Modellbahn-Elektrotechnik
Beleuchtung
Modellbahn wird durch Beleuchtung erst schön
Viele Modellbahnanlagen spiegeln die vollen 24 Stunden des Betriebsablaufs wieder, also auch die Nachtstunden. Gerade der Nachtbetrieb ist bei Betrachtern einer Anlage sehr beliebt, weil es romantisch wirkt, wenn der beleuchtete Zug durch die dunkle Landschaft fährt, aber auch die beleuchteten Häuser, Straßen und Bahnsteige haben ihren besonderen Reiz, ebenso mit Scheinwerfern und Rücklichtern versehene Autos und natürlich blaue und gelbe Blinklichter an Einsatzfahrzeugen. Beim Nachtbetrieb kommen auch die Lichtsignale und Verkehrsampeln wesentlich besser zur Geltung als im Hellen. Da Lampen im Gegensatz zur sonstigen Elektrik und Elektronik sehr gut auf der Anlage zu erkennen sind, kommen in diesem Zusammenhang auch Gestaltungsfragen zur Sprache.
Lampenspannung ermitteln
Die Betriebsspannung für Modellbahnbeleuchtung liegt standardmäßig bei 12 bis 16 V, doch Sie können auch Lampen mit anderer Nennspannung einsetzen. Die Schwierigkeit dabei ist zunächst, wie sich die Nennspannung überhaupt ermitteln lässt, denn nur selten ist sie aufgedruckt oder in den Sockel geprägt. Sobald das Verpackungstütchen nicht mehr greifbar und seine Beschriftung der Erinnerung entglitten ist, müssen wir den Wert empirisch ermitteln. Zum Glück steht uns Modellbahnern dafür mit dem Fahrtrafo ein gutes Hilfsmittel zur Verfügung.
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Dazu wird das Testobjekt zwischen die Anschlüsse der Fahrspannung geklemmt und danach der Fahrregler langsam aufgedreht, bis die Lampe hell, aber nicht zu hell leuchtet. Anschließend messen Sie mit einem Multimeter die Ausgangsspannung des Fahrtrafos und schon wissen Sie mehr über die Nennspannung der Lampe.
Lampen gegen LED austauschen
Kleine Glühfadenlampen für Modellbauzwecke sind seit einiger Zeit durch Leuchtdioden abgelöst worden. In älteren Fahrzeugen spielen sie aber immer noch eine Rolle und werden hier nicht vollständig ausgeklammert.
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Sie können gängige Glühlampen gegen sockelgleiche Leuchtdioden austauschen, bei denen der notwendige Vorwiderstand bereits im Sockel integriert ist.
Ungesockelte LED mit 5mm- oder 3mm-Dom lassen sich bequem in die Auslässe von Modellscheinwerfern einpassen. Hier müssen Sie aber für die Absicherung durch einen Vorwiderstand selbst sorgen.
Achten Sie beim Austausch von Soffittenlampen auf den richtigen LED-Typ. Es gibt sie rundum (Filament) oder seitlich (evtl. auch beidseitig) abstrahlend. Welche in Betracht kommt, ergibt sich aus dem Einsatzzweck.
Vorwiderstände für Leuchtdioden berechnen
Eine wesentliche Betriebsbedingung gilt es unbedingt zu beachten: Leuchtdioden müssen gegen zu hohen Stromfluss geschützt werden! Am einfachsten erreichen wir diesen Schutz mit einem in Reihe geschalteten Widerstand.
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Die Berechnung des Widerstandswerts ist für Elektronik-Einsteiger anfangs noch geheimnisvoll, aber mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes sehr leicht zu verstehen. Zehntel- oder Achtel-Watt-Widerstände sind hier genau richtig.
Ausgangswerte sind die Betriebsspannung und die Durchlassspannung der LED.
Im Gegensatz zur normalen Diode ist die Durchlassspannung nicht einheitlich. Achten Sie bei speziellen, weißen, blauen und superhellen LED auf die technischen Daten!
Bei den Standardtypen (Domform in gelb, rot grün) müssen Sie es nicht allzu genau nehmen, rechnen Sie mit einem durchschnittlichen Spannungsabfall von 2 bis 2,5 V. Diese ziehen Sie von der Betriebsspannung ab und dividieren die Differenz durch den Strom, der durch die Leuchtdiode fließen soll. Das sind in der Regel 15 bis 30 mA. Es gibt auch besonders stromsparende Formen, die schon mit 1 bis 2 mA auskommen; für jene müssen Sie dann natürlich diesen Wert als Divisor einsetzen. Das Ergebnis ist der Wert des Schutzwiderstands, landläufig LED-Vorwiderstand genannt. Für 12 V Betriebsspannung rechnen Sie also wie folgt: (12 – 2) ÷ 0,02 = 500.
Da es in der E12-Reihe den Wert 500 nicht gibt, nehmen wir den nächst höheren Standard-Widerstandswert, also 560 Ω. Zumindest für die gängigen 20 mA-Typen kann man sich die Rechnerei angesichts der Toleranz der E‑Reihen mit dieser Faustformel vereinfachen: Betriebsspannung mal 50.
Bei den in unserem Hobby üblichen Spannungen sind Sie mit 1 kΩ (braun, schwarz, rot) meist im sicheren Bereich.
Nicht geizen bei Vorwiderständen an Signalen!
Falsche Sparsamkeit kann zur schlechten Ausnutzung des Lichts von Leuchtdioden führen. Lichtsignale werden fast ausschließlich mit Leuchtdioden bestückt. Selbstverständlich gehört auch ein Vorwiderstand dazu, aber häufig findet man den im gemeinsamen Rückleiter, doch da ist er völlig fehl am Platz, jedenfalls immer dann, wenn die Signalbilder unterschiedliche Zahlen von Lichtern benutzen – was bei dreibegriffigen Signalen ja nun mal vorkommt.
