LED-Beleuchtung für die Modellbahn

Um meine Wagen gleichmäßig und wartungsfrei zu beleuchten, probiere ich schon seit einiger Zeit mit verschiedenen LED-Varianten herum. Hier sollen nun einige grundlegende Schaltungen erklärt werden, mit denen eigene Beleuchtungen realisiert werden können.

Grundschaltungen

Zunächst sei gesagt, dass bei Märklin und im Digitalbereich keine Gleichspannung verwendet wird, sondern mehr oder weniger gleichmäßige Wechselspannung. Bei analogem Betrieb ist es eine einfache, gleichmäßige sinusförmige Schwingung. Im Digitalbetrieb ist es nicht ganz so gleichmäßig, da hier über die Betriebsspannung auch Daten übertragen werden.

Die einfachste Schaltung für LED lässt sich mit einer Diode, einem Widerstand und der LED selbst darstellen:

Die Betriebsspannung liegt hier links und rechts an, wobei durch den Wechselstrom der Pluspol immer abwechselnd links oder rechts ist. Ist er links, leitet die Diode, der Strom fließt durch Vorwiderstand und LED und die LED leuchtet.

Diode und Vorwiderstand dienen hier dem Schutz der Leuchtdiode. Leuchtdioden leuchten nur, wenn der Strom in der „richtigen“ Richtung durch sie hindurchfließt – also von der Anode zur Kathode. In der Gegenrichtung sperren sie dagegen. Im Gegensatz zu einer „normalen“ Diode nehmen es Leuchtdioden aber übel, wenn sie auf Dauer in Sperrichtung betrieben werden, also: eine Diode zum Schutz.

Alternativ kann man auch diese Schaltung verwenden:

Wenn der Pluspol links ist, fließt der Strom durch die Leuchtdiode. Ist der Pluspol rechts, fließt der Strom stattdessen durch die normale Diode.

Wie erkennt man bei einer Leuchtdiode „+“ (Anode) und „-“ (Kathode)? Bei neuen Leuchtdioden ist es leicht: das längere Beinchen ist +. Bei LED aus der Bastelkiste muss man schon etwas genauer hinsehen:

Auf dem Bild sieht man, wie die Beinchen im Gehäuse der LED weiterlaufen. Die Kathode ist dabei der größere Teil – auf dem Bild oben ist die Kathode also rechts, die Anode links.

Der Vorwiderstand dient dazu, aus der Versorgungsspannung die richtige Stromstärke für die LED zu erzeugen. Seine Größe berechnet sich nach dem ohmschen Gesetz durch die Formel R = U / I, wobei R der gesuchte Widerstandswert ist, U die Spannung, die am Widerstand abfallen soll, und I die Stromstärke der LED.

Bei der Berechnung darf auch die Diode selbst nicht vergessen werden. An jeder Diode fällt üblicherweise eine Spannung von 0,7 Volt ab. Diese ist also vor der Berechnung ggf. abzuziehen. Für das obige Beispiel ist dies vernachlässigbar, doch man sollte es im Hinterkopf behalten, wenn es um präzisere Berechnungen geht.

Wenn eine LED mit zu hoher Spannung betrieben wird, durchfließt sie ein zu hoher Strom. Die LED wird heiß und verfärbt sich oder brennt direkt durch. Bei geringer Überspannung wird der Alterungsprozess beschleunigt: Die LED wird zunehmend dunkler und fällt irgendwann komplett aus.

Reihenschaltung

Der Widerstand wandelt den Strom, den er „verbraucht“, in Wärme um. Je höher die abfallende Spannung ist, desto wärmer wird er. Gerade wenn mehrere LED zu versorgen sind wie bei Innenbeleuchtungen, dürfte im Innern des Waggons schnell unangenehme Wärme herrschen.

Die Lösung ist ganz einfach: Reihenschaltung. Nehmen wir einfach unser obiges Beispiel: Wenn statt einer gleich vier LED vom Widerstand versorgt werden, die in Reihe geschaltet sind, fällt an jeder LED eine Spannung von 2 V ab. Der Widerstand muss also nur noch 8 V „abbauen“, damit wir auf unsere 16V kommen. Statt 700 Ohm muss er also 400 Ohm haben. Die Schaltung sieht dann so aus:

Statt der Diode in der obigen Schaltung könnte man auch die gleiche Anzahl LED in Gegenrichtung verbauen. Bei normalem Wechselstrom würden dann beide LED-Reihen jeweils wechselseitig leuchten und sich gegenseitig absichern.

