Alternative PWM-Stromversorgung für Märklin Analog-Fahrzeuge
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Grundlegende Überlegungen zum Märklin-Wechselstrom-Motor
> Der Märklin Wechselstrom-Motor ist eigentlich ein Allstrom-Motor! Diese Erkenntnis stand am Anfang all meiner Umbauarbeiten. Streng genommen ist es ein Gleichstrom-Reihenschluss-Motor mit zwei gegenläufig gewickelten Erregerspulen. Bei diesen Motoren wird das Magnetfeld nicht durch Premanenmagnete erzeugt, sondern der Strom fließt durch den Anker und dann durch eine Erregerspule, die das Magnetfeld für den Anker erzeugt. Ändert sich bei diesem Motor die Stromrichtung (umpolen), würde der Anker seine Drehrichtung ändern. Da sich aber auch gleichzeitig das Magnetfeld der Erregerspule umkehrt, heben sich die Auswirkungen auf und der Motor dreht in der gleichen Richtung weiter, daher läuft er auch mit Wechselstrom. Das Besondere am Märklin Motor ist nun, dass er zwei Erregerspulen hat.
Die Drehrichtung wechselt er nicht durch Umpolung, sondern dadurch, dass für jede Fahrtrichtung eine der gegenläufig gewickelten Erregerspulen aktiviert wird. Die Umschaltung von einer Erregerspule zur anderen erfolgt dabei durch das Märklin-typische Umschaltrelais.
> Im normalen Märklin Betrieb fließt der Strom immer durch Motor, Umschaltrelais und Beleuchtung. Dabei ist der Umschalter so ausgelegt, dass er erst bei Spannungen über 24Volt anspricht und dann auch den Strom durch Motor und Beleuchtung abschaltet. Durch Gleisverschmutzung, Ermüdung der Feder und Verschleiß der Schaltkontakte gerät diese Auslegung aber immer wieder durcheinander und es kommt zum berüchtigten 'Bocksprung' und dem Aufblitzen der Beleuchtung.
> Die 'weiche' Kennlinie der Märklin Trafos kommt noch hinzu. Die bewirkt, dass die Spannung bei Bergfahrten (hoher Stromverbrauch) stark abfällt, was die Geschwindigkeit der Züge reduziert und damit zu sehr ungleichmäßigen Zuggeschwindigkeiten führt.
Ansätze zur Verbesserung durch Elektronik
Auf Grund der o.g. Nachteile habe ich dann ein neues Konzept entworfen mit den folgenden Zielen:
- Umstellung der Fahr- und Umschaltspannung auf Gleichspannung, damit die Stöme in der Lok mit minimalem Aufwand/Bauraum separiert werden können (zwei Dioden z.B.1N4007) zur Vermeidung von Bocksprung und aufblitzen der Beleuchtung
- Die Spannung muss stabilisiert werden, um die Geschwindigkeitsunterschiede bei Berg- und Talfahrt zu minimieren
- Die Fahrspannung sollte nach dem PWM-Prinzip arbeiten, weil sich damit die Langsamfahreigenschaften der alten Märklin-Loks deutlich verbessern lassen.
Wie im obigen 'Lok-Schema' zu sehen ist werden Umschalt- und Fahrstrom gleich hinter dem Schleifer durch die beiden Dioden getrennt. Der Umschaltstrom beieinflusst weder Fahrmotor noch Beleuchtung. Die dazu notwendigen Umbauten in der Lok beschränken sich auf das Einlöten der beiden Dioden. Das ist schnell gemacht (und auch leicht rückgängig zu machen) und ich habe noch keine Lok gesehen, wo sich kein Platz dafür gefunden hätte.
Bei der Spannungsversorgung sind die Eingriffe schon größer: Die alten Märklin Trafos gehen allesamt in Rente. Ersetzt werden sie durch Trafos aus dem Elektronik-Fachhandel. Die angegebenen Werte habe ich bei mir verbaut. Abhängig davon, wieviele Fahrzeuge gleichzeitig unterwegs sind, sollten sie entsprechend angepasst werden.Vorteil ist auch, dass die Trafos und alles was mit 230Volt zu tun hat, separat unter der Anlage verschwinden kann, sodass am Bedienpult nur noch Platine, Poti und Schalter im Zugriff sein müssen - alles nur noch Niederspannung! (siehe auch Abschnitt Schaltpult)
Dadurch, dass bei dem PWM-Betrieb immer die volle Spannung anliegt, werden die Losbrechmomente von Getriebe und Motor leichter überwunden, und - das ist gerade beim Reihenschlussmotor wichtig - es steht für den Anker immer das volle Magnetfeld zur Verfügung. Mit dieser Maßnahme lassen sich die Fahreigenschaften der alten Märklin-Fahrzeuge um Klassen verbessern! Allein das lohnt den Aufwand allemal. Dass Bocksprünge und aufblitzende Beleuchtung der Vergangenheit angehören, kommt noch hinzu. Auch ist die PWM-Spannung stabilisiert. Damit sinkt die Geschwindigkeit der Fahzeuge am Berg kaum noch ab.
Und dann gibt es ja bei den Fahrzeugen auch die 'Raser', also die Fahrzeuge, die durch falsche Motordrehzahl / Getriebeuntersetzung schon von Hause aus viel zu schnell unterwegs sind. Die kann man jetzt dadurch 'zähmen', dass man in den Motorstrompfad nicht eine, sondern mehrere Dioden hintereinander einbaut. Mit jeder zusätzlichen Diode sinkt die max. Spannung der PWM (am Motor) um ca.0,6V und macht die Lok damit langsamer.
Einschränkung des 'Systems'
Es gibt aber natürlich auch Nachteile, die ich hier wenigstens erwähnen möchte:
1. Neue Trafos müssen her. Ich habe meine Versorgung wie folgt aufgebaut: Fahrspannung (+18VDC), Umschaltspannung (-24VDC), Licht- und Weichenspannung (16VAC) und die Elektronikversorgung (+5VDC / +24VDC).
2. Bisher hat kein von mir getesteter Digitaldecoder funktioniert (die brauchen, um Analogbetrieb zu erkennen, wahrscheinlich den Nulldurchgang der Versorgungsspannung??). Als Ersatz kann ich nur den Uhlenbrock- Umschalter FRU 55500 bzw. 55520 oder 55700 empfehlen.
3. Die Zunge der Telex-Kupplung rasselt im aktivierten Zustand und sehr niedrigen Geschwindigkeiten etwas - aber das ist ein reines Akustikproblem.
Heute, wo alles digital fährt, verlieren diese Dinge an Bedeutung. Doch in den Achtziger Jahren war das ein echter Fortschritt. Das System arbeitet jetzt bei mir bereits einige Jahrzehnte, ohne dass sich an Anlage oder Fahrzeugen Unregelmäßigkeiten aufgetreten wären.