Beleuchtung eines Bahnhofsgebäudes
Vor vielen Jahren hatte ich bereits den Bahnhof Bonn von Faller recht günstig ersteigert, der seitdem unangetastet im Schrank lag. Der Bahnhof besteht im Wesentlichen aus 5 Gebäudeteilen und den zugehörigen Bahnsteigen. Um einfach mal mit dem Modelleisenbahnbau anzufangen, habe ich zunächst eines der Seitenteile gebaut. Als das fast fertig war, habe ich angefangen, mir Gedanken zur Beleuchtung zu machen. Natürlich wollte ich etwas moderner bauen als in der (40 Jahre alten?) Anleitung beschrieben war, d.h. keine Glühlampen, sondern einige (oder viele...) LEDs.
Einstieg in die Steuerung der Beleuchtung mit einem Arduino
Zufällig ergab es sich, dass ich einem Arbeitskollegen von meinen Bauarbeiten erzählte, und er fragte mich, ob ich denn nicht die Beleuchtung mit einem Arduino steuern möchte. Hm, was ist das denn genau…? Von Arduino und Raspberry Pi hatte ich bereits gehört, aber mehr auch nicht. Also habe ich mich erst einmal im Internet darüber informiert, was ein Arduino macht und was er kann. Schnell war meine Neugier geweckt und ich bestellte mir einen Arduino Uno zusammen mit einem Satz Steckbrücken-Kabel.
LEDs und Lichtkästen
Ja, und dann nahm das „Unheil“ seinen Lauf… Fasziniert durch die Tatsache, dass die LEDs über die Ausgänge des Arduino so einfach zu schalten waren, habe ich mir überlegt, wie viele LEDs ich in dieses eine Gebäudeteil verbauen möchte. Meine Idee war, im Erdgeschoss einen großen Raum zu modellieren, in dem z.B. mehrere Neonröhren an der Decke hängen, die beim Einschalten zuerst flackern und auch nicht alle synchron einschalten. Im Obergeschoss wollte ich Büroräume modellieren, die jeweils einzeln ein- und auszuschalten sind. Dazu brauchte ich sogenannte Lichtkästen, die in den passenden Größen leider nicht ganz einfach zu finden waren. Wenn man einen 3D-Drucker hat, kann man diese auch selbst herstellen. In jeden Lichtkasten wird eine LED geklebt und dann werden die Lichtkästen hinter die Fenster geklebt, so dass immer nur jeweils ein Fenster beleuchtet wird.
Bei den LEDs ist zu beachten, dass diese nur mit einem Vorwiderstand an den Arduino angeschlossen werden dürfen, da der maximale Strom in der Regel 20 mA beträgt. Meistens ist bereits ein Widerstand von 1000 Ohm verbaut oder angelötet. Der Arduino Uno hat eine Ausgangsspannung von 5 V, so dass aus der Formel I = U/R ein Strom von 5 mA folgt. Damit leuchtet die LED natürlich nicht so hell wie mit 20 mA, aber im verbauten Zustand wirkt es viel natürlicher, wenn die Lampen nicht so super hell sind.
Bahnsteigbeleuchtung
Für den Bahnhof habe ich mir zwei Sorten LEDs besorgt, einmal auf einer Platine mit Vorwiderstand und einmal Mini-LEDs mit angelötetem Widerstand. Die geringe Größe der Mini-LEDs brachte mich auf die nächste verrückte Idee… Als erstes habe ich LEDs an die überdachten Eingangsbereiche geklebt, was zur Folge hatte, dass ich die Kabel irgendwie ins Innere des Gebäudes führen musste. Das geht nur, indem man mit einem dünnen Bohrer (2 mm) ein Loch in die Fassade bohrt. Die LEDs sind so klein, dass sie durch dieses Loch hindurch passen. Festgeklebt habe ich die LEDs zunächst mit Heißkleber, der allerdings den Nachteil hat, dass er sehr schnell fest wird und noch dazu Fäden hinterlässt. Als gute Alternative habe ich den UHU Bastelkleber entdeckt, der zwar ziemlich lange braucht bis er klebt (2-5 Minuten), aber mit etwas Geduld für ungeübte Hände leichter zu verarbeiten ist und nach dem Trocknen komplett durchsichtig wird.
Die Ergebnisse dieser Arbeiten haben mich mutig werden lassen, und ich bohrte noch 4 weitere Löcher in die Wand am Bahnsteig, um dort ebenfalls LEDs unterzubringen. Schließlich hatte ich im ersten (von 5) Gebäudeteilen bereits 17(!) LEDs verbaut, und es war schnell klar, dass der Arduino zur Steuerung nicht ausreicht (klar, man hätte das evtl. mit Schieberegistern lösen können, aber soweit war ich da noch nicht…). Also musste ein Arduino Mega 2560 mit über 50 Ausgängen her, aber selbst da zeichnete sich bereits ab, dass es knapp wird. Dazu später mehr.
