Tips&Tricks 10: Einsparen von Leitungen bei Lichtsignalen

Zum Ansteuern der LEDs bei Lichtsignalen werden normalerweise 2 Leitungen verwendet,
eine für Rot und eine für Grün.
Das muß nicht sein. Man könnte auch so verfahren, daß nur eine LED angesteuert wird und dafür auch nur eine Leitung benötigt wird; und daß die andere LED nur dann 'brennt', wenn die angesteuerte 'aus' ist.

Auch die folgende Idee hierzu ist nicht 'auf unserem Mist' gewachsen, verdient aber doch, weiter verbreitet zu werden.

Theorie
Wir steuern die rote LED über einen Schalter nach Masse an, d.h. wenn der Schalter geschlossen ist, soll die LED leuchten. Falls die LED keinen Strom zieht, kann die parallel liegende grüne LED leuchten. Dies funktioniert, weil die Flußspannung der roten LED geringer ist als die der grünen, was zur Folge hat, daß die grüne 'verhungert', wenn die rote leuchtet.

Signalschaltung Praxis
In Wirklichkeit ist aber
- der Unterschied der Flußspannungen nicht so groß
- eine LED auch nur eine Diode, die (wie jede andere auch) eine exponentiell gekrümmte Kennlinie hat.
Das hat zur Folge, daß die rote LED der grünen nur ein wenig Strom wegnimmt, sie also nicht völlig abschaltet. Die Schaltung funktioniert daher auch nur in der Theorie.

Hier könnte eine Diode in Reihe mit der grünen LED die Gesamtspannung in diesem Zweig erhöhen, so daß sie sicher verlöscht.
Oder wenn unbedingt die grüne LED angesteuert werden muß: Auch dann hilft die Diode bei der 'anderen' LED weiter.
Auch wenn der ansteuernde Schalter kein mechanischer Schalter ist, sondern ein Transistor oder ähnliches: Dann sinkt die Spannung bekanntlicherweise nicht auf Null, sondern beträgt wenige Zehntel Volt. Auch hier reicht nach unseren Erfahrungen eine einzige Diode im Parallelzweig...
... es sei denn, Sie benutzen einen Darlington-Transistor zur Ansteuerung (warum auch immer)! Da diese Typen eine Restspannung von ca. 0,7 V besitzen, müssen Sie wohl oder übel dem Parallelzweig eine 2. Diode 'spendieren'. Dann geht's aber auch.

... und wozu das alles?
Die Frage 'wozu soll das alles denn gut sein' scheint berechtigt. Bei den normalerweise kurzen Wegen zwischen 'Stellantrieb' und 'Signalschirm' gibt das alles keinen Sinn. Aber - wenn Sie einen selbstgebauten Stelltisch einsetzen, in dem reihenweise Rückmeldungen von Signalen eingebaut sind (und eine Rückmeldung wird ja ebenfalls angesteuert genau wie ein Signal), dann kommen schon mal 25 - 50 Rückmeldungen zusammen! Und dann wird es schon wichtig, ob Sie pro Rückmeldung eine oder zwei Leitungen verwenden: das ist ein Unterschied von 1 - 2 kompletten Kabeln!

Nicht ganz so gravierend, aber auch interessant ist die Beschaltung eines Vorsignals am Einfahrsignal eines Bahnhofs. Dieses Signal muß die Lage des Ausfahrsignals zeigen, auf das die Fahrstraße zeigt. Man könnte diesen Schalter über Hilfskontakte an den Weichenantrieben realisieren, s. auch Tips&Tricks Nr. 3.
Ob hierfür ein zweipoliger oder ein vierpoliger Schalter verwendet werden muß, ist schon von einiger Bedeutung. Man könnte die beiden grün-orange-Leuchtenpaare links und rechts mit je einer Leitung ansteuern, wieder nach dem Motto: "grün läßt orange verhungern".

