Die Technik mit den DUO-LED oder Bi-Color SMD LED Lampen ist schon ein Segen für den Modellbau im Allgemeinen und die Modellbahn im Speziellen. Sie erlaubt es in ein und derselben Fassung / Lampe mit nur einem Leuchtmittel unterschiedliche Farben darzustellen. Das ist natürlich geradezu prädestiniert für den Lichtwechsel bei Fahrtrichtungsumkehr einer Echtdampflok oder jeder anderen Modellbahn. Woran die allermeisten Lösungen aber scheitern, ist die Realität. Im Grunde benötigt man zahlreiche Schaltungsmodi:
- Front mit Spitzensignal weiß – Rück aus
- Front mit Spitzensignal weiß – Rück rechts unten rot
- Front mit Spitzensignal weiß – Rück links und rechts rot
- Front mit Spitzensignal aus – Rück rechts rot
- Front mit Spitzensignal aus – Rück links und rechts rot
- Front aus – Rück mit Spitzensignal weiß
- Front rechts unten rot – Rück mit Spitzensignal weiß
- Front rechts und links rot – Rück mit Spitzensignal weiß
- Aus
Das sind auf Anhieb 9 Schaltzustände die es eigentlich zu berücksichtigen gilt. Und in anderen Ländern herrschen noch mal andere Sitten (z.B. 3x rot für Halt bei Rangierfahrten und Zugbewegung auf Parallelgleis). Doch wie soll man das mit Fernsteuerung noch sinnvoll technisch am Modell umsetzen können ohne wie wild Steuerimpulse zu geben? Die meisten Modelle kennen deshalb nur eine einfache Umkehr, wenn überhaupt, oder wenigstens eine Umkehr mit lediglich einem oder zwei roten Schlusslichtern. Das entspricht wenig der Realität. Das Schlusslicht ist nur dann geschaltet, wenn die Lok auch wirklich am Zugende fährt. Hat die Lok einen Vorspann sind die Lampen gar nicht anzuschalten. Im einfachen Rangierbetrieb wird häufig ohnehin gar nicht groß umgeschaltet.
Nach kurzer Überlegung, ob ich mittels DIP Schalter im Führerstand jede Lampe einzeln schalten will oder via Taster das Ganze über einen Steuerknüppel über die Fernbedienung, habe ich mich dann doch dagegen entschieden und gehe ebenso wie viele andere Modelle den Weg des geringsten Übels: 3-Licht-Spitzensignal in Fahrtrichtung, nach hinten rechts rot – oder Licht komplett aus. Damit sind 3 Schaltmöglichkeiten verblieben:
- Vorne 3x weiß, hinten 1x rot
- Hinten 3x weiß, vorne 1x rot
- Aus
Fahrtrichtungsumkehr an der Modellbahn automatisch oder manuell?
Es gab die Überlegung die Fahrtrichtungsumkehr mit der Steuerung zu koppeln. Vielfach wird das ja auch so gelöst. Das wäre dann entweder eine halbmechanische Lösung mit einem Umschalter geworden, der je nach Position der Steuerung entsprechend automatisch auch Vor- oder Rückwärtsfahrt anzeigt, oder mit einem Y Kabel ein eingeschleifter Zweikanal-Schalter bzw. eine Kanalkopie über die Fernsteuerung. Dagegen sprachen aber einige Gründe, die Wichtigsten wären:
- Mehr Last auf dem Servo für die Steuerung bei mechanischer Lösung – da nicht mehr nur die Steuerung selbst, sondern auch der Umschalter bedient werden will.
- Realitätsfern – Kein Lokführer der Welt ändert(e) die Beleuchtung wenn er ein paar Meter vor oder zurück setzte um an den Wasserhahn zu kommen etc.
Also wird die Fahrtrichtung ausschließlich manuell an der Fernbedienung gesteuert. Einfacher Schalter, fertig! Über die anderen Möglichkeiten wird noch weiter unten im Artikel näher eingegangen.
Die Wahl der LEDs
SMD Bi-Color LED für den Modellbau
Ich habe mich für SMD DUO-LEDs mit gemeinsamer Anode entschieden. Die Anode bildet den Pluspol. Die DUO LEDs bzw. Bi-Color LEDs verfügen demnach über zwei Kathoden die an Minus in der Schaltung angeschlossen werden. Das spart zum einen Widerstände und vereinfacht darüber hinaus die Schaltung hinsichtlich des notwendigen Platzes auf der Lochrasterplatine.
