- die Wagen-Abteile gleichmäßig ausleuchten,
- aber die Gänge und Vorräume merklich dunkler,
- in einer akzeptierbaren Farbe leuchten,
- lange nachleuchten,
- möglichst für alle Systeme anwendbar sein.
Will man es ganz genau machen, so muß das 'gleichmäßig' relativ betrachtet werden. Natürlich sollten die Abteile gleich hell beleuchtet sein, aber die Gänge sollten weder garnicht beleuchtet sein, aber auch nicht in der Helligkeit der Abteile erstrahlen. Das bedeutet aber, daß jeder Wagentyp auch sein eigenes Beleuchtungsschema haben sollte.
Wir haben uns ein Konzept ausgedacht, das alle Wagenlängen zuläßt, das für alle Fensterteilungen anwendbar ist, einen extrem geringen Stromverbrauch hat und eine Pufferung mit einem Goldcap-Kondensator zuläßt.
Die Platine ist so konstruiert, daß sie auf der Oberseite die Ansteuer-Elektronik trägt und auf der Unterseite die Leuchtdioden. Die Platine kann millimetergenau an jeder Stelle abgelängt werden. Das Layout der Unterseite ist so gestaltet, daß die LEDs an jeder beliebigen Stelle (in Wagen-Längsrichtung) aufgelötet werden können. Somit erfüllt unser Vorschlag den Wunsch, in jedes Abteil eine individuelle Beleuchtung einbringen zu können, in vollem Maße.
Das Prinzip der 2-seitigen Platinen haben wir inzwischen aufgegeben, s. weiter unten.
Auch hier gibt es Ausnahmen, die gesondert beleuchtet werden müssen, wie z.B. Speisewagen, Doppelstockwagen oder Aussichtswagen. Im '1. Anlauf' haben wir ein Platinen-Pärchen entwickelt für alle 26,4-m-Reisezugwagen, wie:
- Avmz, Apmz, Am, ABm, ABn, Bn.
Diese Platinen tragen am 'äußeren' Wagenende besondere Leiterbahnen, damit der Vorraum sowie der Gang neben der Toilette Licht erhalten können. Weiterhin können die LEDs wahlweise in Wagenmitte oder aber im Abstand von 4 mm zur Wagenmitte aufgebracht werden, was bei Wagen mit Seitengang interessant ist. Diese Platinen dürfen nicht am Wagenende abgelängt werden, sondern müssen in Wagenmitte gekürzt werden.
Die Bauteile:
Wir verwenden Leuchtdioden mit fast reinweißer Farbe, wobei ein Gesamtstrom von ca. 10 mA ausreichend ist, einen kompletten H0-Wagen auszuleuchten. Die Helligkeit der Beleuchtung kann durch Auswahl der Vorwiderstände der LEDs ausgewählt werden. Der Prototyp (Avm 111, Ade) hat in den Abteilen 390Ω, im Gang dagegen 1,5kΩ eingelötet. Wem dies zu dunkel ist, der nehme kleinere Werte.
Der Nachteil des Goldcap, seine geringe Spannungsfestigkeit (s. auch Was ist ein Goldcap?), wurde durch eine zweite Spannungsregelung zwischen Goldcap und den Leuchtdioden umgangen, mit einem speziellen Spannungsregler, der nur ca. 80 mV an Spannung 'verbraucht', im Gegensatz zu Standard-Versionen, bei denen es bis zu 2 Volt sind. Trotz dieser Vorzüge ist dieses Bauteil recht preisgünstig zu haben. Der Goldcap, der (wegen seiner Bauart) nur eine Spannung von maximal 5,5 Volt 'verträgt', wird durch einen ersten Spannungsregler versorgt, der von der Fahrspannung, die maximal 30 Volt betragen darf, eingespeist wird. So wird es möglich, daß die gesamte Schaltung ab einer Fahrspannung von 4 Volt konstant-helles Licht erzeugt.
Die hier beschriebenen Bauteile sind alle nach speziellen Gesichtspunkten wie hauptsächlich geringem Spannungsverbrauch, ausgesucht und dürfen nicht durch andere ähnliche Teile ersetzt werden, will man nicht die guten Eigenschaften gefährden.
