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FKS-Modellbau Gerd Gehrmann

THEMA: Waggoninnenbeleuchtung

THEMA: Waggoninnenbeleuchtung
Startbeitrag
Story - 23.03.13 14:09
Oft scheitern die Anpassungen von Leuchtband-Billiglösungen, die Anzahl der LED pro Waggon ist zu wenig und man hat eine ungleiche Ausleuchtung oder die Stromaufnahme ist zu hoch.

Die von Michael Peters gemachten Vorschläge zur Waggoninnenbeleuchtung (Beitrag im Kapitel Elektrik) habe ich nochmals aufgegriffen und neu umgesetzt. Ergebnis ist eine für analogen und digitalen Betrieb brauchbare Lösung, die sich durch gleichmäßige Ausleuchtung, Regelbarkeit der Helligkeit und geringe Stromaufnahme auszeichnet. Mit ein wenig Bastlergeschick lässt sich hier eine recht kostengünstige Lösung schaffen.

Gliederung
1) Stromabnahme
2) Elektronische Schaltung
3) Bestückung und Montage der Platine
4) Stückliste und Kosten
5) Vorlage
6) Bilder im Betrieb
7) Fazit
8) Danksagung, Literatur

1) Stromabnahme

Ausgeführt wurde die beschriebene Lösung für Waggons von Fleischmann, ähnliche Lösungen für Trix, Roco oder Arnold sind mit Anpassungen sicherlich ebenso möglich.
Zur Stromübertragung von den Radachsen ins Waggoninnere wird auf die Silberbleche von Conrad zurückgegriffen, die es im 4er Pack gibt und die mittels der Drehgestellschraube befestigt werden. Problem ist der Kontakt der Silberbleche zur Schraube, da das Ganze ja drehbar gelagert und nicht fest verschraubt ist.
Abhilfe schafft hier das Anlöten von 2 kleinen Drähten aus der Bastelkiste bzw. von 0,14mm² Schaltlitze. Es ist darauf zu achten, dass die Drähte mit kleiner Reserveschleife versehen werden, um den Drehgestellen die Bewegung nicht einzuschränken. Ein Draht dient als back-up, damit eine sichere Stromübertragung auf den Bügel möglich ist. Ein Flackern tritt dann z.B. nur noch an Weichen (nicht leitende Herzstücke) auf, aber auch hier gibt es Abhilfe, wie weiter unten beschrieben. Bild 1 + 2: Stromabnahme am Vierachser

Der Metallbügel im Waggoninnern wird ausgebaut und mit dem Dremel an passender Stelle abgeflext, ein Loch mit Durchmesser 1,8mm gebohrt, ein Gewinde M3 geschnitten und wieder eingebaut: Eine Schraube M3 hält hier den Anschlussdraht zur Platine, die im Waggondach untergebracht ist. Löten hilft in diesem Falle nicht, da der Bügel aus Aluminium besteht.