Für unsere Fragestellung sind die Stromflüsse durch den Rückleiter bei unterschiedlichen Signalbildern interessant, wobei der Einfachheit halber einheitlich 20 mA und 2 V für alle drei LED unterstellt werden. Hp 0 ist unproblematisch, da leuchtet nur rot, es fließt ein Strom von 20 mA. Ebenso eindeutig ist es bei Hp 1, denn nur grün leuchtet, also der identische Fall. Für Hp 0 und Hp 1 wäre der Widerstand als wie folgt zu berechnen:
(12 V – 2 V) : 0,02 A = 500 Ω
Bei Hp 2 allerdings wird die gelbe LED dazu geschaltet, sie liegt parallel zur ebenfalls leuchtenden grünen, beide verbrauchen 20 mA, was bei Parallelschaltung zu einem Strom von 40 mA durch den Rückleiter führt. Der hierfür maßgebliche Widerstand dürfte also nur noch 250 Ω betragen. Der wäre aber für die anderen beiden Signalbilder zu gering, die LED könnten Schaden nehmen; deshalb wird der für Hp 2 zu hohe Widerstand eingesetzt mit dem Erfolg, dass sich dann grüne und gelbe LED den Strom von 20 mA teilen müssen und nicht so hell leuchten.
Korrekt ist es, drei Vorwiderstände in die Einzelleitungen der Leuchtdioden zu schalten, wie es die rechte Abbildung zeigt.
(Die drei Leuchtdioden in einem Hauptsignal mit Hp 0, Hp 1 und Hp 2 sind parallel geschaltet, damit sie unabhängig voneinander angesteuert werden können. Ganz so unabhängig allerdings auch wieder nicht, denn die gelbe LED darf nur zusammen mit der grünen leuchten, niemals allein, niemals mit der roten. Diesem Erfordernis der ESO kommt die abhängige Verbindung des rechten Schalters nach.)
LED im Wechselstromkreis
Auch wenn die Leuchtdiode zur Gattung der Dioden gehört und ihr Symbol vom Diodensymbol abgeleitet ist, ist sie doch nicht völlig mit ihrer nicht leuchtenden Schwester zu vergleichen. So hat sie zum Beispiel keinen gleichrichtenden Effekt! Betrieb in Sperrrichtung bekommt ihr überhaupt nicht, sofern nicht besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden! Leuchtdioden sind grundsätzlich in Leitrichtung zu betreiben!
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Vor Verpolung schützt natürlich im einfachsten Falle eine mit der LED und dem Vorwiderstand in Reihe geschaltete Diode. Wenn Sie allerdings ohnehin zwei Leuchtdioden benötigen, können Sie sich die zusätzliche Diode sparen. Sie schalten einfach beide Leuchtdioden antiparallel, dann fließt jede Phase des Wechselstroms durch eine der beiden LED, die andere wird nicht gefährdet. Der Vorwiderstand bleibt unverändert, weil er immer nur für eine der beiden Flussrichtungen den Strom reduzieren muss, also beide Phasen zeitlich versetzt bedient.
Die Konstruktion der antiparallelen Leuchtdioden lässt sich auch für die Weichenrückmeldung mit Halbwellentechnik verwenden. Die beiden LED ersetzen sowohl Anzeigelampen als auch den zur Trennung der Phasen benötigten Gleichrichter.
LED-Spezialitäten
Das Plastikgehäuse der Leuchtdioden lässt eine Vielfalt an Formen zu und bietet in manchen Fällen auch noch weitere Extras.
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Seitlich abstrahlende LED
LED erzeugen punktförmig Licht, das sich nicht direkt für Beleuchtungszwecke verwenden lässt – es muss mit optischen Mitteln aufbereitet werden. Die verbreitetste Form ist der Dom, dessen Linse das Punktlicht »nach vorn« abstrahlt. Wird mehr Streuung benötigt, zum Beispiel als Innenbeleuchtung, kommen Prismen zum Einsatz. Eine besondere Form ist für Flugsicherungsbefeuerung an Türmen im Modell sehr gut geeignet. Sie hat die übliche Domform, aber strahlt zur Seite, also für unsere Zwecke ideal.
Blinkende Leuchtdioden
blinken nicht von sich aus, sondern enthalten eine im LED-Gehäuse integrierte Blinkschaltung. Dank dieser Vorschaltung lassen sie sich direkt an 3 bis 15 V Gleichspannung anschließen, ohne Schaden zu nehmen.
Mehrfarben-LED
enthalten in einem Gehäuse mehrere LED unterschiedlicher Farben, die durch getrennte Anschlüsse zum Leuchten gebracht werden. Meist handelt es sich dabei um zwei Farben, was diesen LED auch den Namen Duo-LED eingebracht hat. Erkennbar sind sie an drei oder vier Anschlussdrähten. Mit unterschiedlichem Stromfluss durch die Komponenten lässt sich ein Mischlicht erzielen.
Eine Sonderform der Duo-LED hat nur zwei Anschlüsse, hier sind die beiden internen LED antiparallel geschaltet, so dass die Farbe von der Polung der Versorgungsspannung abhängt. Um hier beide LED zum Leuchten zu bringen, schließen Sie sie an Wechselstrom an. Das Auge wird von dem hundertfachen Wechsel überlistet und glaubt, dass beide Farben zugleich leuchten, was als Mischfarbe empfunden wird.
