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Prototyp

1. Prototyp-Schaltung


Waggonj Innenbeleuchtung
Erleuterungen:
Der Goldcap hat eine Ladespannung von nur 5,5V und eine Kapazität von 0,22F.
Deshalb ist am Eingang hinter dem Brückengleichrichter eine Spannungs- und Strom-Begrenzung mit Hilfe eines Widerstandes (1K Ohm) und einer 5,6V Zehner-Diode notwendig.
An 5V kann man leider nicht mehr als 1-2 LEDs in Reihe dranschalten, da jede LED mindestens etwa 2V Durchlassspannung benötigt damit sie leuchtet.
Nachteil eine GoldCap ist, dass er beim entladen seine Spannung (in diesem fall 5,6V9 nicht hält, sondern sie siknt mit der Entladung.
Deshalb muß eine Konstantstromregelung nachgeschaltet werden, damit die LEDs bei unterschiedlicher Ladespannung des Konndensators oder bei verschiedener Fahrspannung trotzdem immer mit gleichbleibender Helligkeit leuchten.
Wegen der 5,5V Goldcap-Spannung wäre nun also für jede einzelne LED eine eigene Stromquelle notwendig gewesen. Das war mir zu viel Aufwand.
Deshalb hab ich mal eine Parallel-Schaltung von LEDs probiert, was man ja eigendlich nicht machen soll.
Und .... es funktionierte, die LEDs leuchteten alle gleich hell.

Aber Achtung für Nachahmer: es müssen alles die gleichen LED-Typen sein, man kann rote und weiße LEDs nicht parallel schalten. Es würde nichts kaputt gehen, aber ein Typ würde nicht leuchten, nur der Typ mit der kleineren Durchlassspannung würde leuchten.

Also hab ich für die 6-7-8 (je nach Wagenlänge) parallelen LEDs nur eine Konstant-Stromquelle. Den Basiswiderstand (der ja den Konstantstrom bestimmt) hab ich entsprechend der LED-Anzahl jeweils angepasst.

In der Schaltung für die Steuerwagen-Stirnlichter sind das Besondere die beiden Optokoppler, über die eine Kippschaltung aus 2 Transistoren (=RS-FlipFlop) entsprechend der Polarität der Gleisspannung kippt.
Die beiden Ausgänge des FF schalten jeweils ihre nachgeschalteten Konstantstromregler an/aus, je einen für die roten und für die weißen Spitzenlichter.
Das FF kippt erst in den anderen Zustand, wenn die Gleisspannung um weniger als 1 V in die andere Polarität wechselt. Damit schalten die Lichter schon um, bevor der Zug losfährt.
Hält der Zug nur an und fährt in die gleiche Richtung weiter (zB vor einem Blocksignal), die Fahrspannung also nur bis Null zurückgeht, verändert das FF seinen Zustand (noch) nicht und die Stirn/Endbeleuchtung schaltet nicht um.
 
Wie lange leuchten die Lichter denn nun bei Stillstand, also wie schnell entlädt sich der Goldcap?
Bei meinen eingestellten LED-Strömen sind es mindestens 2-3 Minuten ohne sichtbaren Helligkeitsschwund, also für mich genügend lange, weil Bahnhofsaufenthalte und Stops vor Signalen i.a. nicht länger dauern.
Allerdings muß es genügend lange Fahr-Streckenteile geben, damit der GoldCap sich wieder aufladen kann.

Ein weiterer Nebeneffekt neben dem Standlicht ist, dass die Waggons absolut flackerfrei leuchten .... ein tolles Feeling für einen Analogie. 

Die Schaltung hab ich auf 2 Platinen verteilt, die jeweils in Breite und Länge unter ein Waggondach Spur-N passen.
Wegen der Kleinheit war mir klar, dass die Schaltung nur mit SMD Bauteilen möglich war.

