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LEDs für Lichtsignale

Beim großen Vorbild sind Lichtsignale seit vielen Jahren allgemein üblich. Auch in der Modellbahn werden Lichtsignale von vielen Herstellern in vielerlei Ausführung angeboten. Leider fällt dem aufmerksamen Modellbahner schnell auf, dass die Farbe so mancher Lampen/LEDs nicht ganz dem Vorbild entspricht.

So manches Modell: Signal mit falschen LED-Farben im Original: Signal mit richtigen LED-Farben

Jetzt mag es ja ganz nett sein, wenn man sich der optoelektronischen Mängel der Modellprodukte bewusst ist, aber interessant wird es deswegen, weil man sich auch behelfen kann! Im folgenden lesen Sie nicht nur etwas über die richtige Farbe, sondern auch darüber, wie Sie - zumindest an einer Produktreihe von Lichtsignalen im Modellbahnmaßstab H0 - durch einen Austausch der Leuchtdioden (LEDs) Ihren Lichtsignalen zum rechten Licht verhelfen können!

Die falschen Farben

Heutzutage werden in Modellbahnsignalen fast ausschließlich wartungsfreie Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquelle verwendet, Glühlampen findet man hier so gut wie gar nicht mehr. Früher konnte man LEDs nur in den Farben rot, gelb, und grün produzieren (AlGaAs/GaAsP-Technologie). Heutzutage beherrscht man das ganze Farbspektrum (AlGaInP/InGaN-Technologie). Früher war es daher nur möglich, ein recht gelbliches grün zu erzeugen. Heute kann man ein "echtes grün" (engl. Begriff der LED-Hersteller "true green" oder "pure green") erzeugen. Und dieses echte Grün ist ein Farbton nahe am Blau, im Gegensatz zum alten Grün, welches nahe am Gelb ist.

Heutzutage diskutiert - oft treffender wäre das Verb philosophiert - man sehr gerne über das richtige Weiß (machen wir später auch noch), aber sehr stiefmütterlich wird eben das Grün behandelt. Aber gerade im Grün liegt eine typischerweise falsche Farbe in Modellbahn-Lichtsignalen vor, und der Unterschied zwischen Gelbgrün und Echtgrün ist erstaunlich! Eigentlich absolut unverständlich, dass der Grünton bisher noch so gut wie keinen gestört hat.

Nachfolgend als Beispiel ein Ausfahrsignal, links die Nachbildung der Leuchtfarben eines typischen Modellbahnproduktes, rechts die Nachbildung der Leuchtfarben eines wünschenswerten Produktes.

Signal mit falschen LED-Farben     Signal mit richtigen LED-Farben
Typisches Modellbahnsignal.
Mängel:
  • falsches Grün (gelbgrün)
  • falsches Weiß (gelb)
  Gutes Modellbahnsignal.
Unterschied:
  • richtiges Grün
  • Tageslicht-Weiß

Jetzt werden Sie sagen, ich hätte absichtlich das Gelbgrün so gelb gemacht. Darum zum Beweis hier noch ein Foto von meinen Laborexemplaren. Links ein Ausfahrsignal mit handelsüblichen LEDs, rechts mit eigens ausgewählten LEDs:

Signal mit falschen (links) richtigen (rechts) LED-Farben

Problem Farbdarstellung auf dem Monitor

Jetzt haben wir eigentlich noch das Problem, die Farben der LEDs überhaupt auf einem Monitor richtig darzustellen. Strenggenommen geht das nämlich grundsätzlich nicht, weil ein RGB-Monitor beispielsweise nicht in der Lage ist, die grünen Spektralfarben korrekt darzustellen. Man kann dazu bei Wikipedia mehr nachlesen unter dem Stichwort Gamut.

Zur Darstellung der Signalbilder auf dieser Seite wurden die Spektralfarben durch Monitorfarben angenähert, gemäß den Tabellen auf dieser Seite. Zur Darstellung von Farbtemperaturen (Weißtönen) wurden die Monitorfarben aus den Darstellungen des engl. Wikipedia-Artikels "color temperature" und den dort eingebetteten Bildern übernommen.

Das heißt also, jegliche Fotos und Bilder auf der Webseite können nur annähernd die wahre Wirkung der LED-Farben vermitteln. Berücksichtigen Sie das bitte im Folgenden! Mit anderen Worten:

Man muss die leuchtende LED selbst gesehen haben!