Noch freizügiger in der Lichtfarbenmischung sind Sie mit Leuchtdioden, welche die drei Grundfarben rot, grün und blau in einem Gehäuse vereinen und über die durch die Leuchtflächen geschickten Stromstärken zu allen Regenbogenfarben gemischt werden können. Das ist eine Kostenfrage, denn zum Preis einer solchen Spezial-LED erhalten Sie einen Hunderter-Beutel der billigsten einfarbigen Typen.
Fenster in Modellhäusern beleuchten
Bei der inneren Beleuchtung der Modellhäuser besteht bei der LED-Beleuchtung immer noch das Problem der Abstrahlung, dem durch optische Maßnahmen begegnet werden muss: Domlinsen zum gerichteten Beleuchten, Prismen zum Streuen. Also ist hier nach wie vor die Glühfadenlampe der probate Leuchtkörper.
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Jedoch muss in der Hausbeleuchtung häufig Kritik am Einsatz der Lampen geübt werden. Ein paar kleine Verbesserungen können den optischen Reiz steigern.
Da wäre zunächst ein Anheben der Lampe zu nennen: Statt auf dem Boden sollte sie auf einer Stellage oder an der Decke montiert werden, damit sie von oben abstrahlt. Das leuchtet die Fenster realitätsnäher aus. Noch besser ist es natürlich, für jedes Stockwerk eine eigene Lampe zu benutzen, womit der Negativeffekt, dass die weiter von der Lampe entfernten Stockwerke schlechter ausgeleuchtet werden, gemildert wird.
Nicht alle Fenster leuchten!
Wer bei Wohn- und Bürohäusern näher an die Realität herankommen möchte, beleuchtet »jeden Raum separat«. Das bedarf natürlich eines höheren bastlerischen Aufwands, doch er lohnt wirklich. (Im Zubehör gibt es fertige Einbausets zur Separierung einzelner Fenster, gleich mit passender Leuchtdiode.) Sie müssen nicht jede Innenwand nachbilden, sondern nur für die zu beleuchtenden Räume. Das sind selten mehr als 20%!
In diese »Räume« werden dann – an der Decke oder in einer Raumecke (Stehlampe) Lampen oder LED eingebracht, möglichst unterschiedlich helle, denn in natura sind ja auch nicht alle Räume gleich hell erleuchtet. Leuchtdioden verhelfen hier mit unterschiedlichen Lichtfarben zu weiterer Vielfalt.
Licht an, Licht aus
Hat man sich zu diesem Aufwand entschlossen, kann man gleich noch einen Schritt weiter gehen: Es sind nicht ständig dieselben Fenster erleuchtet. Um den Lichtwechsel in Gebäuden im Modell nachzubilden, bedarf es zunächst der separaten Stromversorgung aller einzelnen Lämpchen. Diese von Hand anzusteuern, wird Ihnen sicher bald langweilig werden, doch die Zubehörindustrie hat dafür einige passable Steuergeräte im Angebot, die erschwinglich und Eigenkonstruktionen überlegen sind.
»Echte Räume« hinter den Fenstern
Die Königsklasse der Dekoration sind natürlich durch hinreichend große Fenster sichtbare Räume mit Innenausstattung, die dann auch noch effektvoll beleuchtet werden. Hier kommen Leuchtdioden(leisten) zum Einsatz mit zum Raum passenden Farben, also eher warmweiß/gelblich für Wohnräume und blauweiß für Büroräume und Werkhallen.
Weiches Ein- und Ausschalten
Ein angenehmer Beleuchtungseffekt stellt sich ein, wenn die Illumination auf der Anlage nicht schlagartig hell wird, sondern weich einblendet. Diesem Zweck dient eine simple Elektronikschaltung mit nur vier Bauteilen.
Bei geöffnetem Schalter sperrt der Transistor. Wird der Schalter geschlossen, »bedient« sich zuerst der Kondensator am positiven Potential, um sich aufzuladen. Mit steigender Ladespannung wird auch langsam die Basis des Transistors aufgesteuert, bis bei voll geladenem Kondensator die Lampe mit voller Stärke leuchtet. Öffnen Sie den Schalter wieder, ist noch genügend Spannung am Kondensator vorhanden, um die Lampe am Leuchten zu halten. Allerdings entlädt sich der Kondensator sowohl über die Basis als auch über die beiden Widerstände, der Transistor schließt die Emitter-Kollektor-Strecke gemächlich wieder und die Lampe wird langsam dunkler, bis sie völlig verlischt.
Straßenlaternen
Wenn Häuser beleuchtet werden, darf die Straßenbeleuchtung nicht fehlen.
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Wenn Häuser beleuchtet werden, darf die Straßenbeleuchtung nicht fehlen.
In Modell-Straßenlaternen eingebaute Lampen haben meist einen langen isolierten und einen kurzen blanken Anschlussdraht. Hier dient der metallene Laternenmast als Rückleiter, der Kontakt wird durch einfaches Einklemmen des blanken Drahtes zwischen Glaskolben und Rohr hergestellt.
Sofern Modellaternen mit Sockelplatte geliefert werden, demontieren Sie diese und ersetzen Sie sie durch einen eingelöteten Nagel, der die Laterne in der Grundplatte hält.
Freileitung
Eine besondere Form der Straßenbeleuchtung sei hier besonders erwähnt, weil sie einen hübschen optischen Effekt bietet, aber auch ein wenig problematisch ist: die Busch-Freileitung. Dieses neckische Zubehör hat sich über Jahrzehnte fast unverändert gehalten und bietet immer noch seinen besonderen Reiz für Anlagen älterer Epochen, aber auch für moderne Anlagen im ländlichen Bereich. Zwischen den Freileitungsmasten werden funktionierende Leitungen (blanke Litzen) verspannt, die die Stromversorgung der Straßenbeleuchtung übernehmen.