Die LEDs habe ich von ebay: DT0605RWM 20 Stk. Bi-Color SMD-LED
Sie werden direkt mit Vorwiderständen geliefert und erzeugen je nach Schaltung ein warmweißes, eher gelbliches und rotes Licht. Damit kann man prima Vorwärts- und Rückwärtsfahrtleuchten in einem Bauteil realisieren.
Ebenfalls nicht ganz unwichtig ist die Ummantelung der einzelnen Litzen. Hier ist darauf zu achten dass sie Temperatur abkönnen um nicht zu einem „Kurzschlussklumpen“ zusammenzubacken wenn die Lok erstmal angefeuert ist. Die von mir verlinkten und verwendeten LEDs haben eine solche Teflon-Ummantelung die hoch hitzebeständig ist bzw. sein soll. Hin und wieder gibt es die LEDs auch mit der für den Anwendungsbereich bei Echtdampfloks viel schöneren, schwarzen Ummantelung der Litze. Leider war sie zum Zeitpunkt als ich mich damit befasst hatte gerade nicht lieferbar. Also wurde an den Sichtstellen mit Lack nachgefärbt.
Zugentlastung an die Steckverbindungen!
Für die vorderen LEDs mussten neue Litze angelötet werden, da die fertig konfektionierten 20cm Litze zu kurz waren. Ich habe mich dann für schwarze 0,2mm Litze entschieden, da man diese sehr gut „verstecken“ kann und z.B. prima zwischen Rauchkammertür und Kessel legen kann. Mit hitzebeständigem Teflonmantel ist das problemlos möglich.
Ein als „dick“ geltendes Haar hat einen Querschnitt von 0,1mm. Damit ist ersichtlich dass die verwendete Litze von 0,2mm vor allem eins ist: empfindlich. Schon ein Daumennagel oder eine etwas zu eng ausgeführte Verlegung um eine (scharfe) Kante kann hier bereits zum Kabelbruch oder einer Trennung führen. Deshalb ist natürlich Vorsicht geboten.
Litze abisolieren: Eine derart feine Litze abzuisolieren kann schon einmal zur Geduldsprobe werden. Es gibt Werkzeug speziell für derartige Anwendungen. Mit ein wenig Fingerspitzengefühl ist das allerdings nicht nötig. Ein handelsüblicher, scharfer Seitenschneider reicht auch. Dazu einfach die Litze zwischen die Backen legen und mit dem Eigengewicht der Zange kann die Ummantelung bereits abgezogen werden. Die Zange muss also nicht zugedrückt werden.Ein Punkt an dem Kräfte notwendigerweise auftreten ist jedoch die Steckverbindung zur Platine. Hier ist es überaus ratsam an eine Zugentlastung zu denken. Ich habe das so gelöst, dass ich, nachdem ich die feinen Litze an die Pins angelötet habe, den Stecker mit Schrumpfschlauch ummantelt habe und in die Öffnung ordentlich Pattex mit einem Zahnstocher gedrückt habe. Das erhöht die Festigkeit enorm!
0,2mm Litze passt übrigens super dreifach in die 1mmx0,25mm Deko-Kupferrohr wie sie Regner für Leitungsattrappen anbietet. Damit wird, wenn man die Geduld aufbringt, die Attrappe zur realen Leitung. Hier sollte man allerdings das Kupferrohr zunächst möglichst gerade biegen um stressfrei die einzelnen Litze einfädeln zu können und erst danach das Rohr für die Anbringung an der Lok biegen. Damit ist die Litze optimal geschützt, bekommt keine Knicke und die Lok bekommt noch ein wenig schönen, dekorativen Tand.
Bei Halbleitern wie LEDs ist die Anode (siehe weiter unten) immer etwas länger als die Kathode. Das erlaubt die Polarität zu erkennen. Die Steckpins der Kathoden werden dann am Stecker entsprechend auch ein wenig eingekürzt sodass auch hier die Anode etwas länger ist.Der RC-Schalter für die Fernsteuerbarkeit
RC Schalter
Der RC-Schalter ist im Grunde nichts weiter als ein weiterer Servo. Er wird wie ein Servo auch in den Empfänger eingesteckt.
