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Flackerfreies Spitzenlicht bei Loks

(sorry, only german text)


Die Vorteile des Märklin-Digitalsystems bei Modelleisenbahnen sind unbestritten. Dennoch gibt es einen ärgerlichen Nachteil, der laut Märklin systembedingt sein soll: das Flackern der Lokbeleuchtung. Obwohl die Lokmotoren mit gepulstem Gleichstrom fahren, liegt an den Gleisen eine Art Wechselstrom an. Der Ruhepegel liegt bei einem nicht stabilisierten Booster ohne Last bei -22 Volt. Wird eine digitale 1 gesendet, sind es +22 Volt. Da diese Impulse mit einer Frequenz von 19 kHz gesendet werden, kann das menschliche Auge unmöglich den Wechsel der Stromrichtung als Flackern der Beleuchtung bemerken. Warum flackert es also?

Control Unit
Wird die Control Unit angeschaltet ist der interne Speicher für die Lokbefehle leer. Um zu zeigen wie die Spannungsverhältnise am Gleis sind, ist die in Bild 1 aufgeführte Schaltung hilfreich. Der 1 k Ohm Widerstand wird an die Punktkontakte angeschlossen. Sendet die Control Unit eine digitale 1 liegt an den Punktkontakten eine positive Spannung an, die nun über den Widerstand, die untere Sperrdiode 1N4148 und die rote Leuchtdiode zur Masse der Schienen fließt. Bei negativer Spannung ist es genau umgekehrt. Der Strom fließt von den äußeren Schienen über die grüne LED , die obere Sperrdiode und den Widerstand an die Punktkontakte. Es ist zu beobachten, daß die rote LED nur glimmt, während die grüne LED deutlich leuchtet. Das bedeutet, daß der negative Spannungsanteil deutlich überwiegt. Deshalb wird auch aus diesem, negativen Anteil durch Einweggleichrichtung, wie wir es hier zweimal gemacht haben, die Beleuchtung für die Lokomotiven gewonnen. Der Gleichstrom für die Motoransteuerung ist dagegen vollweggleichgerichtet.

Lokspeicher
Aktivieren wir nun bei einer Lokomotive das Licht, wird es relativ gleichmäßig brennen. Es dürfte so gut wie kein Flackern bemerkbar sein. Senden wir nun Fahr- oder Funktionsbefehle an andere Lokomotiven (diese müssen garnicht wirklich vorhanden sein) wird das Flackern immer stärker. Der Lokspeicher wiederholt alle Befehle permanent, sodaß das Flackern durchaus als rythmisch zu bezeichnen ist. Nehmen wir an, wir haben Befehle an vier Loks abgeschickt, dann sieht die Befehlsfolge in etwa so aus:

Lok01, Lok01, Pause, Lok02, Lok02, Pause, Lok03, Lok03, Pause, Lok04, Lok04, Pause, Lok01, Lok01, Pause, usw...

In den Pausen werden keine 1ser übertragen, d.h. dort herrscht nur negative Spannung und deshalb brennt das Licht besonders hell. Bei einigen Befehlen wird das Licht dunker als bei anderen. Das hängt davon ab, ob das gesendete Lokbyte viele Einser enthält. So entsteht das Flackern.