Ein Experiment zwischendurch

Nehmen Sie mal einen 9-V-Block, einen Widerstand (ca. 330 bis 470 Ohm), und eine grüne LED - nach Ihrem Belieben eine gelbgrüne oder eine echtgrüne. Schließen Sie die LED mit Vorwiderstand an die Blockbatterie an. Nehmen Sie nun das ganze mal mit zu einer Straßenverkehrsampel und vergleichen Sie den Grünton. Wenn Sie Gelegenheit haben, machen Sie den Vergleich auch mit einem Lichtsignal bei der Bahn. (Tipp: Am Ulm Hbf gibts auf der Nordseite vom Gleis 3 und 6 (Bahnsteignummern ohne Gewähr) Ausfahrsignale in Zwerggröße, da ist das Signal in Augenhöhe).

Die richtigen Farben beim Vorbild

Nachdem es nun konkret wird, müssen wir erst mal wissen, wie man Farben präzise beschreiben kann.

Farbbezeichnungen des allgemeinen Sprachgebrauchs, wie "grün" oder "gelb", oder auch vermeintlich präzisere Ausdrücke wie "gelbgrün", "echtgrün", "blaugrün" sind keine messbare Farbdefinition. Es gibt aber ein eindeutiges physikalisches Maß für reine Farben (Spektralfarben), nämlich die Wellenlänge. Jeder LED-Hersteller (und jeder vertrauenswürdige Händler) gibt die Farbe der LED mit der Wellenlänge an, in der Einheit Nanometer (nm). Strenggenommen straht eine LED ein schmales Frequenzband aus, also wäre die präzise Aussage eine Bereichsangabe der Wellenlänge, oder noch besser eine Verteilungsdichte über der Wellenlänge. Es genügt aber für unsere Zwecke die Angabe der effektiven, oder dominierenden Wellenlänge. Bei Wikipedia kann man mehr nachlesen unter dem Stichwort CIE-Normvalenzsystem.

Mit der Wellenlänge kann man Spektralfarben präzise spezifizieren, nicht aber die Farbe "weiß". Mit der zunehmenden Verbreitung weißer LEDs haben sich auch hier so wohlklingende Bezeichnungen wie "warmweiß", "kaltweiß", "sunnywhite", "goldenwhite" usw. eingebürgert. Aber diese Begriffe sind genauso unpräzise wie gelbgrün oder grasgrün. Die weiße Farbe spezifiziert man durch die Angabe der Farbtemperatur, in der Einheit Kelvin (K). Bei Wikipedia kann man ein bisschen nachlesen unter dem Stichwort Farbtemperatur; noch viel besser ist die engl. Wikipediaseite Color temperature.

Die für Lichtsignale und Verkehrsampeln relevanten Farben sind wie folgt:

Wellenlänge / Farbtemperatur Bezeichnung
ca. 625 nmrot
ca. 590 nmgelb
ca. 570 nmgelbgrün
ca. 525 nmechtgrün (engl. "true green")
ca. 505 nmblaugrün (engl. "aqua", "verde")
ca. 2700 Kwarmweiß
ca. 4000 Kneutralweiß
ca. 6500 KTageslichtweiß

Die Farben von Verkehrsampeln (und ich nehme an, daran orientieren sich auch die Eisenbahnsignale) sind vorgeschrieben in der DIN 6163-5, "Farben und Farbgrenzen für Signallichter - Teil 5: Ortsfeste Signallichter im öffentlichen Nahverkehr" und DIN EN 12368, "Anlagen zur Verkehrssteuerung - Signalleuchten".

Exemplarisch habe ich folgendes bei zwei Herstellern von LED-Verkehrsampeln gefunden.

Signalbau Huber, Datenblatt Signalgeber Global A, verwendet folgende Farben:
rot: 615 nm
gelb: 592 nm
grün: 501 nm.

Siemens AG Industrial Solutions and Services, LED3 Signalgeber, Dokument Bestell-Nr: A24705-X-A306-*-04, verwendet folgende Farben:
rot: 613 – 631 nm
gelb: 585 – 597 nm
grün: 489 – 508 nm.

Geeignete Farben im Modell

Beim rot kann man eigentlich nichts falsch machen. Das Auge ist hier recht unempfindlich. Rote LEDs mit 624 - 635 nm sind oft die moderneren mit höherer Lichtstärke.

Beim gelb entscheiden ein paar Nanometer darüber, ob das gelb schon ein bisschen orange wirkt. Und das gelb beim Vorbild hat nun mal eine Neigung zum orange.

