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Masse Signal

Modellbahner diskutieren häufig elektrische Grundprinzipien. Masse der Begriff als solches und die Ausführung wirft vielerlei Fragen auf. Ganz allgemein ist das Massepotential der elektrische Referenzpunkt, Bezugspunkt bei der Interpretation von Signalen. Die Masse muß nicht zwingend mit der der Schaltung etwas zu tun haben.

Ground Signal

Model railroader frequently discuss electrical basics. Ground causes often argumenting regarding the meaning and how it is to be layed out. Generally speaking ground is the reference signal to all other signals in a circuit. It can be shared with but can be seperated as well.

 

Analog Schaltungen

An Allen Elektrischen Schaltungen gibt es einen Bezugspunkt der mit dem auszuwertenden Signal verglichen wird. Beispiel: ist Spannung da um eine Lampe zu betreiben oder nicht. Die Lampe kann dann auch von diesem Signal betrieben werden oder aber erst über ein Relais geschaltet werden um Steuersignal und Betriebsenergie zu trennen. Das klassische Beispiel dafür ist eine Niederspannung von 12V soll einen 230V Verbraucher schalten.

Das gemeinsame Bezugspotential erlaubt innerhalb einer Schaltung unterschiedliche Spannungen zu verwenden. Das ist bei Analogschaltungen fast überall der Fall. Der Referenzpunkt ist aber immer das Massesignal.

Wenn das Massesignal nicht gut definiert ist, von anderen Signalen gestört wird, entstehen Fehlfunktionen. Eine sehr bekannter Fehler sind Masseschleifen. Hier verursacht ein Strom der über die Masseleitung läuft durch den Spannungsabfall unterschiedliche Massepegel. Als logische Konsequenz ist das Spannungsniveau hier nicht mehr überall gleich. Im Audiobereich kennt man das als Brummsignal, ich nehme an jeder hat das schon einmal gehört. Ursache dafür ist daß Strom über das Massesignal läuft und dieses "beschädigt". Spannungsunterschiede auf Masseleitungen die mit der Versorgung gemeinsam benutzt werden, lassen sich leicht durch ausreichend dicke Kupferleiter beseitigen.

Analog Circuits

All electrical circuits have a reference signal, where other signals are compared to. For example: is there a signal to drive a bulb or not. It is possible to drive the lamp with that signal but also possible to power a relay which drives the power for the bulb. Good example for that is low voltage signal that drives a bulb on the mains via a relay.

The common reference in a circuit allows to use different voltages. This is always the case in complex analog circuits. The reference for this is always the ground signal.

If the ground signal is not well defined malfunctions will happen. A commonly known fault are ground loops. Here you have a current running over the ground. As every material has some resistance that ground loop current causes voltage differences. As a logical consequence ground signal is not the same any more. In audio circuits this causes noise. I guess everyone has heard this. The root of the problem is a current on ground signal which destroys "ground". Voltage differences on ground signals that are shared with power supply can be removed by using thick copper wires.

 

Ist Masse (+) oder (-) Signal?

Die Entscheidung ob die + oder - Seite Masse ist, ist willkürlich. Die Gewohnheit bei Schaltungen ist das (-) Signal als Masse zu bezeichnen. Es kann zusätzlich eine Gemeinsame Versorgungsleitung geben, ein durchaus populäres Schaltkonzept. Sehr oft wird dann von unkundigen diese Leitung, weil sie oft vorkommt, als Masse bezeichnet. Das ist technisch selten korrekt sondern Ursache für Fehlinterpretationen, falschen Schaltkonzepten die zu Schäden führen.

Leider wird sehr oft der Rahmen eines Fahrzeugs oder das Gehäuse einer Schaltung ams Masse bezeichnet, das ist selten korrekt. Speziell an Fahrzeugen sieht man leicht daß das nicht passt. Sobald man eine Lok am Zweileiter-Gleis umdreht tauschen die Räder Polarität. Wenn der Rahmen mit einer Radseite verbunden ist würde der Rahmen von (+) nach (-) wechseln oder umgekehrt. Beim Dreileiter Märklin Gleis ist es nicht so offensichtlich, das Problem besteht hier ebenso. Der Rahmen einer Lok kann durchaus als gemeinsame Versorgungsleitung benutzt werden, das ist aber meist ungleich der Masse! Es wird abgeraten den Rahmen von Fahrzeugen für irgendwelche elektrischen Aufgaben zu benuzten, obwohl es häufig so gemacht wird weil das elektrische Störungen geradezu garantiert. Es muß nicht immer sofort zu schäden führen. Eine Simple Entgleisung kann dann schon zu Schäden führen. Bleibt der Lokrahmen elektrisch unbenutzt kann ein versehentlicher Kontakt mit Schienenpotential keinerlei Schäden anrichten.

is ground (+) or (-) signal?

The definition is arbitrary. Usually the (-) voltage level is used for ground signal. Although the (-) is ground a common power supply signal is often used. Unfortunately that signal is the also called ground, simply because that signal is often used. To name that signal ground is usually not correct, causes misinterpretations and leads to faulty circuits.

