LED-Wageninnenbeleuchtung Marke Eigenbau – eine Anleitung

Hallo!

Im Thread 4010-freak's Züge und Modellverbesserungen habe ich bereits den einen oder anderen Wagen vorgestellt, der als Abschluss der Superungs-Arbeiten eine Innenbeleuchtung spendiert bekommen hat.

Gelegentliche Anfragen, wie ich die Innenbeleuchtungen realisiert habe, haben mich dazu veranlasst, diesem Thema einen eigenen Bericht zu widmen.

Auf dem Markt gibt es zahlreiche mehr oder weniger fertige Beleuchtungssätze für Reisezugwagen, die je nach Funktionsumfang ganz schön ins Geld gehen können – mehr als eine Hand voll Wagen zu beleuchten kann da ein tiefes Loch ins Budget reißen. Deshalb und weil mir das Entwickeln und Basteln von Schaltungen ohnehin Spaß macht, habe ich mich für eine Eigenbau-Lösung entschieden.

Folgende Anforderungen waren zu erfüllen:

• Helligkeit unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit (ich fahre ja immer noch analog und das wird sich in absehbarer Zeit auch nicht ändern)
• kein Flackern bei Weichenstraßen etc.
• möglichst preisgünstig
• möglichst einfacher Aufbau
• falls ich irgendwann doch auf digital umstellen sollte, soll die Beleuchtung weiter verwendbar sein

Wie diese Anforderungen erfüllt werden können, werde ich in den nächsten Absätzen relativ ausführlich beschreiben. Wer die Ausführungen zu langwierig findet, kann sie ja überspringen und im nächsten Posting weiterlesen – da berichte ich dann über die Arbeiten an den Wagen selbst.

Die Anforderungen 'günstig' und 'einfach' lassen sich wohl am besten mit LED-Stripes, die es bei diversen Internet-Händlern um wenig Geld als Meterware gibt, unter einen Hut bringen.

Diese Streifen haben alle paar Zentimeter Stellen, an denen man sie kürzen kann, und können so leicht an die Wagenlänge angepasst werden. Je nach Bezugsquelle und Wagenlänge kommt man so auf einen Preis von etwa 50 Cent bis 1 Euro pro Wagen; gemeinsam mit den weiteren Komponenten ergibt sich ein Gesamtpreis in der Größenordnung von etwa 2€ pro Wagen. Ich denke, dass das kaum zu unterbieten ist.

Für eine gleichbleibende Helligkeit musste eine Schaltung her, die die Spannung an den LEDs ab einem gewissen Schwellenwert konstant hält. (Im Stillstand und bei ganz langsamer Fahrt leuchtet natürlich trotzdem nix, aber das ist halt der Preis für meine "Digitalverweigerung".) Um das zu erreichen, bieten sich elektronische Spannungsregler an, die es als integrierte Schaltung zu kaufen gibt – weit verbreitet sind die Bauteile aus der LM78xx-Serie.

Diese Bauteile sorgen dafür, dass eine Eingangsspannung von mehr als z.B. 5V auf genau 5V reduziert wird. Liegen am Eingang weniger als 5V an, wird die Eingangsspannung quasi direkt zum Ausgang "durchgereicht".

Ein klassischer Modellbahntrafo transformiert die (näherungsweise) sinusförmige Netzspannung auf einen niedrigeren Spannungswert und erzeugt anschließend durch Gleichrichten eine sogenannte pulsierende Gleichspannung. Schließt man die LEDs nun direkt ans Gleis an, ergibt sich am Leuchtmittel der hellrote Spannungsverlauf. Wenn man einen LM7805-Spannungsregler dazwischenschaltet, ergibt sich hingegen der dunkelrote Spannungsverlauf.

