DE19803152A1 - Universelle Beleuchtung für Spielzeugmodelle - Google Patents

Description

Es sind Beleuchtungen für Spielzeugmodelle bekannt, bei denen die Versorgungsspannung der Lichtquellen mit Hilfe von Strom- oder Spannungskonstanthaltern auf einer bestimmten Höhe gehalten wird.

Bekannt sind auch Schaltungen für Modellbahnbeleuchtung, die sich zur Gewinnung einer annähernd konstanten Spannung die Flußspannung von 2 oder mehreren Dioden im Motorstromkreis zu nutze machen. Mit dem Nachteil, daß die Fahrspannung um die Diodenflußspannung gemindert wird.

Ein weiterer Nachteil ist die meist zu hohe Stromaufnahme bei Verwendung von mehreren Lichtquellen. Bei manchen Lösungen leuchten die Lichtquellen nachteilig erst ab einer hohen (größer 6 Volt) Betriebsspannung.

Zudem werden, insbesondere bei Leuchtdioden, meist mehrere Vorwiderstände im Beleuchtungsstromkreis benötigt.

Das Ziel, eine Beleuchtung für Spielzeugmodelle zu realisieren, die eine realistische, vorbildgerechte Ausleuchtung, geringe Stromaufnahme bei beliebig vielen Lichtquellen, sowie ausreichende und einstellbare Helligkeit ermöglicht und zudem flackerfrei, konstant hell sowie universell einsetzbar ist und vor allem für die zahlreichen Betriebsspannungen geeignet ist, wird vielfach gewünscht.

Eine vorteilhafte Lösung dieser Ziele löst die im Schutzanspruch 1 bis 11 angegebene Erfindung.

Mit der Erfindung nach Schutzanspruch 1, 4 und 8 wird erreicht, daß mit Hilfe einer an sich bekannten elektronischen Schaltung nacheinander mit einer ausreichend hohen Frequenz immer nur eine Lichtquelle zum Leuchten kommt und dadurch die Gesamtstromaufnahme, unabhängig von der Anzahl der Lichtquellen, im wesentlichen durch den Strom der durch die eine Leuchtdiode fließt, bestimmt wird und der Eindruck entsteht, als ob alle Lichtquellen gleichzeitig leuchten würden.

Die Schaltung kann mit wenigen integrierten oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD Technik) auf einer flexiblen oder starren Leiterplatte oder in Teilstücken (modular) aufgebaut sein. Die Länge kann an jeden Wagen angepaßt werden. Das Kürzen kann pro Leuchtdiode erfolgen. Die Helligkeit der restlichen Lichtquellen wird dadurch nicht beeinflußt.

Sie eignet sich für kleine Spielzeugmodelle wie Schienen-, Straßen-, Luft- oder Wasserfahrzeuge sowie anderes Zubehör. Die Schaltung kann auch in einer weiteren Integrationsstufe beispielsweise als integrierte Schaltung aufgebaut sein, um die Abmessungen zu verringern.

Der im Schutzanspruch 2 angegebene Spannungsregler liefert eine Ausgangsspannung von 2,5 Volt bei einer Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang von < 0,1 Volt. Dies ermöglicht ein konstantes Licht schon ab ca. 3 Volt Betriebsspannung bei Gleichstrombahnen und stellt somit den Vorteil nach Schutzanspruch 10 dar.

Zu dem verfügt der Regler über einen zusätzlichen vorteilhaften Anschluß mit dem beispielsweise über einen Decoder im Fahrzeug die Beleuchtung, gemäß Schutzanspruch 7 lastfrei ein- und ausgeschaltet werden kann.

Die universelle Verwendbarkeit für beliebige, bei der Modelleisenbahn übliche Betriebsspannungen ermöglicht auch einen Mischbetrieb d. h. die Beleuchtung funktioniert mit allen ihren Vorteilen auch dann, wenn z. B. das Fahrzeug unterschiedliche Betriebsspannungsarten erhält. Diesen Vorteil beansprucht der Schutzanspruch 5.

Ein weiterer Vorteil, der im Schutzanspruch 3 angegeben ist, ergibt sich durch die Verwendung von nur einem Schutzwiderstand oder Potentiometer für alle Lichtquellen (bei Leuchtdioden), der strom- bzw. helligkeitsbestimmend ist.

