Von analog nach digital


Viele Menschen die sich zum ersten Mal mit der Modellbahn beschäftigen, aber auch jene, welche -teilweise nach Jahrzehnten- ihre Liebe zur Modellbahn wieder entdecken, werden von der Fülle der Fachbegriffe förmlich 'erschlagen'.
Früher bestand eine Modellbahn hauptsächlich aus Transformator, Gleisen und Lokomotive.
Heute gibt's Digitalzentralen, Decoder, Protokolle, Rückmeldemodule, Adressen, Bremsverzögerung usw. usw.
Es ist nicht immer leicht, da den Überblick zu behalten.

Im folgenden Artikel möchte ich deshalb versuchen, diese -und noch weitere- Begriffe allgemeinverständlich zu erklären.

Analog - was ist das ?

Niemand wäre einst auf die Idee gekommen, eine 'normale' Modellbahn als analog  zu bezeichnen. Erst als die Elektronik und die damit einhergehende Digitalisierung auch bei der Modellbahn Einzug hielten, bürgerte sich dieser Ausdruck für die konventionelle Steuerung ein.
Bei der analogen Steuerung wird die Geschwindigkeit mit einem regelbaren Transformator bestimmt. Mit einem drehbaren Knauf wird die Spannung auf dem Gleis höher oder niedriger eingestellt - der Motor der Lokomotive passt sich der anliegenden Spannung an:
die Lok fährt umso schneller, je höher die von Trafo gelieferte Spannung ist.
Die Geschwindigkeit der Lok verhält sich damit analog zur Stellung des Knaufs.

Nun zur analogen Technik:
damit die Lok unterbrechungsfrei fahren kann liegt die mit dem Trafo eingestellte Spannung überall im Gleis an. Das heißt aber auch, das alle weiteren Lokomotiven in diesem Stromkreis ebenfalls fahren.
Das ist jedoch nur in den seltensten Fällen erwünscht, man kann sich dann u.a. mit
- stromlosen Gleisabschnitten
- Oberleitung
- separaten Gleisabschnitten usw.
helfen.
Wenn eine Lok vor einem Signal selbsttätig halten soll, muß man ein Stück des Gleises stromlos schalten. Das aber führt zu absolut unnatürlichen "Notbremsungen".
Beim Anfahren geht's dann genau andersrum, - von solchen Beschleunigungen kann jeder Rennwagenfahrer nur träumen...

Alle diese Beeinträchtigungen beim Spielbetrieb kennt eine digital betriebene Modellbahn nicht.
Allerdings, das sei gleich gesagt, der Komfort hat seinen Preis - aber dazu kommen wir noch.

die digitale Technik
während bei der analogen Technik die Spannung am Gleis zwischen 0 und ca. 16 V geregelt werden konnte, liegen beim digitalen Betrieb konstant ca. 18 V am Gleis.
Das ist auch u.a. der Grund, weshalb einige analoge Loks auf digitalen Anlagen gleich losrasen und nicht steuerbar sind.

Warum fahren aber die digitalen Loks nicht los ?
Digitale -oder besser: digitalisierte- Loks sind mit einem Decoder ausgestattet, welcher u.a. die Aufgabe des Knaufs am Transformator übernimmt und den Motor erst dann mit Strom versorgt, wenn er dazu den Auftrag erhält.
Diesen Auftrag erteilen wir mit einer Digitalzentrale und diese Zentrale wiederum überträgt den Fahrbefehl indem sie ihn auf die Gleisspannung 'draufpackt'.
Der Befehl wird folglich von jeder auf dem Gleis stehenden Lok gelesen !

Warum fährt nur 1 digitale Lok los ?
Genau wie jeder Mensch eine Namen hat, hat auch jeder Decoder einen Namen (korrekt: eine Nummer)
Und da liegt das Geheimnis: ein Fahrbefehl besteht immer aus zwei Informationen: wer soll was machen.
Solch ein Befehl kann also lauten: Lok 44 fahre mit Fahrstufe 6.