Das menschliche Auge nimmt die mit der Änderung des Spannungswertes einhergehende permanente Helligkeitsänderung nicht wahr – die Änderungen spielen sich im Millisekundenbereich ab. Die von unserem Auge wahrgenommene Helligkeit hängt nur vom zeitlichen Mittelwert der Spannung ab. Allerdings ist dieser Durchschnittswert trotz Spannungsregler noch nicht unabhängig von der Eingangsspannung: Reduziert man nämlich die Spannung am Gleis, erhält man die blau dargestellten Spannungsverläufe; der zeitliche Mittelwert der dunkelblauen Kurve liegt unter dem der dunkelroten. Dem Ziel einer konstanten Helligkeit ist man also mit einem Spannungsregler alleine schon deutlich näher gekommen, erreicht hat man es allerdings noch nicht.

Abhilfe schafft der Einsatz eines Kondensators, der im Wagen noch vor dem Spannungsregler positioniert wird und die pulsierende Gleichspannung glättet. Während des steigenden Verlaufs der Spannung am Gleis wird er geladen, anschließend beziehen die LEDs ihre Energie vom Kondensator statt vom Gleis – und zwar so lange, bis die Spannung am Gleis die (mittlerweile gesunkene) Spannung am Kondensator wieder übersteigt. Dann lädt der Kondensator erneut und die Prozedur beginnt von vorne. Wenn der Kondensator ausreichend groß dimensioniert ist, fällt die Kondensatorspannung nicht unter den Schwellenwert von z.B. 5V und der Spannungsregler kann wie vorgesehen arbeiten und die Spannung an den LEDs auf konstant 5V halten.

Es können sogar kurze Unterbrechungen, wie sie z.B. bei nicht polarisierten Herzstücken oder bei Kontaktschwierigkeiten auftreten, überbrückt werden. Damit ist also die Anforderung 'flackerfrei' auch erfüllt.

Nur: Was ist "ausreichend groß"? Einen Kondensator mit zu hoher Kapazität gibt es in diesem Fall nicht, denn je größer sie ist, desto längere Unterbrechungen können überbrückt werden. Limitierend ist lediglich der im Wagen zur Verfügung stehende Platz.

Die Baugröße eines Kondensators hängt von der Spannungsfestigkeit und von der Kapazität ab – je höher diese Werte sind, desto größer ist das Bauteil. Optimal ist ein Kondensator mit der kleinstmöglichen Spannungsfestigkeit (hängt von der maximalen Spannung am Gleis ab) und der größtmöglichen Kapazität, sodass er sich im Wagen noch verstecken lässt. Aber Achtung: Wenn man am Gleis mit einem handelsüblichen Messgerät eine maximale Spannung von z.B. 17V misst, ist ein Kondensator mit einer Spannungsfestigkeit von 17V NICHT ausreichend – die meisten Messgeräte messen nämlich den Effektivwert und nicht den Spitzenwert der zu messenden Größe. Ausschlaggebend für die Spannungsfestigkeit ist allerdings der Spitzenwert – bei sinusförmigen Größen kann er aus dem Effektivwert mit dem Faktor √2 ≈ 1,414 errechnet werden. Aus einem Effektivwert von 17V folgt also ein Spitzenwert von etwa 24V.

Bei meinen Wagen habe ich, je nach Platzverhältnissen, Elektrolyt-Kondensatoren mit 220µF/25V oder mit 470µF/25V im Einsatz.

Die nächste Frage ist: Welchen Spannungsregler soll man genau nehmen? Sprich: Wie hoch soll die Schwellenspannung, ab der die Beleuchtung immer gleich hell ist, sein? Wünschenswert wäre ein möglichst niedriger Wert, sodass die Wagen bereits bei möglichst geringer Fahrgeschwindigkeit mit voller Helligkeit leuchten.

Die LED-Stripes sind normalerweise auf eine Betriebsspannung von 12V ausgelegt. Wenn man sie tatsächlich mit dieser Spannung betreibt, sind sie für Modellbahn-Beleuchtungszwecke viel zu hell; abgesehen davon ist ein Zug mit 12V schon ordentlich schnell. Ein deutlich niedrigerer Schwellenwert wäre also anzustreben. Leider kann man mit dem Schwellenwert ohne weitere Maßnahmen nicht beliebig weit hinuntergehen – die LED-Streifen sind nämlich in einzelne Segmente aufgeteilt, die aus je drei in Serie geschalteten LEDs und einem Vorwiderstand bestehen.

