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Beleuchtung mit LED - auch für Anfänger

Heutzutage beleuchtet man Modelle nicht mehr mit Glühbirnchen, sondern mit LEDs. Das sind kleine elektronische Halbleiterbauteile in verschiedenen Bauformen. Sie sind auch in vielen Farben verfügbar, manche LEDs haben sogar mehrere Farben oder können sogar RGB-Farben darstellen.  Der entscheidende Vorteil für den Modellbau liegt in der deutlich geringeren Stromaufnahme, der kaum vorhandenen Hitzeentwicklung, der nicht notwendigen Wartung und im Preis. Nachteil ist, dass man etwas mehr Arbeit damit hat und ein paar Dinge beachten muss. Tiefere Informationen zum Thema LED liefert die Wikipedia. Hiermit soll eine einfache Anleitung auch den Anfänger befähigen, eine funktionierende Beleuchtung für die Modellbahn zu bauen. Der Einsatz dieser Tips erfolgt allerdings auf eigene Gefahr. Gibt es noch Fragen zum Thema, können Sie die gern per E-Mail oder im Gästebuch stellen.

LEDs Arten und Sorten und andere Bauteile

Hier sind einige LED-Arten abgebildtet, welche ich verwende. Es gibt moch einige mehr, aber das sind für mich die wichtigsten. Da gibt es noch größere LEDs, Eckige und in allen möglichen Formen. Auch sie sind durchaus zu gebrauchen, aber eher bei besonderen Projekten.

Auf dem ersten Bild sind von oben 5mm, 3mm, 1,8mm und 1,8mm axial. Das zweite Bild zeigt die 1,8mm axial, 1206, 0805, 0603 und die bedrahtete 0402. 0402 LEDs sind fast zu klein zum selber löten, ich kaufe sie bereits bedrahtet. 0603 kann man schon selbst löten, schöner geht das aber mit 0805 und 1206. Wo immer ich den Platz dazu habe, verwende ich die großen SMDs. Aber auch 1,8mm und 3mm LEDs lassen sich prima zur Beleuchtung verwenden. In Scheunen und Hütten zum Beispiel.

Es gibt bei den LEDs einige Kennzeichnungen. Bei den LEDs mit Beinchen ist das kürzere die Kathode, das längere die Anode. Die 1,8mm axial und die SMDs haben an der Kathode eine Farbmarkierung oder/und ein Pfeil oder Balken zeigt zur Kathode. Eine Kathode ist der Minuspol, sie wird mit dem Minuspol der Batterie oder der gleichgerichteten Spannung verbunden. Dementsprechend ist die Anode der Anschluß, der mit dem Pluspol verbunden wird.

Bevor man den Schaltkreis schließt, muß noch ein Widerstand den Strom begrenzen und bei Wechselstrom eine Diode die LEDs schützen. Details warum das so ist finden Sie weiter unten.

Material

Das benötigte Material ist überschaubar und nicht teuer:

LEDs

Widerstände

Kupferlackdraht

Lötzeug, Lötkoben, Lötzinn, Flussmittel

Dioden, bei Betrieb an Wechselstrom

Eine Klemmpinzette hilft ungemein beim Herstellen von Reihenschaltungen.

Elektrische Grundlagen

Natürlich sind einige Dinge zu beachten, um eine funktionierende Schaltung hinzukriegen. Es ist aber nicht so schwierig. Zuerst muss man sich über den verfügbaren Strom klar werden. Wieviel Strom kann der Trafo liefern, welche Spannung steht zur Verfügung, wird die Spannung am Trafo bereits gleichgerichtet? Was für einen Trafo habe ich oder muss ich kaufen?

Bei meiner Modellbahn wird die Beleuchtung mit 9V Gleichstrom betrieben. Dies hat für mich den Vorteil, dass ich mit einer 9V Batterie an der Werkbank prüfen kann, ohne eine Verbindung zum Steuerpult herstellen zu müssen. Das kommt erst nach dem Einbau auf der Anlage. Es ist ein normaler Trafo, an dessen Ausgang ein Gleichrichter und ein Kondensator eine Gleichspannung erzeugen, die für die LEDs völlig ausreichend ist. Damit entfällt für meine Projekte und Modellbahn die Schutzdiode.

Die Schutzdiode

Eine Schutzdiode? Was ist das? Nun, LEDs sind Halbleiter. Sie lassen den Strom in eine Richtung durch und leuchten dabei. In die andere Richtung sperren die LEDs den Stromfluss, es passiert gar nix. Somit wäre eigentlich kein Handlungsbedarf, wenn man von einer maximalen Spannung von 5V an der LED ausgeht. Aber der Betrieb in Sperrichtung belastet die Bauteile mehr, als in Durchflussrichtung. Das wirkt sich sehr auf die Lebensdauer der LEDs aus. Wenn man jetzt bedenkt, dass bei normalem Wechselstrom aus dem Trafo die LED 50 mal pro Sekunde sperren soll, ist das nicht gut für unsere arme LED. Also setzen wir in unseren Wechselstromkreis eine normale Diode, die unsere LED schützt. Damit muss die LED nicht mehr selber sperren, weil das die robustere Diode übernimmt – toll, oder?

Aber wie bereits gesagt, wenn man die LEDs an Gleichstrom betreibt, wird keine Schutzdiode benötigt.

