[Atlanta]

LEDs in Signalen und Fahrzeugen


Liebe Forenkollegen,

Oliver und ich unterhielten uns an anderer Stelle bereits über die Verwendungsmöglichkeiten von LEDs zur Beleuchtung von Triebwagen, Lokomotiven aber auch Signalen. Um nicht die Geduld der zuständigen Moderatoren für den dortigen Bereich zu überanspruchen, weil wir da ziemlich "Off Topic" vom eigentlichen Thema abwichen, führen wir die Diskussion hier weiter fort.

Wr erörterten bereits de Verwendung von Flat Top LEDs bzw. Duo LEDs deren bauliche Unterschiede und Einsatzmöglichkeiten.

In verschiedenen Publikationen hatte ich bereits von Flat Top LEDs gelesen und wie diese als Zugschlußbeleuchtung eingesetzt werden können.
Früher gab es wohl nur rote Flap Top LEDs, so daß die Einsatzmöglichkeiten etwas eingeschränkt waren.

Mittlerweile gibt es aber nahezu jede erdenkliche Farbe und Leuchtintensität bei LEDs, so daß sich unerwartet viele Einsatzmöglichkeiten ergeben.

Oliver, bitte korrigiere mich wenn ich nun vermute daß bei Duo LEDs mit nur zwei Anschlüssen die jeweils andere Farbe durch Umpolung erzeugt wird?
LED = Light Emitting Diode somit existiert in eine Richtung eine Sperrschicht was den Stromfluß in eine Richtung begrenzt. Ich vermute nun mal , daß nach der Umpolung der Stromfluß in die entgegengesetzte Richtung bei Duo LEDs die eine Farbe gesperrt wird und die andere Farbe erzeugt wird?

Bei LEDs mit drei "Beinchen" also 2 x Annode (+) und einer Kathode (-) verläuft der Stromfluß in eine Richtung und wird je nach Beschaltung über eine der beiden Annoden geführt und somit die unterschiedlichen Farben erzeugt.

Für meine Signalumbauten britscher Semaphore Signale, also zur Beleuchtung der Lichtscheiben eignen sich diese LEDs recht gut und generieren auch brauchbare Ergebnisse im zusammenspiel mit den vorhandenen Lichtscheiben der Flügelsignale. Verwendet man "Mikro-Birnchen", also Glühlampen oder zu helle weiße LEDs werden die Lichtscheiben überblendet und kommen nicht zur farblchen Geltung oder Erkennung der jeweiligen Signalstellungen bei Nachtbetrieb. Es muß also mit farblichem Licht nachgeholfen werden.

Was mich bei meinen Signalbausätzen von Ratio Plastic Ltd. allerdings verwundert ist, daß ich dieses Signal auch für Rechtsverkehr verwenden kann, Ersatzmasten sind mit beigelegt worden, das war in der Vergangenheit nicht der Fall. Preislich sind diese Signale nach Vorbild der Great Western Railway = GWR recht günstig und können über Weinert bestellt und bezogen werden, die Bestellnummer kann im Internet bei Ratio/Wills über die Peco Seite herausbekommen werden. leider sind die langen Lieferzeiten etwas abschreckend, dafür erhält man aber preislich günstige Signalbausätze (12 € bis 18 € für zweiflügelige Sgnale). Sogar Stellhebel zur mechanischen Umstellung der Signalflügel sind beigelegt. Das einzige Manko ist nur, daß deutsche Kunststoffkleber nicht verwendet werden sollten, das Polystyrol und Polystyrene der Signalbausätze besteht aus einer anderen chemischen Zusammensetzung, was sich bei der Verwendung von Klebstoffen mit Lösungmitteln stark verformt.
Angetrieben können die Signale auch werden, wenn man Stellantriebe von Völkner (Conrad Hausmarke) oder Viessmann verwendet (Slow-Motion-Antrieb), hierzu muß man den Signalfuß nur etwas umarbeiten, falls ein elektrischer Antrieb erwünscht ist. Die Beleuchtung erfordert aber etwas Improvisationstalent, um die Laternenatrappen durch LEDs zu ersetzen.
Eine rückwärtige weiße Lichtabstrahlung der Signallaternen ist bei britischen Signalen nicht erforderlich, da diese nicht immer direkt neben dem Gleis positioniert sind. In der Signalordnung ist festgelegt, welches Signal für welche Schienenstrang der Gleistrasse dann gilt. Solche Situationen können auch optisch bei deutschen Signalen an mehrgleisigen Gleistrassen auftreten.