Für den Digitalbetrieb ist diese Schaltung freilich nicht geeignet. Bei analoger Wechselspannung flimmert es zwar gleichmäßig, aber das ist noch ganz erträglich. Beim Digitalbetrieb werden durch die Spannung jedoch auch die Signale an Loks und Weichen übertragen und das bedeutet: Die beiden Seiten flimmern nicht gleichmäßig, sondern im Rhythmus der Daten. Spätestens wenn die Zentrale die Befehle für mehrere Loks im Speicher hat und kontinuierlich sendet, wird es hässlich. Darum sollte lieber auf eine Schaltung mit einer zusätzlichen Diode zurückgegriffen werden.

Könnte man nun nicht einfach die Digitalspannung nehmen und die passende Anzahl LED dazwischenhängen, ohne Vorwiderstand? Im Prinzip ginge das natürlich, doch ist die Digitalspannung in den seltensten Fällen exakt ein Vielfaches der Durchlassspannung der LED – auch wenn es rein rechnerisch auf den ersten Blick so aussieht. Wird die Spannung zu niedrig, werden die LED sehr schnell dunkel. Bei zu hoher Spannung fließen sehr schnell zu hohe Ströme und die LED wird zerstört. Ein Vorwiderstand kann dies in Maßen ausgleichen – natürlich folgt die LED dem Spannungsverlauf, aber die Änderungen sind nur gering. Ohne Vorwiderstand geht es also nicht, sofern man nicht auf fortgeschrittene Schaltungen zur Stabilisierung der Spannung setzt – dazu später mehr.

Kommen wir also zurück zu einer Schaltung, bei der Schutzdiode, Widerstand und LED in Reihe geschaltet sind. Diese Schaltung lässt sich auch digital verwerten: Die Stromimpulse von Schiene (+) zum Mittelleiter (-) sind leidlich  gleichmäßig, so dass die Schaltung verwendet werden kann, wenn auf die Polung der Zuleitungen geachtet wird: Die linke Seite dieser Schaltpläne an die Schiene, die rechte an den Mittelleiter.

Man kann hinter die Schutzdiode natürlich auch mehrere „Stränge“ mit Vorwiderstand und LED hängen. Mit dieser Schaltung habe ich die einfache Beleuchtung der Umbauwagen und der Abteilwagen gestaltet:

Theoretisch wäre noch eine Variante denkbar. Ein Widerstand könnte mehrere Reihen von LED versorgen:

Natürlich muss der Wert des Widerstands entsprechend angepasst werden, da ja der doppelte Strom fließen muss. Unser Widerstand hätte also den Wert 8 V / 0,04 A = 200 Ohm. Allerdings bewirkt der doppelte Strom, dass der Widerstand noch mal etwas wärmer wird. Außerdem gibt es Widerstände mit verschiedener Belastbarkeit und je mehr Strom hindurchfließt, desto größer muss der Widerstand sein. Nicht unbedingt die Lösung, wenn mehrere Wagen beleuchtet werden sollen.

Brückengleichrichter und Glättung

Die bisherigen Schaltungen glänzten durch mehr oder weniger starkes Flimmern während des Betriebs. Für die Straßenbeleuchtung diekt am Lichttrafo mag das noch gehen, aber spätestens in einem Zug auf der digitalen Anlage sieht man sehr deutlich, dass die Beleuchtung nicht konstant ist. Hier hilft ein Kondensator. Gleichzeitig dient er dazu, kurze Spannungsunterbrechungen abzufedern. Herkömmliche Leuchtmittel machen das mit ihrer angeborenen Trägheit, aber bei LED müssen wir nachhelfen.

Damit wir auch wirklich jedes bisschen Strom nutzen, das der Trafo zur Verfügung stellt, ersetzen wir die einfache Schutzdiode durch eine richtige Gleichrichterschaltung, die aus vier Dioden besteht:

Mit dieser Schaltung lässt sich schon eine sehr gleichmäßige Beleuchtung realisieren. Die Dioden auf der linken Seite sorgen dafür, dass die jeweils „falsche“ Flanke des Wechselstroms umgekehrt wird. Der Kondensator lädt sich auf und versorgt in den „Spannungspausen“ die LED. Als Richtwert gehe ich von etwa 1 µF pro mA aus. Bei obigem Beispiel also 20 µF, wenn die LED 20 mA aufnehmen. Je größer der Kondensator ist, desto gleichmäßiger wird die Beleuchtung, auch wenn der Kontakt zu Schiene mal nicht gegeben ist – aber: Je größer der Kondensator, desto größer der Platzbedarf und desto größer die Ströme, die das System vom Transformator über Zuleitungen, Schienen, Schleifer und schließlich die Dioden aushalten muss.