Jede LED hat eine Durchlassspannung von knapp 3V; wenn die unterschritten wird, bleibt die Leuchtdiode finster. Ich habe daher bei jeder Dreiergruppe eine LED ausgebaut und durch ein Stück Draht ersetzt. Dadurch konnte ich die Spannung, die das LED-Band mindestens zum Leuchten braucht, von 3x Durchlassspannung auf 2x Durchlassspannung – also knapp 6V – reduzieren. Die LED-Bänder geben auch mit der um ein Drittel reduzierten Anzahl an LEDs noch ausreichend Licht ab, um einen Wagen gleichmäßig ausleuchten zu können.

Eine noch niedrigere Schwellenspannung von z.B. 3V wäre zwar noch besser, aber dann müsste ich schon zwei von drei LEDs ausbauen – ob die Lichtbänder dann noch gleichmäßig genug leuchten würden, wage ich allerdings zu bezweifeln. Dann wäre es wohl sinnvoller, statt der Verwendung von LED-Stripes gleich selbst einzelne LEDs auf einer Lochrasterplatine anzuordnen – was die ganze Sache wieder recht aufwendig machen würde. Die 6V sind daher in meinen Augen ein ganz brauchbarer Kompromiss…

Die zwei LEDs pro Segment leuchten mit 6V für meinen Geschmack eine Spur zu hell. Aber mit 5V wird die Durchlassspannung unterschritten und es leuchtet gar nix; Spannungsregler, die einen Wert zwischen 5V und 6V "herstellen" können, gibt es nicht – also bleibt nichts anderes übrig, als den Spannungsregler für 6V zu nehmen und die Helligkeit mit einem Vorwiderstand zu reduzieren. Um nicht den SMD-Widerstand auf jedem einzelnen Segment austauschen zu müssen, habe ich einfach einen Widerstand zwischen Spannungsregler und LED-Band eingebaut – das ist nicht die eleganteste Variante, aber sie funktioniert. Wie groß der Vorwiderstand sein soll, hängt davon ab, wie hell der Wagen schlussendlich leuchten soll – ich verwende bei "normalen" vierachsigen Wagen 100Ω, bei besonders kurzen Wagen, in denen sich weniger Segmente des LED-Bandes befinden und die daher auch weniger Strom verbrauchen, auch etwas größere Widerstände.

Zu guter Letzt braucht man noch einen Gleichrichter, ein paar möglichst dünne Kabel und eventuell Radschleifer für die Stromabnahme.

Zusammenfassend noch eine Auflistung der benötigten Komponenten:

- LED-Streifen

- Vorwiderstand (z.B. 100Ω)

- Spannungsregler (z.B. LM7806)

- Elektrolytkondensator (z.B. 220µF/25V)

- SMD Brückengleichrichter

- ev. Radschleifer aus Messing oder Federbronze

Die Schaltung, die damit aufgebaut wird, schaut so aus:

Ich hoffe, ich habe euch mit der Theorie nicht zu sehr gelangweilt – im nächsten Posting gehts dann um die praktische Umsetzung.

Nun zu den Arbeiten an den Wagen selbst. Nachdem jeder Hersteller seine eigenen Konstruktionsprinzipien hat und sich selbst beim gleichen Hersteller von Wagentyp zu Wagentyp gravierende konstruktive Unterschiede finden, gibt es da kein allgemeingültiges "Kochrezept".

Die erste Hürde stellt die Stromabnahme dar. Manche Wagen sind ab Werk mehr oder weniger dafür vorbereitet, andere wieder nicht. Besonders angenehm sind manche Roco-Wagen mit in Metall gelagerten Achsen, bei denen die Spannung vom Gleis über die Achslager und Federkontakte ins Wageninnere geleitet wird. Da braucht man nichts weiter tun als diese Federkontakte anzuzapfen.