Der Unterschied ist, dass dieses Bauteil je nach Steuerungsbefehl (-100% – 0% – 100%) entweder den einen Kanal schaltet (von -100% -0), den anderen Kanal schaltet (von 0-100%), oder gar keinen Kanal schaltet (bei 0). Damit kann man ideal den Lichtwechsel für Vorwärtsfahrt, Rückwärtsfahrt oder Aus realisieren.
Ich habe dafür den RC Schalter auf der Fernsteuerung auf einen Kippschalter gelegt, der mit 2-0-1 eben jene Schaltzustände darstellt. Damit kann ich dann hinterher manuell die für mich relevanten Schaltmodi auswählen.
Der RC-Schalter kommt ebenfalls von ebay: 2 Kanal RC Stufenschalter
Der Bereich der RC-Schalter ist uferlos. Es gibt sie nicht nur als einfachen Ein-Aus-Schalter, sondern mikroprozessorgesteuert und mit Speicherfunktion auch für jede denkbare Schaltmöglichkeit. Limitierend ist hier am Ende dann doch die Fernbedienung, sodass die einzelnen Lampen dann durch x-maliges hoch-runter oder links-rechts wippen angesprochen werden. Das erlaubt natürlich maximale Individualität, allerdings hat man auch schnell das Gefühl auf einer Lichtorgel zu spielen. Da je nach Vorbild die unterschiedlichen Lichtmodi fest bestimmt sind kann es also sinnvoll sein die Schaltung bestimmen zu lassen oder man Vorwärts- oder Rückwärts fährt. So habe ich das letztendlich gelöst und dafür reicht mir ein einfacher Umschalter aus.
Schaltplan für Beleuchtung mit Fahrtrichtungsumkehr
Der folgende Schaltplan zeigt, wie man eine Beleuchtung mit DUO-LEDs bzw. Bi-Color LEDs mit Lichtwechsel bei Fahrtrichtungsumkehr realisieren kann.
Auf der Echtdampflok wird mit Gleichspannung gearbeitet. Entsprechend gelten die Gesetzmäßigkeiten der Elektrotechnik.
Für Einsteiger zunächst einige grundsätzliche Anmerkungen:
- Der Strom fließt vom Pluspol zum Minuspol.
Dabei läuft er wie auf obigem Schaltplan ersichtlich durch den RC Schalter. Dieser bestimmt in Abhängigkeit der Einstellung an der Fernsteuerung ob der Stromkreis geschlossen ist (Strom fließt = LEDs leuchten) oder nicht. Von Plus nach Minus ist die konventionelle Stromrichtung bzw. technische Stromrichtung. Tatsächlich, also physikalisch, ist es genau anders herum. Das hat man allerdings erst später bemerkt als die Messtechnik besser wurde, denn am Pluspol herrscht Elektronenmangel und am Minuspol Elektronenüberschuss. Die Elektronen werden also vom Pluspol angezogen und laufen demnach physikalisch von Minus nach Plus. Die physikalische Stromrichtung spielt im Modellbau wie auch den allermeisten anderen Anwendungen allerdings keine Rolle. Wir halten uns also auch an „Von Plus nach Minus“. - Rot ist Plus / Schwarz ist Minus
Der Minuspol wird auch unter Umständen, je nach Hersteller und Gerät, in der Farbe braun oder grau gekennzeichnet. Nur eins ist er nie: Rot! Um es der Vollständigkeit halber noch direkt zu erwähnen: Gelb oder Orange ist der Steuerkanal. Hierüber empfängt der Servo oder in diesem Fall der RC Schalter die Information was er zu tun hat. - LEDs sind Halbleiter
Anders als bei einer konventionellen Lampe, in der ein feiner Draht zum Glühen gebracht wird und die Polung egal ist, ist die LED als Halbleiter darauf angewiesen korrekt angeschlossen zu werden. Dafür gibt es zwei Fachtermini: - Anode und Kathode
Die Anode wird innerhalb der Schaltung an den Pluspol (von wo der Strom kommt) angeschlossen. Die Kathode gehört an den Minuspol der Schaltung (wohin der Strom abfließt). Anders herum angeschlossen ist der Widerstand der LED „unendlich“. Der Stromkreis bleibt unterbrochen und die LED wird nicht leuchten. Die LED wird bei Verpolung aber nicht zerstört. - Der Strom in einer Reihenschaltung ist überall gleich
Die Reihenschaltung oder Serienschaltung ist eine der Grundschaltungen in der Elektrotechnik. Der Vorwiderstand und die jeweilige LED sind zueinander im obigen Schaltplan direkt in Reihe geschaltet (sechs mal wiederum parallel zueinander). Es spielt keine Rolle ob der Vorwiderstand an der Anode oder der Kathode der LED hängt, also technisch vor oder hinter der LED, auch wenn er Vorwiderstand heißt. Da die in diesem Artikel aufgeführten LEDs jeweils über eine gemeinsame Anode verfügen, bietet es sich natürlich an den Widerstand in diesem Fall auch technisch tatsächlich vor die LED zu schalten, da wir somit nur sechs Widerstände benötigen.