Nochmal, alle Loks lesen den Befehl, aber nur die Lok mit der Adresse 44 reagiert darauf.
Daraus folgt:
- gibt es 2 Loks mit dieser Adresse, fahren auch beide los
- gibt es keine Lok mit der Adresse, fährt auch keine Lok an

In diesem Beispiel wird der Decoder in der Lok mit der Adresse 44 seinen 'internen Knauf' auf Fahrstufe 6 'drehen' und die Lok fährt an.
Natürlich enthält der Decoder keinen mechanischen Regler, sondern eine Transistor-Endstufe übernimmt die Einstellung der Spannung.

Decoder
Nun wäre es aber bei den Möglichkeiten der heutigen Elektronik mehr als bedauerlich, wenn ein Decoder nur zur Steuerung der Geschwindigkeit herangezogen würde.
Vielmehr kann man u.a.
- die Spitzenbeleuchtung einer Lok ein- oder ausschalten
- über verschiedene Funktionen Telex-Kupplungen, Raucherzeuger, Wagenbeleuchtungen usw. usw. schalten.

Einige Decoder können Geräusche wie
- den Kolbenschlag einer Dampflok,
- eine Druckluftpfeife und / oder
- den Klang eines Dieselmotors usw.
fast naturgetreu wiedergeben.

Das abrupte Bremsen umgehen Decoder mit einer frei einstellbaren Bremsverzögerung, d.h., stellt man die Geschwindigkeit auf  0, bremst die Lok sanft bis zum Stillstand ab.
Umgekehrt geht's beim Anfahren, die Lok beschleunigt langsam und realistisch bis zur vorgegebenen Fahrstufe.

Analoge Lokomotiven werden langsamer wenn's bergauf geht und rasend schnell wenn die Strecke wieder hinab führt.
Bei modernen Decodern sorgt eine lastabhängige Steuerung für eine nahezu gleichbleibende Geschwindigkeit.

Bei langsamer Fahrt haben analoge Loks nur wenig Kraft, digitale Lok ziehen auch in der untersten Fahrstufe mit aller zur Verfügung stehenden Leistung.

Preise für Decoder liegen zwischen 20,00 EUR für einfache Decoder ohne Lastregelung und 120,00 EUR für Decoder mit Loksound.

Wenn man sich mit Decodern beschäftigt, begegnet man auch irgendwann dem Begriff CV (engl.: ConfigurationsVariable) oder zu deutsch: Register.
Beide meinen dasselbe und bezeichnen einen kleinen Speicherbereich innerhalb des Decoders. Die CVs werden von 1 an fortlaufend nummeriert und können Zahlenwerte zwischen 0 und 255 enthalten.
Die Nummerierung ist weitgehend standardisiert, z.B.:
- CV 1 enthält die digitale Adresse der Lok
- CV 3 und CV 4 bestimmen die Anfahrbeschleunigung bzw. die Bremsverzögerung
- in CV 5 wird die Höchstgeschwindigkeit der Lok festgelegt
- usw.

Die CVs können mit jeder Zentrale verändert / geschrieben werden. Das ist je nach Zentrale und Decoder mehr oder weniger komfortabel zu erledigen. Mittlerweile gibt es auch Programme, welche in Verbindung mit einem PC eine komfortable Programmierung ermöglichen.
Das Auslesen einer CV geschieht ebenfalls mit einer Zentrale, klappt aber nicht bei jedem Decoder: So weigern sich die Motorola-Decoder von Märklin beharrlich, ihr Innenleben preiszugeben. Man kann also nicht mal eben in die CV 1 schauen, um die Adresse der Lok zu erfahren. Diese Decoder  lassen sich nur beschreiben.
Bei DCC- Decodern ist das anders, alle CVs lassen sich problemlos lesen.

Nicht nur Lokomotiven, sondern auch Weichen, Signale und andere Magnetartikel können über Decoder geschaltet werden.
Dazu sind spezielle Bausteine von verschiedenen Herstellern auf dem Markt.
Diese  Decoder können in der Regel 4 Magnetartikel versorgen und werden mit lediglich 2 Drähten an den allgemeinen Digitalstrom angeschlossen.
Das erleichtert die Verdrahtung und spart Kabel und Drähte.
Es gibt auch Decoder, welche gleich in eine Weiche eingebaut werden können und dort direkt mit dem Gleis verbunden werden.
Diese Decoder benötigen keinerlei zusätzliche Verdrahtung.
Nachteil: sie sind nicht gerade billig.