Mein Platinen-Layout-Programm hat mir schon virtuell in 3D die Platinen gezeigt.
Die Platine für die Innenbeleuchtung:

Platine der Waggon Innenbeleuchtung mit GoldCap

oben angeschnitten ist der Goldcap,
den ich nicht auf die Platien gesetzt habe,
sondern mit Litzen verbunden im Waggon Toilettenabteil verstaut habe.

Die Zusatzplatine für einen Steuerwagen mit den beiden dicken Optokopplern.
Platine der Waggon Innenbeleuchtung mit GoldCap

2. Testaufbau mit Steckboard

Wenn ich eine Schaltung entwerfe, baue ich sie auch auf einem Steckboard auf. So kann man sehr leicht die Schaltung mit den echten Bauteilen austesten ohne zu löten, und zwar sowohl in ihren Funktionen als auch in der richtigen Dimensionierung der Bauteile, zB testen ob auch nichts zu heiß wird.

So sah der Test für die Umschalterei des Steuerwagen Spitzen/End-Licht aus:
Testaufbau mit Steckboard

Das große schwarze Teil auf dem Board ist ein Optokoppler IC, rechts oben die FlipFlop/Kippschaltung für das Steuerwagen Spitzenlicht; links oben der Goldcap.




3. Prototypen mit Lochraster-Platinen

Nachdem die Schaltung nun ausgetestet war, wollte ich nicht gleich mit der Ätzerei einer Platine weitermachen.
Ich hab zunächst eine Version mit Lochrasterplatinen gebastelt.
Das hatte ich mir recht einfach vorgestellt, zumal 3 Leiterbahnen genau in der Breite in das Dach meiner "Testwaggons" passten....die alten TEE Wagen von Arnold waren die Opfer.
Prototyp

und so sah die bestückte Lochrasterplatine dann aus .... in dieser Version hab ich den Goldcap mit auf die Platine gelötet ... das erwies sich als nicht flexibel genug, es passte so eigentlich nur richtig für diese TEE Wagen.
Später hab ich den GoldCap an Kabelchen gehängt und im Wagen an passender Stelle verstaut.
Prototyp
Auf der Platine sieht man die kleinen SMD LEDs...bei dieser Prototyp Bastelei hatte ich nur die doch zu kleinen 0604 Typen vorrätig....später hab ich die größeren 1206 Typen verwendet.

Es war schon ein irres Gefummel, die Schaltung richtig auf die Streifenplatine zu bekommen, die LEDs hatte ich noch an Kabellitzen gelötet, diese dann richtig polarisiert angelötet und die SMDs dann noch an ihre Plätze mit Sekunden-Kleber geklebt.

Prototyp   Prototyp  Prototyp

Dann hab ich noch ein bisschen mit Pergamentpapier "gespielt", um das Licht etwas diffuser zu bekommen.
Der Aufwand lohnt sich aber nicht, und ich hab's nicht weiter verfolgt.


Und endlich...
da stand er nun, der allererste Wagen, und sah schon sehr gut aus
Prototyp  Prototyp
... da flackerte auch nicht mehr in den Abteilen beim Proberollen auf der Anlage.
..also vom Prinzip her, alles sehr viel versprechend.


Das Ganze bis hierher war schwierig, aber ich hab weitergemacht .... ein kleine Serie für meine Arnold TEE Waggons
Prototyp

und da sind die ersten 3 Waggons 
Prototyp

Erfahrung:
Man sieht schon bei diesen Prototypen, dass die Waggonabteile nicht alle gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Das liegt nun daran, dass es kein Leuchtstab ist sondern einzelne punktuelle Lichtquellen sind. Aber ich finde es so sogar realistischer.
Die Lochraster-Verdrahtung war eine echte Strafe... die Schaltung richtig hin zu bekommen, kostet Nerven, weil man hochkonzentriert arbeiten muß.
Deshalb war ich froh, dass ich mir nur 4 Waggons damit vorgenommen hatte. So schnell wie möglich wollte ich jetzt die Printplatinen herstellen.