Bau von Anschlussplatinen
Das nächste zu lösende Problem war der Anschluss der LEDs an den Arduino. Jede LED hat 2 Kabel, idealerweise rot und schwarz für Plus und Masse, während der Arduino zwar viele Ausgänge aber nur wenige Masseanschlüsse (GND) hat. Also müssen diese z.B. mit Hilfe einer Verteilerleiste zusammengeführt werden. Solche Verteilerleisten sind leicht erhältlich. Dazu kommt noch die Tatsache, dass die von den LEDs kommenden Kabel nicht direkt kompatibel mit den Steckern bzw. Buchsen auf dem Arduino sind. Als Abhilfe könnte man ggf. die passenden Stecker anlöten oder crimpen. Ich habe mir eine andere Lösung überlegt, wobei ich die Kabel mit Hilfe von Leiterplattenklemmen an eine kleine Platine führe, die ich unter dem Gebäude(-teil) befestige.
Da alles möglichst kompakt sein soll, habe ich zunächst eine möglichst kleine Platine (5x7 cm) ausgesucht. Nächstes Problem: Das Rastermaß der Platine ist üblicherweise 2,54 mm, während die in Frage kommenden Leiterplattenklemmen von WAGO ein Rastermaß von 2,5 mm haben (es gibt auch welche mit 2,54 mm, allerdings nur in Großpackungen von z.B. 280 Stück). Es zeigte sich aber zum Glück, dass 6-polige Leiterplattenklemmen (WAGO 250-406) gerade noch in das Raster auf der Platine passen. Insgesamt passen 6 solche Leiterplattenklemmen auf eine Platine, sowie eine 20-polige Buchsenleiste, die wiederum über Steckbrückenkabel mit dem Arduino verbunden wird. Also muss nur noch die Verbindung zwischen Leiterplattenklemmen und Buchsenleiste realisiert werden.
Somit lassen sich auf einer solchen Platine 18 LEDs über Steckverbindungen anschließen. Besonders charmant ist hier die Tatsache, dass die Buchsenleiste Platz für zwei Masseanschlüsse bietet, von denen einer zum Arduino geht und der andere eine zweite Platine mit Masse verbindet. Außerdem habe ich ab der zweiten Platine noch sogenannte Jumper (Kurzschlussbrücken) eingebaut, um LEDs parallel zu schalten und dadurch weniger Ausgänge am Arduino zu belegen. Mehr dazu weiter unten...
Befestigung der Anschlussplatinen
Schließlich stellte sich noch die Frage, wie ich die Platine am Gebäude befestige. Hier habe ich mich für eine Grundplatte aus 8 mm Pappelsperrholz entschieden, die später einmal das gesamte Gebäude tragen soll und bei der von unten die Elektronik angebracht wird. Dazu habe ich besonders kleine Schrauben (M2 x 12) und Distanzhülsen M2 (Durchmesser außen 6 mm, innen 2,5 mm) bestellt, und mit 4 solcher Schräubchen eine Platine unter das Gebäudeteil an die Grundplatte geschraubt.
Somit mussten nur noch die Kabel vom Gebäudeteil durch die Grundplatte auf die Unterseite geführt und dort an die Platine angeschlossen werden. Und, welch Überraschung, es hat sogar funktioniert! Übrigens empfiehlt es sich vor dem Festschrauben der Platine alle Anschlüsse und Verbindungen zu testen, entweder mit einer LED oder mit einem Multimeter - dadurch findet man ggf. noch Fehler, die beim Löten entstanden sind, und erspart sich ein Abmontieren einer bereits mit Kabeln bestückten Platine.
Parallelschaltung von LEDs
Gerade bei den LEDs im Außenbereich, also am Bahnsteig und unter den Portalen der Seiteneingänge ist eine separate Steuerung jeder einzelnen LED nicht notwendig, hier kann man welche zusammenschalten. Bei 5 V und einem Vorwiderstand von 1000 Ohm fließt durch eine LED der Strom 5 mA. Der Arduino-Ausgang schafft maximal 20 mA, also können jeweils drei LEDs parallel an einen Ausgang geschaltet werden und es bleibt noch ein bisschen Reserve.
Das Parallelschalten habe ich auf zwei Arten realisiert: Einmal quick & dirty an diesem Gebäudeteil, das ja bereits mit viel Geduld fast fertig verkabelt war – hier habe ich einfach mit Hilfe von WAGO-Klemmen (221-413) „Abzweigungen“ geschaffen und somit die beiden Beleuchtungen für die Eingangsportale sowie jeweils zwei Bahnsteigbeleuchtungen parallel geschaltet. Sieht nicht wirklich professionell aus, funktioniert aber. Für die nächsten Platinen wollte ich es besser machen und direkt auf der Platine über Jumper (Kurzschlussbrücken) die Parallelschaltung ermöglichen. Die Jumper bieten dabei die Flexibilität, dass sie auch abgezogen werden können und dann jeder Anschluss separat angesteuert werden kann. Das Ergebnis kann sich sehen lassen, ist aber schon stark an der Grenze des für einen technischen Laien Machbaren, da sehr feine Lötarbeiten erforderlich sind.