Und noch ein Hinweis: Weiter oben ging ich davon aus, dass der Trafo 16V liefert und habe danach den Vorwiderstand berechnet. Dabei ist zu bedenken, dass auf Wechselstromtrafos die Effektivspannung angegeben ist. Wenn sich die Gleichrichtung auf eine simple Diode beschränkt, kann man damit auch durchaus noch leben.

Hinter der Gleichrichterschaltung und dem Glättungskondensator liegt die Spannung jedoch eher in der Höhe der Scheitelspannung, also nicht 16V sondern etwa 22,6 V. Bei Analogbetrieb von Märklin H0 liegt der Maximalwert wegen des Umschaltimpulses sogar noch höher. Dies muss natürlich bei der Berechnung der Vorwiderstände und vor allem der Kondensatoren beachtet werden. Kondensatoren sollten 35 Volt vertragen.

Spannungsregler

Mit einem LM317 als Konstantstromquelle kann man LED auch bei wechselnder Spannung gleichmäßig zum Leuchten bringen:

Der LM317 ist normalerweise ein einstellbarer Spannungsregler. Über die obige Schaltung wird er auch zur Konstantstromquelle: Der Spannungsregler stellt sich so ein, dass zwischen „Vout“ und „Adj.“ 1,25 V liegen. Zur Berechnung des benötigten Widerstands setzt man die gewünschte Stromstärke in die Formel R=U/I ein.

Der Spannungsregler gleicht unterschiedliche Eingangsspannungen aus. Wenn der Wagen im Analogbetrieb mit wenig Strom versorgt wird, weil der Zug langsam fährt, macht der Regler etwas weiter auf – und die LED leuchten schon mit voller Stärke. Wenn der Wagen Kontaktprobleme hat, federt der Kondensator dies ab und die LED leuchten konstant weiter, auch wenn der Kondensator vielleicht nicht mehr die ursprüngliche Spannung halten kann. Bei der vorherigen Schaltung würden die LED langsam dunkler werden – hier leuchten sie konstant weiter.

Um die Nennspannung der LED braucht man sich bei einer Konstantstromquelle keine weiteren Gedanken zu machen. Die Schaltung arbeitet als variabler Widerstand, der automatisch die optimale Spannung für die angeschlossenen Verbraucher einstellt.

Zu beachten ist, dass auch hier die Spannung nur abgebaut werden kann, genau wie bei einem Widerstand. Wenn Sie also 4 LED in Reihe betreiben, die Spannung aber nur 6 Volt beträgt, dann macht der LM317 daraus nicht auf magische Weise die meist benötigten 8 Volt. Im Gegenteil: Die Eingangsspannung sollte 2-3 Volt über der Eingangsspannung liegen, damit es zuverlässig funktioniert, denn der Regler benötigt ebenfalls etwas Spannung für sich selbst. Für den Digitalbetrieb kommt man damit auf 6-7 LED, die hinter einem LM317 betrieben werden können.

Schaltregler

Die letzte Möglichkeit besteht darin, einen Schaltregler zu verwenden. Hier wird die überschüssige Spannung nicht einfach in Wärme umgewandelt, sondern der Spannungsregler ändert tatsächlich die Spannung und bleibt dadurch kühl.

Das bietet eine Reihe von Vorteilen. Am wichtigsten ist bei Verwendung von „teurem“ Digitalstrom natürlich die Effizienz: Die Schaltung ist sehr viel sparsamer als alle Alternativen. Gleichzeitig kann man hier auch problemlos sehr viele einzelne LED mit geringem Vorwiderstand parallel an den Ausgang hängen, so dass die Beleuchtung auch im Analogbetrieb bei jeder Geschwindigkeit mit voller Helligkeit leuchtet.

Wenn man unter der Nennspannung der verwendeten LED bleibt, können sogar LED ohne Vorwiderstand angehängt werden, was unter Umständen die Verkabelung stark vereinfacht – bei meinem Bahnhof kommen nur zwei Schaltregler für hunderte LED zum Einsatz. Allerdings kann man dabei nicht die maximale Leistung der LED ausnutzen, denn die Nennspannung darf keinesfalls überschritten werden.

Nachteil des Schaltreglers ist der erhöhte Schaltungsaufwand und die höheren Kosten. Ob sich dieser Aufwand lohnt, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Bei einem Wagen für den Analogbetrieb oder bei Einsatz von fertigen 12-V-LED-Streifen mit stromführenden Kupplungen kann man die Schaltung schon mal im Gepäckraum verstecken. Wenn man dagegen nur einen einzelnen Wagen beleuchtet, der immer nur digital betrieben wird, dann ist so ein Schaltregler wohl übertrieben.

Einige Beispiel-Layouts für eine LED-Beleuchtung mit dem MC34063A habe ich auf der Seite Schaltregler zusammengestellt.