Die Schaltung ist anwendbar für:
- analogen Betrieb (<4 bis 12 Volt Gleichspannung)
- digitalen Betrieb (mit ca. 20 Volt Spitzenspannung)
- Mischbetrieb (Gleichspannung mit überlagerter NF-Wechselspannung, sofern in Summe eine maximale Spitzenspannung von 30 Volt nicht überschritten wird).
Die Schaltung ist im gegenwärtigen Zustand nicht geeignet für Wechselspannungsbetrieb (Märklin-System), da die Umschaltspannung von 24 Volt den Eingang der Schaltung zerstören würde. 24 Volt Wechselspannung haben knapp 34 Volt Spitzenspannung. Hier könnte anstelle des LP2950 ein LM2936Z-5.0 helfen, der bis zu 40 Volt am Eingang verkraftet, aber relativ teuer ist.
Die Schaltung muß in SMD-Technik aufgebaut werden, weil sich sonst die Bauteile und ihre Lötstellen auf der Ober- und der Unterseite der Platine stören würden. Wegen dieser Technik ist die Bauhöhe sehr flach; es ragen keine Bauelemente sichtbar in die Abteile, und unter dem Dach ist reichlich Platz, so daß es auch wieder aufgeclipst werden kann. Um die Erwärmung des Daches braucht man sich keine Sorgen machen, da der komplette Stromverbrauch ca. 10 mA beträgt, und somit eine Wärme von ca. 0,1 Watt erzeugt wird. (Im Extremfall muß der Regler eine Fahrspannung von 12 Volt auf 3 Volt heruntersetzen. Das sind 9 Volt, und bei 10 mA Strom ergibt sich ein Verlust von 9 × 0,01 = 0,09 Watt.)
Zum Schaltungsentwurf:
Um die gesamte Elektronik herum ist ein doppelter Brückengleichrichter aus 8 Dioden (BAT165) aufgebaut. Diese Dioden haben bei den zu erwartenden Strömen einen sehr geringen Spannungsverlust. Es sind 4 Anschlüsse zu erkennen, damit auch eine 4-Rad-Stromabnahme angeschlossen werden kann. Brückengleichrichter auch deswegen, damit die Schaltung in beiden Fahrtrichtungen funktioniert und damit die Radsätze nicht gleichstrommäßig miteinander verbunden sind. Siehe hierzu auch unsere Tips&Tricks über Mehrpunkt-Stromabnahme Nr. 14, bei Zweiachsern und Nr. 15, bei Vierachsern.
Der erste Spannungsregler (LP2950) ist bis 30 Volt spannungsfest und regelt auf 5 Volt herunter. Die Diode am Fuß dieses Reglers hebt die Spannung auf ca. 5,7 Volt an, von denen ca. 0,3 Volt in der nachfolgenden Diode (BAT165) wieder verlorengehen. So ist der Goldcap, der an dieser Stelle angeschlossen werden kann, mit ca. 5,4 Volt belastet. Der zweite Spannungsregler (IRU1205-30) regelt diese Spannung auf genau 3,0 Volt herunter, die dann an die LEDs geschaltet werden. Dieser Spannungsregler hat einen extrem kleinen 'drop' (= Spannungsverlust: 0,08 Volt); dies ist wichtig, da er die 3 Volt noch sicher halten kann, auch wenn seine Eingangsspannung auf unter 3,1 Volt abgesunken ist. Der Goldcap kann sich also von seinen maximal 5,4 Volt auf 3,1 Volt entladen, bevor wir es an der Helligkeit der Beleuchtung merken. Wegen all dieser Bauteile ist es gelungen, mit nur 4 Volt an den Rädern des Wagens die volle Helligkeit der Innenbeleuchtung zu erreichen. Ein Laden des Goldcap, merkbar an einem Nachleuchten bei Spannungsunterbrechung, tritt bei etwas höherer Spannung (ab etwa 5 Volt) auf. Dies kann nur deshalb geschehen, weil auch der LP2950 einen sehr geringen 'drop' hat.
Zum Vergleich: in dieser Schaltung werden ca. 1 Volt für die Elektronik benötigt. Mit herkömmlichen Bauteilen wären es etwa 4 Volt mehr. Die Konstant-Beleuchtung wäre damit erst ab ca. 8 Volt an den Rädern gegeben.