Die Spannung

Die benötigte Spannung ist vom Halbleiter abhängig und liegt zwischen 1,2 bis 3,7V. Der Strom, der fließt liegt zwischen 2 und 20mA abhängig von der LED, diese Informationen sind normalerweise beim Angebot einsehbar. Beispiel: eine warmweisse 1206 LED hat die Nenndaten von 20mA und 3V. Das bedeutet, man kann bei 9V Gleichstom drei LEDs in Reihe betreiben und es fließen durch unsere Schaltung 20mA, weil sich der Strom in einer Reihenschaltung ja nicht ändert. Eigentlich bräuchte man jetzt keinen Widerstand mehr. Aber der geringe Innenwiderstand der LEDs würde fast wie ein Kurzschluss wirken und den Strom soweit ansteigen lassen, dass die LEDs kaputt gehen. Zumindest eine, aber dann ist die ganze Schaltung aus. Ein Widerstand verhindert das.

Der Widerstand

Betreibt man eine LED an zu hoher Spannung, leuchtet sie zwar, aber nur kurz. Und nur einmal. Eine zu hohe Spannung reduziert man mit einem Widerstand, den man in unsere Schaltung einbringt. Auch das ist ein billiges Bauteil und in vielen Größen verfügbar. Mit derm Widerstand hat man auch die Möglichkeit, die Helligkeit etwas zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit, die Spannung zu reduzieren, ist die Reihenschaltung. Die Reihenschaltung haben wir im Prinzip ja eh schon, weil wir haben unsere LED mit dem Widerstand ja schon in Reihe geschaltet. Nimmt man mehrere LEDs in diese Reihenschaltung auf, kann der Widerstand immer kleiner werden, bis er fast entfallen kann. Außerdem braucht man weniger Anschlüsse, weil ja mehrere zusammengefasst sind. Allerdings braucht eine LED auch eine gewisse Mindestspannung, damit sie leuchtet. Das limitiert die Reihenschaltung. Bei 9V sind bis zu drei LEDs kein Problem. Wie groß muss der Widerstand aber nun sein?

In der Praxis

Ich nehme bei einer weißen LED einen 2,2 Kiloohm, zwei weißen LEDs einen 1 Kiloohm, bei drei weißen LEDs einen 470 Ohm Widerstand. Das reduziert den fließenden Strom deutlich. Die LED leuchtet immer noch hell genug für eine Modell-Zimmerbeleuchtung, wird aber geschont. Im Zweifelsfalle tun es auch kleinere Werte, dann ist der Strom halt höher, aber immer noch unter den Nennwerten. Um es richtig einschätzen zu können, muss man ein wenig rechnen:

Beispiel: 1LED 3V/20mA an 9V

Ohmsches Gesetz: R=U/I    R=Widerstand in Ohm, U=Spannung in Volt, I=Strom in Ampere

Also haben wir unsere Gesamtspannung z.B. 9V, von der wir die Spannung für unsere eine LED von 3V abziehen müssen.

Damit lautet unsere Rechnung: Uges-Uled/Iled = 9V-3V/0,02A = 300 Ohm Das ist der Mindestwiderstand. Ich nehme aber 1 Kiloohm.

Rechnen wir zurück: I = U/R = 6V/1000 Ohm = 0,006 A Durch unsere LED fließen jetzt nur noch 6 mA, und sie leuchtet immer noch. Zwar weniger hell, aber dafür wird sie nicht so stark belastet und hält sehr viel länger. Was hier sehr gut hilft: Ausprobieren. Ob die gelieferte Helligkeit ausreicht…

Verlöten am Beispiel einer Etagenbeleuchtung

Zuerst habe ich die Positionen der LEDs festgelegt, die LED sollte in der Mitte der Räume an der Decke sein – das X. Darauf habe ich dann die LEDs, hier SMD 0805, mit Sekundenkleber festgeklebt. Alle in die gleiche Richtung – T und >. Dann habe ich festgelegt , zu welchem Stromkreis die LED gehört – die Ziffer. Danach habe ich die Kontakte der LEDs mit Lötpaste betupft und verzinnt, das geht so recht gut. Mit Kupferlackdraht habe ich dann zuerst den Minuspol der beiden Stromkreise gelötet. Bei dem Draht muss die Stelle so lange am Lötkolben sein, bis der Lack weggebrannt ist und der Draht das Zinn aufnimmt, man erlennt es, wenn der Draht an der Stelle silbrig wird. Dann muss man diese Stelle nur an die verzinnte LED halten, kurz mit dem Lötkolben dran, bis es verlötet ist und fertig. Nur nicht zu lange mit dem Lötkolben an die LED, weil die sonst kaputt geht. So verfährt man mit der kompletten Platte und allen LEDs. Vor dem Einbau testen (Widerstand!), nicht dass eine LED falsch rum drin ist, denn dann leuchtet gar nix.

Gefahrenhinweis

Lötkolben sind heiß. Sehr heiß. Und man sollte deshalb auch vorsichtig damit umgehen. Es besteht Gefahr, sich Brandwunden zuzufügen. Bei unsachgemäßer Ablage des Lötkolbens besteht Brandgefahr, also Vorsicht. Das Lötzinn und das Flussmittel erzeugen beim Löten Dämpfe, diese sollten nicht eingatmet werden. Weil auch die Gefahr besteht, dass heißes Lötzinn weggeschleudert wird, sollte man auch die Augen adäquat schützen.

Beim Hantieren mit Transformatoren besteht bei unsachgemäßen Umgang mit manchen Transformatoren Gefahr durch Stromschlag. Wer sich nicht damit auskennt, sollte auf fertige Modellbautrafos zurückgreifen, hier hat man nur am Schwachstromausgang Zugriff auf die Kontakte, die Sekundärseite ist mit einem normalem Kabel mit Stecker für die Steckdose fertig konfektioniert.

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