Gleich- und Wechselstrombetrieb auf dem selben Gleis

(von Werner Wassermann - 11.03.2018)

 

Ein paar Vorüberlegungen:

Der Begriff "Kompatibilität" ist im Zuge der Verbreitung der Computer mittlerweile in den allgemeinen Wortschatz gewandert. Aber das dahinter steckende Problem, dass verschiedene Hersteller ihr eigenes Süppchen kochen und ihre Produkte nicht miteinander kombinierbar sind, gibt es schon seit Urzeiten - die meisten alten Hasen unter den Modellbahnern kennen noch die damals 3 grundverschiedenen und nicht untereinander kompatiblen Stromsysteme:

- Es gab die "Wechselstromer", deren Fahrzeuge ihren Wechselstrom zum Fahren über die Punktkontakte in der Gleismitte und die beiden miteinander kurzgeschlossenen Schienen bezogen

- Es gab die "Gleichstromer", die die beiden elektrisch voneinander getrennten Schienen nutzten, um den Gleichstrom zu den Fahrzeugen zu leiten

- und es gab die "Trix-Express-Bahner", die neben den beiden elektrisch getrennten Schienen noch einen zusätzlichen Mittelleiter benutzten, aber ebenfalls mit Gleichstrom fuhren.

Jedes der Systeme hatte seine Vor- und Nachteile:

Die Wechselstromer müssen keinerlei Rücksicht auf die Geometrie der verlegten Schienenverläufe legen, denn der Mittelleiter befand sich immer in der Mitte, ein Kurzschlussproblem gab es nie. Zudem ist der elektrische Kontakt bei ihnen wegen des Schleifers und der Beteiligung der Räder beider Seiten recht sicher, Unterbrechungen gibt es eher selten. Erkauft werden diese beiden Vorteile durch die eher fragwürdige Optik der Gleise: eine durchgehende Reihe von Mittel-Punktkontakten sieht einfach nicht besonders "echt" aus.

Die Trix-Express-Gleichstromer konnten schon in der Frühzeit der elektrischen Eisenbahn mit 2 Lokomotiven unabhängig auf einem Gleis fahren. Das erhöhte den Spielwert beachtlich, wurde aber durch die dicke Mittelschiene mit einer nicht sonderlich gelungenen Optik erkauft. Das System hat sich letztlich nicht durchgesetzt und ist mittlerweile vom Markt verschwunden.

Die 2-Leiter-Gleichstromer haben zwar das am echtesten wirkende Gleis, können dafür aber nur mit besonderem schaltungstechnischen Aufwand Kehrschleifen und Gleisdreiecke aufbauen, denn hier trifft sonst die zunächst rechte Außenschiene nach Durchfahren der Schleife auf die linke und produziert damit einen Kurzschluss.

Bis heute geblieben sind also die "Märklinisten" und die "Gleichstromer", die beide in unserem Verein vertreten sind.

Das sogenannte "K-Gleis" von Märklin hat von Natur aus zwei elektrisch voneinander getrennte Schienen. Das macht auf freier Strecke problemlos den wahlweisen Betrieb mit kurzgeschlossenen Schienen und Mittelleiter oder mit beiden Schienen als Pole für die Stromversorgung im Gleichstrombetrieb möglich.
Leider gilt diese große Freiheit nur bis zur nächsten Weiche: die schlanken Weichen des K-Gleises erlauben zwar auch den Betrieb in beiden Varianten, aber leider sind

1. die beiden Flügelschienen (also die Schienenstücke vom Herzstück bis zu den Gelenken der beweglichen Zungen) stromlos, so dass Lokomotiven, die nicht über weit auseinanderliegende Achsen mit Stromversorgung verfügen, dort stehenbleiben und

2. ragen die Punktkontakte innerhalb der Weiche ziemlich deutlich über das Schienenniveau hinaus, damit der Schleifer immer sicher über die zu querende Schiene gehoben wird. Das führt leider bei vielen 2-Leiter-Lokomotiven zum Klemmen an tiefliegenden Getrieben oder sogar zum Abreißen von Kupplungen, die ein kleines Stück zu tief herunterragen und

3. sind die feststehenden Herzstücke der moderneren K-Gleis-Weichen ein weiteres Problem für kurze 2-Leiter-Loks: wegen der niedrigeren Spurkränze neigen sie bei Überfahrt zum Kippeln, was unschön aussieht und auch gerne wieder mit Stehenbleiben verbunden ist.

Wir benutzen also ausschließlich die älteren K-Gleis-Weichen mit beweglichem Herzstück. Damit ist Problem 3. weitgehend aus der Welt geschaffen.
Wenn man dann einfach die beiden Flügelschienen der Weiche nachträglich mit der Stromversorgung verbindet, dann ist auch das erste Problem behoben. Schleift man aber auch die Punktkontakte bis auf Schienenniveau herunter, damit keine Getriebe und Kupplungen mehr hängen bleiben können, dann berührt der Schleifer im Mittelleiterbetrieb die kreuzende Schiene und schon gibt es einen Kurzschluss!