Bei Verwendung von "super hellen" Leuchtdioden, die meist mehr als 100 Milicandela aufweisen, ergibt sich der Vorteil einer sehr hellen Beleuchtung, welche der mit Glühlampen realisierten Beleuchtung gleich kommt. Dieser Vorteil entspricht dem Schutzanspruch 11.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 6 angegeben.

Um bei kurzen Betriebsspannungsunterbrechungen, beispielsweise verursacht durch Kontaktprobleme bei der Stromübergabe zum Modellfahrzeug oder bei einer Impulsbreiten geregelten Fahrspannung, eine flackerfreie Beleuchtung zu erhalten, wird ohne Schutzbeschaltung ein Energiespeicher, beispielsweise in Form eines "Gold-Cap"-Kondensators (nur eine Zelle) angeschlossen. Aufgrund der geringen Strombelastung kann ein Flackern der Beleuchtung bei mobilen Modellfahrzeugen fast völlig unterdrückt werden.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung, die im Schutzanspruch 9 beschrieben ist, bietet sich bei stationären Modellen wie Straßen-, Bahnhofsleuchten und anderen, die ebenfalls stromsparend betrieben werden können.

Neben der zuvor beschriebenen Vorteile der Erfindung gegenüber Schutzansprüchen aus DE 35 04 460 A1 ergeben sich weitere nachfolgende vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale.

Die im Schutzanspruch 12 beschriebene Konstantstromstufe 12 begrenzt den erforderlichen Strom für die Leuchtdioden 8 der mit Hilfe des Widerstandes bzw. Potentiometer 9 eingestellt wird. Dieser ist Bestandteil der Konstantstromstufe, kann aber auch herausgeführt sein. Statt einem Widerstand können auch mehrere bzw. ein Digital-Potentiometer verwendet werden, die lokal oder ferngesteuert einstellbar/programmierbar sind. Dadurch ergibt sich eine weitere Funktion, die beispielsweise mit einem Decoder oder Mikrocomputer angesteuert und somit die Helligkeit wunschgemäß beeinflußt werden kann. Gleichzeitig ergibt sich der Vorteil einer Überlastsicherung für die Treiber 17.

Durch den Einsatz der Konstantstromstufe 12 wird ferner erreicht, daß beim Analogbetrieb, d. h. bei schwankender Betriebsspannung die Leuchtdioden 8 schon konstant hell leuchten, bevor der Spannungsregler 3 die Spannung auf 5 Volt stabilisiert.

Der Einsatz der Konstantstromstufe ermöglicht ferner die Verwendung von verschiedenfarbigen Leuchtdioden mit unterschiedlichen Schwellspannungen ohne Änderungen der Schaltung. Dieser Vorteil entspricht dem Schutzanspruch 13.

Mit Schutzanspruch 14 und 15 wird ein vorteilhafter Weg für den Einsatz unterschiedlichster Leuchtdiodentypen beschrieben. Die Leuchtdioden 8 werden auf kleine Leiterplatten 15 gelötet, gebondet oder mittels anderer Techniken bestückt. Die kleinen Leiterplatten 15 können unterschiedlichste Geometrien aufweisen und sowohl starr als auch flexibel ausgeführt sein. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus sind sie sehr kostengünstig herstellbar und unter anderem als Innenbeleuchtung, Schlußlicht, Tischlampen verwendbar. Die kleinen Leiterplatten 15 können auch so plaziert oder auch verschoben werden, so daß sich beispielsweise in jedem Zugabeteil ein Licht befindet.

Andere Bauarten von Leuchtdioden, welche ein direktes Anklemmen ermöglichen, erübrigen selbstverständlich eine Leiterplatte.

Eine modulare Ausführung der Beleuchtung mit Verteilerschiene 13, Leuchtdiodenplatinen 15, Steuerungsplatine 16 und Verbindungsbänder 21 beschreibt der Schutzanspruch 8 und 16.

Die Einfachstausführung der Verteilerschiene 13 stellt eine Leiterplatte dar, die auf einer Seite über symmetrisch aufgebrachte Leiterbahnen verfügt.

Die Verteilerschiene ist an jeder gewünschten Stelle kürzbar und somit für jedes Fahrzeug einsetzbar. Bei Verwendung von flexiblen oder zwei Verteilerschienen auch mehrstöckig. Sie kann selbstverständlich auch in anderen geometrischen Formen ausgeführt sein.