Zur Bauteilbeschaffung:
Die BAT165 (14 ct)
den LP2950CZ5 (45 ct) gibt es bei Reichelt, aber nicht bei Conrad,
die weißen LEDs gibt es bei etlichen Lieferanten, aber weder bei Conrad noch bei Reichelt.
Schade drum, aber kann man nicht ändern.
Um den Nachbau etwas zu erleichtern, ist der LP2950 als Standard-IC (TO-92, mit Drahtbeinchen) ausgewählt worden, da Platz genug unter dem Dach ist. Er wird mit S-förmig abgewinkelten Beinchen wie ein SMD-Bauteil aufgelötet. Als einzig schwierig zu verarbeitendes Bauteil (weil so winzig) ist der IRU1205. Dieser hat auf kleinstem Raum (SOT-23-5) 5 Beinchen, die mit einiger Präzision angelötet werden müssen. Die übrigen Bauteile sind (fast) überall erhältlich.
Zur räumlichen Anordnung:
Die Hauptplatine wird 2-seitig ausgeführt und trägt auf der Oberseite die gerade beschriebene Elektronik. Die Unterseite ist somit völlig frei für die Aufnahme der LEDs. Weil der Gang neben der Toilette und der Vorraum auch beleuchtet werden müssen, ist hier eine besondere Leiterbahnführung angesagt. Oberhalb dieses Bereiches, der für alle Wagen gleich ist, wird die Elektronik angeordnet.
Die Erweiterungsplatine wird nur einseitig ausgeführt und trägt nur die LEDs, normalerweise spiegelbildlich zur Hauptplatine.
Die rechte Platine ist 154 mm lang, die linke 144 mm. Beide zusammen müssen 288 mm lang sein. Eine von beiden muß also um genau 10 mm gekürzt werden. Wieso so umständlich?
Es gibt beim Vorbild Wagentypen, die ein Abteil genau in Wagenmitte haben, und welche, wo sich genau dort eine Abteil-Wand befindet. Wir schneiden also unsere Platinen so zurecht, daß der Stoß zwischen beiden immer über einer Abteil-Wand liegt.
Das Anpassen in der Länge muß immer in der Wagenmitte geschehen, damit die Endstücke, die ja die besonderen Leiterbahnführungen für die Vorräume haben, erhalten bleiben.
Da eine Zeichnung mehr sagt als viele Worte, haben wir zwei typische Seitenrisse von Schnellzugwagen beigefügt, die unterschiedliche Fensterteilungen haben. Zu dem Typ mit einem Fenster genau in der Mitte zählen der Avmz und der ABn; die meisten anderen haben in der Wagenmitte eine Abteilwand.
Wagen mit ungerader Fensterzahl, z.B. Avmz oder ABn
Wagen mit gerader Fensterzahl, z.B. Bm oder Bn, aber auch ABm wegen unterschiedlicher Abteilgrößen !
Von der Elektronik aus gehen 2 Durchkontaktierungen zur Unterseite, und die Weiterleitung der Spannung an die Erweiterungsplatine geschieht wiederum auf der Oberseite durch 2 weiche Drahtverbindungen. Der Anschluß der Stromzuführungen und des Goldcap wird durch Lötflächen auf der Oberseite vorgenommen.
Wir haben eine typische Platine dargestellt, leider nicht maßstäblich. Lassen Sie sich nicht verwirren; wenn man's weiß, ist alles ganz einfach:
Die Platine ist von der Wagenmittellinie nach rechts genau 144 mm lang. Nach links ragt sie 10 mm über. Dafür kann sie aber genau in der Wagenmitte die LEDs für den ABn oder den Avm tragen. Für alle anderen Wagen wird an der Mittellinie abgesägt.