Hier geht es aber jetzt nicht um die Positionierung von Signalen sondern um deren Beleuchtung mit LEDs oder Glühlampen.

Vielfach wurden in der Vergangenheit, bedingt der damaligen, verfügbaren Möglichkeiten, der damals kleinsten Baufornen der Lampen, für das heutige Empfinden, vielfach zu große Beleuchtungsmittel verbaut. In vielen Fällen und auch um die Kosten der industriellen Fertigung von Modellbahnartikeln zu minimieren und gering zu halten, erfahren seitens der Hersteller, Zubehörartikel wie Signale oder Lampen, nur selten eine Anpassung an modernere Beleuchtungsmöglichkeiten oder Verbesserungen im Aussehen.

Hierbei sind wir als Modellbahner gefordert, wenn wir uns mit diesen "primitiv" oder nicht maßstablich aussehenden Beleuchtungsmitteln auseinandersetzen und diese austauschen wollen.

[oligluck]

Hallo Ingo,
es ist genau so wie du es schreibst: Duo-LEDs haben zwei Beinchen und es wird die gewünschte Farbe durch die Polarität erzeugt.

Die LEDs mit drei Beinchen sind Doppel-LEDs, der Begriff Duo-LED wird aber auch hier häufig benutzt.
Diese gibt es sowohl mit gemeinsamer Anode als auch mit gemeinsamer Kathode. Für uns Modellbahner sind natürlich die LEDs mit gemeinsamer Anode interessanter, da man sie (mit Vorwiderstand) direkt an den Lokdecoder anschließen kann (der gemeinsame Rückleiter DCC=blau ist ja Plus).
Bei Signalen ist man natürlich etwas offener, da hängt es vom Decoder ab.

Nach meinen neuesten Informationen bezüglich Flat-Top-LEDs als Doppel-LED warmweiß/rot sind diese wohl (noch) vergleichsweise rar, weil es Fertigungsprobleme bei den Herstellern gibt (ich kaufe direkt beim Hersteller), aber für uns natürlich hochinteressant:
Der LED-Körper ist recht groß, aber das Licht wird durch einen Zylinder mit 2mm Ø heraus geführt und damit erzielen wir eine wunderschöne Wirkung, die der von Scheinwerfern bei Triebfahrzeugen entspricht.
Ich kam dank Ingos Vorschlag darauf, diese für mein Projekt VT133 523 zu benutzen (auf-schmalen-spuren-aller-baugroesen-f67/spreewaldgurke-als-nullnummer-t755.html), da meine Versuche mit einer in Bondex eingegossenen SMD-LED keine gewünschte Wirkung hatte.

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Wollen wir Glühlampen durch LEDs ersetzen, haben wir gleich mehrere Hürden:
eine Glühlampe leuchtet in alle Richtungen (natürlich nicht, denn unten ist der Sockel, ggf. mit Gewinde), während LEDs nur einen begrenzten Abstrahlwinkel haben.
im Falle einer FeldwaldundWiesen-LED beträgt dieser gerade mal 30°.
In vielen Fällen kann man damit leben, etwa, wenn wir ein Signal nachbilden wollen oder den Scheinwerfer eines Triebfahrzeugs.
Für Hausbeleuchtung sind solche LEDs unbrauchbar.

Wesentlich interessanter sind da SMD-LEDs, also solche, die direkt auf eine Platine gelötet werden.
Deren Abstrahlwinkel beträgt typischerweise ca. 120°, womit sich wesentlich mehr anfangen lässt.