Um die Modularität zu erhalten, ist die Steuerung ebenfalls auf einer separaten Platine 18 untergebracht. Diese wird mit Hilfe von Verbindungsbändern 21 mit der Verteilerschiene an beliebiger Stelle verbunden. Dieser Aufbau ermöglicht ein lötfreies und verpolsicheres Verbinden und Kombinieren aller Leiterplatten an beliebigen Stellen. Dies erfolgt insbesondere mit Hilfe von Klemmen 14 durch einfaches Aufklipsen. Mit diesem Aufbau wird der Anwender ein Höchstmaß an Variationsmöglichkeit bereitgestellt, um nahezu jedes Fahrzeug oder ein anderes Modell optimal zu Beleuchten.

Daß auch andere Beleuchtungskörper oder -funktionen wie zum Beispiel Schlußlichter, Tischlampen unabhängig von der Innenbeleuchtung ein- und ausgeschaltet werden können, beansprucht Schutzanspruch 17. Die Steuersignale können an verschiedenen Stellen der Schaltung eingreifen und können mechanisch über Schalter oder in diskret bzw. integriert aufgebauten Decodern, Mikrokontrollern und dergleichen erzeugt werden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Version sind beispielhaft zwei Steuereingänge 19 und 20 dargestellt. Nummer 19 schaltet die Innenbeleuchtung, die Nummer 20 das Schlußlicht ein und aus.

Beim Betrieb mit variabler Spannung ist es wünschenswert, daß die Beleuchtung bereits bei einer sehr geringer Spannung leuchtet.

Dieser Wunsch kann mit dem Einsatz eines Spannungsverdopplers 16 oder einem Vervielfacher erreicht werden. Diese vorteilhafte Ausgestaltung beschreibt Schutzanspruch 18.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, um die Leuchtdioden mit einer geringeren Spannung als die Schwellspannung zum Leuchten anzuregen, kann gemäß Schutzanspruch 19 realisiert werden. Hierbei wird der Rückschlagimpuls einer oder mehrerer geschalteten Spulen genutzt. Die (Spule(n) 22 kann beispielsweise mit der Konstantstromstufe 12 oder Treiber 17 verschaltet sein.

Schutzanspruch 20 beschreibt eine mögliche vorteilhafte Klemmenausführung zum Verbinden der einzelnen Platinen im modularen Aufbau der Beleuchtung sowie das Verbinden von Schlußlichtern u. a. bei der festen Ausführung. Die Klemmen können so ausgestattet sein, daß sie beim Aufklipsen mittels Widerhaken einrasten. Sie können so vorteilhaft ausgeführt sein, daß nur eine Variante benötigt wird, um verschiedene Leiterplatten mit unterschiedlichen Geometrien befestigt oder zusammengehalten werden können.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung in Form von Schaltbildern werden anhand der Fig. 1 bis 5 erläutert.

Fig. 1 zeigt die Spannungsversorgung der Beleuchtung mit Betriebsspannungsquelle 1, Brückengleichrichter 2, Spannungsregler 3 mit zusätzlichem Steueranschluß 11, den Kondensator 4 und die Ausgangsspannung 12, die sowohl für die nachfolgende Schaltung 5-10 als auch für die Lichtquellen 8 dient.

Fig. 2 zeigt eine elektronische Schaltung für 20 Leuchtdioden 8 mit Oszillator 5, Zähler/Decoder 6 mit Erweiterungsausgang 10, Schutzwiderstand bzw. Poti 9 und Zusatzdecoder 7. Diese Schaltung wird in Kombination mit der Spannungsquelle gemäß Fig. 1 betrieben, wobei diese zwei Schaltungsteile getrennt voneinander oder auf einer Leiterplatte gemeinsam aufgebaut sind.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Schaltung gemäß Fig. 2, ist ohne Zusatzdecoder 7 aufgebaut und eignet sich für 10 Leuchtdioden.

Fig. 4 zeigt eine Variante der Beleuchtung nach Fig. 2 mit 22 Leuchtdioden 8 einschließlich Schlußlichter und einem 5 Volt Low-Drop-Spannungsregler 3 sowie Treiber 17, Steuereingänge 19 und 20, den Spannungsverdoppler 16 und die Konstantstromstufe 12.

Fig. 5 zeigt eine modular aufgebaute Beleuchtung gemäß Schaltung Fig. 4.