Bekannte Hersteller von Decodern sind z.B.
- ESU
- Kühn
- Lenz
- Tams
- Uhlenbrock
- Zimo

Protokolle
die Unterhaltung der schon weiter oben erwähnten Zentralen mit den Decodern basiert auf international festgelegten Protokollen.
Die wichtigsten sind:

Protokoll

 Bemerkung
 DCC  wohl am weitesten verbreitet (Zweileiter-Gleichstrom)
 Motorola I und II  von Märklin eingeführtes und hauptsächlich im
 3-Leiter-Wechseltromsystem vorkommendes, stabil laufendes
 Protokoll
 Selectrix  von Trix eingeführtes, wohl aussterbendes Protokoll
< FMZ  von Fleischmann eingeführtes und fast nur dort eingesetztes
 Protokoll
 mfx / Systems  neues, von Märklin eingeführtes Protokoll

Wichtig:
Genauso wie sich ein Deutscher mit einem Chinesen kaum wird unterhalten können, kann eine Zentrale keinen Decoder ansprechen, wenn beide nicht die gleiche Sprache sprechen.
So sendet z.B. die ControlUnit 6021 von Märklin nur das Motorola-Protokoll. Das heißt, eine Lok mit einem DCC-Decoder ist damit nicht zu steuern.
Aber:
ebenso wie ein Mensch verschiedene Sprachen sprechen kann, gibt es Decoder, welche diese Kunst auch beherrschen.
Eine Vielzahl der zum nachträglichen Einbau vorgesehenen Decoder beherrscht mehrere Protokolle (meist DCC und Motorola).

Die folgende Grafik zeigt die schematische Verteilung der verschiedenen Protokolle und Bezeichnungen.


















Zentrale

wie schon weiter oben erwähnt, gehört zu einer digitalen Anlage ein Gerät welches die für die Decoder erforderlichen Signale erzeugt.
Und wie viele Decoder verschieden Protokolle "verstehen", können die meisten Zentralen verschiedene Protokolle senden.
Die Ausstattung der einzelnen Geräte ist sehr unterschiedlich, was sich auch im Preis widerspiegelt.
Vor dem Erwerb einer Zentrale sollte man sich genau überlegen, was das Gerät leisten soll und welche Lokomotiven damit gefahren werden sollen.
Gerade die beide Geräte MS und CS von Märklin sind meines Erachtens nach doch sehr auf die Märklin-Produkte zugeschnitten und engen der Benutzer nur unnötig ein, z.B.:
- DCC wird nicht unterstützt
- Schnittstelle zum PC nicht offengelegt, dadurch ist man ggf. auf das alleinige Angebot der Fa. Märklin angewiesen.
- CV-Programmierung von Fremddecodern nicht möglich
- An- und Einbau von Geräten anderer Hersteller ?

Die momentan (Jan. 2007) aktuellen Zentralen sind:

6021 von Märklin
der Urahn aller Zentralen wurde mehrfach verbessert und erweitert und arbeitet sehr zuverlässig.
Die 6021 wird mittlerweile nicht mehr hergestellt.

IntelliBox (IB) von Uhlenbrock
Die IB ist sehr verbreitet und genießt im allgemeinen einen guten Ruf.
Preis: ca. 430,00 EUR.

MasterControl (MC) von Tams
Die MC ist noch recht neu auf  dem Markt, hat aber alle Chancen, eine führende Position zu erobern.
Ein Booster ist nicht eingebaut (ca. 50,00 EUR).
Preis: ca. 200,00 EUR

Ecos von ESU
Preis: ca. 530,00 EUR

Commander von Viessmann
Preis: ca. 650,00 EUR

MobileStation (MS) von Märklin
Preis: ca. 40,00 EUR

CentralStation (CS) von Märklin
Preis: ca. 400,00 EUR

Die folgende Tabelle gibt nur einen groben Überblick über die verschiedenen Leistungs- und Ausstattungsmerkmale.
Genaue und aktuelle Informationen können den Internetseiten der Hersteller entnommen werden

