05.09.2017



   

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Leuchtdioden (LED)

Leuchtdioden sind ideal für die Modellbahn. Warum und worauf man beim Einsatz von LEDs achten muss, lesen Sie hier.

Eine Modellbahnanlage sieht in der Dunkelheit, wenn alle Strassenlaternen, Signale, Lok- und Wagenbeleuchtungen brennen, unglaublich faszinierend aus. Dazu braucht es aber eine grosse Anzahl Lichtquellen. Leuchtdioden eignen sich aus verschiedenen Gründe sehr gut dafür:

bulletGeringer Strombedarf. Eine kleine Glühlampe braucht etwa 5 bis 20 mal soviel Strom wie eine LED.

bulletSehr kleine Baugrössen. LEDs gibt es als SMD-Bauform in Grössen ab etwa 1.6 x 0.8 x 0.7 mm. Ausserdem sind die konventionellen Formen mit Durchmesser 3 und 5 mm erhältlich.

bulletVerschiedene Farben. LEDs sind in den Farben gelb, grün und rot (Standardfarben), sowie weiss und blau erhältlich. Gerade bei den weissen LEDs wurden in jüngster Zeit enorme Fortschritte gemacht. Leider sind die Weissen noch recht teuer.

bulletLange Lebensdauer. Eine korrekt beschaltete LED sollte auf einer Modellbahnanlage eigentlich nie kaputt gehen.

bulletMeistens die ideale Leuchtstärke. Während viele Glühlampen unnatürlich hell leuchten, haben LEDs, gerade bei Signalen etc. eine realistischere Leuchtstärke.

bulletPreis: vor allem die Standard Farben sind sehr günstig. Weisse oder blaue LEDs sind dagegen noch teuer.

bulletWärme: Glühlampen - auch kleine Ausführungen - verheizen den grössten Teil der aufgenommenen Energie. Dies macht sich dann stark negativ bemerkbar, wenn diese eingebaut werden. Die Wärme wird nicht mehr ausreichend abgeführt, was zu verringerter Lebensdauer führt. Ausserdem können sich Kunststoffteile unter Wärmeeinfluss verformen. Diese Probleme hat man beim Einsatz von LEDs nicht.

Diese Gründe sprechen für den vermehrten Einsatz von LEDs. Hier ein kleiner Überblick verschiedener Bauformen:

Normale LED, 5mm Durchmesser. Der längere Anschluss ist immer die Anode (dieser Anschluss muss an Plus). Eine quadratische Form mit sog. Dome.
Wie oben, mit 3mm Durchmesser. LEDs in dieser Baugrösse eignen sich hervorragend als Frontlichter oder Schlusslichter beim Rollmaterial. LEDs gibt es in allen erdenklichen Bauformen.
Einige Bauformen von SMD LEDs. Die kleinsten - rechts unten in der Verpackung - sind gerade mal 1.6 x 0.8 x 0.7 mm gross.

SMD LEDs werden an den metallisierten Seiten direkt auf eine Leiterbahn angelötet. Ein kleiner Punkt kennzeichnet hierbei die Kathode (dieser Anschluss muss an Minus).

Wie normale Dioden auch lassen LEDs den Strom nur in einer Richtung durch, nämlich von der Anode (+) zur Kathode (-). Im Schaltzeichen ist dies schön dargestellt: der Strom fliesst nur in Pfeilrichtung durch, in der anderen Richtung wird der Strom gesperrt (dargestellt als Querbalken).