Bei den meisten Wagen sind die Achsen aber isolierend gelagert. Da bieten sich Radschleifer aus Messing oder Federbronze an – die gibt es für relativ wenig Geld z.B. auf eBay zu kaufen. Im Idealfall rasten sie mit ihren Löchern in kleine Zapfen an den Drehgestellen ein…

…ansonsten muss man halt improvisieren und selbst eine Befestigungsmöglichkeit für die Radschleifer basteln.

Manche Wagen wie z.B. die von ACME haben schon ab Werk Radschleifer montiert.

Dann muss man nur noch ein Kabel anlöten und das irgendwie ins Wageninnere führen – meistens muss dazu ein Loch in den Wagenboden gebohrt werden. Um die Kabelverbindung bei Kurvenfahrten möglichst wenig zu belasten, sollte sich dieses Loch möglichst nah am Drehzapfen befinden.

Bei zweiachsigen Wagen habe ich eine Litze abisoliert, breit aufgefächert, um die Achse geschlungen und verlötet – und zwar so, dass sich die Achse nachher noch leicht drehen kann.

Nun braucht man eine Stelle im Wagen, an der man die Technik möglichst unsichtbar unterbringen kann. Hierfür bieten sich z.B. die WCs an.

Hier erkennt man auch eine Steckverbindung, die ich bei allen Wagen einbaue – damit kann ich im Bedarfsfall den Wagen auch ohne Lötkolben zerlegen. Er besteht aus einer zweipoligen Buchsenleiste (unten) und in diesem Fall einem SMD-Gleichrichter, dessen Lötfüße genau in die Buchsenleiste passen.

Etwas schwieriger ist es, die Kabel von den Drehgestellen zu den WCs so zu verlegen, dass sie weder von außen sichtbar sind noch die Bewegung von Drehgestellen und Kupplungskinematik beeinträchtigen. Dafür eine Lösung zu finden, erfordert gelegentlich etwas Kreativität.

Spätestens jetzt sollte man überprüfen, ob das Gehäuse des Wagens auch lichtdicht ist. Bei zahlreichen Modellen – auch bei solchen, die laut Herstellerangabe für den Einbau einer Innenbeleuchtung vorbereitet sind – ist das nämlich nicht der Fall.

Ohne Nacharbeit schaut das nicht gerade toll aus.

Zum Abdichten kann man die Innenseite des Wagens entweder mit schwarzer Farbe bemalen oder mit Alufolie auskleiden. Anschließend sollte noch ein weiterer Farbauftrag im Farbton der Wände der Vorbild-Wagen erfolgen. Der Vorteil der Alufolien-Methode: Man kann das bereits vorm Einkleben der Folie machen, der Nachteil ist, dass das Ausschneiden der Fenster relativ zeitaufwendig ist.

Nicht vergessen sollte man auf die Lichtnägel für die Schlusslichter des Wagens, die meistens im Fenstereinsatz für die Stirnwandtüren integriert sind. Lässt man sie unbehandelt, dringt das Licht der Innenbeleuchtung durch sie durch… Ich habe sie mit silbernem Lackstift bemalt, die Schlusslichter sind somit immer finster. Wenn man möchte, könnte man auf einfache Weise mit zwei roten LEDs eine Schlussbeleuchtung einbauen und dafür ggf. sogar das "Bordnetz" anzapfen, aber ich habe, um meine Wagen flexibel einsetzen zu können, darauf verzichtet.

Kommen wir zu den LED-Streifen. Wie bereits erwähnt, sind sie alle paar Zentimeter teilbar und lassen sich so ungefähr an die Länge des Wagen anpassen. Im Allgemeinen passt die Länge, die man erhält, aber nicht exakt zum Wagen. Um eine gleichmäßige Beleuchtung des Wagens sicherzustellen, wird die LED-Leiste bei Bedarf noch getrennt und mit Drahtstücken um wenige Zentimeter verlängert.

