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Dieses Thema hat 2 Antworten
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 Diverse Arbeitstechniken, Anwendungen und Tipps
TurboStar Offline




Beiträge: 206

03.11.2009 21:24
LED/Elektronik antworten

Hallo zusammen,

hier nun – wie gewünscht und versprochen - ein paar Einblicke in die Beleuchtungselektronik. Zum Zweck der besseren Übertragbarkeit auf andere Projekte, weitgehend allgemein gehalten.
Da es sich hier auch um graue Theorie handelt, gibt es Fotos wieder beim Iveco-Modell. Ich habe die Berechnungsbeispiele ausgiebig geprüft, sollte jemand Fehler entdecken, bin ich absolut kritikfähig



In der (zum Glück doch nicht) letzten Ausgabe der Modellfan kann man einen sehr guten Überblick über die LED-Technik finden, den ich nur empfehlen kann. Dort habe ich auch erfahren, dass die mittlerweile bekannten SMD-Baugrößen noch steigerungsfähig sind, weswegen mein Cowboy-Projekt noch einmal komplett überarbeitet wurde. Dazu später mehr.

Mit den Erfahrungen beim Peterbilt 359 (Lichtleiter) konnte ich hier nicht viel anfangen, zumal das nur ein Experiment war. Es ist auch ein erheblicher Unterschied, ob man einen amerikanischen Haubenlenker oder einen europäischen Frontlenker beleuchten will, weil man bei letzterem einfach deutlich weniger Platz zur Unterbringung der Bauelemente hat.
Im Vordergrund steht ja immer noch der realistische Modellbau und nicht die Beleuchtung. Außerdem hat sich in der LED-Technik in den letzten Jahren extrem viel getan, sodass sich ganz andere Möglichkeiten auftun.

Unabhängig vom Fahrzeug sollte man sich für eine realistische Beleuchtung, die das Modell nicht verunstaltet, ein paar Gedanken machen:

- Was soll alles beleuchtet werden?
- Was kann davon zu Gruppen zusammengefaßt werden (=> Vorwiderstände sparen)
- Parallel-, Reihenschaltung oder gemischt?
- Welche Leuchtmittel können für welche Elemente verwendet werden?
- Wie wird die elektrische Energie zugeführt (Akku,Netzteil, etc.?
- Danach richtet sich, welche Stromquelle verwendet werden muß (Leistungswerte)?
- Wo bringt man die Vorwiderstände unter?
- Wo führen die Leitungen lang, ohne dass sie sichtbar sind oder stören?
- Müssen Schalter oder Platinen (Blinker, Ausschaltverzögerungen) verwendet werden?
- Wenn ja, wo bringt man diese unter, innerhalb oder außerhalb des Modells?


Normalerweise würde man jede Baugruppe parallel schalten. Aufgrund der oftmals sehr hohen Stromaufnahme bei Parallelschaltungen läßt sich das nicht realisieren. Also sollte man so viele LEDs in Reihe schalten, wie möglich: Der Stoßfänger zB hat 6 LEDs. Je 3 davon sind in Reihe und diese dann wieder parallel geschaltet. Anderenfalls wäre eine theoretische Stromaufnahme von ca. 120 mA herausgekommen, sofern man davon ausgeht, dass jede LED mit 20 mA Nennwert durchflossen werden soll.

Dieser Strom ist bei weißen LEDs aber meist zu hoch, d.h. sie sind dann oft viel zu hell. Durch die partielle Reihenschaltung und die dann noch zusätzliche Vergrößerung des Vorwiderstandes reduziert man den Strom auf einen Bruchteil dieses Wertes. Der Vorwiderstand wird ja normalerweise so ausgelegt, dass er an der LED die Nennwerte für V und I „erzeugt“. Soll die LED nun weniger hell leuchten, muß dieser experimentell erhöht werden, bis die Leuchtstärke realistische Züge annimmt. Das hängt natürlich auch davon ab, wo die LED verbaut werden soll und ob evtl. Klarglas-Elemente die Leuchtstärke beeinflussen.

Eine wichtige Kenngröße jeder LED ist die sog. Vorwärtsspannung Vf oder auch Durchbruchspannung. Für weiße LEDs (egal welcher Typ) sind das zwischen 3.1-3.5 V; das steht im Typenblatt oder im Katalog des Lieferanten. Dieser Spannungswert sollte an der LED abfallen, damit sie überhaupt leuchtet. Folglich darf der Vorwiderstand nicht zu groß ausfallen. Und ganz besonders bei Reihenschaltungen darf die Summe der Vorwärtsspannungen der in Reihe geschalteten LEDs natürlich nicht die Versorgungsspannung übersteigen: z.B. bei einer Reihenschaltung von 3 weißen LEDs mit einer Vf=3.1 V pro LED fallen so insgesamt 9.3 V ab. Damit kann z.B. bei einer Versorgungsspannung von 10 V keine weitere LED – in Reihe – hinzugeschaltet werden. Hier würde nur helfen, dass diese (oder noch weitere) LED(s) parallel zu der Reihenschaltung platziert werden.

