Sie eignet sich für Wagen von bis zu 14cm Innenraumlänge. Für längere Wagen können mehrere parallel geschaltet werden. Die Anordnung der LEDs ist frei, es können maximal sechs Stück verwendet werden. Auch Pufferkondensatoren können nahezu beliebig plaziert werden.
Schaltplan
Letzte Woche haben wir eine Schaltung gesehen,die die Helligkeit der Beleuchtung konstant hält, indem sie den Strom durch die LEDs stabilisiert. Um das begrenzte Kondensatorvolumen optimal auszunutzen, sollte die Konstantstromquelle selbst nur eine geringe Spannung benötigen. Anhand der Formeln im Anhang kann dies nachgerechnet werden.
Zenerdioden für weniger als 2,7V sind selten, auch wenn es bei Conrad mittlerweile sogar eine Variante für 1V gibt. Transistoren hingegen gehören zur Standardausrüstung des Elektronikbastlers. Diese Schaltung verwendet den BC817-40, doch auch andere Universaltypen sind einsetzbar. Wenden wir uns zunächst dem rechten LED-Strang mit den Transistoren T1 und T2 zu!
Die Spannung an R1 beträgt 0,6V. Jede Steigerung hätte zur Folge, dass T2 die Basis von T1 auf niedrigeres Potential ziehen würde, wodurch der Strom durch T1 abnähme.
Da mehrere LED-Stränge vorhanden sind, braucht jeder einen eigenen Widerstand und Transistor. Die Basen können allerdings miteinander verbunden werden, und somit braucht es nur einen Basiswiderstand R2 und nur einen zusätzlichen Transistor T3. Das geht allerdings auch mit Zenerdiode:
Das Prinzip ist vom Stromspiegel bekannt. Eine solche Konstantstromquelle hält die Helligkeit sogar dann konstant, wenn in beiden Strängen unterschiedlich viele LEDs verbaut sind. Erst wenn die Kondensatorspannung stark gesunken ist, macht sich ein Unterschied bemerkbar.
Die Widerstandswerte sind: R0 = 18Ω, R1 = R3 = 270Ω und R2 = 18kΩ bei drei Transistoren. Bei Der Zenerdiode empfiehlt sich R1 = R3 = 680Ω.
Räumliche Anordnung
Die Unterseite steht komplett für die Plazierung der LEDs zur Verfügung. Diese können durch die schräge Anordnung der Leiterflächen in Längsrichtung frei positioniert werden. Dabei ist Platz für zwei Reihen von jeweils bis zu drei LEDs.
Alle Halbleiter und Widerstände sitzen an der Oberseite. Um beliebige Plazierung des Kondensators zu ermöglichen, sind die Leiterbahnen für Plus- und Minuspol über die gesamte Platinenlänge durchgezogen und markiert.
In der Regel wird man einen herkömmlichen, bedrahteten Kondensator unter dem Dach unterbringen. Alternativ kann man ihn oft auch in der Toilette verstecken. Wenn beide Möglichkeiten nicht infrage kommen, kann man es immer noch mit SMD-Kondensatoren versuchen; bei beschränkter Bauhöhe ist das aber ein teures Vergnügen - selbst wenn man in großen Stückzahlen kauft.
In langen Wagen kann man auch zwei Lichtplatinen einsetzen. Wenn man sie an Plus- und Minuspol miteinander verbindet, braucht man nur einen Gleichrichter und auch die Kondensatoren werden von beiden Beleuchtungen geteilt.
Einbau in einen Umbauwagen
Beim dreiachsigen Umbauwagen entschied ich mich für vier LEDs. Zwei weitere wären möglich, wurden aber durch Drahtbrücken ersetzt. Die Platine ist im Verhältnis zur Wagenlänge schon recht kurz. In Zukunft könnte ich zu einer kürzbaren 16cm-Variante übergehen. Dafür lässt sich ein großer Kondensator (1000µF) unterbringen.
Eine Messung ergab einen Strom von ca. 220µA. Genug, um den Wagen komplett auszuleuchten. Allerdings ist die Wirkung noch ein wenig ungleichmäßig. Ich habe immer noch die Möglichkeit, von vier LEDs auf sechs zu wechseln.
Ich empfehle, bei der Auswahl der LEDs auf einen breiten Abstrahlwinkel und die passende Lichtfarbe zu achten. Weitere Ratschläge möchte ich dazu nicht geben; andere haben sich sicherlich intensiver mit dieser Materie auseinandergesetzt.
Ausblick
Umbauwagen treten bekanntlich paarweise auf. Für den zweiten Wagen habe ich den Decoder vorgesehen, der die Beleuchtung im ganzen Zug schalten wird. Ihn werde ich voraussichtlich in der zweiten Novemberhälfte fertigstellen.
Anhang: Reihen- und Parallelschaltung von LEDs
Wieviele LEDs man in Reihe schalten sollte, um den Kondensator optimal auszunutzen, lässt sich berechnen. Bei einer Stromunterbrechung bleibt der Strom ID zunächst konstant, während die Kondensatorspannung UC langsam abnimmt.
UC = UD + UT1 + UR1
Die Höhe von UR1 beträgt 0,6V, wie schon angegeben. (Oder 1,8V bei der Lösung mit 2,7V-Zenerdiode.) UD hängt nichtlinear vom LED-Betriebsstrom ID ab, man rechnet mit etwa 2,7V pro Diode. Alle Spannung, die auf UC noch fehlt, ist UT1, und sie steigt und sinkt mit UC.
Doch UT1 kann nicht beliebig klein werden. Wenn sie unter 0,2V fällt, dann wird unser Strom ID zu einem Rinnsal. Das ist der Punkt, ab dem die Helligkeit nachlässt. Die Zeitspanne bis zu seinem Eintritt errechnen wir:
t = (UC,max - UD - UT1,min - UR1)*C/(n * ID)
≈ (18V - k*2,7V - 0,2V - 0,6V)*C/(n * ID)
≈ (17,2V - k*2,7V)*C/(n * ID)
Man beachte, dass der Betriebsstrom ID und die Kapazität C nicht bekannt sein müssen. Wichtig ist aber UC,max, die Betriebsspannung der Anlage abzüglich der Durchlassverluste des Gleichrichters. Bei Märklinbahnen kann man mit 18V rechnen, aber wer es genau wissen will, misst nach.
n ist die Anzahl der LED-Stränge.
k ist die Anzahl der LEDs pro Strang.
Beide Zahlen kann man variieren, um die optimale Konfiguration zu finden. Beispielsweise könnte ich die 4 LEDs des Umbauwagens in Reihe schalten (k = 4, n = 1), Dann bekäme ich als Zeit:
t ≈ (17,2V - 4*2,7V)*C/(1 * ID) = 6,4V*C/ID
Alternativ prüfe ich die Reihenschaltung von je zwei LEDs (k = 2, n = 2):
t ≈ (17,2V - 2*2,7V)*C/(2 * ID) = 5,9V*C/ID
Man sieht, dass ich mich bei meinem Umbauwagen nicht für die optimale Lösung entschieden habe. Mit einer Viererreihe würde die Beleuchtung 8,4% länger konstant leuchten. Die Platine brauche ich dennoch nicht zu verwerfen. Mit sechs LEDs sieht die Lage nämlich schon wieder ganz anders aus, der Leser möge sich durch Nachrechnen selbst überzeugen.
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