Das Pfeil-Raster oben stellt die Fensterteilungen der verschiedenen 26,4-m-Schnellzugwagen dar. Sie sehen dort die Bezeichnungen Bn, ABn, Bm, Am und Avm. Die senkrechten Pfeile stellen die Abteil-Mitten der Wagen dar bzw. die Orte, wo eine LED-Beleuchtung angebracht werden sollte. Unten sehen Sie in Rot (= Leiterbahnen) die daraus resultierende Platine. Sie ist für alle angegebenen Wagentypen brauchbar. Auf der Mittellinie der Platine können Bauteile aufgelötet werden, ebenso an um genau 4 mm darüber liegenden Orten. Bei den Abteilen ohne Seitengang (Bn-Wagen und B-Abteile des ABn-Wagens) liegen die LEDs auf der Mittellinie und die Widerstände daneben; bei den Wagen mit Seitengang ist es genau umgekehrt. Auf dem rechten Teil der Platine wird die Beleuchtung des Wagenendes vorgenommen. Unten rechts am Rand kann eine Gang-Leuchte (LED) angebracht werden, ganz rechts ist der dazugehörige Widerstand anzulöten. Beide können gegeneinander ausgetauscht werden, wenn es um die Beleuchtung des Wagen-Durchgangs bei den ABn und Bn geht. Die direkt danebenliegenden Lötflächen sind zur Beleuchtung des Vorraums (Einstieg) bei allen Nicht-Nahverkehrswagen vorgesehen.
Alle LEDs und Widerstände haben die Baugröße 0805, können also, wie gerade erwähnt, gegeneinander ausgetauscht werden.
Die vier Lötpunkte (grün gezeichnet) sind die einzigen Bohrungen auf der Platine. Die linken beiden dienen der Stromversorgung der Erweiterungsplatine (andere Wagenhälfte), die rechten beiden sind die Einspeisepunkte der Stromversorgung (die auf der anderen Seite der Platine liegt).
Ein kleines Rätsel soll auch noch gelöst werden: Bei den Wagentypen stehen Bm und ABm direkt untereinander an derselben Fensterteilung. Wie das? Bei allen ABm-Wagen liegt, wenn man ihn von der Seite auf der Gang-Seite betrachtet, die B-Hälfte rechts. Und damit ist die Beleuchtung, jedenfalls was diese Platine betrifft, gleich. Die Partner-Platine hätte logischerweise eine gleiche Aufteilung für Am und ABm-Wagen.
Bei der Fertigung der Platinen hat der Autor die Fensterteilung, ähnlich wie hier dargestellt, 1:1 auf Papier geduckt und dieses dann als Arbeits-'Unterlage' benutzt. So ist nicht ein einziges Mal eine LED an den falschen Platz gelötet worden. (Schon mal verdreht, also Anode und Kathode vertauscht, aber das gehört nicht hierher.)
Um den Seitenversatz im Gangbereich noch einmal klarzumachen, ist in der nachstehenden Zeichnung ein (Ade-)ABn-Wagen in der Draufsicht (ein halber Wagen, ohne Dach) dargestellt. Eingezeichnet ist die Lage aller LEDs zur Beleuchtung, wobei eine blau dargestellte LED ein dunkles Licht abgeben soll (z.B. Einstieg). Will man die LEDs genau in Abteilmitte legen, müssen sie bei den Abteilen mit Seitengang außermittig versetzt werden.
Draufsicht auf einen ABn-Wagen
Als letztes zeigen wir ein Foto der Stromversorgung, die ja auf der Oberseite der hier dargestellten Beleuchtungsplatine sitzt. Sie ist ausgelegt für eine 4-Punkt-Stromabnahme. Beim Fahren ist dies nicht so unbedingt notwendig, da die Nachleuchtdauer mindestens eine halbe Minute beträgt; aber wenn der Wagen zufällig auf einer schlecht leitenden Stelle steht (z.B. in einer Vitrine), dann wäre es vielleicht sinnvoll. Man muß ja nicht alle Dioden einbauen und alle Räder anschließen ...
Ziemlich in der Mitte liegen die beiden Anschlüsse (rot und blau) für den Goldcap, der rechts außerhalb des Bildes befestigt (= angeklebt) ist.
Ergebnisse:
Dadurch, daß jedes Abteil seine eigene Lichtquelle hat, wirkt die Beleuchtung ausgesprochen gleichmäßig, was einen hervorragenden Eindruck hinterläßt. Die Kopfenden erhalten eine stark gedämpfte Beleuchtung, was sie nicht "tot" aussehen läßt. Besonders bei den "Silberlingen" ergibt sich ein ungewohnter, aber faszinierender Eindruck, wenn die Einstiege, die ja nicht an den Wagenenden liegen, im Licht dunkler gehalten werden.