Sollen z.B. 6 LEDs (SMD oder normale, die Farbe entscheidet über den Spannungswert) an eine Spannungsquelle von 10V angeschlossen werden, muß natürlich auch ein Strom berücksichtigt werden, den die einzelne LED maximal auf Dauer aushalten soll. Das sind zumeist 20mA. Dieser Wert ist die Berechnungsgrundlage und kann theoretisch an der LED gemessen werden, wenn der Vorwiderstand richtig berechnet wurde und die Vorwärtsspannung korrekt angegeben ist. Die Parallelschaltung von 6 LEDs nimmt somit 6*20=120mA auf.
Der Vorwiderstand für die gesamte Schaltung errechnet sich aus: R = U(quelle)-U(LED) / Gesamtstrom
Bei einer weißen LED mit z.B. Vf= 3.5V ergäbe sich somit ein rechnerischer Widerstandswert von 542 Ohm.

Hinweis am Rande: Es ist rechnerisch nicht möglich, verschiedene Farben von LEDs in einer einzigen Parallelschaltung oder Reihenschaltung so auszulegen, dass jede ihre korrekte Vorwärtsspannung hat. Hier müßte man mit separaten Schaltungen arbeiten (pro Farbe eine).

Wie schon erwähnt, ist der Nachteil der Parallelschaltung die sehr hohe Stromaufnahme und damit die hohe Leistungsaufnahme des Vorwiderstandes. Abgesehen davon, dass z.B. ein Mikroschalter die o.g. 120 mA evtl. gar nicht schalten kann, wird der Vorwiderstand auch sehr warm bzw. richtig heiß. Auch weil bei einer Parallelschaltung der Spannungsabfall am Vorwiderstand deutlich höher ist, als bei einer Reihenschaltung.
zB. fällt bei o.g. Parallelschaltung am Vorwiderstand 6.5 V ab. Da durch ihn der Gesamtstrom fließt, gilt:

P = U*I = 6.5*0.12 = 0.78 W wäre die Leistungsaufnahme des Vorwiderstandes !

Oft wird man nur 0.5 W Widerstände verwenden, wobei der dann mit über 50% überlastet wäre. Daher die Wärmeentwicklung, die man im Modell sicher nicht gebrauchen kann. Also möglichst viel in Reihe schalten!

In einem Rechenbeispiel würde das so aussehen:
Quellenspannung Uq=10V, je 3 weiße LEDs mit Vf=3.1V in Reihe und diese beiden Reihenschaltungen dann parallel schalten, macht 6 LEDs z.B. für den Stoßfänger. Bei einem theoretischen Maximalwert von 20 mA pro LED ergibt das für die Gesamtschaltung eine Stromaufnahme von 40 mA, denn:
In der Reihenschaltung ist der Strom konstant = 20 mA. Da 2 Reihenschaltungen mit je 20mA parallel geschaltet werden, addiert sich das auf den Gesamtstrom von 2*20mA = 40 mA. Der Vergleich mit der reinen Parallelschaltung, wo 120 mA fließen würden, ist eindeutig.

Der Vorwiderstand errechnet sich nun wieder aus R = Uges/Iges = (10-9.3)/0.04 = 17.5 Ohm. Denn 9.3V ist die Ersatzspannung für den gesamten LED-Verbund, weil hier 3x die Vorwärtsspannung von 3.1 V/LED abfällt und jeweils 3 LEDs-Reihenschaltungen parallel geschaltet wurden.

Damit sieht auch die Leistungsaufnahme des Vorwiderstandes freundlicher aus:
P = (10-9.3)V * 0.04 A = 0.028 W Da wird’s niemandem mehr heiß

Auf diese Weise legt man alle zu beleuchtenden Baugruppen aus und macht sich bitte vorher so viel Gedanken wie möglich, wo man Leitungen lang führen und die Vorwiderstände unterbringen kann. Ich verfolge immer das Ziel, dass die pro Baugruppe entstehenden Anschlußleitungen wirklich direkt an die Hauptstromquelle angeschlossen werden können, um bei der Verkabelung keinen Fehler zu machen.

