Aktuelle Version vom 8. November 2021, 21:43 Uhr

Beleuchtung von Wagen mit LED

Auf Modellbahnen kommen unterschiedliche Spannungsversorgungen zum Einsatz, z.B. Gleichspannung wechselnder Höhe mit Polaritätsänderung je nach Fahrtrichtung, Wechselspannung unterschiedlicher Höhe mit nochmals erhöhtem Umschaltimpuls für Fahrtrichtungsänderung, Digitale Wechselspannung gleichbleibender Höhe.

Für die Dauerbeleuchtung von Wagen betrachtet man alle Arten der Spannungsversorgung als Wechselspannung mit diversen Eigenheiten der verschiedenen Systeme (Wechsel der Polarität nur bei Richtungsänderung; sehr hohe kurzzeitige Maximalspannung; hohe Frequenz).

Wie bekomme ich saubere Gleichspannung?

Einfache Gleichrichterbrücke

LED benötigen eine Gleichspannung und vertragen keine hohe Spannung in Sperrichtung, also macht man es sich einfach und schaltet der oder den LED eine Gleichrichterbrücke vor. Ob man hier fertige Brücken verwendet oder die Brücke aus vier einzelnen Dioden zusammengesetzt wird entscheidet man nach Geldbeutel, Platz, Aufwand und Inhalt der Grabbelkiste.

Rund-Gleichrichter zum Einlöten oder im DIL-Gehäuse sind für unter 0,20€ zu bekommen, einzelne Dioden unter 0,03€. Die Standard-Diode 1N4001 kann maximal 1A gleichrichten, empfohlen ohne Kühlung bei dichter Packung sind 800mA), eine Brücke daraus kommt wegen der Gehäusegröße DO201 schon leicht an die Größe einer fertigen Brücke heran; die kleine 1N4148 schafft zwar nur maximal 150mA (Empfohlen 100mA), ist aber wegen der Gehäusegröße DO35 wesentlich enger zu verbauen.

Gleichrichterbrücke mit Siebkondensator

Normalerweise verwendet man nach der Gleichrichtung einen Kondensator, um die Spannug zu glätten und bei kurzzeitigen Ausfällen (unpolarisierte Weichenstücke, schlechter Kontakt zur Schiene) ein Flackern der Beleuchtung zu vermeiden.

Ändert sich die Spannung durch Gleichrichtung und Glättung?

Ja, dazu erst einmal ein paar Beispiele:

• Lima-Anlage mit 16V Gleichspannung: bis zu 14,6V am Ausgang.
• Märklin-Anlage mit 16(24)V Wechselspannung: bis zu 32,5V am Ausgang
• digitale Roco-Anlage 15V-Trafo/19V-Booster: 19,1V am Ausgang

Bei Gleichspannung am Eingang ist die Ausgangsspannung um die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden geringer, also zwei mal 0,7V (es sind immer nur zwei Dioden pro Richtung in Durchlass) macht 1,4V bei den hier beschriebenen Kleindioden; bei Verwendung kleiner fertiger Gleichrichterbrücken erhält man ebenfalls einen Spannungsabfall in dieser Höhe.

U_aus = U_ein – 1,4V

Bei Wechselspannung am Eingang wird der Glättungskondensator auf den Scheitelwert der Eingangsspannung aufgeladen. Bei Sinus-Wechselspannung wird der Scheitelwert um Wurzel(2) des Effektivwertes grösser, also etwa Faktor 1,41. Davon muss noch der Spannungsabfall an den Dioden abgezogen werden. Zu beachten dabei ist die Polarisationsumkehr bei Märklin mit einem 24V-Spannungsstoss anstelle der normalerweise höchstens 16V beim Fahren: Auch diese 24V am Eingang erreichen die Beleuchtung, daher kommt es hier zu sehr hohen Spannungen, die von der Beleuchtungselektronik abgefangen werden müssen.

U_aus = U_ein * 1,41 – 1,4V

Bei Digitalspannung wird ein fast rechteckförmiges Signal am Ausgang der Zentrale oder des Boosters abgegeben, so dass es sich zwar hier auch um Wechselspannung handelt aber steile Flanken vorhanden sind und die Frequenz wesentlich höher als bei normaler Wechselspannung ist. Dadurch ist die Ausgangsspannung ebenso hoch wie bei entsprechender Gleichspannung am Eingang.