Stilgerecht erfolgt die Einspeisung in dieses Netz über das Modell einer kleinen, typischen Trafostation, in der auch der Sicherungshalter für dieses Subnetz untergebracht ist. Die Leuchten werden entweder in Buchsen an die Masten gesteckt oder als Hängeleuchten direkt zwischen die Verbindungsdrähte gezwirbelt.
Allerdings besteht seit jeher als technisches Problem die Kurzschlussgefahr der blanken Freileitungslitzen. Vom Hersteller ist vorgesehen, dass die Litzen straff zwischen den Masten gespannt werden.
Das ist zwar halbwegs betriebssicher, aber vorbildwidrig, denn diese Leitungen müssen durchhängen. Lassen Sie aber die Litzen locker durchhängen, besteht schnell die Gefahr eines Kurzschlusses, wenn man in die Anlage eingreift. Abhilfe schaffen Sie, wenn Sie anstelle der Litzen dünnen Lackdraht verwenden, der sich in Form biegen lässt und es nicht übel nimmt, wenn er mit seinem Nachbarn kollidiert, falls sich doch mal ein Manschettenknopf daran verfängt. Um die Mastlämpchen mit Strom zu versorgen, muss der Lack an den Anschlussstellen natürlich entfernt werden. Am besten geht das, indem Sie den Draht kurz mit der Flamme eines Gasfeuerzeugs »anpusten« und anschließend mit feinem Schmirgel zwischen Daumen und Zeigefinger reinigen. Eine abschließende Alterung mit matter Anthrazit-Farbe verleiht der Freileitung dann die endgültige Authentizität.
Blink- und Lauflicht
Allerorten auf der illuminierten Modellbahnanlage wird geblinkt, um »Leben reinzubringen«. In diesem Abschnitt stelle ich Ihnen ein paar einfache Blinkschaltungen vor, die für alle Zwecke herangezogen werden können.
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Wenn in der Elektrotechnik oder Elektronik etwas zum Blinken gebracht werden soll, kommen so genannte Kippschaltungen zum Tragen. Nicht nur im Modellbau werden Funktionen benötigt, die eine Änderung am Ausgang einer Schaltung hervorrufen, sei es von spannungsführend zu nicht spannungführend oder von plus zu minus und umgekehrt. Man nennt das auch »Kippen« der Schaltung. Dazu gibt es grundsätzlich drei Varianten und ein paar Sonderformen, die nachfolgend beschrieben werden. Eine integrierte Form der Kippschaltungen stellt der IC NE 555 dar. Erläuterungen zum NE 555 finden Sie auf der Seite über Integrierte Schaltungen
Wechselblinker
Eine Kippschaltung, die sich ständig selbst umschaltet, wird fachsprachlich als »Astabiler Multivibrator« oder »Oszillator« bezeichnet.
Egal, ob nur eine Lampe vor sich hin blinkt oder zwei im Wechsel blinken, die dafür erforderlichen Schaltungen sind dieselben, man lässt für den einfachen Blinker halt eine Lampe/Leuchtdiode weg. Die hier abgebildeten Wechselblinker eignen sich z. B. für die Andreaskreuze am Bahnübergang.
Weich blinken
Natürlicher wirkt eine blinkende Lampe, wenn sie nicht schlagartig aufleuchtet und verlischt, sondern einen kurzen Einblendeffekt aufweist. Dazu lässt sich ein Oszillator mit einem nachgeschalteten Dimmer kombinieren.
Der Oszillator im linken Teil der Schaltung ist die eigentliche Blinkschaltung. Statt aber den Kollektor von T2 direkt an eine Leuchtdiode oder Lampe zu schalten, steuert der Oszillator einen Dimmer, der die Lampe nicht hart ein- und ausschaltet, sondern im Takt des Oszillators kontinuierlich heller und wieder dunkler werden lässt. Da der Dimmer positiv zu triggern ist, besitzt er an der Übergabestelle PNP-Transistor T3, der bei durchgeschaltetem T2 aufsteuert und damit den Ladestrom freigibt.
Sie sind bei der Dimensionierung der Bauteile frei, doch müssen Sie darauf achten, dass der Dimmer schnell genug arbeitet, um seine Maxima und Minima innerhalb der Kippphasen zu erreichen. Es ist auch ohne weiteres möglich, an beide Ausgänge je einen Dimmer anzuschließen, so dass zwei Lampen im Gegentakt weich blinken.
Weichblinker Variation
Eine andere Form von Weichblinker kommt mit nur einem Transistor aus. Zwischen den drei Kondensatoren findet ein »Phasengeschiebe« statt, also ein gegenseitig beeinflusstes ständiges Laden und Entladen, das zum kontinuierlichen An- und Abschwellen des Kollektorstroms führt. Primär zeitbestimmend ist C1, dessen Kapazität (in µF gemessen) durch 10 geteilt ungefähr die Frequenz der Schaltung ergibt. C2 und C3 müssen jeweils ungefähr doppelte Kapazität von C1 besitzen. Der Trimmpoti P dient lediglich zum Einstellen der Grundhelligkeit der Leuchtdiode.
Flackerlicht
Ein anderer, gern verwendeter Blinkeffekt ist das unregelmäßige Blinken, um ein Flackern vorzutäuschen.