Bei der Verdrahtung von mehreren LEDs auf einmal verliert man schnell den Überblick und kann sich mit Plus und Minus wunderbar vertun, ggf. baut man doch eine Parallelschaltung, obwohl eigentlich eine Reihenschaltung herauskommen sollte… daher gilt:
Bei Reihenschaltungen immer + mit - verlöten und
Bei Parallelschaltungen immer + mit + bzw. – mit –

Bei SMDs, die meist ohne Drähte geliefert werden, ist der Plus- und Minus-Pol bzw. Anode und Kathode nicht einfach zu ermitteln, allerdings gibt es nur 2 Möglichkeiten... Aber einige (die "großen") SMDs haben manchmal winzige Markierungen. Bei der SMD-Baugröße 0401 (1x0.3 mm) ist man allerdings schon froh, wenn man die LED selbst noch sehen kann. Diese Winzlinge sollte man aber auch gleich mit Drähten bestellen. Schont die Nerven.

Unterbringung der Vorwiderstände:
Entscheidend dabei ist, dass der Widerstand das Modell nicht verunstaltet, d.h. möglichst unsichtbar ist. Im Stoßfänger wird der z.B. direkt zwischen Stoßstange und vorderstem Querträger sitzen.
Das gesamte Stoßfängerelement mit seinen 6 SMD-LEDs ist von hinten sichtbar bei gekipptem Fahrerhaus. Außer den 2 Hauptleitungen für plus/minus, die dann aber sofort ins Innere des Rahmens geführt werden, soll möglichst nichts zu sehen sein.

Fortsetzung folgt, dann aber wohl wieder unter der Rubrik „Baubericht“, weil mehr modellspezifisch. Ausführlich erläutert wird noch die Blinkschaltung und die Installation der „Zentralelektrik“ im Tank und – natürlich – das Modell selbst. Ist schließlich das Wichtigste. Ohne Elektronik wäre ich wohl auch schon längst fertig... nach so viel Grundlagen-Forschung

Viele Grüße

Carsten

KAWIT Offline




Beiträge: 2.235

04.11.2009 04:31
#2 RE: LED/Elektronik antworten

Hallo Namensvetter!

Ein dickes Lob für Deine Mühe, das alles niederzuschreiben.
Auch wenn ich die Theorie irgendwann ( vor weit über zwanzig Jahren, wenn ich's überschlage) mal gelernt habe, so habe ich mich nie an die Sache herangetraut, da ich mir der Folgen/Auswirkungen von Reihen- und Parallelschaltungen nicht bewußt war.
Klar ist mir jetzt, wie viel Arbeit in die Vorbereitung geht. Aber das das mit Geduld und Struktur zu lösen ist, habe ich jetzt durchschaut.
Den MF-Artikel habe ich auch gelesen und war ganz baff, wie klein die Bauteile mittlerweile sind.
Auf der Faszination Modellbau in Sinsheim und am Bodensee habe ich auch schon einen Hersteller gesehen, der sich auf Beleuchtung von HO-Modellen spezialisiert hat. (Das nur als Hinweis für diejenigen, die sich trotz Carstens Superbeschreibung dann vielleicht doch nicht an die Thematik trauen wollen. )

Dir nochmals vielen Dank für Deine "Erleuchtung".

Viele Grüße aus der Ferne,
Karsten

TurboStar Offline




Beiträge: 206

04.11.2009 22:14
#3 RE: LED/Elektronik antworten

Hallo Karsten,

ich sehne mich mittlerweile nach "normalem" Modellbau :-), wieviel weiter könnte das Modell schon sein, wenn ich nicht auf die Idee mit so vielen Funzeln gekommen wäre... nun ja, man lernt ja auch was dabei. Im Prinzip hab ich hier die Lerneffekte der letzten 4 Monate dokumentiert, obwohl ich schon früher viel mit LEDs gearbeitet habe.
Das alles im vollen Bewußtsein, dass Beleuchtung oft schon als Spielerei abgetan wird. Auch ich bin absolut kein Freund von Funktionsmodellbau, aber ein richtig illuminierter Truck in 1:24 ist schon was Feines, sofern das Modell nicht leidet.

Ich war letztes Wochenende in Friedrichshafen und da gab es wieder neue Erkenntnisse... da gab es einen Händler (vermutlich meinen wir denselben), der sich auf die Anfertigung fertiger Beleuchtungssets, Blinkschaltungen usw. spezialisiert hat. Auch wenn ich mir die Entwicklung der Blinkschaltung dann hätte sparen können, kommt man trotzdem um o.g. Theorie kaum herum, was primär an der hohen Anzahl von LEDs liegt. Bei den heutigen SMDs läßt sich in 1:24 wirklich alles beleuchten.

Grüße in die Ferne :-)

Carsten




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