U_aus = U_ein – 1,4V

Wie schliesse ich die LED an?

Eine Parallelschaltung von LED mit gemeinsamen Vorwiderstand empfiehlt sich nicht, da durch Exemplarstreuungen die LED ungleichmässig belastet werden. Der Vorwiderstand wird recht klein, muss aber wegen dem durchzuleitendem Strom eine relativ hohe Verlustleistung vertragen können, bei 4 LED kann schon mal eine 2W-Ausführung nötig sein! Die Strombelastbarkeit der Gleichrichterdioden muss ebenfalls beachtet werden.

Eine Parallelschaltung von LED mit jeweils eigenem Vorwiderstand ist möglich, macht aber wegen dem höheren Stromverbrauch keinen Sinn.

Eine Reihenschaltung von LED mit gemeinsamen Vorwiderstand hat einen kleineren Stromverbrauch als die anderen Schaltungen, und der Verlust am Widerstand hält sich in Grenzen.

Beleuchtung mit 6 LED

Voraussetzung ist natürlich die Verwendung von ähnlichen LED, wichtig ist der gleiche Betriebsstrom. Wenn beispielsweise ein Zugcafe anders beleuchtet werden soll als die restlichen Abteile, ist zu beachten: ein gemischter Betrieb von 'Normalen', 'High-Effency' und 'Low-Current'-LED ist nicht möglich, hier muss jede Art einen eigenen Stromzweig mit eigenem gemeinsamen Vorwiderstand erhalten!

Welchen Vorwiderstand muss ich nehmen?

Mit der Methode 'eine LED braucht 2V und verbraucht 20mA' hat man zwar recht lange gewerkelt, bei der heutigen Auswahl an verschiedenartigsten LED ist aber ein kurzer Blick ins Datenblatt der verwendeten Typen angeraten, bevor man sich an einen Zusammenbau macht. Auch sollte man mal ohne Last durch Rollmaterial oder Beleuchtungen die maximale zum Gleis führende Spannung messen und für weitere Bastelprojekte notieren. Bei analogen Anlagen sollte das kein Problem werden, ein Meßgerät mit dem hier ausreichend genau zu messen ist bekommt man für unter 5€, es gehört sowieso in jede Bastelkiste. Anders sieht es bei digitalen Anlagen aus, hier kann man entweder teures Meßgerät kaufen, eins selber bauen oder (wie bei allen Anlagen) einfach mal eine Brückenschaltung mit Kondesator fliegend mit Teilen aus dem Vorrat aufbauen aus denen später auch gebaut wird, anschliessen, messen, notieren.

Der Vorwiderstand soll eine bestimmte Spannung abfallen und einen bestimmten Strom fliessen lassen. Für das obige Beispiel mit Zugcafe daher hier die Berechnungen:

Beleuchtung mit verschiedenen LED-Sorten

Das Zugcafe bekommt zwei weiße LED (im Bild innen), lt. Datenblatt 3,5V/30mA. Von den angenommenen 17,6V müssen 10,6V geschluckt werden, bei 30mA macht das rechnerisch 353,33Ohm. Bei ausgesuchten 360Ohm ist der Strom mit 29,4mA nur geringfügig niedriger, was die LED zum annehmbaren Leuchten bringen sollte. Die Verlustleistung am Widerstand sind grob 10,6V * 30mA = 318mW, ein 1/4W-Widerstand reicht hier nicht! Je nach Bastelkisteninhalt kann man hier zwei 180Ohm-Widerstände in Reihe schalten, oder gleich statt 0,04€ teuren 1/4W-Kohleschichtwiderständen mit 5% Toleranz 0,05€ teure 0,6W-Metallschichtwiderstände mit 1% Toleranz verwenden, hier kann man auch gleich den passenderen Wert 357Ohm bestellen.