Wie dem Schaltplan zu entnehmen ist, schaltet der RC-Schalter den Minuspol durch.
Warum nicht alle LEDs je Schaltkanal an einen Vorwiderstand? Das hat mehrere Gründe und kann zu einem ausufernden Thema werden ob – und unter welchen Umständen das möglich ist, oder eben nicht. Da die Echtdampflok vibriert, einzelne LEDs ausfallen können oder gar nicht angeschlossen sind oder nicht immer alle LEDs gleichzeitig leuchten und darüber hinaus gar nicht klar ist ob die Vorwärtsspannung aller LEDs gleich ist (ist sie praktisch nie) gilt der Grundsatz: Jede LED bekommt in paralleler Schaltung zueinander ihren eigenen Widerstand!Der Schaltplan ist so ausgelegt, dass bei Vorwärtsfahrt (obere drei LEDs = Lok-Front) die erste LED der unteren drei (Lok-Rücken) über die zweite Kathode (für rotes Licht) mit oben angeschlossen ist. Anders herum ist es genauso. Damit leuchtet immer eine LED rot. Sie markiert das Zugende. Wer zwei LEDs rot leuchten lassen möchte, muss natürlich je jeweils zweiten Kathoden mit anschließen.
Verpolungssichere Stromversorgung
Akkupacks mit JR Strecker haben drei Anschlussbuchsen, wovon nur zwei belegt sind. Dies ist eine effektive Art vor Verpolung zu schützen und natürlich sollte auch die eigene Schaltung an der Stromversorgung auf diese Verpolungssicherheit hin verlötet werden. Dafür nehmen wir eine Steckerleiste mit ebenfalls drei statt den notwendigen zwei Pins für Plus und Minus.
Die äußeren Pins schließen wir dann einfach auf der Platine kurz. Damit ist es egal wie herum man den Stromversorungsstecker einsteckt – er ist immer richtig eingesteckt.
Das funktioniert deshalb, weil der Minuspol, egal wie man den Stromstecker vom Akkupack einsteckt, immer in der Mitte liegt.
JST Stecker, vor allem an alten Akkupacks zu finden, verfügen nur über 2 Pole. Die Verpolungssicherheit wird dort durch die Steckerform realisiert; er lässt sich nur in eine Richtung einstecken. Es ist generell keine gute Idee einen JST Stecker an einen JR Anschluss zu stecken, auch wenn das technisch möglich ist. Früher oder später verpolt man dann doch.Die Schaltung auf Lochrasterplatine löten
Ich habe mich entschieden die Schaltung auf einer Lochrasterplatine zu realisieren und mich dafür für eine Standard 2,54mm Lochrasterplatine entschieden. Der Wert entspricht dem Abstand der Löcher zueinander. Hintergrund war einfach die Verfügbarkeit, denn derartige Lochrasterplatinen liegen in allen Formen und Farben hier „auf Lager“. Nachteilig ist vielleicht, dass die Platinen schnell groß werden, allerdings bietet Alfried noch genug Platz im Führerstand und so kann ich problemlos sichere Steckverbindungen für die einzelnen LEDs realisieren.
Benötigte Bauteile / Werkzeug
- RC-Schalter
- Lochrasterplatine 2,54mm (min 16×5 Löcher)
- 6x Einlötstecker weiblich mit je 3 Pins (Buchsen für die LED Anschlüsse)
- 1x Einlötpins männlich, dreipolig (Stromversorgung)
- Litze
- 6x Vorwiderstand
- 2x IC-Pins, dreipolig
- Lötkolben, Lötzinn, Lötwasser
Die tatsächliche Umsetzung eines Schaltplans auf eine Lochrasterplatine ist vor allem bei Laien in der Elektrotechnik immer wieder ein Problem, da es hier darum geht das Ganze nicht nur logisch, sondern auch im Rahmen des Machbaren unter Berücksichtigung des Platzes anzubringen. Außerdem möchte man natürlich vermeiden dass man mit allzu vielen Brücken einen gebruzelten Klumpen Elektronik fabriziert.