Vorn rechts sehen Sie einen Bn-Wagen, links im Hintergrund einen ABn-Wagen.
Oder bei dem Steuerwagen BDnf 738: rechts schemenhaft die Falttüren des Gepäckabteils, dann der Arbeitsraum des Personals, dann die (halbe) Einstiegstür, dann links das erste Fenster des B-Abteils. So etwas gelingt nur beim Selbstbau einer Innenbeleuchtung.
Nachtrag: Inzwischen hat der arme Kerl (s. Bild oben) etwas zu lesen bekommen: eine Streckennetzkarte, die wir von irgendeinem Prospekt eingescannt und dann wesentlich verkleinert auf Fotopapier gedruckt haben.
12.10.2006, Korrektur:Bei der Serienfertigung stellten wir fest, daß die Regel-Vorstufe in manchen Betriebssituationen zum Schwingen neigt. Dies kann unterdrückt werden, wenn man parallel zur DUS am Fuße des LP2950 einen Kondensator (470nF) schaltet, s. Bild rechts (rot gezeichnet).
Gesamtschaltung:
Alle hier vorgestellten Schaltungen arbeiten immer nach dem gleichen Prinzip:Von den Stromabnehmern an den Rädern laufen 2 Leitungen zu dem Eingang der Stromversorgungsplatine. Diese gibt eine Spannung von genau 3 Volt an ihrem Ausgang ab. Je nach Bauart ist der Stützkondensator (Goldcap) schon auf der Platine integriert oder liegt irgendwo extern im Fahrzeug. Dieser benötigt dann natürlich weitere zwei Leitungen. Die Beleuchtungsplatine(n) wird/werden mit 2 Leitungen an den Ausgang der Stromversorgungsplatine angeschlossen. Fertig.
Etwas komplizierter wird es bei der Erweiterung für Wechsellicht :
Zur Energieversorgung wird diese, wie auch die Beleuchtungsplatinen, an den Ausgang der Stromversorgungsplatine angeschlossen. Als zusätzlichen Eingang benötigt sie 2 Leitungen direkt von den Rädern. Dies können durchaus die gleichen Leitungen wie die zur Stromversorgungsplatine sein. Diese Erweiterungsplatine besitzt nur einen einzigen Ausgang: mit diesem wird die rote LED des Schlußlichtes nach + 3 Volt geschaltet.
Wie das funktioniert, ist auf der Seite unter Steuerwagen-Beleuchtung beschrieben.
Ausblick:
Wir arbeiten an Sonderlösungen für Speisewagen, Aussichtswagen und Doppelstockwagen, dazu Altbauwagen, Umbauwagen usw. Aber das ist im Sinne dieses Projektes eher uninteressant und wird daher noch einige Zeit dauern.
Schauen Sie am besten vorn ins Inhaltsverzeichnis. Dort sind Sie am besten informiert über die Taten, die wir inzwischen 'vollbracht' haben.
Und andere Spurweiten?
Interessanterweise entstand dieses Projekt aus dem Auftrag eines Spur-N-Bahners, eine einfache Beleuchtung für sein Digital-System zu bauen.
Grundsätzlich ist es einer Elektronik egal, bei welcher Spurweite sie arbeitet. Der Erbauer muß sie 'nur' in evtl. beengte Platzverhältnisse einpassen und somit die Bauteile nach ihrer Baugröße auswählen. Das einzige 'richtige' Problem ist wohl, bei Spur N den Goldcap unterzubringen. Da wird man wohl nicht umhin können, ihn in einen Vorraum zu stecken (quer zur Fahrtrichtung).
Auch für Großbahnen (z.B. LGB) sehen wir kein Problem. Bei höheren Strömen werden die LEDs so gleißend hell, daß sie jedes Abteil ausleuchten können.
Und andere Goldcaps?
Es gibt andere Goldcaps, kleiner in den Abmessungen und mit noch höherer Kapazität, aber für sehr kleine Spannungen (meist 2,5 V) ausgelegt. Diese eignen sich nicht für unser Projekt, da sie:
1. nicht spannungsfest genug sind und
2. einen zu hohen Innenwiderstand haben. Sie können den Strom, den wir für die LEDs brauchen (ca. 10 mA) nicht zur Verfügung stellen. Wie schon an anderer Stelle angedeutet: Goldcaps sind keine Kondensatoren in herkömmlichem Sinne.