The frame of a model, the case of a circuit is nit necessarily ground. Unfortunately the loco frame is named ground. Especially on model railroad it is easy to spot that this can't be true. As soon as the loco is reversed on the track the two sides switch potential. In DC layouts spinning the loco by 180° swaps (+) and (-) so the loco frame which is connected to one side of the wheels changes polarity. The same problem applies to Marklin H0 track, it's harder to spot out. The frame of a loco can be used as common power source, but this is not the ground! To avoid problems, it is nit recommended to use the frame of a loco for any electrical issues. A simple derailing with contact to the frame can cause damages on the model. If the frame stays insulated a contact to track signal can not cause a closed circuit so damages are avoided.

 

Decoder

Masse und Decoder ist ein schwieriges Thema, vor allem für Anwender dei von der Analogwelt kommend bereits dort keine saubere Masseführung erlernt haben. Leider wird sehr oft der gemeinsame Versorgungspol für Verbraucher als Masse bezeichnet. Das ist schlicht extrem grober Unfug. Wenn man auf solche Info stößt sollte allergrößte Versicht beim Lesen eines Textes aufgewendet werden, es könnte noch mehr falscher Inhalt vermittelt werden.
In Decdoern wird das Schienensignal gleichgerichtet es entsteht (+) und (-) vereinfacht beschrieben. Im Decoder werden meist verschiedene Spannungsebenen erzeugt die sich auf das gemeinsame Massepotential beziehen, das gleichgerichtete (-). Typischerweise wird die gleichgerichtete Schienenspannung (+) Pol zur Versorgung von Verbrauchern wie Lämpchen / LEDs, Rauchgeneratoren, Entkupplern verwendet. Dieses Signal liegt am blauen Draht an. Das ist gemeinsame Versorgungsspannung und keinesfalls Masse! Das Massesignal ist bei bedrahteten Decodern selten zugänglich, nur sehr gute Decoder fürhen ein Masse Signal. Erst bei modernen Decoderschnittstellen wie PluX, MTC oder Next18 gibt es Masse Anschlüsse.
Weitere Spannungen im Decoder gibt es für die Verstärker der Sounddecoder, hier sind 12V sehr häufig. Für den Prozessor selbst werden 5V oder bei neueren Decoderkernen 3,3V benötigt. Bussysteme wie SUSI oder I²C brauchen auch niedrige Spannungen von 3,3V oder 5V. All diese Signale verwenden das Massepotential des Decdoers als Referenz.
Die Funktionsausgänge an Decdoern sind wegen des einfachen Schaltaufbaus als "Open Kollektor" oder eben heutzutage die MOSFET Variante davon ausgeführt. Dabei erzeugt der Prozessor am Ausgang ein (+) Signal. Typisch die Spannung des Prozesorkerns somit 5V oder bei neuen Prozessorgen 3,3V. Mit diesem Signal das kaum Leistung zur Verfügung hat, wird der Transistor eingeschaltet. Damit wird eine Verbindung zwischen dem Decoderausgang (der Anschluss Richtung Verbraucher) und der Decdoer internen Masse hergestellt. Der Strom fließt vom gemeinsamen (+) Pol über den Verbraucher durch den Schalttransistor oder MOSFET zur decdoerinternen Masse. Ein Vorteil dieses Schaltkonzept ist daß man mit dem selben Schaltausgang auch andere Versorgungsspannungen betreiben kann ohne daß der Decdoerausgang anders ausgeführt werden müsste.
Decoder mit stabilisierten Niederspannungen von 1,5V/3V für Niederspannungslämpchen sind recht gebräuchlich. Ebenso ist es problemlos möglich LEDs mit Stromquellen zu betreiben, auch hier kann der Decdoerausgang ein Simpler Transistor bleiben.
Der gemeinsame Versorgungsanschluss sollte aus Sicherheitsgrinden nie mit dem Rahmen der Lok verbunden werden. Bei einer Entgleisung kann das den Decoder zerstören wenn der Rahmen an Schienenpotential gelangt. Beim Anlagenbau liegt oft Metall wie Nägel im Gleis. Das kann auch sehr leicht einen Schluss von Schiene zu Lokrahmen verursachen. Bei Uraltmodellen, leider noch immer häufig im N Bereich, gibt es Modelle die den Rahmen einseitig mit einer Schienenseite verbunden haben. Man darf Leuchtmittel gegen Schiene betreiben. Besser wäre es die Lämpchen aus dem Rahmen heraus zu isoliernen und 2-polig vom Decoder zu verdrahten. Man hat dadurch auch den Vorteil, daß die Lampen im Analogbetrieb bei dieser Lok mit Decoder auch funktionieren. Bei einseitig im Rahmen mit Schiene Verbundenen Lämpchen funktionierne diese im Analogbetrieb nur in eine Richtung.