Es besteht bei vielen eine Scheu, diese zu benutzen; allein die Erwähnung "SMD" führt häufig zu einer unnötigen Abwehrhaltung.
Das muss aber nicht sein, denn auch diese gibt es in vielen Größen, hier kann sich jeder austoben.
Eine (meiner Meinung nach) fast universelle Größe ist die Bauform 0805: die LED ist hier 2x1,25mm groß, man kann sie also sogar beim Löten noch sehen
Wie weit man nach unten (0603, 0402) oder oben (1206 oder gar PLCC) geht, hängt von den eigenen Fähigkeiten und vom Verwendungszweck ab.

Die nächste Hürde ist die Lichtfarbe:
während eine Glühlampe das sichtbare Spektrum fast vollständig abdeckt und im Durchschnitt eine Farbe von 3400K (Maß für die Farbe, anhand der Temperatur in Kelvin, mit dem ein Referenzmaterial glüht) hat, emittiert eine LED nur einen kleinen Bereich.
Zu kompliziert?
Eine Glülampe liefert alle Farben, gelb, grün, olivorange usw. und hat dabei in Summe die Farbe einer (genau!) Glühlampe. Etwas gelbroter als Tageslicht.
Eine warmweiße LED liefert nur einen kleinen Spektralbereich, hat dann als Ergebnis zwar dieselbe Farbe, aber nur diese.
Das kommt dann zum Tragen, wenn ich auf der Moba Glühlampen und LEDs kombiniere, denn der Unterschied ist sichtbar.

Lange Zeit gab es "reinweiße" LEDs, die sind, für unser Empfinden, viel zu blau. Warmweiß hingegen kommt mehr und mehr und, weil das nicht schon kompliziert genug ist, in verschiedenen Weißtönen.
Hier kann man fast schon kapitulieren, denn es gibt "warmweiß" als Oberbegriff, aber es haben sich auch andere Bezeichnungen etabliert, wie "golden white", "super golden white" oder "sunny golden white".
Will ich den Scheinwerfer eines Tf nachbilden, brauche ich eine andere Lichtfarbe als für eine "Neonröhre".
Schaut man sich Fotos von beleuchteten Modellbahnanlagen an, sind sofort die Unterschiede sichtbar, denn auf dem Foto sind dann plötzlich gelbliche oder bläuliche Punkte zu sehen, während unser Auge, wenn wir davor stehen, sich leicht betrügen lässt (da es adaptiert).

Gerade deshalb kann keine universelle Empfehlung gegeben werden, welche zu wählen sind.
Bei der Herstellung gibt es Toleranzen, die LEDs aus einer Charge sind also nicht gleich hell und unterscheiden sich sogar in der Farbe, sie müssen "selektiert" werden.
Will ich möglichst gleiche Farbe/Helligkeit, muss ich also darauf achten; für andere Zwecke, also z.B. Hausbeleuchtung, kann es wiederum wünschenswert sein, möglichst zu mischen, da sind dann die eBay-Angebote mit unselektierten LEDs ggf. ideal, günstig sowieso.

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Kommen wir zum Signal zurück, weil Ingo es erwähnt hat:
reinweiß scheidet aus, das haben wir nun gelernt. Das trifft aber inteessanterweise nicht auf jedes Signal zu, denn z.B. die Viessmann-Formsignalbausätze (vertrieben über Conrad) haben Lichtscheiben, die erst mit reinweißen LEDs richtig kommen. Die liegen dort aber auch bei, immerhin.

Für den Signalselbstbau oder -umbau sind aber ggf. warmweiße LEDs (Vorschlag: sunny golden white) ideal.
Bei den farbigen LEDs ist darauf zu achten, dass die grünen LEDs, die es immer schon gegeben hat, gar nicht wirklich grün leuchten, sondern gelbgrün.
Will ich eine grün leuchtende Lampe nachbilden, wähle ich also den Farbton "true green".
Rot und gelb sind da etwas pflegeleichter, immerhin

Weitere Informationen kann man auf der sehr informativen Homepage http://www.bogobit.de/signalled/ nachlesen.
Deren Multiplexer SiDemux ist ohnehin eine Empfehlung, nicht nur für die Multiplex-Signale von Viessmann, sondern auch für Eigenbauten:
ich werde bei zukünftigen Projekten (angedacht sind luxemburgische Signale, weil es die nicht zu kaufen gibt) auf Multiplextechnik setzen, weil einfach weniger Kabel anfallen.
Das Sidemux habe ich dafür schon vielfach nachgebaut; wer ähnliches vorhat, möge bitte fairerweise dort kaufen

Viele Grüße,
Oliver

[oligluck]

Moin,
ich greife mal diesen Thread auf, statt einen neuen zu beginnen.