Dafür gibt es unterschiedliche Methoden, alle beruhen darauf, dass die Ausgänge mehrerer Blinkschaltungen einen Leuchtkörper versorgen und sich dabei über »logische Verknüpfungen« gegenseitig ins Gehege kommen.
Der Schaltplan zeigt ein einfaches Beispiel: Zwei Oszillatoren mit unterschiedlicher Frequenz steuern zwei in Reihe geschaltete Transistoren. Diese beiden Transistoren funktionieren als UND-Schaltung, das heißt, den Verbrauer erreicht nur dann negative Versorgungsspannung, wenn beide Transistoren durchschalten.
Anstelle dieser Kombination können Sie beliebige andere Blinkschaltungen miteinander kombinieren, um einen unregelmäßigen Effekt zu erhalten. Achten Sie vor allem darauf, dass die Frequenzen unterschiedlich sind, aber nahe beieinander liegen, denn umso unregelmäßiger wirkt das Blinken.
Die Ausgänge der beiden Blinkstufen lassen sich auch direkt oder über zwei Entkoppelungsdioden miteinander verbinden, das wäre dann eine simple Form einer ODER-Schaltung, also längere oder mehr Leuchtphasen. Lassen Sie Ihrem Experimentierdrang einfach freien Lauf beim Ausprobieren verschiedener Kombinationen.
Die rechte Schaltung kombiniert einen Oszillator und einen Weichblinker auf diese Weise.
Lauflicht
Ein Lauflicht ist immer ein Hingucker auf der Modellbahnanlage. Mit einigen nacheinander geschalteten Monoflops ließe es sich durchaus realisieren, aber es geht einfacher, denn für solche Zwecke entfremden wir mal eben einen Spezial-IC.
Der CMOS-IC 4017 ist ein dezimaler Zähler, wie er in der Computertechnik häufig benötigt wird. Es gibt auch andere Zähler, doch der Vorteil des 4017 ist die dezimale Orientierung, wofür er zehn Ausgänge benötigt, was für ein Lauflicht schon eine brauchbare Anzahl ist.
Immer nur einer der zehn Ausgänge führt positives Potential, nach dem Einschalten ist das Ausgang 0 an Pin 3, alle anderen sind negativ. Jeder Triggerimpuls schaltet auf den jeweils nächsten Ausgang.
Man kann einen solchen Zählerbaustein zweistufig als Achsenzähler einsetzen, aber auch einfach als Lauflichtsteuerung missbrauchen. Im einfachsten Fall schließen Sie dazu an jeden Ausgang eine Leuchtdiode an, selbstverständlich mit Vorwiderstand, und sorgen an einem der Triggereingänge für einen permanenten Flankenwechsel, zum Beispiel mit dem Ausgangssignal eines beliebigen Oszillators.
In der Aufbauskizze ist dafür ein IC NE 555 als Taktgeber vorgesehen. Dessen Außenbeschaltung richtet sich nach der gewünschten Blinkfrequenz, vgl. Seite Integrierte Schaltungen.
Für eine Frequenz von 10 Takten pro Sekunde, also einen kompletten Durchlauf der Zählkette pro Sekunde, benötigen Sie folgende Werte:
R1 = 150 kΩ, R2 = 1,5 kΩ, C1 = 1 µF, C2 dient der Dämpfung des Oszillators und beträgt 10 nF.
Wenn Ihnen zehn Ausgänge (Bild unten – A) zu viel sind, weil Sie vielleicht nur sieben Baustellenbaken damit steuern möchten, lassen Sie die übrigen drei Ausgänge einfach unbeschaltet (B). Die dadurch entstehende Pause im Lauf des Lichts müssen Sie nicht hinnehmen, auch dafür haben die Entwickler des 4017 bereits Abhilfe vorgesehen: Pin 15 führt die Bezeichnung »Reset«.
Eine positive Flanke, also ein Impuls von Minus nach Plus wechselnd an diesem Eingang setzt die Zählschaltung zurück auf Ausgang 0. So eine Flanke liefert der erste nicht mehr benötigte Ausgang, so dass der Ablauf neu startet. Im Bestückungsplan sind Steckpins an allen Ausgängen und an Pin 15 vorgesehen, mit denen Sie die passende Brücke herstellen können.
Licht im Rollmaterial
Was nützt die beste Illumination des Drumherum, wenn die Züge dunkel ihre Runden ziehen? Deshalb muss natürlich auch das rollende Material beleuchtet werden. Dabei ergibt sich im klassischen Analogbetrieb die Schwierigkeit, dass die Beleuchtung an der ständig wechselnden Fahrspannung partizipieren muss. Das führt zu permanenten Änderungen in der Beleuchtungsstärke. Digitalbahnen haben dieses Problem nicht, weil dort die volle Spannung am Gleis entnommen werden kann.
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Lichtleiter
Bevor Leuchtdioden als Signallampen in Triebfahrzeugen zum Einsatz kamen, reduzierten die Modellbahnhersteller den Platz- und Stromverbrauch durch das Vermindern der Lampenzahl. Das Licht eines Lämpchen kann über besondere, glasklare Kunststoffe an einen anderen Ort geführt werden, dabei muss dieser Weg nicht unbedingt geradlinig verlaufen.
An den Kanten, an denen das Licht umzuleiten ist, wirkt die Außenwand eines Lichtleiters wie ein Prisma. Auf diese Weise ist es möglich, das komplette Signallicht einer Lokomotive mit nur zwei statt zehn Lampen zu realisieren (Bild rechts). Zu jeder Lampe gehört ein Lichtleiter, der in einer Richtung die weißen und in der anderen Richtung die roten Lichtauslässe in der Lokfront beleuchtet. Natürlich müssen diese beiden Lichtleiter optisch gegeneinander abgeschirmt sein.