Farbschema zur Codierung der Ausgänge
Schließlich musste noch die Buchsenleiste auf der Platine mit den Arduino-Ausgängen verbunden werden. Das geht relativ einfach mit Steckbrückenkabeln, die normalerweise in 10 Farben geliefert werden. Die Farbe habe ich als Codierung verwendet, nämlich schwarz für Masse, braun für die Ausgänge 1, 11, 21 usw., rot für 2, 12, 22 und so weiter und so fort. In diesem Schema wird für 10, 20, … ebenfalls schwarz verwendet, in der Hoffnung, dass es nicht zu Verwechslungen mit Masse kommt. Um die Kabelbäume etwas übersichtlicher zu halten, habe ich kleine Kabelkanäle (10x10 mm) als Führung für die Kabel verwendet.
Farbliche Markierung der Pluspole
Um ein bisschen Ordnung in den Kabelsalat zu bringen, habe ich übrigens bei LEDs mit zwei schwarzen Kabeln den Plus mit einem kleinen Ring aus rotem Schrumpfschlauch markiert. Dadurch vermeidet man die Verwechslungsgefahr beim Anklemmen der Kabel.
Weiter mit der Beleuchtung für das nächste Bahnhofselement
Damit war nun der Weg geebnet, um ein Zwischenteil aufzubauen und in ähnlicher Weise mit LEDs zu versorgen. Lichkästen werden hier nicht benötigt, wenn man sich vorstellt, dass dieses Zwischenteil einfach eine Art Halle ist. Damit weiche ich bewusst etwas vom Vorbild ab, wo über der Halle noch weitere Räume sind, die man theoretisch einzeln beleuchten könnte. Hier tue ich aber so, als ob die Fenster Oberlichter sind, die Licht in die Halle lassen. Deshalb habe ich hier auch keine Gardinen an die Fenster geklebt. Für die Beleuchtung der Halle stellte ich mir vor, dass dies über abgehängte Leuchtstoffröhren geschieht. Dazu habe ich mir von einem mit 3D-Drucker ausgerüsteten Kollegen eine Tragkonstruktion drucken lassen, die ich zuvor als CAD-Zeichnung erstellt hatte.
An diese Tragkonstruktion habe ich 6 LEDs angeklebt, und ab damit in die Halle… Dann noch 5 LEDs zur Bahnsteig-Beleuchtung und der Kabelsalat ist komplett. Wenn die Kabel alle an die Platine angeklemmt sind, sieht es schon aufgeräumter aus.
... und noch die Beleuchtung für das Mittelelement
Als nächstes machte ich mich an das mittlere Gebäudeteil. Aufgrund der großen Glasfassaden hat man hier einen freien Blick in das Innere des Gebäudes, weshalb hier neben der Deckenbeleuchtung auch ein Fahrkartenschalter und ein Kiosk mit LEDs ausgestattet werden mussten. Schnell stellte sich heraus, dass die Deckenbeleuchtung (4 LEDs) nicht ganz einfach war, da die Kabel dafür unsichtbar sein sollten. Die einzige Möglichkeit bestand darin, die Kabel durch den Fahrkartenschalter auf die Unterseite zu führen, aber dafür waren die Kabel an den LEDs zu kurz.
Also habe ich einen Verteiler bzw. Adapter aus einer Buchsen- und einer Steckerleiste gebaut und diesen auf der Oberseite der Decke so befestigt, dass er gerade so in den freien Raum zwischen Decke und Dach passt. Die Massekabel habe ich direkt am Verteiler zusammengefasst. Über die Lötstellen der Kabel am Verteiler habe ich jeweils kurze Stückchen Schrumpfschlauch gezogen, dadurch werden Kurzschlüsse vermieden und vor allem aber werden die Lötstellen stabiler, so dass die dünnen Kabel nicht abreißen können.
Damit waren vorerst alle Probleme gelöst, und nachdem die restlichen beiden Gebäudeteile gebaut waren, stand der Bahnhof mitsamt seiner Beleuchtung auf der Grundplatte. Wie ich diese Grundplatte im Modul so befestige, dass das komplette Bahnhofselement bei Bedarf leicht aus dem Modul herauszunehmen ist, seht Ihr auf der Seite Segmente / Module.
Folgende Punkte im Zusammenhang mit dem Bau des Bahnhofs sind zur Zeit noch nicht dokumentiert:
- Befestigung der Dächer mit kleinen Magneten
- Programmierung des Arduino zur Steuerung der LEDs