Durch verschiedene Unterhaltungen bekam ich den Eindruck, dass nicht jeder sofort mit LEDs klar kommt.
Das ist auch verständlich, wenn man sich die Eigenheiten von LEDs vergegenwärtigt.

Sie sind, anders als Glühlampen, nicht "einfach so" mit dem Trafo zu dimmen. Denn im Grunde leuchten sie nicht im Verhältnis zur angelegten Spannung, sondern im Verhältnis zum durch sie fließenden Strom.
Um den Unterschied zu erklären, erlaube ich mir eine lapidare Ausdrucksweise:
die Spannung ist die Geschwindigkeit, mit der elektrisch geladene Teilchen fließen, während der Strom die Menge an Teilchen ist, die gleichzeitig fließen.
Man könnte nun behaupten, dass die Spannung doch auch einen Einfluss auf die "Summe an Teilchen pro Zeiteinheit" hat.
Stimmt ja auch: wenn ich am Trafo drehe, erhöht sich die Spannung, der Motor dreht schneller oder die Glühlampe wird heller.

Leuchtdioden verhalten sich jedoch nicht so, wie wir im Folgenden herausarbeiten wollen. Sie haben zwar auch eine Spannung angegeben, das ist die Durchlassspannung. Diese sollte man nicht überschreiten, sonst war es das mit der LED, sie gibt einmal kurz Rauchzeichen.
Wichtig ist also immer zu wissen, welche Durchlassspannung eine LED hat, um den geringstmöglichen Widerstand auszurechen, der vorgeschaltet wird.

Warum nun überhaupt ein Widerstand? (bei analoger Moba ist es im Grunde ähnlich, ich beziehe mich aber auf digitale Moba und gehe nicht extra auf die Unterschiede ein).

Unsere Digitalzentrale liefert ja ständig eine Gleisspannung; bei einigen Zentralen kann man sie einstellen, bei anderen nicht.
Bestes Beispiel für "nicht einstellbar" ist der weit verbreitete Roco-Verstärker. Nimmt man den Trafo, der lange Zeit dazu gehörte, haben wir knapp 21V Gleisspannung.
Diese lege ich auch bei allen Umbauten zugrunde, denn ich weiß ja heute noch nicht, ob ich nicht vielleicht nächsten Monat bei jemandem eine meiner Loks fahren lasse, der so einen Verstärker hat.

Gehen wir also von 21V aus. Meine LED, die ich versuche, überall zu benutzen, ist Warmweiß, hat die Bauform 0805, sie ist 2,0x1,6mm groß.
Kleinere LEDs, wie 0603 oder 0402, kommen immer dann in's Spiel, wenn die 0805 zu groß ist.
Jeder hat andere Vorlieben, ganz klar! Meine ist es, auch ein wenig Geld zu sparen. Denn die genannten LEDs kaufe ich nicht bei der Apotheke mit dem großen C, sondern gleich 3000 Stück beim Hersteller, das spart ca. 95%...

Das soll aber hier keine Rolle spielen, sie sind angegeben mit 3,2V und 20mA.
Das bedeutet:
1. über 3,2V sollte man ihnen nicht zumuten
2. bei 3,2V ziehen sie 20mA Strom und erreichen ihre größte Helligkeit (die sie auf Dauer liefern können)

Wie komme ich nun von 21V Gleisspannung auf 3,2V?
Zuerst einmal haben wir einen Decoder, die LED wird nicht direkt an Gleisstrom angeschlossen.
Der Decoder hat einen Gleichrichter, das verschlingt 1,4V.
Um mir die Rechnung zu vereinfachen, nehme ich 20V an, da ist dann schon mal eine kleine Sicherheit.