Auch für die Innenbeleuchtung von Personenwagen kommen Lichtleiter im Wagendach zum Einsatz, um Lampen und Strom zu sparen. Und auch hier wird über Prismen das Licht umgelenkt, allerdings zu einem anderen Zweck. Mit den Prismen der Lichtleiter in der Waggonbeleuchtung gelangt jeweils ein Teil des Lichts nach unten in die Abteile, so dass eine annähernd gleichmäßige Ausleuchtung des Waggons erzielt wird. Ganz gleichmäßig sind beim Vorbild allerdings nur Großraumwagen beleuchtet. In Abteilwagen variiert die Ausleuchtung. Durch Abkleben mit lichtdichtem Klebeband lassen sich die nicht zu beleuchtenden Abteile von der Illumination ausnehmen.
Für Schlusswagen gibt es die Lichtleiter mit einer Verlängerung zu den Schlussleuchten, im Bild ganz rechts.
Dank Lichtleisten mit Leuchtdioden gehört diese Technik zwar der Vergangenheit an, ist aber in alten Wagen immer noch anzutreffen.
LED-Leisten
Heutiger Standard der Innenbeleuchtung von Personenwagen sind aufgereihte Leuchtdioden.
Die SMD-Leuchtdioden sind gemeinsam mit den erforderlichen Vorschaltgeräten auf Platinenstreifen montiert, die sich bequem ans Wagendach kleben lassen. Soll im Abteilwagen ein Abteil dunkel bleiben, klipst man die zugehörige LED einfach vom Kontaktstreifen.
Mit Streifenplatinen lassen sich solche Leisten auch leicht selbst bauen. Beachten Sie aber, dass die Vorwiderstände oder Konstantstromquellen dazu erforderlich sind.
Flackerfrei leuchten
Eine schlechte Stromabnahmebasis führt zu flackernder Beleuchtung auf nicht ganz sauberen Gleisen und erst recht beim Überfahren isolierter Weichenherzstücke. Auch wenn Sie eine elektronische Beleuchtungshilfe verwenden, sollten Sie diese durch gute Übertragung der Fahrspannung unterstützen.
Wenn Sie sich die Stromabnahme handelsüblicher Beleuchtungs-Nachrüstsätze einmal anschauen, werden Sie feststellen, dass die Anbieter beim 2S-2L-System auf Einfachheit in Herstellung und Montage setzen. Die Stromabnehmer greifen meist auf die Achsen zu. Die möglichen Stromabnahmepunkte werden nur zur Hälfte genutzt. Zweiachsige Fahrzeuge besitzen pro Schiene nur einen Stromabnahmepunkt. Die untere Grafik zeigt, wie man sie mit Radschleifern verbessern kann.
Bei Drehgestellwagen sind zwar standardmäßig auch beim Achsenabgriff schon deren zwei, aber dafür müssen Sie auch darauf achten, dass die Radsätze eines Drehgestells in gleicher Richtung montiert sind, weil sonst der die Achsen verbindende Stromabnehmer einen Kurzschluss verursacht.
Häufig ist nicht einmal der Stromabnehmer fest mit der zur Lampe führenden Leitung verbunden, sondern wird nur gegen eine Kontaktfläche in der Drehgestellachse gedrückt. Im Bild oben rechts ist der Schleifer nicht festgeschraubt, er Schleifer sitzt nur lose auf der abgedrehten Drehgestellschraube. Der feste Anschluss liegt dann erst innen. Damit wird ein zusätzlicher loser Kontakt geschaffen, der zwar nicht so gravierend ist, aber ein erster Ansatzpunkt für Verbesserungen. Es ist sehr zu empfehlen, dass Sie solche lose eingeklemmten Stromabnehmer mit einem angelöteten Stück dünner Litze kontaktsicherer machen.
Sind leitende Kupplungen die Lösung?
Oft hört man, dass sich die Stromabnahmebasis vergrößern lässt, indem per elektrisch leitender Kupplungen die volle Achsenzahl der Garnitur ausgenutzt wird. Lohnte eine solche Materialschlacht? Der Kosten- und Arbeitsaufwand ist heftig und die Rangiermöglichkeiten leiden darunter.
Gleichmäßig leuchten
Die Lampen im Rollmaterial sind für die Fahrspannung ausgelegt, denn sie dürfen auch bei voll aufgedrehtem Fahrgerät nicht durchbrennen. Nimmt man an ihrer Stelle Lampen für geringere Spannungen oder Leuchtdioden, so werden diese schon bei geringer Geschwindigkeit in voller Helligkeit erstrahlen, doch wir müssen sie vor der vollen Spannung schützen.
Als Abhilfe wäre zunächst die Spannungsbegrenzung zu nennen. Mit Spannungsreglern lässt sich eine Eingangsspannung auf den immer selben Wert herunter zu regeln. Die kleinste gängige Regelgröße sind 5 V, dafür dient zum Beispiel der Regler 7805. Als Eingangsspannung kommen laut Typenbeschreibung des Herstellers 7 bis 10 V in Betracht, die aber laut Praxiserfahrung durchaus auch überschritten werden dürfen. Die bis Baugröße H0 üblichen Fahrspannungen stecken diese Regler am Eingang gerade noch weg, doch sie dürfen dann nicht zu nahe an Plastikteilen postiert werden, weil sie diese Extrembelastung mit gesteigerter Hitzeentwicklung quittieren.