Eine vorteilhafte Ausführung der Beleuchtung ist in Fig. 4 dargestellt. Eine in der Modellbahnwelt übliche Betriebsspannung bzw. Fahrspannung 1, die sowohl analog als auch digital, variabel oder fest, Gleich- oder Wechselspannung mit unterschiedlicher Frequenz sein kann, wird in einem oder zwei Brückengleichrichter 2 gleichgerichtet und dem Spannungsregler 3 zugeführt. Dieser kann beispielsweise 5 oder 2,5 Volt stabilisieren. Um eine frühe Stabilisierung der Betriebsspannung zu erhalten, wird vorzugsweise ein Low-Drop- Regler eingesetzt, der über eine sehr geringe Differenzspannung zwischen Eingang und Ausgang verfügt und ggf. über einen zusätzlichen Steuereingang abschaltbar ist.

Diese geringe Ausgangsspannung ermöglicht den Betrieb der Beleuchtung mit verschiedensten Betriebsspannungen ohne Umbau. Die Ausgangsspannung versorgt die restliche Schaltung, die mit wenigen integrierten CMOS-Schaltkreisen realisiert sein kann, welche mit sehr geringem Strombedarf bereits bei 2 Volt funktionsfähig sind.

Im wesentlichen funktioniert die Schaltung so, daß ein Frequenzgenerator 5 einen Zähler/Decoder 6 mit Rechteckimpulsen versorgt und an einem z. B. 1 aus 10 Decoder immer ein Ausgang aktiv ist. Dieses Signal wird über einen Treiber 17 an die Leuchtdiode 8 zugeführt.

Die Leuchtdioden sind über einen Vorwiderstand 9 der Strom- und Helligkeitsbestimmend ist an + angeschlossen. Mit dieser Schaltung ist es möglich, 10 Leuchtdioden anzusteuern. Da immer nur eine Leuchtdiode leuchtet, resultiert der Gesamtstrom aus dem Leuchtdiodenstrom und dem Strom der Steuerung. In der Summe ca. 50 Milliampere. Wenn am Ausgang des Spannungsreglers ein Kondensator 4 mit hoher Kapazität angeschlossen wird, wird ein absolut flackerfreier Betrieb ermöglicht, der aufgrund des geringen Strombedarfs in der Lage ist, Spannungsunterbrechungen von einigen Sekunden zu überbrücken.

Falls mehr als 10 Leuchtdioden gewünscht sind, wird mit einem Zusatzdecoder 7 eine zweite Gruppe von 10 Leuchtdioden mit dem negativen Puls (Pause) des Frequenzgenerators angesteuert.

Die Zugschlußlichter können statt oder parallel zu einer Leuchtdiode angeschlossen werden, die für die Innenbeleuchtung dient. Dafür sind geeignete Stellen auf der Leiterplatte vorgesehen. Um unterschiedliche Leuchtdioden in Farbe und Schwellspannung betreiben zu können, wird dem Widerstand 9 eine Konstantstromstufe 12 vorgeschaltet. Mit dieser kann auch die Innenbeleuchtung über den Steuereingang 19 ein- bzw. ausgeschaltet werden. Die Konstantstromstufe bewirkt auch, daß bei einer variablen Betriebsspannung die Leuchtdioden schon konstant hell leuchten, bevor der Spannungsregler auf 5 Volt stabilisiert.

Eine weitere Möglichkeit, die Leuchtdioden noch früher zum Leuchten zu bringen, bietet ein Spannungsverdoppler 16 der innerhalb der Spannungsversorgung angeschlossen wird. Möglich sind auch Spulen im Stromkreis der Leuchtdioden, die mittels ihres Rückschlagimpulses die Leuchtdioden mit einer viel höheren Spannung als die angelegte versorgen.

Mit dem Steuereingang 20 kann beispielsweise das Zugschlußlicht ein- und ausgeschaltet werden.

Sämtliche Bauteile sind auf einer Leiterplatte untergebracht, die an beiden Seiten nach Wunsch kürzbar ist. Der Kondensator und/oder der Spannungsverdoppler können sich auch außerhalb der Leiterplatte befinden.

Einen modularen Aufbau der Schaltung zeigt Fig. 5, wobei die Leiterplatte 18 die Steuerung mit Bauteilen wie oben beschrieben enthält und auf einer Verteilerschiene 13 kleine leuchtdiodenbestückte Leiterplättchen 15 mit Hilfe von Klemmen 14 befestigt sind.

Die Verteilerschiene und die Steuerungsplatine können mit flexiblen Verbindungsbändern 21 ebenfalls mit Klemmen 14 verbunden werden. Klemmen gleicher Bauart ermöglichen auch das Anklemmen der Schlußlichter bei einer starren Variante der Beleuchtungsplatine.

