Flackerfreie Innenbeleuchtung

Heute zeige ich, wie man eine flackerfreie Innenbeleuchtung aus wenigen Elementen selbst baut. Dabei lege ich besonderen Wert auf optimale Ausnutzung des Kondensators, denn dieser nimmt am meisten Bauraum ein.

Die Schaltung ist für Drei- und Zweileiterbahnen die gleiche. Allerdings sollte die Dimensionierung der Betriebsspannung angepasst werden. Bei einer digitalen Märklinbahn rechne ich mit mindestens 18V. Für analoge Anlagen ist die Schaltung eher ungeeignet, da sie erst ab mittleren Spannungen gleichbleibende Helligkeit sichert.

Gleichrichter, Kondensator und Ladestrombegrenzung

Jede zeitgemäße Wagenbeleuchtung wird LEDs verwenden, da ihr Wirkungsgrad um ein Vielfaches höher ist als der von Glühlampen. Sowohl die Digitalzentrale als auch der Kondensator im Fahrzeug werden damit entlastet. In der Regel liegt der Stromverbrauch einer warmweißen LED im Fahrzeug bei unter 3mA; höhere Ströme sind nicht sinnvoll, da die Beleuchtung unrealistisch hell würde.

Und da sowohl LEDs als auch Kondensator Gleichspannung benötigen, werden sie über einen Gleichrichter versorgt. Standardtypen gibt es für wenig Geld. Wenn es ganz kompakt sein soll, dann tun es auch Schottky-Doppeldioden; hier bietet es sich an, komplementäre Typen zu verwenden, also einmal mit gemeinsamer Anode und einmal mit gemeinsamer Kathode.

Der Einweggleichrichter ist ebenfalls sinnvoll. Falls man auf Kontaktstrecken den Diodentrick anwendet, sollte man sicherstellen, dass die Beleuchtung die Halbwelle ausnutzt, die auf beiden Schienen verfügbar ist, d.h. die Kathode von D1 zeigt zum Mittelschleifer.

Als Kondensator kommt nur ein Elko infrage, denn nur dieser bietet die notwendige Kapazität. Man darf bei ihm auf keinen Fall Plus- und Minuspol vertauschen, da er andernfalls explodieren kann. Davon abgesehen muss er auf mindestens 25V ausgelegt sein. Bei gelegentlichen Analogbetrieb auf Märklinanlagen sind sogar 40V nötig, da beim Fahrtrichtungsumschaltimpuls hohe Spannungsspitzen auftreten. Die Kapazität sollte etwa 100µF bis 330µF betragen. Höhere Werte schaden nicht.

Unmittelbar nach dem Einschalten wirkt ein Kondensator wie ein Kurzschluss. Das kann den Überlastschutz der Zentrale auslösen oder die Gleichrichterdioden zerstören. Also muss der Strom durch einen Widerstand R0 begrenzt werden. Bei 20V Betriebsspannung und 33Ω Widerstand können höchstens 600mA Strom fließen, was ungefährlich ist. Im Dauerbetrieb mit 2,5mA Betriebsstrom fallen hingegen nur 0,08V am Widerstand ab.

Vorteile einer Stromregelung

Schon ein einfacher Pufferkondensator reduziert das Flackern sehr stark, aber man kann es immer noch wahrnehmen. Die Beleuchtung fällt bei einer Stromunterbrechung zwar nicht ganz aus, aber sie wird merklich dunkler. Eine Stromregelung hingegen eliminiert das Flackern ganz.

Darüber hinaus hält sie die Helligkeit auch bei Schwankungen der Betriebsspannungen konstant. Diese treten vor allem dann auf, wenn Magnetartikel aus dem Gleis versorgt werden. Herkömmliche Beleuchtungen werden dann bei jedem Schaltvorgang kurz dunkler; denen mit Stromregelung sieht man gar nichts an.

Die Regelung hilft allerdings nicht gegen lange Stromunterbrechungen. Dort ist die Kapazität des Kondensators ausschlaggebend, und Lösungen mit Goldcap erzielen dann eine lange Nachleuchtdauer. Im Digitalbetrieb ist diese jedoch irrelevant, daher werden sie hier nicht behandelt.

Konstantstromquelle mit Bipolartransistor

Bei den oben gezeigten Schaltungen wird der LED-Strom über einen Vorwiderstand eingestellt. Der Nachteil ist, dass Schwankungen der Eingangsspannung sich unmittelbar auf den Strom auswirken und als Schwankungen der Helligkeit sichtbar werden.

Man könnte die Spannung mit einem Linearregler stabilisieren, doch dann hätte man zwei Elemente, an denen zwar Spannung abfällt, die aber keine Helligkeit liefern. Der Linearregler 7809 hält die Spannung am LED-Streifen bei konstant 9V, aber nur solange die Kondensatorspannung oberhalb von ca. 12V liegt. Nicht dargestellt sind zusätzliche Kondensatoren an Ein- und Ausgang, die beim 7809 empfohlen werden.