4. Serie-1 mit Printplatinen

Zunächst, dies sind meine "Geräte" für die Platinenherstellung.

Zunächst muß die Platinenvorlage gedruckt werden. Dazu nehme ich als Drucker meinen Canon Drucker Pixma iP4500 und beim Papier hab ich gute Erfahrung mit Transparentpapier (gibt es im CopyShop) gemacht. Die richtige bedruckbare Transparentfolie hab ich noch nicht probiert.

Dann wird die fotobeschichtete Platine mit der Vorlage belichtet.
Dazu hab ich mir vor vielen Jahren einen kleinen Belichtungskasten gekauft. Als Lampe dient ein UV Lampe von Osram (300W VitaLux). Ich belichte die Platine 2-3 min, die Lampe hängt etwa 30 cm über der Platine, dabei bewege ich den Kasten rechts, links, rauf, runter auf dem Tisch, damit die punktförmige Lichtquelle alle Teile der Platine gleich lange bescheint.
Belichten

Anschließend kommt die belichtete Platine ins Entwicklerbad und da sieht man dann schon, ob der erste Arbeitsgang, die Belichtung, gelungen ist.
Belichten
hier sieht's gut aus... man sieht die Leiterbahnen.
An den dunklen Stellen ist jetzt eine Lackschicht (das sind die Leiterbahnen), die das Kupfer jetzt schützen beim nächssten Arbeitsgang, dem Ätzen. Die hellen Stellen (da ist also jetzt kein Schutzlack) werden im Ätzbad weg geätzt.

Dies ist die Ätzanlage
Ätzen
Man kann den Ätzvorgang sehr gut beobachten in dem durchsichtigen Becken. Die Platine hängt senkrecht in der Küvette.
Diesen Vorgang muß man gut beobachten, weil der Ätzvorgang davon abhängt, wie "gesättigt" die Ätzsäure schon durch die vergangenen Ätzvorgänge ist.
Auch muß man evtl. die Platine noch etwas im Ätzbad bewegen, um an ungünstigen Strömungsecken auch noch die Reste des Kupfers sauber abzuätzen.

...und dann hat man das gute Stück in der Hand, hält es gegen das Licht und schaut, ob da wo soll alles gut weg geätzt ist.
fertige Platine nach dem Ätzen

Bei diesem Projekt für die Waggoninnenbeleuchtung hab ich 8 gleiche Schaltungen auf eine Platine gepackt.
Deshalb müssen die Einzelschaltungen noch ausgesägt werden.
Das mache ich mit einer Proxxon ... eine mächtige Sauerei, weil's mächtig staubt....man sollte sowas nur draußen an frischer Luft machen.
Zerschneiden der Platinen

Bei "normalen" Schaltungen müßte man jetzt die Löcher bohren für die Lötdrähte der Bauteile. Hier bei diesem Projekt ist die Platine nur für SMD Bauteile vorgesehen, deshalb entfällt das Bohren.
Vor dem Bestücken mit Bauteilen beschichte ich die Platine mit einem Lötlack. Das hält die Kupferflächen schön lötfähig.

Und dann wird natürlich gleich getestet, ob die Platine gut in das Dach passt. Ich hatte alle gängigen Dachtypen, von Arnold bis Fleischmann beim Festlegen der Platinengröße ausgemessen ... alles passte.
Platine passt ins Dach

Der nächste Schritt ist die Bestückung mit dem SMD Bauteilen ... ein Neuland für mich.



