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Welche Dioden sind für den Modellbahner wichtig? Zu unterscheiden ist zwischen: - Gleichrichterdioden - Leuchtdioden - Fotodioden Sehen wir uns die Gleichrichterdiode an ![]() ![]() ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Die Gleichrichterdiode ist eine sog. Stromsperrdiode. Sie lässt also Strom nur in einer Richtung fließen. Überall da, wo Wechselspannung in Gleichspannung umgeformt werden soll, werden deshalb Gleichrichterdioden eingesetzt. Gleichrichterdioden werden je nach Anwendungszweck in verschiedenen Bauformen hergestellt. Für Modellbahner ist aber fast immer die runde Form zweckmäßig. Der Einsatzbereich von Gleichrichterdioden im Modellbahnbereich ist vielfältig. Sie reicht von der Umwandlung von Wechselspannungen in Gleichstrom bis zur Pendelzugsteuerung Beispiele für den Einsatz von Gleichrichterdionen im Modellbahnbereich: a) Pendelzugsteuerung Eine Pendelzugsteuerung ist nichts anders, als dass ein Zug automatisch zwischen zwei Haltepunkten hin und her fährt. Damit das Fahrgleis automatisch umgepolt werden kann, kommen Gleichrichterdioden zum Einsatz. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken b) Gleisbelegtmelder Ein Gleisbelegtmelder bringt eine elektronische Meldung an die Fahrzentrale, wenn ein ausgewählter Gleisabschnitt von einem Zug besetzt wird und der Zug gewollte Schaltvorgänge auslöst (z.B. Abfahren eines zweiten Zuges). Für diese Aufgaben gibt es viele verschiedene Lösungsansätze, auch analoge. Man braucht also nicht gleich eine Digitalanlage um eine derartige Schaltung zu installieren. In der analogen Bauweise werden aber dann Dioden benötigt. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Die vorliegende Schaltung ist einfach. Sie geht davon aus, dass dort, wo Strom an einen Verbraucher fließt auch die Spannung abfällt. In die Zuleitung zum Gleis wird deshalb ein Relais gesetzt, das beim Durchfahren des Gleisabschnittes durch den dann fließenden Strom anzieht. Die Schaltung nutzt den Spannungsabfall an einer Diodenstrecke zur Entdeckung des Zuges bzw. Verbrauchers. Der Spannungsabfall ist sehr gering (ca. 0,7 V) und beeinträchtigt die an den Gleisen anliegende Fahrspannung nicht. Immer dann, wenn in den Gleisabschnitt - GÜ - eine Lok oder ein stromaufnehmenden Waggon einfährt, fließt der Fahrstrom über die aus D1 und D2 bestehende Diodenstrecke. c) Signalsperrstrecke Ein weiterer interessanter Anwendungsbereich für Dioden ist der Bau einer Signalsperrstrecke. Zur Beeinflussung der Zugfahrt mit den Signalen enthalten die Signale (i.d. Regel das Hauptsignal und nicht das Vorsignal) Doppelspulen, die über einen Anker zwei Kontakte betätigen können. Um nun einen Zug vor einem roten Signal halten zu lassen, müssen wir zuerst zwischen einem Dreileitersystem und einem Zweileitersystem unterscheiden. Wir wollen uns mal an einem Zweileitersystem die Schaltung ansehen. Zuerst muss vor dem Signal ein Halteabschnitt eingerichtet werden, in dem die Lok zum Halten kommt. Dazu sind auf einem Gleis (rechte oder linke Schiene) zwei Unterbrechungen herzustellen. Der Halteabschnitt sollte bei H0-Anlagen zwischen 40 cm und 50 cm betragen, bei N-Anlagen etwa die Hälfte. Die Länge des Halteabschnittes hängt von der gefahrenen Geschwindigkeit der Lok ab bzw. der dadurch entstehende Bremsstrecke. Das Signal hat i.d. Regel zwei rote Anschlussdrähte, von denen einer den Fahrstrom erhält und der Andere durch das Betätigen des Signals den Strom fließen lässt oder sperrt Der "Eingang" des Signals wird mit dem Trafo oder einer anderen Stromquelle verbunden, der "Ausgang" mit einem Gleis innerhalb der Haltestrecke. Damit ein Zug, der in Gegenrichtung fährt durchfahren kann (also nicht gestoppt wird) wird eine Diode benötigt. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken d) Gleichrichterschaltung Ein wichtiger Anwendungsbereich für Dioden ist der Bau einer Gleichrichterschaltung. Wie euch ja bekannt ist, gibt es zwei Arten von Schaltungen: - die Gleichstromschaltung - die Wechselstromschaltung. Bei der Wechselstromschaltung wird lediglich die Wechselstromspannung auf die erforderliche Spannung herunter transformiert (z.B. auf 16 Volt). Bei der Gleichspannungsschaltung wird nicht nur die Wechselstromspannung z.B. auf 16 Volt herunter transformiert, sondern gleichzeitig auch eine Gleichstromspannung erzeugt. Damit können Verbraucher wie Gleichstrommotoren für den Modellbahnbetrieb mit der entsprechenden Gleichspannung versorgt werden. Nun wollen wir uns mal ansehen wie aus Wechselstrom Gleichstrom wird. Dazu werden wieder Dioden benötigt. Insgesamt 4 Stück. Ferner benötigt man noch eine Platine. Insgesamt eigentlich ein einfacher Aufbau. Allerdings ist die dargestellte Schaltung nicht stabilisiert. Dies bedeutet, dass die Spannung je nach Verbrauch stark schwankt. Aber dieses Beispiel soll ja nur den Diodeneinsatz darstellen. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken e) Prellbocksicherung Ein Anwendungsbereich für Dioden ist auch der Bau einer Prellbocksicherung. Die nachfolgende Schaltung ist dazu geeignet, dass die Loks automatisch vor dem Prellbock halten. Die Prellbocksicherung ist eine sinnvolle Schaltung. Dadurch wird verhindert, dass die Loks, die zu schnell an den Prellbock heranfahren nicht den Prellbock oder sich selbst beschädigen. Das nachfolgende Schaltschema ist für das Zweileiter-Gleichstromsystem gedacht. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken f) Diodenschaltung für die Anfahrsicherheit auf digitalen Anlagen Gleich vorneweg - die Idee und die nachfolgenden Ausführungen stammen von Friedel Weber (www.moba-tipps.de/steuerung.html#Diode). Wir haben diese Idee von Friedel Weber als sehr interessant gefunden und werden sie deshalb hier kurz darstellen. Detailinfos sind über die obige Webadresse zu bekommen. Das Beispiel ist für das Märklin-System gedacht. Beim Dreileiter-System wird für Rückmeldungen an die digitale Zentralstation in der Regel das "S88-System" verwendet. Es wird jeweils eine der beiden Schienen aufgetrennt und verbindet die damit stromlos gewordene Schiene mit einen "S88-Decoder". Wenn nun ein Zug über das so präparierte Gleis fährt, bekommt die Lok ihre Fahrspannung vom Mittelleiter und von einer anderen Schiene. Die Lok verbindet schon mit ihrem vorderen Drehgestell die aufgetrennte Schiene mit der "Masse" (braunes Kabel). Diese Verbindung wird vom S88-Decoder ausgewertet und an die Zentrale als "besetzt" gemeldet. Ein Irrtum ist, dass auf diese Weise nur noch eine eingeschränkte Kontaktsicherheit bei digitalen Gleichstrombahnen vorherrscht, da ja nur noch das eine der beiden Gleisprofile Strom (Masse = "braun") führt. Dem ist aber nicht so. Der Mittelschleifer hat immer Kontakt. Unterbrechungen können also nur beim zweiten Leiter (Gleis = Masse) auftreten. Aber auch da treten in der Regel keine Probleme auf. Große Lokomotiven schließen schon mit Ihren vorderen Laufrädern beide Gleisprofile kurz, wodurch sie nicht nur den Rückmeldekontakt auslösen sondern für alle folgenden Räder ebenfalls einen elektrischen Kontakt über beide Schienen ermöglichen. Und bei kurzen, zweiachsigen Loks bildet schon die erste Wagenachse eine vergleichbare Brücke, wodurch wieder beide Außengleise Strom führen. Also wird durch den Bau aller Gleise zu Rückmeldekontakten die Kontaktsicherheit nur wenig beeinflusst. Dennoch kann es vorkommen, dass eine Lok eben doch stehen bleibt bzw nicht anfährt (was öfters der Fall sein dürfte). Dies kann an kleinen Verschmutzung am Gleis oder an der Lok liegen. es kann aber auch an der einer nicht mehr ordnungsgemäß liegenden Schiene liegen. Um nun diesem Problem zu entgehen, wird die Trennstelle jeder Kontaktstrecke mit einer Diode (Sperrrichtung zum isolierten Gleisstück bzw. zum Rückmeldekontakt) überbrückt. Die Rückmeldung funktioniert weiter, denn sie arbeitet mit 5 Volt Gleichspannung und die wird durch die Diode zum Nebengleis gesperrt. Wenn nun eine Lok über die Hauptschiene keinen Strom bekommt - weil zum Beispiel die Schiene verschmutzt ist -, bekommt die Lok eine Halbwelle über die Kontaktschiene - und die bringt sie über die kritische Stelle hinweg. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Es gibt sicherlich noch eine Vielzahl anderer Anwendungsbereiche für Gleichrichterdioden. Die vorliegenden Beispiele sollen euch lediglich einen Einblick in die Arbeitsweise der Dioden geben. Weitere Schaltungsbeispiele sind über den folgenden Link zu sehen: ---> Seite von "Der Moba" |