Der Strom fliesst vom + Anschluss (Anode) zum - Anschluss (Kathode)

Leuchtdioden benötigen eine Spannung von 1.5 bis 4V und einen Strom von 10 bis 30mA, abhängig von Typ und Farbe. Das Datenblatt gibt hier Auskunft. Hat man kein Datenblatt zur Hand, kann man mit folgenden Werten rechnen:

LED Typ Farbe und Spannung Strom
Rund, 5mm rot: 1.8V, orange: 1.9V, gelb: 2.0V, grün: 2.1V 20mA
Rund, 5mm weiss: 3.6V, blau: 3.5V 20mA
Rund, 3mm rot: 1.8V, orange: 1.9V, gelb: 2.0V, grün: 2.1V 15mA
Rund, 3mm weiss: 3.6V, blau: 3.5V 15mA
SMD rot: 1.8V, orange: 1.9V, gelb: 2.0V, grün: 2.1V 10mA
SMD weiss: 3.6V, blau: 3.5V 10 - 20mA
Hinweis: Es gibt etliche Varianten und Spezialausführungen, welche erheblich von diesen Werten abweichen. Diese Tabelle soll deshalb nur für Standard-LEDs verwendet werden, wenn keine anderen Daten verfügbar sind. Erwähnenswert in diesem Zusammenhang sind die Low-Current Ausführungen, welche einen Strom von lediglich um 2mA benötigen.

 

Anschluss

LEDs müssen immer mit einem vorgeschalteten Widerstand, dem Vorwiderstand, zur Strombegrenzung  angeschlossen werden. Ohne diesen leuchten die LEDs nur einmal - kurz und intensiv - und das war's dann für immer. Ein Vorwiderstand kann dabei für mehrere LEDs verwendet werden, wenn diese in Serie angeschlossen werden. Damit fliesst durch alle LEDs der exakt gleiche Strom. Eine Parallelschaltung zweier oder mehrerer LEDs an einem Vorwiderstand ist nicht zu empfehlen.

So könnte eine Serie-Schaltung mit 5 LEDs aussehen.

Der Vorwiderstand R1 wird wie folgt berechnet: (Versorgungsspannung minus Anzahl LEDs mal die Spannung der LED) geteilt durch den Strom der LED. In diesem Beispiel nehmen wir gelbe SMD LEDs (2V, 10mA) also:

(18V - 5 · 2V) / 0.01A = 800Ω

Der nächst höhere Nennwert ist 820 Ohm.

Die Anschlüsse der LED sind gekennzeichnet. Im Bild links eine 3mm LED. Bei diesen ist ein Anschluss länger ausgeführt. Dies ist die Anode. Ausserdem erkennt man im Innern der LED eine Aufnahme für den Chip. Folgt man dieser, kommt man zur Kathode. Dies gilt für alle Standard 3- und 5mm LED.

Bei SMD LED erkennt man die Polarität an einer Markierung auf der Unterseite (Bild rechts). Manchmal besteht diese Markierung lediglich aus einem Punkt.

SMD LED

Was gibt es ausserdem noch zu beachten?

Lichtfarbe

Nicht alle roten LEDs leuchten mit dem gleichen Rot, bei den anderen Farben verhält es sich gleich. Dies wirkt sich vor allem dann störend aus, wenn verschiedene Fabrikate oder Typen zusammen verbaut werden. Hat man also eine geeignete LED gefunden, kann man ruhig gleich einen Vorrat davon anlegen. Meistens profitiert man dabei noch vom Rabatt. Besonders bei Wagenbeleuchtungen muss man verschiedene LEDs ausprobieren, bis man den persönlichen Geschmack befriedigt hat. Hierbei trifft man schon mal auf "gelbe" LEDs, die eher grünlich leuchten.

Die folgenden drei Bilder zeigen schön die unterschiedliche Lichtfarbe dreier weisser SMD Leuchtdioden. Für Modellbahner interessant sind vor allem die Sunny White für moderne E-Loks und Wagenbeleuchtungen, welche im Original mit Leuchtstoffröhren ausgeführt sind. Die Golden White Ausführungen imitieren schön ein Gas- oder Glühlampenlicht älterer Bauart.
Alle Bilder www.LED-Shop24.de

hyperweiss.jpg
Hyperweiss
Farbe: weiß 
Gehäuse: diffus
Öffnungswinkel: 140°
Intensität: 140mcd
Vorwärtsspannung: 3,4V
Vorwärtsstrom: 20mA
Gehäuseform: 0603
Sunny White

