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7340x Lichtleisten optimieren


7340x Lichtleisten optimieren

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schaltungNachdem die LED-Beleuchtungsleisten 73400 und 73401 nun ja schon lange bei Märklin zu haben sind, hat ein Bekannter sie mal untersucht und nach Verbesserungspotentialen gesucht - und gefunden.
Diese beziehen sich darauf, die Stromaufnahme der Leisten zu reduzieren ohne dabei die Lichtintensität zu verringern - speziell bei den weissen Leisten, kann man erheblich sparen. Wer viele dieser Leisten einsetzt, kann somit den Lichtstrombedarf teils erheblich reduzieren, ohne Einsparungen an der Lichtleistung  und damit der Ausleuchtung zu machen.

Man erhält dadurch weitere Vorteile:

  • Reduzierung des Gesamtstrombedarfs der Beleuchtung. Das kommt bei digitalen Anlagen unmittelbar dem Betrieb und Geldbeutel zu Gute.  
  • Verbesserung der Flackerfreiheit durch deutlich kleiner bauende Kondensatoren.

Abb 1: LED-Leisten zur Wagenbeleuchtung  Märklin Nr. 73400 und 73401 

Die folgende Beschreibung gilt für beide Platinentypen die derzeit im Angebot sind:

  •  73400 (gelb) und
  •  73401 (weiß/warmweiß).

In der Originalschaltung unterscheiden sie sich nur durch einen Widerstandswert und natürlich die Bestückung mit unterschiedlichen LEDs.

Beide Platinen enthalten zwei identische Teilschaltungen, die durch Trennen an einer dafür vorgesehenen Stelle auch einzeln benutzt werden können. Die Löcher für die dann nötigen zusätzlichen Stecker- und Buchsenleisten sind bereits vorhanden. Das Lochraster beträgt 2 mm, und nicht 2,5 mm, wie sonst oft üblich.

Im Folgenden wird jeweils nur auf eine Teilschaltung Bezug genommen. Für eine vollständige Platine sind alle Bauteile doppelt vorhanden.

Originalschaltung

Die Originalschaltung (siehe Abbildung 2) ist für beide Platinentypen (ge/ww) gleich mit Ausnahme des Widerstandes R1, der den Strom durch die LEDs bestimmt. Bei einer Basis-Emitter-Spannung an T1 von Ube = 0,6 V ergeben sich damit die folgenden LED-Ströme und die ungefähren Minimalspannungen zum Betrieb:

  •  4 mA / 7 V        für die gelben LEDs, und
  •  0,5 mA / 10 V   für die weißen LEDs.

Hinweis für Wechselspannungs-Analogbetrieb: Die genannten Minimalspannungen sind Gleichspannungswerte hinter dem Gleichrichter. Bei Betrieb mit Wechselspannung fangen die LED-Leisten an zu leuchten, sobald der Spitzenwert der Wechselspannung diesen Wert + 1,4V (Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden) übersteigt.

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Abb 2: Originalschaltung für beide Typen

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Abb 3: Teileliste

Optimierung

Abbildung 2 zeigt die Originalschaltung. Zwei Optimierungspotenziale sind im Folgenden beschrieben.

Reduktion der Stromaufnahme

Ein großer Stromverbraucher ist der 10 kΩ-Widerstand R2, der die Strombegrenzungsschaltung speist. Hier werden bei Digitalspannung (20 V) fast 2 mA "verbraten". Das ist insbesondere für die weiße Beleuchtung völlig unökonomisch bei einem LED-Strom von nur 0,5 mA. 

Ausgangspunkt zur Optimierung ist die minimale Stromverstärkung des BC856B (laut Datenblatt) und die an der Schaltung anliegende Minimalspannung zum Betrieb. Schlägt man für Minimalspannung den Faktor 5 beim Strom hinzu zum Übersteuern des Transistors T2 in Sättigung, so reichen die folgenden Werte als Ersatz:

  • Für 73400:

    R2 statt 10kΩ nun 33 kΩ (SMD 0805) bei den gelben LEDs. Hier liegt der Strom durch den Widerstand bei Digitalspannung bei etwa 0,6 mA. Damit sinkt der Verbrauch je Teilschaltung von 6 mA auf etwa 4,6 mA, d.h. für eine Platine von 12 mA auf 9,2 mA. Damit ergibt sich ein immerhin fast 23% geringerer Strombedarf.
     
