Leuchtstofflampe für die Modellbahnanlage
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Wolfgang Triebig
Modellbahnanlagen wirken realistischer, wenn neben dem originalgetreuen Aufbau und der zum Aufbau passenden Bespannung der Züge auch noch weitere Effekte wie Beleuchtungen möglichst realistisch und automatisch ablaufen. Die hier vorgestellte Schaltung kann einen Beitrag dazu leisten. Sie schaltet bei Dämmerung automatisch ein und simuliert das für Leuchtstofflampen typische Flackern beim Einschalten.
Funktion von Leuchtstofflampen
Aufbau: Das Glasrohr der Leuchtstofflampe trägt auf der Innenwand eine Schicht aus Leuchtstoffen. Diese wandeln die in der Röhre entstehende UV-Strahlung in sichtbares Licht um. Die beiden Enden des Glasrohres sind durch je einen Glasfuß, der auch die Elektrode trägt, verschlossen. Die Lampe ist mit Quecksilberdampf und Edelgas gefüllt.
Wirkungsweise: Zum Zünden der Lampe ist meist eine größere Spannung als die Netzspannung notwendig. Die Zündspannung wird durch eine vorgeschaltete Drosselspule in Verbindung mit einem sogenannten Starter erzeugt. Im Betrieb dient die Drosselspule zur Strombegrenzung.
Wird die Leuchtstofflampe eingeschaltet, so fließt ein Strom über die beiden Lampenelektroden und den Starter. Der Starter schließt den Stromkreis. Jetzt fließt ein durch die Drosselspule begrenzter Strom, der die Lampenelektroden vorheizt. Nach einiger Zeit öffnet der Starter den Stromkreis. Diese Unterbrechung hat durch die Selbstinduktion der Drosselspule einen Spannungsstoß bis 1000V zur Folge. Hat die Lampe gezündet, so ruft der Blindwiderstand in der Drosselspule einen Spannungsabfall hervor, dass nur noch eine Brennspannung von etwa 100V an der Lampe liegt.
Gekürzt aus: Europa Lehrmittel Fachkunde Elektrotechnik
Erst nach mehreren Zündvorgängen sind ausreichend freie Elektronen in der Leuchtstofflampe vorhanden, so dass ein kontinuierlicher Stromfluss in der Lampe entsteht und die Lampe leuchtet.
Sinkt die Umgebungshelligkeit steigt der Widerstandswert von R1, worauf die Eingangsspannung an Gatter 1 fällt. Ist die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers erreicht, ändert sich der Ausgang von Gatter 1 auf 1-Pegel. Dieser Signalwechsel hat folgende Auswirkung:
1. T1 wird leitend. Dadurch erhalten D3 und D4 über den hochohmigen Widerstand R8 einen geringen Strom, der die LED gerade zum Leuchten bringt, wodurch das Vorglühen der Leuchtstofflampe simuliert wird.
2. Die Eingänge von Gatter 4 werden nicht mehr auf einen festen Pegel gezogen, da über D1 nur der 0-Pegel an Gatter 4 gelangt. Dadurch lädt sich C1 über R3 auf, da der Ausgang von Gatter 4 noch 1-Pegel führt. Ist die Schaltschwelle erreicht, geht der Ausgang auf 0-Pegel und C1 wird über R3 sowie D2 und R4 schnell entladen. Die untere Schaltschwelle wird damit schnell erreicht und der Ausgang von Gatter 4 wechselt wieder auf 1-Pegel wodurch der Ladevorgang von C1 von neuem beginnt. Auf diese Weise entstehen kurze Impulse mit 0-Pegel am Ausgang von Gatter 4. Diese kurzen Impulse sorgen dafür, dass über Gatter 2 der T2 kurzzeitig leitend wird und über R9 die LEDs mit Nennstrom betrieben werden. Dadurch wird das Flackern beim Einschalten der Leuchtstofflampe erzeugt. Der Zeitraum vor dem ersten Aufblitzen ist länger als die Zeiträume zwischen den weiteren Blitzen, was dem Flackern bei realen Leuchtstofflampen entspricht.
3. Über R5 wird C2 langsam geladen und die Spannung am Eingang von Gatter 3 steigt an. Ist die Schaltschwelle erreicht, liegt am Ausgang von Gatter 3 0-Signal an, so dass über Gatter 2 der T2 ständig angesteuert wird – D3 und D4 leuchten dauerhaft.
Obwohl Gatter 2 eine NAND-Funktion hat, schaltet es den Ausgang auf Pegel 1 sobald ein aktives Signal von Gatter 4 (Flackern) oder Gatter 3 (Licht an) ansteht. Dies kommt daher, dass von Gatter 4 und 3 low-aktive Signale kommen. Das heißt, das Arbeitssignal wird mit 0-Pegel übertragen. Damit hat Gatter 2 quasi negierte Ein- und Ausgänge, wodurch aus einer AND- eine OR-Funktion wird.
Steigt die Umgebungshelligkeit wieder, steigt die Spannung am Eingang von Gatter 1 wieder an. Der Ausgang kippt wieder auf 0-Pegel. C2 wird durch R5 entladen. Sinkt die Spannung an Gatter 3 unterhalb der Schaltschwelle kippt das Gatter 3 am Ausgang auf 1-Pegel, so dass Gatter 4 T2 sperrt. Der Ausschaltvorgang ist damit geringfügig verzögert. Sollte R1 schnell wieder abgedunkelt werden, sorgt eine Restladung in C2 für ein schnelleres Zünden der Leuchtstofflampe mit weniger Flackern, was der Realität mit einer betriebswarmen Leuchtstofflampe entspricht.
Noch etwas zur Dimensionierung
• Die Widerstandwerte von R3, R4 und R5 habe ich empirisch ermittelt. Je nach Bauteiltoleranzen kann der Effekt eventuell nicht optimal verlaufen. In diesem Fall können die Schaltzeiten durch Wahl anderer Widerstandswerte angepasst werden.
• Sollte die Zeit vor dem ersten Blitzen zu lang sein, kann die Vorspannung von C1 durch Reihenschaltung von D1 mit weiteren Dioden erhöht werden.
• Die Widerstandswerte von R8 und R9 sind abhängig von den verwendeten weißen LEDs. Während R9 an den Nennstrom anzupassen ist, sollen mit R8 die LEDs nur sehr wenig leuchten um das Vorglühen zu simulieren.
• Die LEDs sind in die Enden eines passend zugeschnittenen Trinkhalmes gesteckt.
Nicht nur auf der Modelleisenbahn ist die Schaltung einsetzbar. Sie sorgt auch in der Playmobilwerkstatt für Licht.
Licht in der Werkstatt