Hallo!
Im Thread 4010-freak's Züge und Modellverbesserungen habe ich bereits den einen oder anderen Wagen vorgestellt, der als Abschluss der Superungs-Arbeiten eine Innenbeleuchtung spendiert bekommen hat.
Gelegentliche Anfragen, wie ich die Innenbeleuchtungen realisiert habe, haben mich dazu veranlasst, diesem Thema einen eigenen Bericht zu widmen.
Auf dem Markt gibt es zahlreiche mehr oder weniger fertige Beleuchtungssätze für Reisezugwagen, die je nach Funktionsumfang ganz schön ins Geld gehen können – mehr als eine Hand voll Wagen zu beleuchten kann da ein tiefes Loch ins Budget reißen. Deshalb und weil mir das Entwickeln und Basteln von Schaltungen ohnehin Spaß macht, habe ich mich für eine Eigenbau-Lösung entschieden.
Folgende Anforderungen waren zu erfüllen:
- Helligkeit unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit (ich fahre ja immer noch analog und das wird sich in absehbarer Zeit auch nicht ändern)
- kein Flackern bei Weichenstraßen etc.
- möglichst preisgünstig
- möglichst einfacher Aufbau
- falls ich irgendwann doch auf digital umstellen sollte, soll die Beleuchtung weiter verwendbar sein
Wie diese Anforderungen erfüllt werden können, werde ich in den nächsten Absätzen relativ ausführlich beschreiben. Wer die Ausführungen zu langwierig findet, kann sie ja überspringen und im nächsten Posting weiterlesen – da berichte ich dann über die Arbeiten an den Wagen selbst.
Die Anforderungen 'günstig' und 'einfach' lassen sich wohl am besten mit LED-Stripes, die es bei diversen Internet-Händlern um wenig Geld als Meterware gibt, unter einen Hut bringen.
Diese Streifen haben alle paar Zentimeter Stellen, an denen man sie kürzen kann, und können so leicht an die Wagenlänge angepasst werden. Je nach Bezugsquelle und Wagenlänge kommt man so auf einen Preis von etwa 50 Cent bis 1 Euro pro Wagen; gemeinsam mit den weiteren Komponenten ergibt sich ein Gesamtpreis in der Größenordnung von etwa 2€ pro Wagen. Ich denke, dass das kaum zu unterbieten ist.
Für eine gleichbleibende Helligkeit musste eine Schaltung her, die die Spannung an den LEDs ab einem gewissen Schwellenwert konstant hält. (Im Stillstand und bei ganz langsamer Fahrt leuchtet natürlich trotzdem nix, aber das ist halt der Preis für meine "Digitalverweigerung".) Um das zu erreichen, bieten sich elektronische Spannungsregler an, die es als integrierte Schaltung zu kaufen gibt – weit verbreitet sind die Bauteile aus der LM78xx-Serie.
Diese Bauteile sorgen dafür, dass eine Eingangsspannung von mehr als z.B. 5V auf genau 5V reduziert wird. Liegen am Eingang weniger als 5V an, wird die Eingangsspannung quasi direkt zum Ausgang "durchgereicht".
Ein klassischer Modellbahntrafo transformiert die (näherungsweise) sinusförmige Netzspannung auf einen niedrigeren Spannungswert und erzeugt anschließend durch Gleichrichten eine sogenannte pulsierende Gleichspannung. Schließt man die LEDs nun direkt ans Gleis an, ergibt sich am Leuchtmittel der hellrote Spannungsverlauf. Wenn man einen LM7805-Spannungsregler dazwischenschaltet, ergibt sich hingegen der dunkelrote Spannungsverlauf.
Das menschliche Auge nimmt die mit der Änderung des Spannungswertes einhergehende permanente Helligkeitsänderung nicht wahr – die Änderungen spielen sich im Millisekundenbereich ab. Die von unserem Auge wahrgenommene Helligkeit hängt nur vom zeitlichen Mittelwert der Spannung ab. Allerdings ist dieser Durchschnittswert trotz Spannungsregler noch nicht unabhängig von der Eingangsspannung: Reduziert man nämlich die Spannung am Gleis, erhält man die blau dargestellten Spannungsverläufe; der zeitliche Mittelwert der dunkelblauen Kurve liegt unter dem der dunkelroten. Dem Ziel einer konstanten Helligkeit ist man also mit einem Spannungsregler alleine schon deutlich näher gekommen, erreicht hat man es allerdings noch nicht.
Abhilfe schafft der Einsatz eines Kondensators, der im Wagen noch vor dem Spannungsregler positioniert wird und die pulsierende Gleichspannung glättet. Während des steigenden Verlaufs der Spannung am Gleis wird er geladen, anschließend beziehen die LEDs ihre Energie vom Kondensator statt vom Gleis – und zwar so lange, bis die Spannung am Gleis die (mittlerweile gesunkene) Spannung am Kondensator wieder übersteigt. Dann lädt der Kondensator erneut und die Prozedur beginnt von vorne. Wenn der Kondensator ausreichend groß dimensioniert ist, fällt die Kondensatorspannung nicht unter den Schwellenwert von z.B. 5V und der Spannungsregler kann wie vorgesehen arbeiten und die Spannung an den LEDs auf konstant 5V halten.
Es können sogar kurze Unterbrechungen, wie sie z.B. bei nicht polarisierten Herzstücken oder bei Kontaktschwierigkeiten auftreten, überbrückt werden. Damit ist also die Anforderung 'flackerfrei' auch erfüllt.
