5V-Stromversorgung auf der Modellbahn

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Der Weg der Stromversorgung

Modellbahn und Elektrotechnik sind nicht voneinander zu trennen. Schon bei frühen Modellbahnen wurden damals hochmoderne Transformatoren verwendet, um die Netzspannung auf etwas zwischen 12V und 24V AC herunter zu setzen. Die Spannung war nicht geregelt und so musste ein großer Schwankungsbereich toleriert werden. Lokomotiven wurden entweder direkt mit Wechselspannung betrieben oder für Gleichstromzüge wurde mit Einweggleichrichtung gearbeitet. Wenn dann noch etwas auf der Anlage beleuchtet werden sollte, kamen Glühbirnen zum Einsatz, die einfach an die Wechselspannung des Transformators geklemmt wurden. Da Glühbirnen tolerant in der Spannungslage sind und durch die Induktivität der Glühwendel den Stromverlauf glätten, viel das 50Hz Flackern des Netzes nicht auf. Wohl aber der Helligkeitsunterschied, der durch einen Spannungseinbruch verursacht wird, wenn plötzlich eine weitere Lokomotive anfährt. Und natürlich ist auch die Wärmeentwicklung von Glühbirnen nicht zu vernachlässigen.

Die LED hält Einzug

1995 wurde dann erstmals eine weiße LED vorgestellt. Damit wurden die Halbleiterleuchten auch für die Modellbahn als Beleuchtung für Häuser und Straßen interessant. Die Effizienz wird ständig verbessert und der Preis fällt. Da weiße LEDs eine Flussspannung von 3V bis 4V haben, können sie nicht direkt an herkömmliche Transformatoren angeschlossen werden. Außerdem sollten sie mit Gleichspannung betrieben werden, da viele LEDs in Sperrrichtung nur Spannungen bis 5V tolerieren. Deshalb muss eine LED mit einem Vorwiderstand und bei Wechselspannungsbetrieb zusätzlich mit einer Schutzdiode versehen werden. In Fachbüchern und im Internet finden sich viele Anleitungen wie der Vorwiderstand ausgelegt wird und welche Schutzdioden zu verwenden sind. Darauf soll hier nicht weiter eingegangen werden. Dieser Artikel zeigt die energetischen Nachteile einer herkömmlichen Modellbahn-Spannungsversorgung im Vergleich zu einer stabilisierten Niederspannungsversorgung mit 5V DC.

Leistungsvergleich

Im folgenden wird ein konventioneller Transformator mit einer nicht stabilisierten Ausgangsspannung von 16V AC angenommen. Diese Spannung wird gleichgerichtet und geglättet, um ein Flackern der LEDs zu vermeiden. Jede LED erhält ihren eigenen Vorwiderstand und eine Schutzdiode. Dem gegenüber steht ein ATX-Computernetzteil mit Ausgangsspannungen von 5V und 12V DC.

Annahmen:

η_LED = 100%

I_LED = 15,0mA

U_LED = 3,60V

P_LED = 54,0mW

Variante 1: Transformator

Schaltung mit Transformator (η = 100%),

Brückengleichrichtung (hier nicht dargestellt) von 16V AC effektiv auf 22,6V DC und Schutzdiode für LED

Wirkungsgrad der Schaltung:

η_ges = P_LED / (P_Verlust + P_LED) = 15,9%

Variante 2: Schaltregler

Schaltung mit Schaltnetzteil auf 5V DC

Wirkungsgrad der Schaltung:

η_ges = P_LED / (P_Verlust + P_LED) = 61,2%

Zusammenfassung

Die Berechnung zeigt, dass eine Spannungslage von 5V für LEDs deutlich effizienter als herkömmliche Transformatorspannungen ist. Im Rechenbeispiel war eine Effizienzsteigerung um 45,3 Prozentpunkte möglich. Für das Schaltnetzteil wurde ein relativ schlechter Wirkungsgrad angenommen. Hier lässt sich sogar noch mehr Energie einsparen. Zur Versorgung von LEDs sind Schaltnetzteile somit äußerst sinnvoll.

Wenn Sie sich für eine LED-Lichtsteuerung für Modellbahn und Modellbau interessieren, informieren Sie sich doch hier über die Zufallssteuerung.

Weiterführende Informationen

https://www.licht.de/de/grundlagen/beleuchtungstechnik/led/so-funktionieren-leds/geschichte-der-led/

http://www.led-treiber.de/html/vorwiderstand.html