 Ausstattung  6021  IB  MC  Ecos  Commander MS CS PIKO
Digi 1
 Fahrregler 1 2 1 2 2 1 2 1
 Booster ja ja 1) ja ja ja ja ja
 Adressen 80 255 10.239 10.239 4.000 80 80 127
 Keyboard
 zum Schalten von
 Magnetartikeln
1) ja ja ja ja nein ja ja
 Memory
 zum Schalten von
 Weichenstraßen /
 Fahrwegen
1) ja nein ja ja nein nein nein 3)
 Protokolle Motorola I + II DCC
Motorola I + II
Selectrix
DCC
Motorola I + II
DCC
Motorola I + II
Selectrix
LGB
DCC
Motorola I + II

 

Motorola I + II
mfx( patentiert)
Motorola I + II
mfx( patentiert)
DCC
 Rückmeldemodule
 (Anschluss für)
s88 s 88
LocoNet
s88
EasyNet
s88 s88
SpeedBus
über Adapter über Adapter nein
 PC-Interface
 (zum Steuern,
 Schalten und Lesen
 des s88)
1) seriell seriell
USB
Ethernet nein nein Ethernet
 
nein
 Mehrfachtraktionen nein ja ja ja ja ? ? ?
 Gleisbild nein nein nein nein ja nein nein nein
 Befehlssatz P50 2)
                  P50X
ja
nein
ja
ja
ja
ja
nein
nein
nein
nein
nein
nein
nein
nein
nein
nein

1)  zusätzliches Gerät
2)  der Befehlssatz beinhaltet die Kommandos, welche vom PC zur Zentrale gesendet werden, z.B. um Loks zu steuern,
    Magnetartikel zu schalten und Rückmeldemodule auszulesen usw.
    Kenntnisse über den Befehlssatz sind vor allem für jene Modellbahner vonnöten, welche sich ihre Steuersoftware
    selber schreiben wollen.
    Die o.a. Befehlssätze sind weltweit verbreitet, leicht zu erlernen und für jedermann frei zugängig.
3) mit PIKO Digi-Power.Box


Booster
Früher sagte man "Verstärker", aber sei's drum, die Funktion ist die Gleiche.
Ein Booster 'liest' die digitalen Signale der Zentrale und gibt sie verstärkt an das Gleis weiter. Das ist immer dann erforderlich, wenn die Zentrale keinen Booster eingebaut hat (MC) oder aber die Leistung der Zentrale nicht ausreicht, weil z.B. zuviele Züge gleichzeitig fahren.
Wichtig ist dabei der Faktor gleichzeitig !
Wenn z.B. 20 Züge im Schattenbahnhof stehen, aber nur maximal 3 davon unterwegs sind, brauchen Sie keinen (weiteren) Booster, der vorhandene schafft das ohneweiteres.
Tüchtige Verkäufer, aber auch manche Modellbahner vertreten die Meinung, Weichen und andere Magnetartikel bräuchten unbedingt eigene Booster. Das ist jedoch reine Geldmacherei - egal wieviele Weichen installiert sind, es kann immer nur eine einzige Weiche zur gleichen Zeit geschaltet werden. Und damit fließt auch immer nur ein relativ geringer Schaltstrom.
Mein Rat deshalb: erstmal ausprobieren und dann entscheiden.

Rückmeldung
Unter diesem Begriff versteht man die Meldung von Zustandsänderungen auf der Anlage.
Beispiel Schattenbahnhof : ein Zug fährt in Gleis 3 ein und löst dabei einen Kontakt aus.
Verschiedene der o.a. Zentralen können dann darauf reagieren und z.B. Weichen oder Signale schalten.
Falls die Anlage mit einem PC betrieben wird, geht ohne Rückmeldung eh nicht viel. Woher sollte der PC auch "wissen", wenn ein Zug im Bahnhof angekommen ist ?