Bild 3: Befestigung der Stromabnahme

2) Elektronische Schaltung

Grundsätzliches
Bei der Auswahl der Bauteile empfielt es sich, aufmerksam die Ratschläge von Michael Peters zu beherzigen. Zum Einsatz kamen in diesem Fall ausschließlich SMD-Bauteile, die durch ihre geringe Bauhöhe einen problemlosen Einbau der Platine im Waggondach ermöglichen.
Benutzt wurde die sog. "Spannungsquellenschaltung", die zwischen ca. 6,2V und 18V Gleichspannung im Analogbetrieb oder auch im Digitalbetrieb klaglos funktioniert. Ich fahre mit einer Impulsbreitenregelung (PWM), die permanent 12V (Rechteckspannung) erzeugt und sich damit auch bei Langsamfahrt eine volle Ausleuchtung der Waggons ergibt.
Die Schaltung
Damit Unabhängikkeit bei Spannungsumpolung (Fahrtrichtungswechsel) besteht, wird ein kleiner Brückengleichrichter vorgeschaltet.
Über den Transistor und die Zenerdiode ist eine konstante Spannung von 6,2V für die 5 Leuchtdiodenpaare gewährleistet. Die einzelne Diode hat eine Betriebsspannung von 3,2V, bei der dann 20mA fließen. Zusätzlich wurde ein Mini-Poti eingesetzt, das eine Beleuchtungseinstellung in recht akzeptablen Grenzen erlaubt. Da bei Analogbetrieb die Zugfahrt sowieso erst bei ca. 5V Gleisspannung beginnt, wurden hier jeweils 2 Dioden mit 1 Vorwiderstand in Reihe geschaltet.
Wichtig war bei der Auslegung, dass die Bauteile nicht überlastet werden bzw. gar das Dach abschmilzt oder sich durch Wärmeentwicklung verfärbt, was bei Miniglühlampen recht häufig passiert.
Um das zu erreichen, spielt die Auswahl der LEDs eine wichtig Rolle. Die einzelne LED muß bereits bei 2-2,5V (und nicht erst bei 3,2V) eine genügend hohe Lichtausbeute liefern bei gleichzeitig niedrigem Strom: Die üblichen 20mA pro LED mal 10 LEDs wären hier viel zu hoch und die Zenerdiode und der Transistor würden mit 200mA warm werden. Auch wäre der Stromverbrauch viel zu hoch: Mit 5 Waggons wären wir schon bei 1A! Der gewählte LED-Typ erfüllt aber genau diese Bedingungen, er liefert bereits bei 2,5V genügen Ausbeute bei einem Strom von 4-5mA.
Durch die Reihenschaltung von 2 LEDs benötigt die Schaltung also 5 x 4-5mA = 20 bis max. 25mA pro Waggon, ein abzeptabler Verbauch, den auch Industrieplatinen von namhaften Herstellen nicht unterschreiten.
Verwendet wurden LEDs der Firma LUMITRONIX Typ "warmweiß", die einen Abstrahlwinkel von 110° sowie ein hohe Lichtausbeute haben. Damit ergibt sich eine gute Überdeckung der Lichtkegel bei dem gewählten Abstand und damit eine gleichmäßige Ausleuchtung. Wer gerne den alten Gelbton möchte, kann hier auch andere auswählen, sollte sich aber unbedingt die Kennlinien und Kennwert anschauen und auch ggf. mal mit einer ausprobieren, was sie hergibt und wie die Stromaufnahme ist, bevor es "in Serie" geht.
Das berühmte "Flackerthema": wie schon Michael Peters berichtet, ist -unabhängig von anloger oder digitaler Fahrweise- bei Kippeln oder erst recht beim Überfahren von Weichen (bes. mit nicht leitenden Herzstücken) durch die damit verbundene kurzzeitige Stromunterbrechung ein Flackern zu sehen. Das ist recht auffällig, nervt auf der Anlage und  hat mit realistischen Betrieb nicht mehr viel zu tun. Die sog. Gold-Cap-Kondensatoren (max. 5,5V Betriebsspannung) helfen ab, da sie -einmal aufgeladen- bei Unterbrechungen durch ihre enorm hohe Kapazität puffern. Die Wahl der Kapazität ist hier weitgehend durch deren Baugröße bestimmt, da mehr als 0,33F schlecht im Waggon versteckt werden können, ohne dass man das von außen störend empfindet. Ein Wert von 0,1F reicht hier aber auch schon aus. Der Gold-Cap ist mit einem Ladewiderstand und einer Entladediode versehen.