Es gibt auch einen Regler 78L02 für 2 V, doch für ihn darf die Eingangsspannung nominal 5 V nicht übersteigen, das heißt, dass er unter Ausnutzung der Toleranzen gerade noch für Baugröße Z in Betracht kommt. Das L in der Mitte steht für geringe Strombelastung, mehr als 100 mA liefert er nicht; damit können fünf LED parallel oder eine Lampe betrieben werden.
Die »Konstantstromquelle«
Eine andere Möglichkeit, unabhängig von der Fahrspannung zu beleuchten, ist der Weg über den Strom. Mit einer elektronischen Schaltung namens Konstantstromquelle lässt sich erreichen, dass der Strom, der durch eine Lampe oder Leuchtdiode fließt, einen bestimmten Wert nicht übersteigt. Auch hier müssen natürlich Grenzwerte eingehalten werden. Bei den für die Modellbahn üblichen Konstantstromquellen dürfen je nach Ausführung 20 oder 30 V Eingangsspannung nicht überschritten werden. An den Ausgang können dann Leuchtdioden oder Lämpchen mit vergleichbaren Werten angeschlossen werden. Die üblichen Konstantstromquellen benötigen eine Eingangsspannung von mindestens 3 V.
Der Schaltplan zeigt das Grundprinzip der Konstantstromquelle; in der Darstellung werden die beiden Spannungsteiler aus R1 und T2 sowie LED und R2 deutlich. T1 wird über R1 aufgesteuert, folglich fließt ein Strom durch die LED und R2. Zugleich wird aber T2 leitend, denn über die LED gelangt positives Potential an seine Basis, und reduziert so die Spannung an der Basis von T1, deshalb steuert T1 nicht voll auf. Das wiederum hat Einfluss auf die Basisspannung an T2. Der klassische Fall einer kybernetischen Kopplung, beide Transistoren wirken gegenseitig aufeinander ein und stabilisieren den Stromfluss durch die Leuchtdiode auf die benötigten 15 mA.
Dauerhaft leuchten
Irgendwie ist die Situation doch pervers: Sobald der Modellzug im Bahnhof eingelaufen ist, geht in allen Waggons das Licht aus und unsere Fahrgäste müssen im Dunkeln aus dem Zug finden.
Die Konstantstromquelle hilft ja nur zur einigermaßen gleichmäßigen Beleuchtung unabhängig von der Geschwindigkeit, aber bei Geschwindigkeit Null liegt überhaupt keine Spannung an, also kann im Stand auch nichts leuchten. Um hier Abhilfe zu schaffen, muss ein wenig Potential zwischengelagert werden, das die Fahrpausen (und nebenher auch technisch bedingte Unterbrechungen des Stromflusses) überbrückt.
Naheliegend dafür ist ein Kondensator. Zur Bestimmung der Größenordnung müssen wir ein wenig rechnen. Die Formel
ist mit folgenden Werten zu bestücken: Die Spannungsdifferenz ist die der Ladespannung des Kondensators zur Nennspannung des Leuchtkörpers, also z.B. 5 V – 2 V = 3 V, der Stromfluss sei 2 mA für Low-Current-Leuchtdioden und wir möchten zwei Minuten Halt im Bahnhof überbrücken:
Nach der Formel rechts brauchen wir
C = 120 × 0,002 ÷ 3 = 0,08 F = 80000 μF.
Ein ganz schön hoher Wert; wie gut das es die GoldCap-Technologie gibt, denn nur damit sind Kondensatoren dieser Kapazitäten in modellbahngerechter Größe machbar. Handelsübliche Überbrückungsbausteine arbeiten mit eben dieser Technik, ein GoldCap-Kondensator wird parallel zu Konstantstromschaltung eingefügt. Während der Fahrt lädt sich der Kondensator auf, beim Halt entlädt er sich über die Konstantstromschaltung und lässt damit die LED oder Lämpchen weiter leuchten.
Die im Schalplan blau gezeichneten Elemente sind vorgesehen, um die Innenbeleuchtung bei Tageslicht zu unterdrücken.
Allen Einsätzen elektronischer Hilfen im Rollmaterial ist gemein, dass als Eingangsstufe ein Brückengleichrichter benötigt wird. Nicht nur zum Schutz der Bauteile vor Verpolung und ggf. Wechselspannung, sondern vor allem, um bei Gleichspannungssystemen beide Fahrtrichtungen auszunutzen.
Die Diode D5 ist eine Zener-Diode, die die am GoldCap anliegende Spannung auf 5,1 V begrenzt, um den Kondensator vor Überspannung zu schützen.
Selbstbau vs. Fertigprodukt?
Selbstgebaute Schaltungen zum Beleuchtungstuning lassen sich mit etwas Geschick auch in den Waggondächern kleinerer Baugrößen unterbringen. Preiswerte Fertigprodukte ebendieser Schaltungen in SMD-Technik haben oft denselben oder geringeren Platzbedarf bei erweiterten Funktionen.
Licht an, Licht aus
Wenn Sie Ihre Waggonbeleuchtung optimiert haben, leuchtet sie munter vor sich hin. Wollen Sie mehr Vorbildnähe, brauchen Sie eine Möglichkeit zum Schalten. Da ist natürlich die Digitalsteuerung der analogen Modellbahn weit überlegen, denn per Decoder lassen sich allerlei Schaltfunktionen freizügig vornehmen.