Die meisten Hersteller von Zentrale bieten auch Rückmeldemodule (RmM) an. Diese werden auch als Decoder bezeichnet, obwohl sie genau das Gegenteil machen (sie codieren ein Signal) und müssten demzufolge "Encoder" heißen.
Solch ein RmM hat meist 16 Eingänge die gegen Masse geschaltet werden.
D.h., wenn einer der Eingänge über einen Kontakt o.ä. gegen Masse geschaltet wird, meldet das RmM diesen Eingang als "belegt".
Der Benutzer kann selbst entscheiden, wie diese Information weiter verwendet werden soll.

Wie in der Tabelle für die Zentralen bereits aufgeführt, gibt es mehrere Rückmeldesysteme:
- s88 (das wohl meistverbreitete System)
- LocoNet
- EasyNet
- u.a.

Software
Viele Modellbahner empfinden eine per Software gesteuerte Anlage als Tüpfelchen auf dem i.
Mit einem PC lassen sich nahezu alle Aufgaben einer Modellbahnsteuerung bewältigen:
- ob es das Fahren der Lokomotiven
- oder das Schalten von Weichenstrassen mit der entsprechenden optischen Anzeige der Fahrstrasse ist,
- ob man die Stellung der Signale auf dem Monitor sehen kann
- einen halb- oder vollautomatischen Ablauf plant
- eine zuverlässige Blockstreckensteuerung und -überwachung wünscht...
eine Modellbahnsoftware kann den Betrieb eine Modellbahnanlage so richtig komfortabel machen.

Damit sich der PC und die Loks "unterhalten" können, benötigt man üblicherweise eine der o.a. Zentralen welche über ein Interface mit dem PC verbunden werden.

Software zur Modellbahnsteuerung kann man (wie könnte es auch anders sein ) von vielen Herstellern bekommen.
Wer selbst programmiert kann sich natürlich auch damit ein interessantes Aufgabengebiet erschließen.

Eine Modellbahn kann man auch ohne Zentrale über einen PC steuern : DDW bzw. DDL *) heißt das Zauberwort.
Dafür braucht man nur einen Booster, welcher die digitale Befehle des PCs verstärkt und auf das Gleis legt.
Da der Booster aber nicht die anderen Aufgaben einer Zentrale ersetzen kann, muß der PC die korrekte Signallage liefern.
Die Programmierung ist für einen Laien nicht einfach und erfordert schon einiges an Fachwissen. Im Internet können Interessierte DDW-Server herunterladen und kostenlos installieren.
> http://home.snafu.de/mgrafe/

Bei aller Kostenersparnis darf man aber eines nicht übersehen: Spielen kann man bei dieser Lösung immer nur, wenn auch der PC eingeschaltet ist.
Also: eben mal eine Lok fahren lassen ist nicht !

Dazu kommt, (auch wenn mich nun verschiedene DDW-Anwender steinigen werden) das DDW längst nicht so stabil läuft wie eine der etablierten Zentralen. Das liegt aber weniger an DDW selbst als am Betriebssystem Windows.

*) DDW = DigitalDirect for Windows
   DDL   = DigitalDirect for Linux

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Zum Schluss dieses Kapitels noch eine Betrachtung zum Thema
Ist Digitalstrom Wechselstrom oder Gleichstrom ?

Ich persönlich hätte da 3 Antworten:
- weder noch
- sowohl als auch
- kommt drauf an, wie man es sieht.

Dazu ein wenig Technik:
grundsätzlich liegt auf dem Gleis eine Gleichspannung von ca. 18 Volt.
(von daher wäre es Gleichstrom)
Die Signale zur Steuerung der Lokomotiven bestehen aus positiven, aber auch negativen Anteilen.
Da also ein Teil des Stromes "die Richtung wechselt", kann man auch für Wechselstrom plädieren.
Allerdings sind die Anteile der positiven und negativen Anteile ungleichmäßig verteilt und hängen u.a. auch davon ab, wieviele Lokomotiven aktuell gesteuert werden.

Wer Wechselstrom als gleichmäßig schwingende Amplituden versteht, wird Digitalstrom NICHT als Wechselstrom sehen.
Aber Gleichstrom im herkömmlichen Sinne ist es genausowenig.

Vielleicht kann man sich auf wechselnden Strom einigen