Die Lösung
Da man am System selbst nichts ändern kann, muß man die kurze Zeit, in der durch die Einser keine negative Spannung zur Lampe gelangen kann, überbrücken. Dafür eignet sich hervorrragend ein Kondensator, der wie eine kleine Batterie Energie speichern kann. Das Bild 2 zeigt diese Schaltung. Da die Ausgänge der Lokdekoder nicht kurzschlußfest sind, habe ich die ersten Veruche mit einer typischen Glühbirne aus einer Lok direkt am Gleis gemacht. Mit der Diode 1N4148 werden zunächst alle positiven Spannungsanteile abgeschnitten, wie es auch im Lokdekoder gemacht wird. Da ich nicht genau wußte, wie man die richtige Größe des Kondensators berechnet, habe ich es durch Experimente ermittelt. Ich begann mit einem Elko (Elektrolytkondensator) mit einer Kapazität von 100 uF (Microfarad) und verminderte den Wert so lange, bis das Flackern wieder bemerkbar wurde. Das war bei Kapazitäten unterhalb von 22 uF der Fall. Der Test bezog sich auf die Märklin Glühbirne mit Steckfassung 610080, die in Digitallokomotiven zu finden ist. Andere Birnen könnten eine leicht höhere Kapazität des Elkos erforden. Bei der Montage des Elkos ist zu beachten, das der Pluspol mit der Masse verbunden werden muß, weil der Dekoderausgang negative Spannung liefert.

Bauteilgröße
Eigentlich könnte man jetzt die Schaltung verdoppeln und so beide Lokbeleuchtungen wirkungvoll entflackern. Den Elko, den ich zum Test benutzte, war älterer Bauart und in seinen Ausmaßen relativ groß. Gemessen an den knappen Platzverhältnissen in manchen Loks, machte ich den folgenden Test mit einem deutlich kleinerem Tantalelko gleicher Kapazität. Das Ergebnis war ernüchternd: Es knackte kurz, die Sperrdiode gab den Geist auf und ließ den Strom in beide Richtungen passieren. Der Tantalelko wurde heiß und verabschiedete sich fast gleichzeitig. Bei den nächsten Tests nahm ich eine stärkere Diode 1N4002, und röstete erfolgreich noch zwei weitere Tantals. So ging es also nicht. Ich war nur froh, daß ich diese Tests nicht am Lokdekoder gemacht habe.

In einem Elektronikbuch fand ich den Hinweis, daß Tantalelkos aufgrund der geringen Reaktivität der Tantaloxidschicht Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit verwenden und so einen besonders niedrigen Serienwiderstand aufweisen. Daraus schloß ich das am Anfang ein hoher Ladestrom fließen könnte und versuchte es mit einem Vorwiderstand, um diesen zu begrenzen. Mit 100 Ohm lag ich richtig, aber nun flackerte das Licht wieder. Erst nach einer Aufstockung der Kapazität auf 47 F kehrte wieder Ruhe ein (Bild 3). Nun war der Tantalelko mit seiner höheren Kapazität fast so groß wie der normale 22 uF-Elko, aber dazu kam ja noch der 1 Watt Widerstand. Alles in allem nahm es jetzt mehr Platz weg als zuvor. Trotzdem wollte ich es mal in der Praxis, sprich an einem Lokdekoder testen. Um keinen der teuren c90-Dekoder zu riskieren, nahm ich eine alte Lok mit einem ungeregelten c80. Da die Funktionsausgänge identisch sind, funktioniert es auch am c90. Das Foto zeigt das Ergebnis der provisorischen Bastelei in einer Diesellok des Typs 216 (3679) mit dem Spitznamen "Lollo".

Lokdekoder
Wie schon erwähnt benutzt der Lokdekoder nur den negativen Spannungsanteil des Digitalstromes für die Beleuchtung. Um das bei den vorgehenden Experimenten zu simulieren, setzte ich die Diode 1N4148 ein. Als ich das am Lokdekoder direkt ausprobieren wollte, ist sie überflüssig, weil das Wegschneiden der positiven Spannungen ja schon im Dekoder geschieht. Also montierte ich nur den Tantalelko und den Widerstand an den Funktionsausgang. Nach dem Einschalten des Lichtes brannte es wie erwartet flackerfrei, aber der Motor tat keinen Mucks.