Die Formel zur Widerstandsberechnung lautet:

(vorh. Spannung minus Durchlassspannung) / Strom
ist gleich: (20V - 3,2V) / 20mA
ist gleich: (20V-3,2V) /0,02A = 16,8V/0,02A = 840 Ω

Dieses ist der Widerstandswert, der mindestens benötigt wird.
Die LED leuchtet aber damit immer noch viel zu hell: ganz sicher nicht nur für meinen Geschmack. Das ist eher "Fernlicht" als "Loklaterne"...

Und dazu kommt, wir haben ja nicht nur eine Loklaterne, sondern 2 (DRG) oder gar 3 (DR, DB).
Wie schließe ich die zweite an? Daneben, also parallel?
Das wäre möglich, aber wenig effizient:
zwei LEDs würden dann 40mA Strom ziehen. Das ist jetzt nicht wild, es geht nicht ums "Energiesparen auf Deubel komm raus"!
Aber machen wir uns klar, was der benötigte Widerstand eigentlich tut:
er senkt die Spannung, klar.
Er wandelt die Spannung, die an ihm abfällt (so heißt das nunmal) in Wärme um.

Für Mobakeller im Winter vielleicht nicht verkehrt, aber vergleichen wir mal:
ich bleibe bei zwei LEDs als Beispiel, denn das wird später auch für DB oder DR interessant werden.
Die Formel für die Widerstandsrechnung sieht parallel so aus:
R = (20V - 3,2V) / 40mA (2 LEDs parallel)
= 16,8V / 0,04 = 420Ω

Und seriell:
R = (20V -6,4V / 20mA(2 LEDs in Reihe)
= 13,6V / 0,02 = 680Ω

Noch nicht wild, aber nun kommt's:
was macht der jeweilige Widerstand?
er verbrät die Differenz, macht daraus Wärme.
Die Formel dazu ist simpel:
Differenz mal Stromstärke gleich Leistung

Oder umgesetzt für parallel:
16,8V x 0,04A = 0,67W

und für seriell:
13,6V x 0,02A = 0,27W

Watt sagen uns was, das ist ja eine Einheit für die Leistung. Eine 60W-Glühlampe kennen wir, einen 2000W-Heizlüfter auch.
0,27W oder 0,67W sind doch Peanuts? Natürlich, irgendwie schon. Im Vergleich zum Heizlüfter.
Nur: der Widerstand wandelt nicht nur die Differenz in Wärme, er erhitzt sich auch dabei. Genau da wäre das Problem, wenn ein Lokgehäuse es nicht mag, dass es nun mirnichts-dirnichts auf 80° C aufgeheizt wird.
Mal abgesehen davon, dass die handelsüblichen Widerstände nur 1/4W vertragen.

Darf ich davon ausgehen, dass serielles Anschließen von LEDs die bessere Wahl ist?
Mein Papa hat es sich (und uns) früher einfach gemacht, unser Tannenbaum zu Weihnachten leuchtete elektrisch, alle Lämpchen in Reihe.
Da mussten keine Kerzen angezündet werden, das Risiko eines Brandes war auch geringer. Aber die Fehlersuche, wenn denn mal so ein Kerzlein durchgebrannt war, war nicht sonderlich erbauend, denn sie hingen alle aneinander...
Bei LEDs haben wir das Problem nicht, sie gelten als "ewig" haltbar. Stimmt natürlich nicht, aber im direkten Vergleich schon.

Gut.
Nun sind wir so weit, dass wir vermutlich gerne LEDs lieber in Reihe benutzen.
Sie sind aber immer noch zu hell.

Daher wollen wir uns mal anschauen, wie sich eine LED verhält, wenn ich die Spannung verändere.
Dafür habe ich mal an eine meiner Lieblings-LEDs (warmweiß, 0805, 3,2V 20mA) zwei Strippen angelötet.
Zur Anwendung kommt ein Labornetzteil, bei dem ich den Strom auf 40mA begrenzt habe, drehe dort ganz langsam am Rad:
oben ist die Spannung zu sehen, darunter die Stromstärke:




Erst bei 2,4V fängt die LED überhaupt an, sich zu interessieren. Wird dann recht fix heller, um dann bei ihrer Maximalhelligkeit zu verharren.
Wir haben also nur einen ganz kleinen Spannungsbereich, in dem Dimmen möglich ist.