Anschließend empfiehlt es sich, den Beleuchtungskörper zu testen – es gibt nichts ärgerlicheres als einen fertig eingebauten Beleuchtungssatz, der dann nicht funktioniert.

Aber wo kommt die fertig vorbereitete LED-Leiste nun hin? Naheliegend wäre, sie direkt ins Dach zu kleben – aber von dieser Variante kann ich nur abraten. Für eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung ist eine indirekte Beleuchtung besser. Dafür wird die Innenseite des Daches mit Alufolie ausgekleidet und der LED-Streifen wird so montiert, dass er nach oben strahlt und die spiegelnde Folie beleuchtet.

Bei Wagen, deren Dach abnehmbar ist, kann man die LED-Streifen bequem auf den Verstrebungen des Wagenkastens befestigen.

Bei manchen Wagen sind diese Verstrebungen jedoch so flächendeckend, dass nicht mehr allzuviel Licht durchdringen würde. Keine Ahnung, warum das Roco z.B. bei diesem Wagen so gelöst hat – die gleichen Wagen in der alten Farbgebung kommen nämlich mit weniger "Zwischendecke" aus.

Naja, dann: Weg damit!

Bei den Wagen, deren Wagenkasten in einem Stück mit dem Dach gegossen ist, muss der LED-Streifen irgendwie auf die Inneneinrichtung aufgesetzt werden. In solchen Fällen ist die Flexibilität der LED-Streifen eher hinderlich, vor allem bei Großraumwagen neigen die Dinger dann natürlich zum Durchhängen. Ich habe die LED-Bänder in solchen Fällen mit Kartonstreifen stabilisiert. Der hier abgebildete Mitteleinstiegswagen hat zum Glück an den Drittelspunkten Trennwände – bei einem Großraumwagen ganz ohne Trennwände könnte es sein, dass man sich eine möglichst unauffällige Hilfskonstruktion für den Leuchtstreifen basteln muss.

Nach dem Aufsetzen des Daches kann man sich am Anblick des frisch beleuchteten Wagens erfreuen.

(das Bild lässt sich durch Anklicken vergrößern)

Im Anlageneinsatz schaut das dann so aus:

Damit die Beleuchtung ihre Wirkung voll entfalten kann, empfiehlt es sich, die Inneneinrichtung farblich zu behandeln (zumindest die Böden sollten dunkel bemalt werden) und mit Figuren zu versehen. Den Aufwand dafür kann man praktisch beliebig hoch werden lassen. Anbei nur zwei Beispiele:

Mehr Berichte über umgebaute bzw. verbesserte Inneneinrichtungen gibt es beispielsweise hier:

- Roco CityShuttle: Klick

- Roco ÖBB Eilzugwagen: Klick

- Roco Inlandswagen: Klick

- Railtop BDmpsz: Klick

Ich hoffe, dass diese Anleitung nicht zu langatmig geworden ist und vielleicht für den einen oder anderen hilfreich ist.

lg 4010-freak

Übrigens haben mich ein paar PNs erreicht mit Hinweisen, dass es unterschiedlichste Arten von LED-Stripes gibt bzw. mit Fragen, welche ich genau verwendet habe. Also: Die von mir verwendeten LED-Stripes haben (ursprünglich) eine Betriebsspannung von 12V, warmweiße LEDs und zwar 60 Stück pro Meter (entspricht 300 LEDs auf 5m). Die etwas günstigeren Varianten mit 30 LEDs pro Meter sind eher nicht empfehlenswert, vor allem wenn man so wie ich jede dritte LED entfernt. Mehr LEDs gehen natürlich schon, allerdings braucht der Wagen dann natürlich auch mehr Strom und die Nachleuchtezeit bei Stromunterbrechungen wird kürzer.

Eine genaue Produktempfehlung kann ich leider nicht abgeben, da beide von mir verwendeten Produkte inzwischen ausverkauft sind. Es bleibt also nichts anderes übrig als auf gut Glück zu kaufen und ggf. einen anderen Vorwiderstand zu nehmen.