Bild 4: Die Schaltung
Die Schaltung wurde mit dem Programm TARGET 3001 gezeichnet (kostenlos aus dem Internet für Privatanwender)
http://server.ibfriedrich.com/wiki/ibfwikide/index.php?title=Hauptseite

3) Bestückung und Montage der Platine

Bild 5: Die Bauteile (Platine = Reststück für Donnerbüchse)

Es wurde eine einseitig kupferkaschierte Platine mit einer Stärke von 1mm verwendet, die sich sogar mit der Schere auf das Maß BxL = 10mm x 100-120mm zuschneiden lässt (1,5mm ist schon zu dick).
Mit einem Edding-Stift 0,8mm Strichstärke werden die Leiterbahnen eingezeichnet und die Platine im Natriumperchlorat-Bad geätzt. Bohren entfällt zum Glück komplett, es können die Kabel direkt aufgelötet werden.
Zum Bestücken braucht man nicht den schwarzen Gürtel im Löten, aber eine sichere Hand und ein gutes Auge, notfalls auch eine Lupe. Hier die Ergebnisse:

Bild 6: Fertig bestückte Platine für D-Zug Waggon
Bild 7: Bestückte Platinenseite der Einspeisung
Bild 8: Bestückte Platinenseite zum Gold-Cap-Kondensator
Bild 9: Eingebaute Platine im Waggon (mit Doppelklebeband)
Bild 10: Platzierung des Gold-Cap-Kondensators

4) Stückliste und Kosten
Nr. Anzahl Einheit Bezeichnung Lieferant Bestellnummer
1 1 Stck. SMD NPN-Transistoren AF BC817K40,, SMD-SOT23-Gehäuse Conrad 153076
2 1 Stck. SMD Brückengleichrichter B600C500 Conrad 501344
3 1 Stck. SMD Elko 10µF, 25V Conrad 445124
4 1 Stck. SMDTrimmpotentiometer 500Ω Conrad 420988
5 1 Stck. SMD Diode LL4148 Conrad 140902
6 1 Stck. SMD Z-Diode 6,2V BZV 55C Conrad 141810
7 1 Stck. SMD Widerstand 47Ω (47R 0805) Conrad 406090
8 6 Stck. SMD Widerstand 2,7kΩ (2K7 0805) Conrad 406309
9 10 Stck. SMD LED warmweiß 1.600mcd, 110º, 3.2V Lumitronix 14004
10 1 Stck. Supercap 0,33F oder kleiner (Panasonic), ØxH 10,5x5,5mm Conrad 422068
11 2 Stck. Zylinderkopfschraube Längsschlitz M3x5mm Bastelkiste
12 1 Stck. Platinenbasismaterial LxBxH 160x100x1 mm Conrad 523656
13 30 cm Schaltlitze 0,14mm² Bastelkiste
14 2 Stck. Achs-Schleifer Conrad

Die Kosten für die SMD-Teile liegen bei ca. 4 € (Platine anteilig eingerechnet) incl. des Gold-Caps mit 0,33F plus 4,20 € für 10 SMD-LEDs,  sofern man die Bestellmenge auf 10 Waggons auslegt. Insgesamt also deutlich unter 10 €/Platine, Industrielösungen liegen hier meist höher mit geringerer LED-Anzahl und schlechterem Gesamtergebnis in Ausleuchtung und Stromverbrauch.

5) Vorlage

Um den Nachbau ein wenig zu erleichtern, ist hier ein Vorschlag zur Leiterbahnführung beigefügt.
Bild 11: Platinenvorlage

6) Bilder im Betrieb

Mit dieser Schaltung habe ich mittlerweile 10 Waggons erfolgreich bestückt und fahre damit recht gut. Nicht nur D-Zugwagen, auch alte Donnerbüchsen z.B. lassen sich mit 4 LEDs gut ausleuchten.
Was allerdings auffällt, ist ein erhöhter Rollwiderstand durch die Stromabnahme an den Radachsen. Dies lässt sich jedoch nicht vermeiden, denn "wireless" geht’s halt nicht.
Hier nun einige Bilder aus dem Betrieb (das Poti ist auf Mittelstellung, etwas weniger wäre sogar realistischer)  