Dieser modulare Aufbau ermöglicht dem Benutzer ein Höchstmaß an Variationsmöglichkeiten. Er kann zum Beispiel in jedes Abteil eines Wagens eine Leuchte plazieren, oder gelbe Leuchtdioden zu einem späteren Zeitpunkt durch weiße ersetzen oder durch einfaches Anklemmen eine Zugschlußbeleuchtung nachträglich installieren und vieles mehr.

Claims (20)

1. Gleichmäßig helle Innen- oder Außenbeleuchtung für mobile und stationäre Spielzeugmodelle mit einer oder mehreren Lichtquellen wie Leuchtdioden oder anderen lichtemittierenden Bauteilen, mit Spannungszuführung über Stromabnehmer von Schienen, Überleitung, Stecker und dgl. oder auch über Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (8) mit Hilfe einer an sich bekannten elektronischen Schaltung, bestehend aus Frequenzgenerator (5), Zähler/Decoder (6) und Zusatzdecoder (7), im Multiplexbetrieb, nacheinander mit einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, so daß der Eindruck entsteht, als ob alle Lichtquellen gleichzeitig leuchten würden.

2. Beleuchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregler (3) mit beispielsweise 2,5 Volt Ausgangsspannung (12) verwendet wird, welcher über eine Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang verfügt, die kleiner als 0,1 Volt ist.

3. Beleuchtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für alle angeschlossenen Leuchtdioden (8) nur ein Vorwiderstand (9) benötigt wird, mit dem die Gesamthelligkeit einstellbar ist.

4. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtstrombedarf, unabhängig von der Lichtquellenanzahl, weniger als 30 bzw. 50 MilliAmpere beträgt.

5. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle bei der Modelleisenbahn gebräuchlichen Betriebsspannungen (1) anschließbar sind und auch ein Mischbetrieb möglich ist.

6. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der geringen Stromaufnahme mittels eines kleinen Energiespeichers (4) ("Gold-Cap") ein flackerfreier Betrieb ermöglicht wird.

7. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (3) über einen zusätzlichen Steueranschluß (11) verfügt, über den die Beleuchtung im Wagen, zum Beispiel über einen Decoder, lastfrei ein- und ausgeschaltet werden kann.

8. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wagenbeleuchtung auf einer oder mehreren flexiblen oder starren Leiterplatten, diskret oder integriert, aufgebaut ist und beliebig kürzbar ist.

9. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch Straßen-, Bahnhofs- oder andere Leuchten stromsparend betrieben werden können.

10. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei variabler Betriebsspannung (1) die Lichtquellen (8) ab ca. 3 Volt konstant hell leuchten.

11. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere super helle Leuchtdioden mit einer Lichtabgabe von < 100 Millicandela verwendet werden.

12. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis11, dadurch gekennzeichnet, daß der strom- bzw. helligkeitsbestimmende Vorwiderstand (9) Bestandteil einer Konstantstromstufe (12) ist.

13. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Regel gleichfarbig bestückten Leuchtdioden (8) weiß leuchtende oder multispektrale sein können, und auch farblich gemischt bestückt sein können.

14. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (8) einzeln auf kleinen Leiterplatten (15) bestückt und leitend verbunden sind, und insbesondere mit Hilfe von Klemmen (14) lötfrei auf einer Verteilerschiene (13) befestigt sind.

15. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatten (15) unterschiedliche Geometrien aufweisen und sowohl starr als auch flexibel sein können.

16. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die modulare Ausführung der Beleuchtung neben der Verbindungsbänder (21) und der Steuerungsplatine (18) eine oder mehrere Verteilerschienen (13) enthält, die so aufgebaut sind, daß ein verpolsicheres Befestigen der Leuchtdiodenplatinen (15) oder anders ausgeführter Leuchtdioden an beliebiger Stelle möglich ist und beliebig kürzbar sind.

17. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Schlußlicht oder andere Funktionen unabhängig von der Innenbeleuchtung ein-/ausgeschaltet werden kann.

18. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsverdoppler (16) eingesetzt wird.

19. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden (8) mit dem Rückschlagimpuls einer oder mehrerer geschalteten Spulen betrieben werden.

20. Beleuchtung nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Klemmenausführung (14) für sämtliche Verbindungen benötigt wird.