Tipps und Berechnungsgrundlagen zur Stromversorgung einer Slotbahn
Alle Angaben und Berechnungen beziehen sich auf die Produkte von Carrera Evolution, ProX und Exklusivbahnen. Im Prinzip sind aber die Angaben auch, mehr oder weniger, auf alle anderen Slotbahn Hersteller übertragbar..
Einleitung:
Ein immer wieder aktuelles Thema, ist die Stromversorgung einer Slotbahn. Solange man mit den Straßenteilen aus der Grundpackung auskommt, ist diese Problem eigentlich keins. Doch, sobald man anfängt, die Strecke zu erweitern, fällt dieses Problem immer mehr ins Gewicht.
Bei Carrera ProX und anderen digitalen Slotbahnen macht sich das so richtig bemerkbar , das geht mitunter bis zum Stillstand der Fahrzeuge. Da hier bis zu vier oder mehr Fahrzeuge auf einem Slot fahren und dann vielleicht auch noch hintereinander an der Stelle der Strecke, an dem der Verlust, am größten ist. Das Problem zeigt sich schon bei Strecken ab 10 Metern. Bei Analog zeigt sich das Problem ab ca. 15 Meter Streckenlänge.
Die meisten Ratschläge, die sich diesem Problem annehmen, gehen in die Richtung „Kauf Dir ein stärkeres Netzteil“ oder „verwende Zusatzeinspeisungen“ Diese Aussagen sind völlig Richtig, nur leider erklärt das einem nicht das Problem. Ich wollte es aber genau wissen. Außerdem wollte ich eine Berechnungsgrundlage haben die mir beim Planen einer Anlage zur Verfügung steht. Daher habe ich mal ein paar Versuche gemacht und Berechnungen durchgeführt. Das Ergebnis könnt Ihr in diesem Artikel lesen. Auch die daraus resultierenden Lösungsvorschläge (im Teil 3) werden hier Thematisiert.
Aber von Anfang an:
Wieso reicht auf einmal meine Stromversorgung nicht mehr aus?
Jetzt habe ich, wie in der Umbauanleitung zur Blackbox von PRO-X, mein Anschluss verbessert und alles funktionierte bestens. Aber die Strecke war mir zu eintönig und ich habe
ein paar Streckenteile mehr dazu gekauft.
Auf einmal werden die Fahrzeuge an einer Stelle der Strecke extrem Langsam und an anderer Stelle wieder sehr schnell. Ein Regel mit dem Handregler wird jetzt sehr schwierig. An einem Kurventeil der Strecke muss ich mit Vollgas fahren, damit ich da noch durchkomme und in der nächsten Kurven muss ich vom Gas damit mein F1 nicht rausfliegt. Die Verluste auf der Bahn mit dem Regler ausgleichen und dann noch gleichseitig nach den Erfordernissen der Strecke zu regeln, ist extrem nervig.
Also stellt sich die Frage was dafür verantwortlich ist, das meine Fahrzeuge nicht mehr gleichmäßig ihre Runden drehen.
Die erste Frage die ich mir stellte: „Kann das Verwendete Material der Stromschienen eine Rolle spielen?“
1) Leitfähigkeit der Slots
Bei den Carrera Evolution- und Exklusivbahnstrecken im Maßstab 1:24 wird als Leitermaterial Edelstahl verwendet. Nirosta (Nichtrostende) Edelstahl ist eine Legierung und besteht meistens aus einer Mischung von Chrom und einem oder mehreren anderen Materialen. Da die Beimischung der anderen Materialen zu schlechteren und selten zu besseren Leitfähigkeiten beiträgt und Carrera keine Stoffangaben der verwendeten Legierung macht, gehen wir hier einfach halber vom reinen Chrom aus
Um den Widerstand des Leiters berechnen zu können, benötigt man die Leitfähigkeit des verwendeten Material und den Querschnitt der Stromführungsschienen.
Chrom hat eine elektrische Leitfähigkeit von ca.6,76 Ohm * mm² / m.
Der Querschnitt beträgt 3,3 mm²
R = l / y * S
Wiederstand ( R ), Leiterlänge ( l ), Leitfähigkeit ( y ), Querschnitt ( S )
Das ergibt dann einen Leiterwiderstand von: 0,045 Ohm pro Meter.
Um jetzt eine Aussage treffen zu können, ob dieser Widerstand Einfluss auf meine Bahn hat, habe ich mal einen Versuchsstrecke aufgebaut.