Bilder 12-13: Betrieb auf der Anlage

7) Fazit

Jeder Personenwagen verlangt nach einer individuellen Lösung bezüglich der Konstruktion der Innenbeleuchtung, die Innengeometrie setzt hier die Grenzen. Die vorgeschaltete Elektronik kann jedoch die gleiche sein.
Flackerfrei fahren ist mit sicherem Betrieb möglich, ein erhöhter Rollwiderstand begrenzt evtl. die Zuglänge. (Denkt dran, den GoldCaps einige "Rund" zu gönnen, bis sie sich vollends aufgeladen haben, erst dann puffern sie richtig.)
Bastlergeschick und viel Zeit sind allerdings vonnöten. Was hier nicht berücksichtig wurde, ist die Ankopplung an einen Funktionsdekoder für Digitalbetrieb, der die gezielte Ein- und Ausschaltung der Beleuchtung gestattet, aber dem Bastler sind hier keine Grenzen gesetzt. Michael Peters hat dies in seinem Artikel berücksichtigt.

8) Danksagung, Literatur

Ohne den Beitrag von Michael Peters aus dem Juni 2004 hätte ich mich nie an diese Sache gewagt, da zu viel Background fehlte. Daher geht an dieser Stelle mein Dank an ihn.
http://www.1zu160.net/elektrik/innenbeleuchtung.php

Michael Peters, Flackerfrei, MIBA 11/2001, S. 30ff
Diverse Datenblätter der Firmen Lumitronix und Conrad

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Ich würde statt des Gleichrichters 2 Doppeldioden in SMD Form SOT23 BAV 99 oder BAT54S nehmen machen lt Datenblatt bis zu 125mA. und sind wesendlich kleiner und flacher
Gruß Gerd Linke
Hallo Ulrich,

Danke für die Blumen, es freut mich, daß mein neun Jahre alter Beitrag an Aktualität (für Analogisten) noch nicht verloren hat.

Grüße Michael Peters
Geht auch, Gerd. Dann könnte man die Einspeisung der Platine jeweils an beide Enden verlegen und spart sich, ein Kabel zu "verstecken".
Gruß Uli
Hallo Michael,
gern geschehen. Aber ehrlich: was heißt hier für "Analogisten"?
Auch Digitalos müssen erst mal, wenn sie ihre Waggons beleuchten wollen, diese Lichtverteilung hinbekommen, egal, wie die Schaltung aussieht und wie sie das dann ansteuern. Da bleibt's bei der gleichen Bastelei...
Idee wäre noch, die Stromversorgung über Magnetkupplungen herzustellen, um sich den Schleiferzirkus und hohen Rollwiderstand zu sparen. Da gab's einen Beitrag im Forum...
Hallo Ulrich,

die ganze Mimik hatte ich so um die Jahrtausendwende entwickelt, zu einer Zeit, zu der ich meine Anlage noch analog betrieben hatte => Analogist.

Derzeit (inzwischen als Digitalo) nehme ich kommerziell erhältliche Leuchtstreifen (3LED's/5cm-Modul), Preis 10€/m.
Die LED's sind inzwischen bei einem Nennstrom von 20mA so hell, daß ich bei einem Wagen mit
3 Modulen diese ein Reihe mit einem einzigen 10k Widerstand betreibe. Der Stromverbrauch liegt dabei unter 1mA!!!.
Was geblieben ist, sind der notwendige Gleichrichter, der Kondensator (jetzt aber ~330µF/25V) und der Ladewiderstand.

Als stromleitende Kupplungen habe ich mal die von Krois ausprobiert, aber die sind mir beim Kupplen zu fummelig und auch die Kabelverlegung ist nicht das Gelbe vom Ei.