  • Für 73401:

    R2 statt 10kΩ nun 390 kΩ (SMD 0805) bei den weißen LEDs. Hier ist der Strom durch den Widerstand selbst bei Digitalspannung nur etwa 0,05 mA. Damit sinkt der Verbrauch je Teilschaltung von 2,5 mA auf etwa 0,55 mA, d.h. für eine Platine von 5 mA auf 1,1 mA.  Hier ergibt sich ein um 78% geringerer Strombedarf.

Kondensator gegen Flackern

Zusätzlich kann man auf den vorgesehenen Plätzen auf der Platine je einen Kondensator C1 bestücken.

Zur Auswahl der Kondensatorgröße muss man beachten, dass die vorhandenen Lötpads für das Bauteil relativ dicht beieinander liegen. Daher bekommt man bei Baugröße D (siehe Abbildung 2) keine Überlappung der Kontaktflächen an der Unterseite des Kondensators mit den vorgesehenen Lötpads. Bei Baugröße C steht der Kondensator zwar auch noch über die Lötpads hinaus, aber bei sorgfältigem Platzieren und Löten kann man einen einwandfreien Kontakt herstellen.

Geeignet sind Tantal-Kondensatoren 2,2 µF, 50 V, SMD Baugröße C, Kemet Type T491 (erhältlich z.B. bei Bürklin in München).

Statt der großen Tantal-Elkos (Kemet T491) zur Stützung der Spannung, können auch kleine Keramikkondensatoren verwendet werden, z. B. Kemet C1210C225K5RAC:   Gehäuse 1210 (3,2 * 2,5 mm), 2,2 µF, 50V

Die Betriebsspannung von 50 V macht die Schaltung analog-fest, da die vorhandene Z-Diode auf 47 V begrenzt. Außerdem ist ein höherer Kapazitätswert nicht unbedingt zu empfehlen, da sonst die gesamte kapazitive Belastung des Digitalstromkreises bei vielen beleuchteten Wagen zu hoch sein kann, wodurch die Flanken des Digitalsignals verschliffen werden können.

Damit ist für die weißen Beleuchtungen auch jegliches kurzfristige Flackern unterdrückt. Wichtig war hier allerdings die in Abschnitt 2.1 genannte Reduktion der Stromaufnahme, da das die Entladezeitkonstante des Kondensators etwa um den Faktor 4 gegenüber der Originalschaltung erhöht hat.

Bei den gelben Beleuchtungen wurde trotz des höheren Stromverbrauchs immerhin eine Anpassung des Flackerns an die Trägheit von Glühlampen erreicht, so dass bei einer Mischbestückung eines Zuges mit Glühlampen und LED-Leisten die LEDs sogar etwas seltener flackern als die Glühlampen.

bauform

Abb 4 : Baugrößen von SMD-Tantal-Kondensatoren

Danke

 an Wolf Möller, der die Grundlagenforschung hierzu durchgeführt hat.
      Siegfried Grob, für den Hinweis auf die kleiner bauenden Keramik-Kondensatoren.

Weiter benötigtes Material

73404 anschlussset a-sym 73405 anschlussset sym 73406 anschlussset unsym
73403 Anschlussgarnitur für unsym. Langschleifer 73405 Anschlussgarnitur für sym. Langschleifer 73406 Anschlussgarnitur für unsym. Kurzschleifer

Einbau-Anleitung

Der Einbau ist völlig unproblematisch. Die beigefügte Einbauanleitung von Märklin deckt alles Fragen ab und zeigt die Vorgehensweise.


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Zuletzt aktualisiert: Mittwoch, 13. Januar 2021 09:53

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