Beim grün wird es nun interessant. Der eigentlich richtige Farbton und damit erste Wahl ist ein blaugrün mit einer Wellenlänge von ca. 505 nm, wie er bei LED-Verkehrsampeln üblich ist. Es gibt auch LEDs in diesem Farbton, aber leider nicht in jeder Baugröße - auch nicht in der Baugröße, wie sie für Modellbahn-Lichtsignale ideal wäre. Die zweite Wahl sind LEDs in echtgrün mit ca. 525 nm, die es auch in passender Größe gibt. Völlig daneben sind die traditionellen gelbgrünen LEDs mit ca. 570 nm. Die Fertigungstechnologie der echtgrünen und blaugrünen LEDs ist eine ganz andere, daher sind diese LEDs auch vergleichsweise etwas teurer, aber immer noch gut erschwinglich.

Beim weiß wird heutzutage viel über den richtigen Ton philosophiert. Während für Beleuchtungszwecke ein Warmweiß mit 2700 K oder Neutralweiß mit 4000 K angemessen ist, gilt dies nicht unbedingt für Lichtsignale. Beim Vorbild werden angeblich extra Farbfilterscheiben eingesetzt, um ein sog. "Mondweiß", also ein sehr kaltes weiß zu erzeugen, so dass es sich im Farbton klar vom gelb unterscheidet. Im Modell dürften daher LEDs mit 6000 - 9000 K Farbtemperatur angemessen sein. Meine Zahlenangabe von 6000 - 9000 K scheint eine große Toleranz zu erlauben. Und so eine große Toleranz erlauben sich die Hersteller auch tatsächlich! Selbst wenn eine LED vom Hersteller beispielsweise mit typ. 7500 K angegeben ist, so können die Produktionsparameter stark streuen. Die Hersteller sortieren die LEDs nach ihren Farben in verschiedene "Eimer" (engl. Begriff "Bin" und "Binning"), aber aus welchem Eimer die LEDs sind, die Sie tatsächlich bei Ihrem Händler bekommen, bleibt trotzdem offen. Der Händler/Großabnehmer könnte das aus dem Produktionscode auf der Lieferrolle rekonstruieren, fragen Sie ihn mal danach. In jedem Falle sind wir uns wohl einig, dass gelbe LEDs völlig fehl am Platz sind.

Nachfolgend als Beispiel nochmals die Darstellung eines Ausfahrsignals, links mit tageslichtweißen LEDs (6500 K), rechts mit neutralweißen LEDs (4000 K).

Signal mit tageslichtweißen LED Signal mit neutralweißen LED
weiß 6500 K weiß 4000 K

Weitere LED-Parameter

Bei LEDs ist auch zu bedenken, dass sie sich in ihrer Abstrahlcharakteristik unterscheiden. Die einen erzeugen einen schmalen, intensiven Lichtkegel, die anderen einen breit Streuenden. Die einen haben ein in Leuchtfarbe gefärbtes Gehäuse, die anderen ein wasserklares (was man mit feinstem Schmirgelpapier auch milchig trüb machen kann, wenn man das will). Im Original ist bei einer Verkehrsampel das Glas gefärbt, bei einem Lichtsignal der Bahn ist das Glas aber klar. Wollen Sie also ein Lichtsignal, das im ausgeschalteten Zustand seine Leuchtfarben bereits preisgibt (Bild links) oder wo die LEDs klar sind (Bild rechts)?

Signal mit tageslichtweißen LED Signal mit neutralweißen LED
LED-Gehäuse gefärbt LED-Gehäuse klar

Und zum Beweis nochmal Bilder vom Labormuster:

Signal mit konventionellen LED Signal mit klaren LED
LED-Gehäuse gefärbt LED-Gehäuse wasserklar

Do-it-yourself

Wer fertige Signale mit richtigen Farben sucht, bekommt beispielsweise das echte grün und weiß bei den neuen digitalen Signalen von Märklin, Nr. 76xxx. Achtung: Die Hobbyausführungen, Nr. 74xxx, haben dagegen - aus Kostengründen - das falsche Grün, sowie Gelb statt Weiß.

Wer eine günstige Lösung sucht, und vor dem Selbstbau nicht zurückschreckt, wird bei den Lichtsignalen von Viessmann mit der Nummer 401x fündig. Deren Standard-LEDs können von Leuten mit feinen Händen und feinem Lötkolben (!) ausgetauscht werden. Sparen kann man zudem, weil es die Signale auch als Bausatz gibt, nämlich bei Conrad, unter den Nummern 210165, 210956, 210932 und ähnliche. Alle Fotos auf dieser Webseite sind von einem Conrad-Bausatz 210165, der der Viessmann Nr. 4013 entspricht.