Leuchtdioden Leuchtdioden werden auch Lumineszensdioden genannt: ![]() ![]() ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Signalelemente und Anzeigefelder vieler technischer Geräte bestehen heute aus Leuchtdioden (= LED = light emitting diode). In Leuchtdioden wird elektrische Energie in Licht umgewandelt. Die Farbe des Lichts bzw. die Wellenlänge des Lichts wird vom Halbleiterkristall und von der Dotierung bestimmt. Neben der Farbe "rot" gibt es auch grüne, gelbe, orange, blaue und weiße Leuchtdioden. Sie unterscheiden sich nicht nur in ihrer Farbe, sondern auch in ihren elektrischen Eigenschaften. Teilweise kann man die Farben nicht untereinander tauschen. Die Durchlassspannung ist unterschiedlich und stark vom Halbleitermaterial abhängig. Die LED ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut: Aluminium-Indium-Gallium-Phosphat (AlInGaP) für Rot, Rot-Orange, Amber Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) für Cyan, Weiß grün (Gallium-Phosphid) blau (Gallium-Nitrid) infrarot (Gallium-Arsenid). Der pn-Übergang einer LED wird in Durchlassrichtung betrieben. Beim Anlegen einer Spannung wird die durch die Rekombination von Elektronen und Defektelektronen in der Grenzschicht freiwerdende Energie als Licht abgestrahlt. LED's, die Licht im infraroten Bereich aussenden, werden insbesondere in Fernbedienungen eingesetzt. Fast jede Fernbedienung eines Fernsehgerät besitzt eine solche Diode. Im Modelleisenbahnbau sind Leuchtdioden mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Mit Leuchtdioden werden Lichtsignale (Beleuchtung), Weichen (Weichenbeleuchtung), Straßenlaternen, Hausbeleuchtung u.s.w. betrieben. Auch die Lokbeleuchtung wird bei modernen Modellen mit LED's betrieben. Die gebräuchlichsten LED-Bauformen haben einen 5 mm oder 3 mm großen Durchmesser. Es gibt dann noch Jumbo-LED und Mini-LED, bis hin zur SMD-Größe. Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabhängig. Die eine Anschlussseite ist die Kathode, die andere Seite die Anode. Die Anode wird durch das längere Anschlussbeinchen gekennzeichnet. Zur Kontrolle oder im Zweifelsfall kann man die Kathoden-Seite an der abgeflachten Stelle der Umrandung erkennen. Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nicht leuchtenden Zustand. Der Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden. Allerdings ist dies für das menschliche Auge nur als "Leuchtbrei" sichtbar. Die Lebensdauer einer LED beträgt sagenhafte 106 Stunden. Standard-Typen Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie leuchten bei 15 mA fast mit ihrer hellsten Leuchtstärke. Meist ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend. Sie sind deshalb die häufigsten verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Low-Current-Typen Low-Current-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 3 mm. Sie leuchten schon bei 2 bis 4 mA wie Standard-Leuchtdioden bie 15 bis 20 mA. Einzig ihre Leuchtfläche ist geringer ausgelegt. ![]() ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand oder einem strombegrenzenden Bauteil geschaltet sein. Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom - IF -, der durch die Leuchtdiode fließt, begrenzt. Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung - UF - berücksichtigt werden. Formel für die Vorwiderstandsberechnung ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Wichtig bei den Leuchtdioden ist, dass ein Vorschaltwiderstand vor gesetzt wird, da sonst die Diode ins Nirwana geht. Durchlassspannungen von Leuchtdioden: Rote Leuchtdiode: 1,65 Volt Gelbe Leuchdiode: 2,1 Volt Grüne Leuchtdiode: 2,7 Volt Richtwerte für den Diodenstrom: 15 mA = 0,015 A bei lowpower Leuchdioden: 1,5 mA = 0,0015 A Wie der Vorwiderstand für eine Leuchtdiode berechnet wird, zeigen wir euch am nachfolgenden Beispiel: Leuchtdioden brauchen, wie bereits gesagt, immer einen Vorwiderstand, damit sie nicht zerstört werden. Wie dieser Vorwiderstand berechnet wird zeige ich euch am nachfolgenden Beispiel: Die bekannte Formel hierfür lautet: Betriebsspannung - Durchlassspannung Vorwiderstand = ______________________________________ Betriebsstromstärke Nehmen wir nun folgende Leuchtdiode zu unserem Beispiel: Betriebsspannung auf der Modellbahnanlage: 12 V Wir nehmen eine rote Diode die in der Regel eine Durchlassspannung von 1,65 Volt aufweist. Daraus errechnet sich ein Vorwiderstand von: ( 12 - 1,65 ) / 0,015 = 690 Ohm Als Widerstand nehmen wir den nächsten Normwert mit 680 Ohm. Also eigentlich recht einfach zu berechnen. Und damit es nicht vergessen wird, das nachfolgende Beispiel: ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Damit nicht alles "mit der Hand" gerechnet werden muss, ist nachfolgend ein LED-Widerstandsrechner dargestellt. Mit diesem Widerstandsrechner lassen sich Vorwiderstände samt Leistung für folgende Schaltungen bestimmen: - Einzelschaltung, - Reihenschaltung, - Parallelschaltung - gemischte Schaltungen. Wenn die Durchlass-Spannung der zu verwendenden LED nicht bekannt ist, kann man aus dem Drop-Down Menü die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs und deren Farbe auswählen. Für rote und gelbe LEDs sind 2.1 Volt hinterlegt, für orangefarbene 2.0 Volt und für grüne, blaue und weiße LEDs 3.4 Volt. Widerstandsrechner zur Bestimmung von LED-Vorwiderständen.
Mit dem nachfolgenden Link kommt ihr zum LED-Rechner ---> zum Vorwiderstandsrechner für LED Nun zu den Anwendungen. Wann setze ich Leuchtdioden ein? Leuchtdioden sind ideal für den Eisenbahnbetrieb. Ein schönes Beispiel nachfolgend dargestellt. Rückmeldeanzeige beim Weichenbetrieb. Bei Verwendung von Magnet-Weichenantrieben mit Endabschalter ist eine einfache Rückmeldung der Weichenstellung auf das Stellpult möglich, da ja in g-Stellung der Weiche der a-Anschluss und bei a-Stellung der g-Anschluss über die Antriebsspulen mit dem 0-Anschluss verbunden ist. Der LED-Strom für die Rückmeldung (bei 12 V Spannung etwa 10 mA) fließt bei der folgenden Schaltung zwar dauerhaft durch die Weichenspule, ein Schaden an der Spulenwicklung ist aber nicht befürchten. Wer den Strom reduzieren möchte, müsste analog zu der Schaltung Transistoren einsetzen. Dann fließt nur Strom der Transistor-Basis (weniger als 1 mA) durch die Weichenspule. ![]() Vergrößern -- Bild anklicken Weitere Schaltungsbeispiele sind über folgende Links zu sehen: Page von Bernd Raschdorf Page von Rüdiger Bäcker Weitere Beispiele für Diodenschaltungen LED's können auch an Wechselspannungen betrieben werden. Die LED wirkt hier dann als Gleichrichterdiode. Wie ihr wisst besitzen LED's nur eine geringe Sperrspannung (3 bis 5 V), deren Überschreitung zur Zerstörung der LED führen kann. Daher ist parallel - Bild 1 - zur LED eine umgekehrt gepolte Diode zu schalten, an deren Stelle auch eine zweite LED eingesetzt werden kann. ![]() Bild 1 Beim nachfolgenden Bild muss für die Berechnung des Vorwiderstandes statt Uf hier 3 x Uf eingesetzt werden. ![]() Bild 2 -- Vergrößern -- Bild anklicken Natürlich können Leuchtdioden auch zur Beleuchtung von Modellbahnhäuschen eingesetzt werden. Der Vorteil besteht in der nur geringen Stromaufnahme gegenüber herkömmlichen Glühdrahtbirnchen. Das spart natürlich Trafokapazität. Ob sich der Einsatz lohnt, hängt entscheidend vom Zeitaufwand ab, den sich der Modellbahner aussetzen will. Sicherlich ist aber der Einsatz von Leuchtdioden bei N-Anlagen eher zum empfehlen, als bei HO-Anlagen. Da zur LED lediglich ein Vorwiderstand geschaltet werden muss, erspare ich mir hier das Schaltbild. Weitere Informationen gibt der über den nachfolgenden Link abrufbare Flyer ---> zum LED-Flyer |
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