Da sich die Beleuchtung für die Rückwärtsfahrt noch im Originalzustand befand, wechselte ich die Fahrtrichtung, und die Lok fuhr einwandfrei. Bei ausgeschaltetem Licht fuhr sie auch vorwärts. Also mußte man den Kondensator zusätzlich vom Dekoder entkoppeln, sonst scheint er die Impulsbreitenmodulation der Motorsteuerung zu glätten. Nach der Wiederinstallation der Diode funktionierte alles wie erwartet. Hier ist wiederum zu beachten, das der Ring der Diode zum Dekoder zeigt, weil wir etwa -20 Volt haben, also der Strom eigentlich von der Masse über die Lampe zum Dekoder fließt. Nachdem die Funktionalität der Schaltung gegeben ist, mußte sie nur noch verdoppelt und platzsparend auf eine Lochrasterplatine montiert werden.

Platine
Ideal wäre eine spezielle Platine zu ätzen, da man dann die Leiterbahnen so planen kann, das die Ausmaße klein bleiben. Der Aufwand erschien mir aber angesichts der paar Bauteile zu groß, sodaß ich von einer Lochrasterplatine (Bahnabstand 2,54 mm) ein Stück von der Größe drei Leiterbahnen genau sieben Löcher mit einer Miniflex abtrennte und die Bauteile wie oben ersichtlich plazierte.

Die mittlere Leiterbahn ist mit der Masse zu verbinden. Von oben ist leider nicht zu erkennen, daß unter den Dioden die Leiterbahnen durchtrennt wurden. Ist ja logisch, sonst wärden deren Funktion überbrückt und der Motor würde nicht laufen. Bei der Montage der Elkos ist zu beachten, daß die Plusseite auf der mittleren Leiterbahn, also Masse liegt. Das ist auf dem Foto deutlich zu erkennen. Außerdem ist auf saubere Lötpunkte zu achten, sonst kann im schlimmsten Fall ein Kurzschluß den Dekoder zerstören. Die Befestigung der neuen, kleinen Platine ist in jeder Lok anders. Weil ich den Federkontakt für Oberleitungskontakt nicht benötige, habe ich ihn in der hier abgebildeten E19 zu einem Haken gebogen, der so einen Elko umklammert. In anderen Fällen reicht ein Tropfen Heißkleber.

Loktypen
Es ist nicht nötig in alle Loks solche Platinen einzubauen. Das hängt in erster Linie davon ab, wie stark das Licht flackert. Roco-Lokomotiven haben z.B. sehr kleine Birnen und in Verbindung mit einem stabilisierten Booster fällt das leichte Flackern kaum auf. Anders ist es bei Loks wie der E94 oder der hier abgebildeten E19. Sie haben nicht nur z.T. hellere (analoge) Birnen, auch die Austrittsöffnungen der unteren Lchtleiter sind doppelt so groß. Diese Scheinwerfer flackern besonders auffällig, sodaß ich mich zunächsteinmal entschloß, nur solche Loks umzubauen.

Lokomotiven vom Typ E03 bzw. 103 haben Dachfenster über dem Maschinenraum und Märklin hat vom Werk aus eine Beleuchtung vorgesehen, letztendlich aber doch nicht realisiert. Man muß aber nur in den Bodensockel eine Lampenhalterung mit Bajonettbirne einsetzen um eine effektvolle Spielerei zu haben. Leider vermag das Foto das Ergebnis nur unvollkommen zu zeigen. Hier schmerzt das Flackern der Beleuchtung regelrecht in den Augen.

Damit diese Birne nicht nur in einer Fahrtrichtung brennt, muß sie mit zwei Dioden (kleine Pfeile) von den beiden Lichtanschlüssen entkoppelt sein. Die Ringe müssen zum Dekoder bzw. zu den Birnen der Stirnbeleuchtung zeigen. Wie im Bild ersichtlich habe ich diese Birne zusätzlich mit einem 10 uF Elko (großer Pfeil) gepuffert, da sie noch etwas flackerte. Die Platine mit den zwei 22 uF Elkos reicht eben wirklich nur für die Birnen der Stirnbeleuchtung.