Decoder

Ground in a decoder is a difficult issue. Some people call the common supply wire of the decoder for the external load ground which is a big mistake! Take special care if you read this in a document!
Every decoder rectifies the track signal and generates a (+) and (-) - simplifying the story. Inside every decoder there are several voltage levels generated. All of them are referenced to the internal ground which is the rectified (-). The (+) level is usually used to power external loads like bulbs / LEDs, smoke generators or decouplers. The (+) is connected to the blue wire. This blue wire is not a ground! The ground signal is usually not available on wired decoders. Only on more recent decoder interfaces ground got available for example on PluX, MTC or Next18. Other voltage levels are generated for amplifiers typically 12V. The processor of the decoder requires 5V or on more recent processor designs 3,3V. Bus connections like SUSI or I²C also need 3,3V or 5V. All these signals are reverenced against the decoder internal ground.
Function outputs of decoders are typically open collector circuits, or the mire recent MOSFET equivalent. Here the processor pin generates a signal with 3,3V or 5V. This turns the driver transistor on to connect the output line with ground. Now the current can flow from (+) through the load to the decoder function pin via the transistor to ground. The advantage here is first the circuit for the function output only requires the driver transistor. If the decoder offers other supply voltages for example 1,5V or 3V the same output circuit of the decoder can be used to drive a load with that voltage as well. It is also possible to use LEDs with a current source without any problems.
The common power wire should not get connected to the loco frame. In case of a derailing the frame might get track signal which can destroy the decoder if (+) is connected to the frame. More frequently the loco picks up a nail from building the layout which could cause a connection to one of the tracks. Old loco designs use track signal on the frame. It is best to insulate the bulbs from the frame and connect them with two wires. If that is not possible leave the track signal on the frame and use this to power the bulbs. The disadvantage of doing this is that the bulbs work in analog mode only in one direction.

 

Die obige Grafik zeigt das Prinzip der Decoderausgänge. Die Variante mit bibolaren npn Transistoren wurde durch MOSFETs abgeköst weil diese kaum Verluste haben wenn sie eingeschaltet sind. Das Massesignal ist nicht zugänglich außerhalb des Decdors sondern bleibt decoderintern.

The circuit diagram above shows the concept of the output drivers. The old bipolar npn transistors are not used any more. MOSFETs have the advantage that they have extreemly low on resistance when turned on. As you can see the GND signal itself is not available outside the Decoder it is kept internal in the decoder.

 

Anlage

Eine solide gemeinsame Masse auf Modellbahn Anlagen ist das stabile Fundamet jeder Anlage. Kaum ein Anlagenbauer berücksichtigt dieses Prinzip, obwohl es kaum Geld kostet und extrem viel Stabilität bringt. Wobei nochmals darauf hingewiesen sei, daß die Masse getrennt von der Energieversorgung zu verkabeln ist. Bei kleinen Zimmeranlagen in H0 oder N sollte der Leiterquerschnitt nicht unter 1,5mm² bis 2,5mm² gewählt werden. Bei Größeren Anlagen mit Abmessungen über 5m empfehle ich noch dickere Masseverkabelung.
Die Masse ist unbedingt Sternförmig auszuführen. Das bedeutet von jedem Verbraucher aus eine Masseleitung zu einem gemeinsamen Punkt zu verkabeln. Hier kann man durchaus etwas "schummeln" und eine Gruppe von Geräten die knapp nebeneinander stehen mit einer gemeinsamen Masseleitung versorgen. Bei korrekter Masseverkabelung führen dann mehrere Leiter zu dem gemeinsamen Massepunkt. Zur Ausführung des Strnpunkts schlage ich Erdungs- oder 0-Leiter Schienen aus dem Anlagenbau vor. Das sind Stäbe mit vielen Löchern und Schrauben wo man einfach die Drähte klemmen kann. Zu diesen Sternpunkt führt auch die Masse der Zentrale. Die Energieverteilung für Beseztmelder, Weichenmodulen kann als Ringleitung ausgeführt werden.
Durch die Sternverkabelung der Masse gibt es keine, ganz genau nur sehr geringe, Potentialunterschiede zwischen den verschiedenen Verbrauchern. Masseschleifen sind weitgehend unterbunden weil die Potentialunterschiede im Sternpunkt zusammenlaufen.

Layout

A solid ground is the basis of a well working model layout. Unfortunately only few layouts are built with proper cabling. There is low effort to do it well and the additional material price does not cost much. To repeat it ground needs to be separated from power cabling. For a small room layout in N or H0 the ground cable should have at least 1,5mm² to 2,5mm² wire dimension. For bigger layouts over 5m length even thicker wires are recommended.
The ground needs to be built as a star topology. This means every load gets it own separated ground wire to a central distribution point. If there are several loads nearby you may group them together to one single ground wire. All wires run to the central ground point. To connect them all together ground or 0 barf out of the house electricity supplies can be used. This are bars with a lot of holes in it and screws to fasten the wires. Also the ground signal of the booster or central station is connected here.
The star topology secures only little voltage differences between the several locations. Ground loops are surprised as all ground wires meet at that single central point.