Es gibt noch das Dimmen im Decoder; das machen wir danach, zur Feineinstellung.
Zuerst gilt es, den richtigen Widerstandswert zu finden, bis wir die ungefähr richtige Helligkeit haben.
Ehrlich gesagt: da ist leider Ausprobieren angesagt…

Irgendwann bekomme ich zwar ein Gefühl, in welcher Größenordnung ich mich bewegen muss, und dafür ist es auch sinnvoll, immer möglichst die gleichen LEDs zu verwenden, aber ein Rest Ausprobieren bleibt immer.

Nun probieren wir mal was ganz anderes aus:
Ich habe zur Demonstration 18 LEDs geopfert, sie auf eine Testplatine gelötet.
Immer zwei in Reihe, jeweils mit einem anderen Widerstand davor.

Rein rechnerisch benötige ich für 2 LEDs in Reihe
(18V - 6,8V) / 0,02A = 560 Ω
(18V kommen aus meiner Zentrale, 3,4V ist das Maximum der Durchlassspannung)

Mit diesem Widerstandswert fange ich an, und erhöhe dann.
Die aufgelöteten Widerstände haben die Werte
560, 680, 820, 910, 1K, 1K5, 2K2, 4K7 und 8K2 Ω

Das waren die, die gerade zur Hand waren – und eine Eigenheit von Leuten, die mit Widerständen hantieren, ist eine komische Ausdrucksweise:
1000Ω werden nicht 1000Ω geschrieben, sondern 1KiloΩ, kurz 1K.
Und 2,2 Kiloohm werden, wohl aus Bequemlichkeit, 2K2 genannt.
Lötheinis sind halt Nerds…


Das Ergebnis sieht so aus:



Achtung: Bild um 180° gedreht, von hell nach sehr hell. Oder von Widerstand groß nach klein...


und ist vergleichsweise verblüffend, oder?
Ich brauche nicht in kleinen Schritten zu erhöhen, ich darf in die Vollen gehen!

Das liegt an der anfangs genannten Eigenheit der LED, proportional zum Strom zu leuchten, nicht proportional zur Spannung.
Um die LED dunkler zu bekommen, darf ich also nicht an den 20mA festklammern, sondern gebe in die Formel ein, wie viel Strom fließen soll.


Heute mal etwas weniger, sagen wir 2mA, statt der 20mA, die maximal möglich sind.


Die Formel dazu:
R = (18V – 4,8V) / 0,002A = 6,6 KiloΩ

Wie im Foto zu sehen, ist das immer noch zu hell.
Und die Messung bei der am wenigsten hellen LED ergibt, dass dort 1,24mA fließen.


Fazit 1: viel Text, sorry!

Fazit 2: rumbummelig 1mA reichen für meine Bedürfnisse völlig; wenn ich in die oben gezeigten Widerstandsberechnungen die richtige, gewünschte Stromstärke eingebe, dann wird das auch was mit der Nachbarin

Fazit 3: die Beleuchtung von Fahrzeugen benötigt mit LEDs so wenig Strom, dass es eine Freude ist!
Früher hatte so ein Roco-Geschoss ein Glühlämpchen drin, das locker mal 50mA zog und auch immer mal wieder, weil durchgebrannt, gegen Einwurf von Euronen ausgetauscht werden musste.

Machen wir uns gerne die Mühe, auf LEDs zu wechseln, dann hat die Liebe Ruh’.
Wie das Ganze mechanisch umzusetzen ist, dazu ein andern Mal mehr.

Oder natürlich ebenso gerne von jemand anders, gelle?



Viele Grüße,
Oliver

[joe]

Hallo Oliver,
klasse diese Fleißarbeit.
(Rest des Textes nach Änderung durch Oliver gestrichen)

[oligluck]

Danke Jörg,
hab' den Text geändert!

LG Oliver