Unsere Lösungen dieses Problems:

Die einfachste Lösung ist möglich, wenn die Weiche mit Gleichstrom (!) elektrisch gestellt wird und dabei die Polarität des Gleichstromes für die Stellrichtung der Weiche genutzt wird.
Dann verbinden wir mit dem Gleichstromanschluss für den Weichenantrieb die Spule eines Relais, das zwei Umschalter besitzt. Die Umschalter schalten dann je nach Schaltrichtung der Weiche die vom Fahrzeug überkreuzte Flügelschiene stromlos und die von den Rädern befahrene Flügelschiene passend zum benötigten Gleis.

Zumindest auf den Flügelschienen fahren auf diese Weise alle Fahrzeuge perfekt. Leider hat sich gezeigt, dass kurze 2-Leiter-Fahrzeuge bei dieser Bauweise ab und zu auf den Weichenzungen stehen bleiben. Die Ursache dafür ist, dass deren Stromversorgung über ihre oft mit ziemlich viel Spiel versehenen Gelenke geschieht, was nicht besonders kontaktsicher ist.

Wir haben zur Behebung dieses Problems auf der Schienenaußenseite jeweils mit ganz dünner Decoderlitze eine Verbindung zwischen Weichenzunge und Flügelschiene hergestellt und nun läuft alles ganz wunderbar bis auf - ja bis auf die Herzstücke der K-Gleis-Weichen. Die sind leider aus Kunststoff und ziemlich lang und sorgen daher immer noch ab und zu für Betriebsunterbrechungen (aber nur bei empfindlichen Loks und langsamer Fahrt). Unsere neuesten Experimente gehen daher in die Richtung, 2-Leiter-Weichen nachträglich mit Mittel-Punktkontakten auszurüsten. Sobald es hier Erfahrungen gibt, werden wir an dieser Stelle davon berichten.

Etwas komplizierter wird es, wenn die Weiche anders (also z.B. auch von Hand) gestellt werden soll.
Unsere Lösung für diesen Fall funktioniert leider nur im Digitalbetrieb richtig gut. Im Analogbetrieb dürfen Fahrzeuge dann nicht zu langsam fahren, sonst reicht die Spannung am Gleis nicht aus, um das Relais zuverlässig zu schalten. Da wir aber genaugenommen nur noch digital fahren, stört uns das nicht sonderlich...

Ich habe für diesen Fall diese kleine Schaltung ausgedacht, mit der wir bislang sehr zufrieden sind:

Auf dem Brettchen: links das weiße Kästchen mit schwarzem Rand ist ein monostabiles Relais mit 2 Wechselkontakten, darüber ein Brückengleichrichter und auf dem zweiten Bild ist die Halteschaltung mit einem Elektrolytkondensator samt Ladeschaltung (Diode und Widerstand) zu sehen.

Die Schaltung greift den Fahrstrom an den beiden Schienen ab und speist sie in die Spule des monostabilen Relais mit 2 Umschaltern.
Wenn hier kein Fahrstrom anliegt (dann handelt es sich um Mittelleiterbetrieb!) lässt die Schaltung die Flügelschienen stromlos und die Weiche kann wie gewohnt ohne Probleme von Mittelleiterfahrzeugen befahren werden.

Wenn hier ein Fahrstrom anliegt (Minimum etwa 6V), dann ist von 2-Leiter-Betrieb auszugehen und beide Flügelschienen werden durch das Relais mit der passenden Polarität verbunden. Da die Digitalspannung eine Rechteckspannung ist, also quasi ständig an- und ausgeschaltet wird, muss man mit einem Trick das Relais davor schützen, im Takt der Digitalfrequenz mit an- und auszuschalten und damit seine Kontakte zu ruinieren und ein rasselndes Geräusch von sich zu geben: die Schaltung lädt zunächst über die Diode den Kondensator auf. Die Diode sorgt dafür, dass der Kondensator stets in der richtigen Polarität aufgeladen wird und dass er sich in den "Aus"-Phasen nicht gleich wieder auf dem selben Wege entlädt. In den "Aus"-Phasen der Digitalspannung kann und soll sich der Kondensator aber über den Widerstand durch die Spule des Relais entladen. Dieser Trick sorgt dafür, dass das Relais nach Abschalten der Spannung noch etwa eine Sekunde lang den 2-Leiter-Zustand beibehält und dann erst wieder in den Mittelleiter-Zustand zurückfällt. Damit ist das Relais träge genug, um nicht im Takt der Digitalspannung zu rasseln und immer noch flott genug, um nach dem Umschalten auf Mittelleiterbetrieb nicht lange auf die Umschaltung warten zu müssen, sondern zügig mit dem entsprechenden Fahrzeug über die Weiche fahren zu können.

Nachteil dieser Schaltung: sie nimmt im 2-Leiter-Zustand etwa 10 mA Strom auf, den sie dem Fahrstrom entnimmt. Bei vielen Weichen in einem Stromkreis kann sich das zu problematischer Höhe summieren, bei den 8 Weichen in meinem Fall stellt das aber noch kein Problem dar.