Grüße Michael Peters

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Folks!
Schön daß gebastelt wird, das fehlt ja immer mehr. Dennoch verstehe ich den Ansatz der hier gegangen wird überhaupt nicht. Gibt's eigentlich einen Speziellen Grund weshalb man da wenn eeh schon so Platzprobleme herrschen so viele LEDs einbaut die dann schlecht gepuffert werden können? Alternative:
http://www.austromodell.at/index.php?site=webshop&kategorie=81 Die Dinger verteilen das Licht gleichmäßigst im Wagen und das Puffern geht mit kleinen Kondensatoren.
Hier arbeiten ultrahelle LEDs über eine Stromquelle die die Helligkeit konstant hält auch wenn der Puffer-Kondensator beim Entladen Spannung verliert.

Sorry will hier nicht "Klugscheißen" oder die Arbeit schlecht machen...
-AH-
Arnold,

ich glaube, ausser uns beiden kennen die Produkte von Austro-Modell nur wenige in der N-Szene, da die Firma einen H0-Kleinserienstatus hat.

Ausserdem wäre es gut, wenn die Beleuchtungssätze durch obligatorisches Zubehör wie Rad- bzw. Aschsschleifer (bin kein Freund der oftmals vorgeschlagenen Drahtwickelmethode), vorverdrahtete Kondensator-Packs (wenn möglich für 25 V), sowie Schrauben für Fleischmann und Kontakthülsen (Hohlnieten bzw. Adernendhülsen) für Minitrix ergänzt würden.

Ideal wäre auch, wenn man die Lichtplatine von AM mit den Lichtstäben von Roco und Fleischmann kombinieren könnte um Wagen mit bereits installierter Beleuchtung auf LED umrüsten zu können. So muss man die bisherige Investition wegwerfen.


Grüße, Peter W.
Hallo Peter!
Ich will hier keine Produktdiskussion lostreten, bzgl. der Liststäbe habe ich dazu ev. einen eigenen Thread losgetreten. http://www.1zu160.net/scripte/forum/forum_show.php?id=699037

Ich hab' mich nur gefragt weshalb man sich die "Finger bricht" wo es doch einfachere Lösungen gibt die mMn sogar bessere Eigenschaften haben.
-AH-

Hallo Herr Hübsch,

auch bei den LL in Ihrem Link bricht man sich die Finger beim Einbau der LED's nebst Zubehör, es sei denn, Sie belehren mich eines Besseren.

Bei der von mir angewandten Methode brauche ich nur 4 zusätzliche Teile zu verdrahten, die LED-Leiste wird unter das Wagendach geklebt - fertig.
Einen Wagen umzubauen dauert knapp 30 Minuten.

Grüße Michael Peters
@9
Ich will niemanden belehren das vorweg. Die Lichtstäbe legt man in das Wagendach ein und schließt sie an. Das unterscheidet sich nicht zu dem Bastelvorschlag.

Mein Gedanke kreiste eher um das Thema Stromversorgung gleichmäßige Ausleuchtung und vor allem Stromverbrauch. Letzterer ist kritisch um mit kleinen Kapazitäten das Flackern zu bekämpfen.
Hallo Michael & Arnold,

ich denke, beides geht, was Ihr vorschlagt, es führen eben viele Wege nach Rom...
Die Austro-Modell Produkte kannte ich wirklich nicht, und ich habe statt wie Michael 30 min. das Dreifache an Zeit für den Umbau gebraucht incl. Herstellung der Platine. Nun ja, dass man mit dem Ergebnis zufrieden sein, kann zeigen ja meine beiden letzten Bilder und die viele Zeit hatte ich noch in der Bastelkiste...
Danke nochmals an alle für die Anregungen !
Gruß Story.
Hallo Ulrich

Zitat - Antwort-Nr.: | Name:

dass man mit dem Ergebnis zufrieden sein



Der Gesamteindruch ist sehr zufriedenstellend, schöne gleichmäßige Ausleuchtung, richtige Farbe. Ich glaube nicht, daß die Ergebnisse mit kommerziell erhältlichen Leuchtstäben besser wären.

Und vor allem, Dir hat's Spaß gemacht und das Erfolgserlebnis ist nicht von der Hand zu weisen.

Grüße Michael Peters


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