Jetzt braucht man noch LEDs in der gleichen Form wie die LEDs bei den Viessmann-Signalen, dies ist die 1,8-mm-Kuppelform. Und genau da gibts ein gewisses Problem. Die Gehäusebauform ist zwar industrieüblich, aber dennoch nicht besonders verbreitet. Ein fernöstlicher Produzent ist beispielsweise Shanghai HuiHe mit seinen "1.8mm Tower Type LED". Dieser Hersteller/Händler verkauft bei ebay.com unter dem Mitgliedsnamen "wellton_sh".

Ein anderer Händler ist beispielsweise highlight-led in Deutschland mit seinen LED 1,8mm diffus. Dieser Händler verkauft bei ebay.de unter dem Mitgliedsnamen "world-trading-net". Diese LEDs zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein diffuses, weißes Gehäuse haben. Durch die matte Oberfläche scheinen diese LEDs sehr homogen und mit einem breiten Abstrahlwinkel.

Die LEDs von HuiHe und von highlight-led haben die passende Kuppel-Größe, aber eine etwas ungünstige Form der Lötbeinchen. Das ist (nur) dann von Belang, wenn man ein Ausfahrsignal bauen will, bei dem die LEDs auf eine kleine Platine gelötet werden. Beim Einfahr- und Blocksignal ist es irrelevant, weil bei den Viessmann/Conrad-Bausätzen das Kabel direkt ans LED-Beinchen gelötet wird. Wenn man aber beim Ausfahrsignal das Platinchen passend bearbeitet (Lötlöcher aufbohren, oder Platine einsägen), sollte es trotzdem gehen. An der technischen Zeichnung der LED wird die unterschiedliche Form der Beinchen deutlich:

LED mit krummen Beinen LED mit geraden Beinen
LED mit ungünstig gebogenen Beinen (Bildquelle: HuiHe) LED mit vorteilhaft geraden Beinen (Bildquelle: Conrad.de, Datenblatt von Artikel Nr. 184764)

Für das Ausfahrsignal habe ich als weiße LEDs den Typ LW L283 von OSRAM in SMD-Größe 0603 verwendet. Typische Farbtemperatur: 6200 K (Schwankung von ca. 5000 K bis über 10 000 K). Gibts bei www.reichelt.de unter der Artikelbez. "LW L283". Noch ein Tipp am Rande: Beim Ausfahrsignal manipulieren Sie am besten die Miniplatine mit den zwei weißen LEDs so, dass die LEDs nicht mehr parallel, sondern in Reihe geschaltet sind.

Die neuen LEDs sind zudem so effizient (sprich so hell), dass man den Strom durch die LED im Vergleich zu konventionellen Typen drastisch drosseln muss. Man hat sozusagen nebenbei gleich eine energiesparende Variante des Signals entwickelt. Die nachfolgende Tabelle gibt nochmals die technischen Daten der von mir verwendeten LEDs an.

LED Farbe LED Bauform Hersteller Typbezeichnung Vorwiderstand
rot, 630 - 640 nm 1,8 mm Kuppel RadialHuiHeHH-1.8RC-35 47 kΩ
gelb, 590 nm 1,8 mm Kuppel RadialHuiHeHH-1.8YC-35 27 kΩ
echtgrün, 520 - 530 nm1,8 mm Kuppel RadialHuiHeHH-1.8PGC-35270 kΩ
weiß, 6200 K SMD 0603 OsramLW L283 27 kΩ

Fazit

Die Lichtsignalbausätze von Viessmann sind ideale Kandidaten, um sich Lichtsignale mit LEDs der richtigen Farbe zu bauen. Eine Bezugsquelle für die LEDs wurde genannt, ebenso die technischen Daten der LEDs, um nach alternativen Herstellern und Lieferanten Ausschau halten zu können. Sollte jemand fündig werden, darf er mir gerne berichten, so dass ich diese Seite aktualisieren kann. Die neuen LEDs beeindrucken nicht nur durch ihre Farbe, sondern wirken in den Viessmann-Signalen auch dank ihres klaren Gehäuses und des engeren Abstrahlwinkels vorbildgerechter. Ihre deutlich niedrigere Stromaufnahme ist zwar zweitrangig, aber ebenso bemerkenswert.