Die Strecke hat im Schnitt eine Länge von 15,89 Meter und besteht aus 50 Streckenteile (alles Neuteile).
Da aber eine Slotbahn immer einen Kreis darstellt, kann man nicht einfach die Länge des Slot als Gesamtlänge zur Widerstandsberechnung nehmen.
Die Einspeisung der Spannung erfolgt bei der Slotbahn immer zu zwei Seiten. In der Elektrotechnik spricht man hier von einer Ringleitung.
Das heißt das der größte Spannungsverlust dort entsteht, wo die Entfernungen, beidseitig vom Einspeisepunkt aus gesehen, gleich groß sind.
Das oben genannte trifft aber nur zu wenn in dieser Ringleitung keine weiteren Wiederstände unterschiedlicher Größen befinden, dann nämlich verschiebt sich der Punkt des größten Spannungsverlust auf dem Ring. Leider ist genau das bei einer Slotbahn der Fall. Aber dazu später mehr.
Da wir nur den Widerstand des Material nehmen und die Übergangswiderstände der Streckenteile mal außer acht lassen. Haben wir eine gleichmäßige Verteilung des Widerstandes.
Also trifft das obige zu und wir können vom entfernsteten Teil ausgehen.
Da jeder Punkt auf dem Ring von zwei Seiten eingespeist werden, ist also der höchste Spannungsverlust bei genau der Hälfte der Strecke zu erwarten. Das währen dann 7,95 Meter.
Das ergibt dann ein Widerstand von ca. 0.36 Ohm. Da von zwei Seiten eingespeist wird sind diese Leitungswiderstände zweimal vorhanden und zueinander Parallel. Damit halbiert sich der Widerstand auf 0,18 Ohm. Jedoch muss der Strom auch wieder zurück zur Masse. Somit haben wir auf der Strecke zurück den gleichen Wert 0,18 Ohm diese Wiederstände befinden sich in Reihe zueinander und somit haben wir wieder die 0,36 Ohm.
(Zwei gleiche Parallelschaltungen in Reihe)
R = (R1 * R2 / R1 + R2) + (R3 * R4 / R3 + R4)
Als nächstes benötigen wir den Wert des Verbrauchers. In unserem Fall ist das die Daten unserer Autos. Dazu muss man das Fahrzeug ausmessen. Bei meiner Pro-X Versuchsbahn habe ich die vier F1 Fahrzeuge gemessen mit dem Trafo der in der Grundpackung beiliegt. Bei Volllast, also wenn der Handregler voll durchgedrückt ist, benötigt ein Auto ca. 0,5 Ampere (ohne den Reibungswiderstand in Kurven) mit einer Spannung von etwa 14 Volt.
Also muss, bei der Messung an dem entferntesten Teil, eine Spannung von 14 Volt und mindestens 0,5 Ampere noch zur Verfügung stehen damit auch dort das Auto im Volllastbetrieb läuft.
U = R * I
Widerstand ( R ), Spannung ( U ), Strom ( I )
Der Widerstand der Leitung beträt 0.36 Ohm, die Spannung des Trafo ist ca. 16 Volt und den Strom des Fahrzeugs hat 0,5 Ampere.
Dabei haben wir dann einen Spannungsabfall von ca. 0,18 Volt. Also steht mit ca. 15,8 Volt immer noch genügend Spannung zur Verfügung.
Nehmen wir an, alle vier F1 Fahrzeuge stehen an der entferntesten Stelle, dann muss unser Trafo mindestens 4 * 0,5 = 2 Ampere liefern bei einer Spannung von 14 Volt damit alle Fahrzeuge unter Volllast fahren können. Dabei hätten wir dann ein Spannungsabfall von 0,72 Volt. Es stehen also noch ca. 15,3 Volt zur Verfügung.
Das heißt, dass der Leitungswiderstand, bei meinem Versuchsaufbau, vernachlässigt werden kann. Erst bei Längen von mehr als 40 Metern und 4 F1 Fahrzeugen gleichseitig wurde es langsam ins Gewicht fallen. Geht man von einer Analogenbahn mit nur einem Auto aus,könnte die Strecke 158 Meter betragen ohne das man was merkt.
Also muss ein anderer Fehler für das Problem, des Spannungsabfall, verantwortlich sein.
Ende Teil 1