Gehäuse: diffus
Öffnungswinkel: 120°
Intensität: 200mcd
Vorwärtsspannung: 3,2V
Vorwärtsstrom: 20mA
Gehäuseform: 0603
Golden White

Gehäuse: golden diffus
Öffnungswinkel: 120°
Intensität: 300mcd
Vorwärtsspannung: 3,2V
Vorwärtsstrom: 20mA
Gehäuseform: 0603

Helligkeit

Diese variiert sehr stark, abhängig vom gewählten Typ. Die Helligkeit wird in Milli-Candela (mcd) angegeben. Schauen Sie sich einmal die Unterschiede in einem Elektronik-Katalog an. So genannte superhelle LEDs haben hier zum Teil erstaunliche Werte, sind aber meist auch recht teuer.

Abstrahlwinkel

Viel wichtiger als man annehmen könnte, ist der Abstrahlwinkel. Ist dieser zu klein, so sieht man die LED kaum noch leuchten, wenn man nicht gerade direkt senkrecht davor steht. Für unsere Anwendung sind LEDs mit grossem Abstrahlwinkel ein Muss. Stellen Sie sich die Beleuchtung eines Personenwagens an. Strahlt die LED nur senkrecht nach unten, wird nur der Wagenboden beleuchtet, von nach aussen dringt dann nur das von der Inneneinrichtung reflektierte Licht. Hat die LED dagegen einen breiten Abstrahlwinkel, werden auch die Seitenwände, die Fenster (direktes Licht nach aussen) sowie evtl. Passagiere beleuchtet.

Anschluss an Wechselstrom

Prinzipiell lässt sich eine LED auch an Wechselstrom betreiben, wobei dann aber nur die positive Halbwelle durchgelassen wird. Es kann durch die so entstehenden Pausen (die negative Halbwelle wird ja einfach abgeschnitten) zum leichten Flackern kommen. Ausserdem muss man die max. Sperrspannung berücksichtigen. Hier sollte eine normale Diode (z.B. 1N4148) antiparallel zur LED geschaltet werden.
Die wesentlich bessere Lösung besteht aber darin, den Wechselstrom mittels Brückengleichrichter in einen pulsierenden Gleichstrom umzuwandeln. Mit dieser Schaltung wird die negative Halbwelle quasi "nach oben geklappt". Schaltet man noch einen Elektrolyt-Kondensator nach, kann man zusätzlich kleinere Stromunterbrüche überbrücken.


Bild klicken zum vergrössern
Über einen Brückengleichrichter werden beide Halbwellen verwendet. Der Elektrolyt-Kondensator C1 glättet den so entstandenen pulsierenden Gleichstrom. Die so entstehende Spannung berechnet sich wie folgt:

Wechselspannung am Eingang minus ca. 1.2Volt, multipliziert mit der Wurzel von 2.
Beispiel: 18V Wechselspannung ergibt:

(18V - 1.2V) x 1.414  =~ 24V

Für die Berechnung des Vorwiderstandes R1 ist dieser Wert (24V) zu nehmen.

Der Brückengleichrichter kann aus 4 einzelnen Dioden (1N4148 bis 100mA, 1N4004 oder 1N400? bis max. 1A) oder - einfacher - aus fertigen Bausteinen bestehen.

Einige Formen von Brückengleichrichtern für unterschiedliche Ströme...
bis 500mA bis 800mA bis 4A bis 25A

Die Anschlüsse sind bei allen Brückengleichrichtern gut markiert mit ~ für die beiden Wechselstromanschlüsse sowie + für den Plus- und - für den Minusanschluss.

Weitere Informationen

Weiteres zu den Themen Dioden und Gleichrichtung sehen Sie auf der Seite Dioden.
Informationen zu Strom, Widerstand und Spannung finden Sie auf der Seite Strom.
Informationen zu den Widerständen und deren Kennzeichnung sind auf der Seite Widerstände aufgeführt.
 

       

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Letzte Änderung:

  4.07.2003
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