Nur: Was ist "ausreichend groß"? Einen Kondensator mit zu hoher Kapazität gibt es in diesem Fall nicht, denn je größer sie ist, desto längere Unterbrechungen können überbrückt werden. Limitierend ist lediglich der im Wagen zur Verfügung stehende Platz.
Die Baugröße eines Kondensators hängt von der Spannungsfestigkeit und von der Kapazität ab – je höher diese Werte sind, desto größer ist das Bauteil. Optimal ist ein Kondensator mit der kleinstmöglichen Spannungsfestigkeit (hängt von der maximalen Spannung am Gleis ab) und der größtmöglichen Kapazität, sodass er sich im Wagen noch verstecken lässt. Aber Achtung: Wenn man am Gleis mit einem handelsüblichen Messgerät eine maximale Spannung von z.B. 17V misst, ist ein Kondensator mit einer Spannungsfestigkeit von 17V NICHT ausreichend – die meisten Messgeräte messen nämlich den Effektivwert und nicht den Spitzenwert der zu messenden Größe. Ausschlaggebend für die Spannungsfestigkeit ist allerdings der Spitzenwert – bei sinusförmigen Größen kann er aus dem Effektivwert mit dem Faktor √2 ≈ 1,414 errechnet werden. Aus einem Effektivwert von 17V folgt also ein Spitzenwert von etwa 24V.
Bei meinen Wagen habe ich, je nach Platzverhältnissen, Elektrolyt-Kondensatoren mit 220µF/25V oder mit 470µF/25V im Einsatz.
Die nächste Frage ist: Welchen Spannungsregler soll man genau nehmen? Sprich: Wie hoch soll die Schwellenspannung, ab der die Beleuchtung immer gleich hell ist, sein? Wünschenswert wäre ein möglichst niedriger Wert, sodass die Wagen bereits bei möglichst geringer Fahrgeschwindigkeit mit voller Helligkeit leuchten.
Die LED-Stripes sind normalerweise auf eine Betriebsspannung von 12V ausgelegt. Wenn man sie tatsächlich mit dieser Spannung betreibt, sind sie für Modellbahn-Beleuchtungszwecke viel zu hell; abgesehen davon ist ein Zug mit 12V schon ordentlich schnell. Ein deutlich niedrigerer Schwellenwert wäre also anzustreben. Leider kann man mit dem Schwellenwert ohne weitere Maßnahmen nicht beliebig weit hinuntergehen – die LED-Streifen sind nämlich in einzelne Segmente aufgeteilt, die aus je drei in Serie geschalteten LEDs und einem Vorwiderstand bestehen.
Jede LED hat eine Durchlassspannung von knapp 3V; wenn die unterschritten wird, bleibt die Leuchtdiode finster. Ich habe daher bei jeder Dreiergruppe eine LED ausgebaut und durch ein Stück Draht ersetzt. Dadurch konnte ich die Spannung, die das LED-Band mindestens zum Leuchten braucht, von 3x Durchlassspannung auf 2x Durchlassspannung – also knapp 6V – reduzieren. Die LED-Bänder geben auch mit der um ein Drittel reduzierten Anzahl an LEDs noch ausreichend Licht ab, um einen Wagen gleichmäßig ausleuchten zu können.
Eine noch niedrigere Schwellenspannung von z.B. 3V wäre zwar noch besser, aber dann müsste ich schon zwei von drei LEDs ausbauen – ob die Lichtbänder dann noch gleichmäßig genug leuchten würden, wage ich allerdings zu bezweifeln. Dann wäre es wohl sinnvoller, statt der Verwendung von LED-Stripes gleich selbst einzelne LEDs auf einer Lochrasterplatine anzuordnen – was die ganze Sache wieder recht aufwendig machen würde. Die 6V sind daher in meinen Augen ein ganz brauchbarer Kompromiss…
Die zwei LEDs pro Segment leuchten mit 6V für meinen Geschmack eine Spur zu hell. Aber mit 5V wird die Durchlassspannung unterschritten und es leuchtet gar nix; Spannungsregler, die einen Wert zwischen 5V und 6V "herstellen" können, gibt es nicht – also bleibt nichts anderes übrig, als den Spannungsregler für 6V zu nehmen und die Helligkeit mit einem Vorwiderstand zu reduzieren. Um nicht den SMD-Widerstand auf jedem einzelnen Segment austauschen zu müssen, habe ich einfach einen Widerstand zwischen Spannungsregler und LED-Band eingebaut – das ist nicht die eleganteste Variante, aber sie funktioniert. Wie groß der Vorwiderstand sein soll, hängt davon ab, wie hell der Wagen schlussendlich leuchten soll – ich verwende bei "normalen" vierachsigen Wagen 100Ω, bei besonders kurzen Wagen, in denen sich weniger Segmente des LED-Bandes befinden und die daher auch weniger Strom verbrauchen, auch etwas größere Widerstände.
Zu guter Letzt braucht man noch einen Gleichrichter, ein paar möglichst dünne Kabel und eventuell Radschleifer für die Stromabnahme.
Zusammenfassend noch eine Auflistung der benötigten Komponenten:
- LED-Streifen
- Vorwiderstand (z.B. 100Ω)
- Spannungsregler (z.B. LM7806)
- Elektrolytkondensator (z.B. 220µF/25V)
- SMD Brückengleichrichter
- ev. Radschleifer aus Messing oder Federbronze
Die Schaltung, die damit aufgebaut wird, schaut so aus:
Ich hoffe, ich habe euch mit der Theorie nicht zu sehr gelangweilt – im nächsten Posting gehts dann um die praktische Umsetzung.