Im August 2009: Nachträge und Korrekturen:
Inzwischen sind etliche Monate ins Land gezogen, in denen wir immer wieder Verbesserungen vorgenommen haben; meist jedoch an Platinen-Layouts, nicht aber am Konzept der Regelung. So sind wir völlig davon abgegangen, zweiseitige Platinen zu verwenden. Wesentlich einfacher ist es, die Regel-Platinchen auf Vorrat zu produzieren und sie dann bei Bedarf auf die (ja doch je Wagentyp unterschiedlichen) Beleuchtungs-Platinen aufzukleben.
Einer unserer Leser, Herr Betzin, fragte uns, ob wir daran gedacht hätten, anstelle der Längsregler Schaltregler einzusetzen. Nein, hatten wir nicht.
Seine Idee war es, die Beleuchtungs-LEDs in Reihe zu schalten und sie mit einem stromgeregelten Schaltregler anzusteuern. Recht hat er: mit Schaltreglern lassen sich wesentlich effizientere Energieverwertungen erreichen; überschlägig doppelt so gut wie mit unserem Konzept. Und nichts ist ja so 'schlapp' wie ein Speicherkondensator!
Nur - wir wären zwar um den Faktor 2 besser geworden, aber dies hätte man auch mit einem doppelt so großen Goldcap erreichen können. Ausschlaggebend für uns war aber die Befürchtung, daß wir dann den modularen Aufbau (also die Trennung von Regler- und Beleuchtungsplatine) wieder hätten aufgeben müssen. Jeder Wagen ist ja anders: anders in der Anzahl der LEDs, aber auch anders in deren Helligkeit. Und mit dem (gewollten) Helligkeits-Unterschied in den Vorräumen: da hätten wir mit Parallel-Widerständen experimentieren müssen. Die Nachbausicherheit hätte auch gelitten.
Wir bleiben daher beim alten Konzept.
Herzlichen Dank an Herrn Betzin für das 'Querdenken' und Mitmachen bei diesem Projekt!
Im Juli 2010: Beschaffungsprobleme:
Leider wird der Baustein IRU1205-30CLTR schon seit 2006 nicht mehr hergestellt. Dies haben wir anläßlich einer Nachbestellung erfahren müssen. Dessen andere Versionen (andere Spannungen; einstellbar) werden weiterhin produziert.
Als Alternative bieten sich an (die erste Version haben wir selber nicht ausgetestet):
Der IRU1205CLTRDieser hat keine fest einprogrammierte Ausgangsspannung. Diese muß über einen Spannungsteiler 4,7kΩ / 3,3kΩ eingestellt werden. Das ergibt, rein theoretisch, eine Spannung von 3,03 Volt. Zusätzlich muß am Ausgang ein keramischer Kondensator mit 2,2µF eingelötet werden. Das nebenstehende Bild zeigt die geänderte Schaltung; das komplette Original steht weiter oben.
Der LP2980IM5X-3 oder LP2981IM5X-3Diese beiden haben eine feste Ausgangsspannung von 3 Volt. Sie dürfen an Pin 4 nicht beschaltet werden. Der Ausgang muß ebenfalls durch einen keramischen Kondensator (wie oben) belastet werden. Der 2980 hat eine maximale Strombelastung von 50 mA (der 1205 hat 300 mA, der 2981 hat 100 mA). Dieser Wert reicht für die normalen Beleuchtungen 'dicke' aus. Sie müßten Sich schon sehr anstrengen mit zusätzlichen Verbrauchern, um ihn an seine Grenzen zu bringen. Und - was sollte der Goldcap dazu sagen? Er wäre in ein paar Sekunden 'leergesoffen'.
Wir haben eine erste Schaltung für diesen Typ getestet und für gut befunden.
Keramische Kondensatoren gibt es (u.a.) preiswert bei Reichelt, ebenso den LP 2950 CZ5, weiße LEDs preiswert u.a. auch bei Hufing, Art.-Nr. '0805 sun'. Die BAT165 gibt es nach wie vor bei Conrad, ebenso den IRU1205CLTR (einstellbar).
Für den LP2980 könnten Sie bei mirolub (ebay) fündig werden.