Aus obigem Schaltplan ging folgendes Layout für die Platine hervor:
Ich habe Wert auf eine möglichst kleine Platine gelegt, weshalb ich den Stromanschluss für die 3 rechten Widerstände sowie die Rückführung des Minuspols an die Stromversorgung rückseitig über „fliegende Litze“ realisiere. Durch den späteren Einsatz von Schrumpfschlauch über die ganze Platine ist das kein Problem und „noch überschaubar gefrickelt“.
Den Anschluss für den RC-Schalter realisiere ich mit kleinen IC-Pins und den für die Stromversorgung mit normalen Platinenpins. Damit umgehe ich das Problem dass die Anschlüsse vertauscht werden könnten. Zudem ist damit der Anschluss vom RC-Schalter ohnehin weiblich und für den Stromanschluss männlich.
Das muss alles natürlich nicht der Weisheit letzter Schluss sein. Vor allem die Lösung der LED Anschlüsse birgt die Gefahr, da man die Anschlüsse natürlich nicht nur waagerecht, sondern versehentlich auch senkrecht einstecken könnte, dass man falsch anschließt. Über zueinander jeweils versetzte Pinblöcke kann man das Problem beheben, damit steigt aber wieder die Größe der Platine.
Welche Probleme können noch auftreten und was bedeuten sie?
- Verpolter Anschluss der LED-Stecker
Ergebnis: LED leuchtet nicht, kein weiterer Schaden.
Lösung: Stecker einfach anders herum einstecken. - Verpolter Anschluss des RC-Schalters
Ergebnis: Die Schaltkanäle wechseln. Damit wird vorne hinten und hinten vorne.
Lösung: Stecker anders herum einstecken oder Servoumkehr aktivieren (Reverse). - Kurzschluss am IC Stecker
Genau das ist mir auch direkt nach den ersten Betriebsminuten passiert: Die lose im Führerstand untergebrachte Platine arbeitete sich ans Gehäuse bzw. eine Servohalterung. Da die IC Stecker bauartbedingt einen nicht isolierten 2mm Übergang haben, kam es zum Kurzschluss. Im Ergebnis waren alle Lampen auf Dauerbeleuchtung. Abhilfe schafft die Isolierung der Steckverbindung mit Isolationsklebeband oder das feste Einklemmen des gesamten Bauteils im Führerstand.
LEDs der Lok automatisch umschalten bei Fahrtrichtungsumkehr
Ich habe mich wie geschrieben für einen separaten Schalter an der Fernsteuerung zur Umschaltung entschieden. Es gibt allerdings noch weitere rein elektronische Möglichkeiten der automatischen Umkehr die immer noch realisierbar sind:
- RC Schalter über Y-Stecker an Steuerung
Mit einem einfachen JR Y-Stecker kann man das Signal vom Empfänger splitten. Damit kann man (bei den Echtdampfloks rein theoretischer Natur da i.d.R. die praktische Anwendung fehlt) zwei Servos parallel betrieben. Aber natürlich kann man auch den RC-Schalter statt eines zweiten Servos auf den Kanal der Steuerung stellen. Damit hat man ohne Mechanik gleichsam einen automatischen Lichtwechsel bei Fahrtrichtungsumkehr. - Mix-Funktion an der Fernsteuerung
Je nach Fernsteuerung gibt es die Möglichkeit Kanäle direkt miteinander zu verbinden bzw. zu mixen. Hiermit ist es möglich bei Befehlen auf der Steuerung (Bei mir Kanal 1), diese prozentual von 1-100%) auch auf einen anderen Kanal anzuwenden. Für mich ist das die günstigste Variante, wenn ich doch mal auf den automatischen Lichtwechsel setzen möchte. Ich mixe dann die Befehle von Kanal 1 (Steuerknüppel für die Steuerung) auf den Schalter für den Lichtwechsel, Kanal 6. Das macht es allerdings schwieriger den 0-Punkt zu finden, bei dem die Lampen aus sind. Auch ist es dann natürlich nicht mehr möglich die Lampen während der Tagfahrt auszuschalten.
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