5. Bestückung mit SMD-Bauteilen ... zum ersten Mal

Es war das erstemal, dass ich mit SMD-Bauteilen eine Printplatine bestückt hatte, ich fürchtete mich zunächst davor, dass mir die Winzlinge von der Platine springen.
Deshalb hab ich mir den Sekunden-Kleber zunächst bereit gelegt. Ich hatte gelesen, dass man die Teile vor dem Löten auch festkleben kann (so wird es übrigens in der industriellen Fertigung immer gemacht)... das hat allerdings den Nachteil, dass man die Teile nicht mehr zerstörungsfrei entlöten kann.
smd Kleben


Die Platine hab ich den Schraubstock geklemmt, und da sind die ersten Teile, der SMD Brückengleichrichter und die beiden Teile zum Laden des GoldCap, der SMD Widerstand und die SMD Z-Diode
SMD

Die nächsten 2 Bilder sollen zeigen, wie ich die SMD-LEDs richtig polarisiert aufgelötet habe:
  • zunächst an einer der beiden Lötpads vorverzinnen (hier sind es die beiden langen Streifen)
  • dann die Schaltung an Spannung legen und die SMD-LED mit dem Daumen auf auf die Lötpads drücken, wenn sie richtig gepolt ist leuchtet sie, sonst umdrehen
  • Spannung an der Platine ausschalten (dabei aber die SMD-LED nicht verrutschen) und dann mit dem Lötkolben kurz an die vorverzinnte Lötstelle, dabei auf die SMD-LED drücken
  • kurz warten und dann die andere Seite anlöten


 SMD  SMD

war eigendlich ganz leicht....und vor allem, die Bestückung ging recht flott, weil man die Platine beim Bestücken und Löten nicht ständig umdrehen muß.

 SMD SMD
und dann ist alles drauf .... im Dach ist die flache Platine auch gut versteckt ... und der Goldcap sitzt auf der Toilette  ;-))

Voi la...da ist er ... der erste Beleuchtete mit Printplatine, in all seiner Pracht.
SMD



6. Endwagen mit zusätzlichen Rotlichtern

Als nächstes war ein Endwagen mit roten Lichtern dran.
Wegen meiner Parallelschaltung der weißen LEDs war es nun nicht mehr möglich, einfach in die LED Kette noch 2 zusätzliche rote LEDs für die Rücklichter zu legen, wegen der unterschiedlichen Durchlassspannungen von roten und weißen LEDs würde eine der beiden Typen nicht leuchten.
Also hab ich für die Rücklichter aus einer Platine nur den Teil mit dem Stromregler rausgeschnitten und parallel zu der Hauptplatine an den GoldCap gehängt.
Platinen Entwurf

Auf dem Bild ist die kleine Platine noch keine SMD-Version.

Die rote LED ist hinter 2 Lichtleiter geklebt. Eigendlich wollte ich 2 LEDs direkt an die Innenseite der Rückwand kleben, das war mir in der Ecke aber eine zu große Fummelei.
Da half dann nur eine Lösung mit den Lichtleitern.
Endwagen

Die Rücklichtplatine liegt auf dem Boden und die Lichterplatine unterm Dach...vor dem Einkleben der Rot-Platine mußte drunter alles schön mit schwarzer Farbe lichtdicht gefärbt werden.

Zu den Stromschleifern in den Fahrgestellen hab ich noch nichts gesagt.
Bei den Arnoldwagen der ersten Prototypserie konnten die beiden Litzen sehr leicht an die Arnold-Schleifer Bleche gelötet werden.
Bei den beiden Flm Waggons mit den SMD-Platinen hab ich die Montagewinkel für die Fahrgestell-Schrauben so abgesägt, dass nur noch der untere Teil übrig blieb und hab beim Festziehen der Schraube einfach das Kabelchen mit eingeklemmt.

So, das waren die einfachen Waggon-Typen.
Als nächstes ist der Steuerwagen dran. Da wird es ein bisschen schwerer, insbesondere die mechanische Montage der weißen und roten LEDs in dem Steuerwagenkopf ist vom Wagentyp abhängig, also für jeden Wagen eine Speziallösung.


7. Der erste Steuerwagen

7.11.2011:
der erste Steuerwagen, ein Silberling, ist fertig.

Beschreibung folgt