Decoder Ausgänge verstärken

Moderne Lokdecoder haben einiges zu bieten, darunter fallen auch zahlreiche Funktionsausgänge.
Nicht immer ist an diesen Ausgängen aber direkt eine Last anschliessbar. Während die Ausgänge Licht vorne (VL), Licht hinten (RL), Aux1 und Aux2 immer direkt verwendbar sind, beispielsweise für Glühbirnen, darf bei vielen Decodern an den weiteren Ausgängen wie Aux3 bis Aux6 keine Last direkt angeschossen werden.
Der Grund hierfür liegt an der Decoderschaltung: diese Ausgänge kommen - im Gegensatz zu den oberen vier erwähnten Ausgänge - direkt vom Decoder-Prozessor, ohne entsprechende Verstärkerschaltung (Ausgangstreiber).

Diese Ausgänge führen dann nur einen Logik-Pegel (engl. logic level) von 5VDC und "verkraften" meistens einen Strom von nur wenigen Milliampere. Ein Versuch, daran direkt eine Last anzuschliessen, führt fast immer zur Zerstörung des Decoders.

Die 21MTC Inkompatibilität

Besonders kritisch ist diese Tatsache bei der 21MTC Schnittstelle. Die ursprüngliche Definition dieser Schnittstelle, welche auch von der NEM unter NEM660 (mit einigen Anpassungen) übernommen wurde, definiert Aux3 bis Aux6 mit Logik Pegel (mind. 2.4V, meist 5V).
Gründe für die unverstärkten Ausgänge gibt es mehrere:

Achtung
Leider halten sich die Lokhersteller nicht immer an die NEM660 Definition. Teilweise verlangt die Lok einen Decoder mit verstärkten Aux3 und Aux4. Hier ist also Vorsicht beim Wechseln des Decoders durch einen anderen Typ geboten. Ein Decoder ohne verstärkte Ausgänge Aux3 und Aux4 eingesteckt in einer Lok, welche dies benötigt, führt zumeist zum Defekt des Decoders.

Auf dieser Seite wird deshalb spezifisch auf die 21MTC Schnittstelle und deren Ausgänge verwiesen.

PluX Schnittstelle

Bei der PluX Schnittstelle gibt es das Problem mit unverstärkten Ausgängen nicht. Nur der "grosse" PluX Stecker - PluX22 - besitzt Anschlüsse für Aux3 bix Aux6. Diese sind nach NEM658 immer verstärkt (jedenfalls ist nichts anderes definiert).
Die Pin-Belegung aller PluX Varianten finden Sie hier.

Ausgänge verstärken

Will man eine Lok selber digitalisieren oder einfach weitere Funktionen einbauen, wie beispielsweise eine Führerstandsbeleuchtung, müssen vielfach die Funktionsausgänge Aux3, Aux4 und ggf. weitere Ausgänge verstärkt werden.

Früher hätte man dies mit einem bipolaren Transistor und ein Widerständen gemacht.
Die Schaltung sieht so aus:

Der Widerstand R2 und die LED bilden dabei die anzusteuernde Last. Dies könnte natürlich auch eine Glühbirne oder ein Raucherzeuger sein.

Als Transistoren kommen alle üblichen, universalen Kleinsignaltransistoren in Frage, wie beispielsweise BC107, BC548 etc. (bis rund 100mA).

Heute sind modernere Bauelemente zu günstigen Preisen erhältlich, welche besser dafür geeignet sind.
Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren, welche stromgesteuert werden, sind diese MOSFET genannten Transistoren spannungsgesteuert.

Bei der oberen Schaltung mit dem NPN Transistor muss ein Strom in den Basisanschluss des Transistors fliessen, um einen Strom in der Last auszulösen.
Beim MOSFET wird eine Spannung am Gate angelegt, wodurch der Drain-Source Pfad leitend wird. Einfach ausgedrückt ändert sich der Widerstand des MOSFETs von Drain (oberer Anschluss) zur Source (unterer Anschluss) mit der angelegten Gate-Spannung. Der Widerstand kann dabei bis auf wenige Milliohm sinken, was die Verlustleitung im Bauteil erheblich reduziert.

Funktionsweise der MOSFET

Die Verstärkerschaltung bei unseren Decodern kommt damit mit lediglich einem Bauteil, dem MOSFET, aus:

Voll durchschalten bei Logik-Pegel

Ziel muss es also sein, die Spannung am Gate so hoch zu haben, dass der MOSFET voll durchschaltet. Viele MOSFETs benötigen dazu eine Gate-Spannung (V_GS) von rund 10V. Bei kleineren Spannungen ist der Drain-Source Widerstand (R_DS on) höher, die Verlustleistung im Bauteil - und damit die Wärmeentwicklung - damit ebenfalls höher.
Unsere Decoderausgänge liefern dagegen bloss 5V.
Die Industrie hat aber auch für diesen Fall spezielle Bauteile entwickelt, welche genau für den 5V Logik-Pegel ausgerichtet sind.

Bei International Rectifier (IR) sind diese MOSFETs mit IRLxxxx bezeichnet, im Gegensatz zu den üblichen IRFxxxx MOSFETs mit meist 10V Gate-Source Spannung.
Bei einer angelegten Gate-Spannung von mindestens 4.5V beträgt der Drain-Source Widerstand (RDS on) bei den "L" Typen wenige Milliohm!

Ein ideales Bauteil für die Decoderausgänge ist der IRL6372. Dieses SMD Bauteil hat zwei N Kanal MOSFETs integriert und ist für die Ansteuerung mit Logik-Pegel ausgelegt.
R_DSon bei 4.5V Gate-Spannung beträgt dabei maximal 0.018 Ohm.

Pinlayout des IRL6372

Bild Quelle: International Rectifier

Anschluss des MOSFET an den Decoder

Die Schaltung für Aux3 und Aux4 sieht wie folgt aus:

In der Grafik sind zwei Lampen eingezeichnet. Diese sind stellvertretend für die Last am verstärkten Aux3 bzw. Aux4 Anschluss.
Die Nummern der Decoderanschlüsse entsprechen den Pinnummern des 21MTC Steckers.

Bedingt durch den extrem kleinen Winderstand zwischen Drain und Source wenn der Ausgang eingeschaltet ist, können hohe Ströme bei kleiner Verlustleistung geschaltet werden.
Beachten Sie aber, dass der Strom für diese verstärkten Ausgänge vom Decoder geliefert wird. Der maximal Decoderstrom darf deshalb auch mit diesen zusätzlichen Ausgängen nicht überschritten werden. Insbesondere betrifft dies die Gleichrichterschaltung des Decoders.

Falls Sie unabhängig vom Decoder hohe Ströme schalten möchten, kann dies mit folgender Schaltung durchgeführt werden. Hierbei wird der Strom für die verstärkten Ausgänge direkt vom Gleis genommen.

Übersicht bekannter Decoder mit 21MTC Schnittstelle

Hier finden Sie eine 21MTC Decoder-Übersicht mit den entsprechenden Funktionsausgängen und deren Ausgangsschaltung.