured spikes of 25V. The LGB MZS II central unit delivers 40V to the track output. Of course this is far too much compared to the sources above. It violated all EU and US safety regulations which define 22V as absolute maximum. It is extremely easy to limit the danger:

At the track output connect a lamp. The bulb is close to a shortcut in cold state. That will eat up most of the power up spike. As soon as the bulb begins to shine, the resistor gets much higher, the power disadvantage is quite small. The lamp can be used as track voltage monitor as well. This trick does not fix the problem with the weak transformers and unsterilized power supply. Usually the output voltage is unnecessarily quite high.

Eine technisch bessere Lösung als die Glühlampe, stellt das DSR dar. Dieses Modul begrenzt die Gleisspannung und stabilisiert diese solange die Ausgangsspannung niedriger gewählt wird als der Boosterausgang. bei den verrückt hohen Ausgangsspannungen heutiger Angebote üblicherweise kein Problem.

A technically fine solution is the DSR. It limits the track voltage and stabilizes it as long as the output voltage is lower than the booster output. Most industry products offer incredibly high output voltage so that is usually not a question.