Die Abteile bekommen vier gelbe Low-Current-LED (im Bild außen), lt. Datenblatt 2,0V/2mA, es müssen also 9,6V verschluckt werden. Bei 2mA macht dass rechnerische 4,8kOhm, ausgesuchte 5,1kOhm ergeben 1,88mA, ausgesuchte (teurere) 4,87kOhm lassen 1,97 mA fließen. Die Verlustleistung ist unter 20mW, hier könnte man schon SMD-Widerstände benutzen.

Die LED werden im Analogbetrieb bei langsamer Fahrt dunkler!

LED mit einfacher Stromquelle

Das ist der Nachteil der bisher vorgestellten Schaltungen. Eine sehr einfache Schaltung mit einem Feldeffekttransistor sorgt für einen festgelegten maximalen LED-Strom. Ausgenutzt wird der Effekt eines FET, bei kurzgeschlossenem Gate nur einen bestimmten Strom fliessen zu lassen. Beim BF256A sind es 6mA, beim BF256B 12mA, beim BF256C 16mA.

LED mit veränderbarer Stromquelle

Passen die Ströme nicht zu den LED, hilft die Standard-Stromquelle weiter, bei der sich der Strom verändern läßt. Hier übernehmen zwei NPN-Transistoren BC548 die Regelung, mit R = 0,6 / I (I in A) bzw. R = 600 / I (I in mA) ist der benötigte Widerstand schnell berechnet, für die 2mA-LED zum Beispiel rechnerisch 300Ohm, wem der 300Ohm-Widerstand zu teuer ist probiert 270Ohm (2,22mA) oder 330Ohm (1,81mA) aus.

Und wenn die Beleuchtung auch beim Zughalt leuchten soll?

Ein großer Stützkondensator hilft, aber der Platz ist leider begrenzt, daher verwendet man Doppelschichtkondensatoren, sogenannte GoldCaps. Die haben extrem hohe Kapazitäten, vertragen aber nur Spannungen von 2,5 oder 5,5V (je nach Typ). Eine Reihenschaltung zur Spannungserhöhung endet meist mit dem vorzeitigen Ableben der GoldCaps und wird daher nicht empfohlen. Eine Schutzschaltung mit parallel zu den GoldCaps geschalteten Widerständen funktioniert zwar, läßt aber die verfügbare Kapazität dahinschmelzen.

GoldCap und Ladeschaltung

In der nebenstehenden Schaltung sorgt der Spannungsregler zusammen mit der Diode in seinem Massezweig für maximal 5,7V Ladespannung für den GoldCap. Die Diode über dem Spannungsregler schützt diesen bei fehlender Eingangsspannung vor dem Rückschlag des GoldCap. Der Widerstand rechts ist der Vorwiderstand für die LED. Der Widerstand im unteren Zweig sorgt für eine Ladestrombegrenzung. Der GoldCap braucht sie nicht, dem Spannungsregler ist es dagegen sehr recht, und der Modellbahner freut sich über den verschwundenen Einschaltstromstoß (Kurzschlußerkennung!).

Beleuchtung von Gebäuden

Gebäude kann man auf klassische Weise mittels kleiner Glühbirnchen beleuchten. Stromsparender, ausfallsicherer und weniger Wärme produzierender sind auch hier LED. Da LED etwas schwächer sind und nicht so schön rundherum leuchten wie Glühbirnen, sind auch mal mehrere LED pro Gebäude sinnvoll. Wenn man schon dabei ist, kann man Gebäude gleich mit Karton in Räume aufteilen, so daß sich ein belebtes Haus simulieren läßt.

Sollen die beleuchteten Gebäude abnehmbar sein, wird der Anschluß steckbar ausgeführt.

Beleuchtung der Strecke

Wenn statt Glühbirnchen LED verwendet werden, sollte man weiße LED nehmen und darauf achten, daß der Abstrahlwinkel möglichst hoch ist.

Fahrtrichtungsabhängige Beleuchtung

Wenn Wert auf die Fahrtrichtungsabhängige Beleuchtung oder die digitale Steuerung der Beleuchtung gelegt wird, ist ein Decoder abhängig vom verwendeten System zu verwenden. Schutzschaltungen sind dort in der Regel integriert, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.