Fototransistor schaltet das Licht aus
Bei der Lichtschranke hatten wir es noch als Störfaktor ausschließen müssen, das Umgebungslicht. Beim Schalten der Zugbeleuchtung dagegen brauchen wir gerade diesen Lichteinfall. Schalten Sie in jedem Waggon zwischen die Stromversorgung und die Leuchtkörper einen Fototransistor. Leider arbeitet der »verkehrt herum«, er schaltet durch, wenn es draußen hell ist, deshalb müssen wir sein Ausgangspotential zum Abschalten eines NPN-Transistor verwenden, schon bleibt das Licht aus, wenn es draußen hell ist, und ein, wenn es dunkel wird (siehe blau gezeichnete Teile im umseitigen Schaltplan der Dauerlicht-Schaltung).
Sie müssen den Fototransistor im Waggon natürlich so anbringen, dass er von der eigenen Innenbeleuchtung nicht bestrahlt wird, sonst flackert es.
Achten Sie bei der Beschaffung der Fototransistoren darauf, des es »spektralbezogene« Typen sind. So werden für sichtbares Licht empfindliche optoelektronische Bauteile bezeichnet.
Licht im Tunnel
Wollen Sie nicht die optoelektronische Rundumlösung, sondern vielleicht nur das Licht in einem Personenzug vor Einfahrt in den Tunnel ein- und beim Verlassen wieder abschalten, bietet die Technik der Stoppstellen von Fallers car system das Vorbild für einen rein ortsbezogenen Schaltvorgang: Die Stromversorgung der Waggonbeleuchtung wird durch ein bistabiles Relais oder eine andere selbsthaltende Schaltung unterbrochen. Zwei SRK schalten ein oder aus, wenn der Zug an den zugehörigen, im Gelände versteckten Magneten vorbeifährt.
Der Thyristor ist hier das Mittel der Wahl, wenn der zur Verfügung stehende Platz eng ist. Der obere SRK zündet den Thyristor, der Anode-Kathode-Strom bleibt erhalten, bis der untere SRK unterbrochen wird. Widerstand und Kondensator rechts außen vermeiden Ärger mit den Funknetzbetreibern, denn Thyristoren neigen zu Funkstörungen beim Zünden. (Sie können natürlich auch die unbedenkliche Ersatzschaltung verwenden.)
Beachten Sie bitte, dass die SMD-Typen nicht mehr als 300 mA Stromstärke verkraften.
Spitzenlicht und Schlusslicht
Der fahrtrichtungsabhängige Lichtwechsel ist von jeher ein Aufgabenfeld für Dioden, früher mit Lampen und Dioden im Verbund, heute mit Leuchtdioden.
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Lichtwechsel
Der fahrtrichtungsabhängige Lichtwechsel ist von jeher ein Aufgabenfeld für Dioden, früher mit Lampen und Dioden im Verbund, heute mit Leuchtdioden.
Die Abbildung unten zeigt das Prinzip des Lichtwechsels mit Lampen und Dioden: Der Fahrstrom verzweigt auf den Motor und die Lampen der Stirn- und Schlussbeleuchtung. Für die Beleuchtung sind zwei separate Stromkreise eingerichtet, jeweils Spitzenlicht und gegenüberliegendes Schlusslicht zusammengefasst und über eine Diode geleitet. Die ursprüngliche Methode waren Einzellampen für jede Leuchte an der Fahrzeugstirn.
Mit Lichtleitern ließe sich der Bedarf auf zwei Lampen (weiß und rot) pro Stirnseite reduzieren, ist aber nicht mehr zeitgemäß. Auch hier sind die Dioden der beiden Lichtstromkreise antiparallel geschaltet, so dass in jeder Fahrtrichtung immer nur eine der beiden Lampen von Strom durchflossen wird.
Mit Leuchtdioden als Scheinwerfer- und Schlusslicht-Lampen kann auf Dioden verzichtet werden, indem diese selbst antiparallel eingesetzt werden.
Zugschlussbeleuchtung
Bei der Zugschlussbeleuchtung sieht es ähnlich aus, nur dass wir hier keinen Lichtwechsel benötigen, sondern nur ein fahrtrichtungsabhängiges Ein- und Ausschalten.
Auf die Diode können wir hier beim LED-Einsatz nicht verzichten, weil die umgekehrt gepolte Spannung nicht auf gegenphasige LED umgeleitet wird – es sei denn, Sie verbauen eine solche unsichtbar im Waggon (Bild unten rechts).
Der obligatorische Hinweis auf das Märklin-H0-System darf nicht fehlen: Dort funktioniert diese einfache Schaltlogik systembedingt nicht.
Kein Lok-Spitzenlicht bei geschobenem Wendezug
Eines der vielen Dauerthemen der Modellbahn-Elektronik ist das Abschalten der Stirnbeleuchtung einer schiebenden Lok. Es ist nicht notwendig und auch nicht vorbildgerecht, wenn ständig die Rückseite des letzten Wagens von den Lokscheinwerfern angestrahlt wird. Und auch auf die Schlussleuchten der ziehenden Lok können wir getrost verzichten.
Ein Weg zum Abschalten des nicht benötigten Spitzenlichts wäre der Einsatz einer Reflexlichtschranke, die dann anspricht, wenn ein Waggon angekoppelt ist. Leider bedingt diese Lösung das Aufbohren der Lokfront, was den meisten von uns widerstreben dürfte. Magnetfelder jedoch haben den Vorteil, dass sie die Plastikgehäuse von Lok und Wagen mühelos durchdringen. Bringen wir also hinter der Front der Lok einen Ruhekontakt- oder Umschalt-SRK an und hinter der Durchgangstür des ersten Wagens einen passenden Neodym-Magneten. Der SRK wird in den Rückleiter des Spitzenlichts eingeschleift und unterbricht diesen Stromkreis, sobald der mit dem Magneten präparierte Wagen angekuppelt ist.