Gleisbildausleuchtung Hinzugekommen ist eine weitere wichtige Anwendung, s. Projekt Nr. 5, die Ansteuerung von Fahrstraßenausleuchtungen. Die Vorgabe ist, im dargestellten Gleis eine Anzeige rot bzw. gelb leuchten zu lassen. Auf einfache Weise geht das mit Zweifarb-Leuchtdioden. Aber jede dieser Dioden muß über einen eigenen Vorwiderstand mit Strom versorgt werden - eine ungeheure Energieverschwendung! Beispiel: Für 1 m Gleis auf dem Stellpult müssen 40 LEDs angesteuert werden, das sind 0,8 Ampere, oder bei 15 V: 12 Watt. In dem Stellpult entsteht also die Wärme von fast einem kleinen Lötkolben, und das je Meter ausgeleuchtetes Gleis. Da kommen Gedanken an ein eigenes 'Kraftwerk' auf!
Besorgt man sich aber 2-Farb-LEDs, die, wie hier die Signale, 2 antiparallel geschaltete, rot/gelbe Elemente beinhalten, also auch nur 2 Beinchen haben, so kann man diese LEDs in Reihe schalten. Bei 15 V könnten das bis zu 8 Stück sein, was den Stromverbrauch um den Faktor 8 senken würde. Leider ist ein kleiner Haken an der Sache: Die Anordnung kennt nicht nur 2 Schaltzustände wie die Signale, sondern zusätzlich noch 'aus'.

Und - wenn Sie nicht so sehr Wert auf 'echte' Rückmeldung legen, können Sie diese Schaltungen auch für Weichen-Rückmeldungen benutzen. Und Weichen gibt es mehr als Signale...


Einsparen von Leitungen im Signalmast

Wenn es ausgesprochen schwierig wird, die beiden Leitungen für die LEDs durch den Signalmast zu führen, dann könnte die folgende Trickserei weiterhelfen. Wir haben sie beim Umbau der Drehbühne, Projekt 2, angewandt:

Man kommt mit 2 Leitungen (Mastrohr und 1 innere Leitung) aus, wenn man die Stromrichtung umkehrbar macht.
Liegt also '+' an der oberen Leitung und '-' an der unteren, so leuchten die roten LEDs; wird die Spannung umgekehrt, dann leuchten die jeweils anderen LEDs.

Signalinnenschaltung

Bei den beiden Schaltungen wurden auch die Widerstände, die in den Zuleitungen sitzen und unbedingt notwendig sind, angegeben. In der linken Schaltung, die sehr unterschiedliche (rote und weiße) LEDs beinhaltet, wurden den LEDs unterschiedliche Vorwiderstände zugeordnet, um deren unterschiedliche Helligkeiten ausgleichen zu können.


Umpol-Schaltungen

Die obigen Schaltungen erfordern unterschiedliche Stromrichtungen durch das Signal.
Dies läßt zunächst an mehrpolige Relais denken, die die Sache unnötig verteuern und komplizieren. Daß es auch anders geht, wollen wir mit den nachfolgenden drei kleinen 'Endstufen' demonstrieren:

Signal-Ansteuerung

Bei den beiden ersten Schaltungen geht die Einfachheit allerdings auf Kosten des Stromverbrauchs. Er ist etwas höher als der Verbrauch aller LEDs zusammen (obwohl ja immer nur eine LED leuchtet!). Bei der Transistorschaltung ist zu beachten, daß am linken Transistor, wenn er sperrt, nicht die volle Versorgungsspannung anliegt, sondern etwas mehr als die Flußspannung der Leuchtdioden. Dies ist wichtig für die Dimensionierung des Basis-Vorwiderstandes des rechten Transistors: 1 kΩ ist ein guter Anhaltswert.
In der rechten Schaltung kommt das C-MOS-IC CD4041 zu allen Ehren: Es enthält 4-mal je 2 komplementäre Endstufen, die jede max. 38 mA Strom liefern und auch ableiten können. Damit wird die Schaltung für das Signal extrem einfach.

Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner

Version vom: 12.10.2007; erstellt am: 11.10.2003
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