Besser ist es, die Spannung direkt an R1 zu stabilisieren. Dazu dient der Transistor T1. In Kombination mit einer Zenerdiode (2,7V) und dem Basiswiderstand R2 (33kΩ) stellt er sicher, dass an R1 nahezu ständig 2V anliegen. (Gemessen habe ich 1,8V an R1 und 2,4V an D1.)

Der Strom durch den Widerstand kommt fast ausschließlich über die LEDs. Der Strom über die Transistorbasis ist vernachlässigbar. Daher richtet sich der Widerstandswert von R1 nach dem gewünschten LED-Strom. Und da nutzen wir das ohmsche Gesetz, also beispielsweise für 1mA Betriebsstrom:

R = U/I = 1,8V/0,001A = 1800Ω

Ich verwende meistens 680Ω für 2,6mA Betriebsstrom. Je nach LED-Typ und gewünschter Helligkeit kann man hier variieren. Hier ist ein Bild eines Wagens, der die gezeigte Schaltung auf einer Platine trägt:

Wie man am Titelbild sehen kann, ist es auch möglich, die Beleuchtung aus bedrahteten Elementen herzustellen. Die LEDs strahlen nach oben, ihr Licht wird von am Dach angebrachter Alufolie reflektiert und somit besonders gut gestreut

Stückliste

Die Liste enthält die bedrahteten Bauelemente, die man zum Nachbau der Beleuchtung braucht. LEDs habe ich allerdings nicht angegeben, da hier die Ansprüche sehr weit auseinander gehen. Ob warm- oder kaltweiß, bedrahtet oder SMD sollte jeder Anwender selbst wissen. Ich beziehe meine LEDs von Ledbaron oder Conrad.

Element	Details	Conrad-Nr.	Preis
Gleichrichter	B40D, max. 0,8A	501204	0,10 €
Kondensator	35V, 100µF, 6x11mm	445216	0,08 €
Widerstand R0	0204, 33Ω	400076	0,11 €
Widerstand R1	0204, 680Ω	400238	0,11 €
Widerstand R2	0204, 33kΩ	400432	0,11 €
Transistor	BC337-40	140536	0,08 €
Zener-Diode	2,7V	180025	0,11 €

Verwendung von LED-Streifen

Ein handelsüblicher LED-Streifen kann ohne weitere Maßnahmen mit der Konstantstromquelle betrieben werden. Es ist aber empfehlenswert, den ab Werk vorhandenen Widerstand durch eine Drahtbrücke zu ersetzen, da er nur unnötige Verluste erzeugt.

Mehrere LED-Streifen kann man bedenkenlos parallel schalten, wenn jeder seine eigene Konstantstromquelle erhält. Wie man dabei Bauteile sparen kann, werde ich kommende Woche erläutern.

Einstellbare Helligkeit

Falls die Beleuchtung nicht die gewünschte Helligkeit hat, kann man dies mit einem zusätzlichen Poti korrigieren. In diesem Fall mus R1 nur nach dem maximal zulässigen Betriebsstrom der LEDs bemessen werden. Wenn dieser 20mA beträgt, reichen 120Ω. Das Poti bemisst man hingegen nach dem minimalen Betriebsstrom, also z.B. 22kΩ für 100µA.

Wer einen kleineren Einstellbereich wählt, kann die Helligkeit genauer dosieren. Das Poti kann man auch für einen Prototypen verwenden. Wenn man den optimalen Widerstandswert gefunden hat, baut man ihn in der Serie als festen Widerstand ein. (Den Wert misst man mit dem Multimeter im spannungsfreien Zustand, andernfalls kann das Messgerät Schaden nehmen.)

Da die Verlustleistung sehr gering ist, kann man die Widerstände und Potis nach ihrem Platzbedarf aussuchen.

Ausblick

Mit den gängigen Zenerdioden liegt der Spannungsabfall durch die Stromregelung immer noch bei mindestens 2V. Noch niedriger wird es mit einer Konstantstromquelle aus zwei Bipolartransistoren. Diese werde ich kommende Woche vorstellen.

Ebenso werde ich zeigen, wie man für eine gegebene Anzahl von LEDs die optimale Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung errechnet. Auch werde ich weitere Beispiele zur Dimensionierung

Ich werde auf dieser Basis eine Lichtplatine entwickeln, die man in verschiedenen Personenwagen einsetzten kann. Dabei lege ich großen Wert darauf, dass sie leicht anpassbar ist im Bezug auf Länge, Lage des Kondensators, Anzahl der LEDs und deren Positionierung. Eine verkürzte Variante, die gemeinsam mit LED-Streifen verwendet wird, ist auch möglich.