LED_obvody

LED obvody

Naším cílem je poskytnout přehled základních typů obvodů používaných k napájení LED. Následující schémata obvodů neboli schémata jsou nakreslena s použitím standardních elektronických symbolů pro jednotlivé součástky. Definice symbolů jsou následující:

Symbol LED je standardní symbol pro diodu s přidáním dvou malých šipek označujících vyzařování (světla). Odtud název světlo emitující dioda (LED). Písmeno „A“ označuje anodu neboli připojení plus (+) a písmeno „C“ katodu neboli připojení minus (-). Už jsme to říkali, ale je třeba to zopakovat: LED diody jsou výhradně stejnosměrná zařízení a nefungují při použití střídavého proudu. Při napájení LED, pokud zdroj napětí přesně neodpovídá napětí zařízení LED, musí být v sérii s LED použit „omezovací“ rezistor. Bez tohoto omezovacího rezistoru by LED dioda okamžitě shořela.

V našich níže uvedených zapojeních používáme pro označení zdroje napájení symbol baterie. Napájení by mohlo být stejně snadno zajištěno napájecím zdrojem nebo kolečkovými sběrači z kolejí v layoutu. Ať už je zdroj jakýkoli, důležité je, že musí být stejnosměrný a dobře regulovaný, aby nedocházelo k výkyvům přepětí, které by způsobily poškození LED diod. Pokud má být zdroj napětí napájen z kolejových sběračů, měl by být použit můstkový usměrňovač, aby bylo zajištěno, že LED diody dostávají pouze stejnosměrný proud a neměnnou polaritu.

Symboly přepínačů jsou poměrně jednoduché. Jednopólový přepínač (SPST) je jednoduše zapínací a vypínací funkce, zatímco přepínač SPDT (dvojpólový) umožňuje směrování mezi dvěma různými obvody. Lze jej použít jako jednopólový přepínač, pokud jedna strana není k ničemu připojena. Tlačítko je spínač s momentovým kontaktem.

Symbol kondenzátoru, který zde používáme, označuje elektrolytický nebo polarizovaný typ kondenzátoru. To znamená, že musí být použit ve stejnosměrném obvodu a správně připojen (připojení plusu k plusovému napětí), jinak dojde k jeho poškození. Pro naše účely se používá k momentálnímu uložení, aby pomohl „vyhladit“ kolísání napájecího napětí způsobené malými ztrátami při přejíždění kol odebírajících proud přes špinavá místa na trati nebo mezery na výhybkách. Polarizované kondenzátory jsou odstupňovány podle různých maximálních hodnot stejnosměrného napětí. Vždy používejte kondenzátor, jehož jmenovitá hodnota bezpečně převyšuje maximální napětí očekávané ve vaší aplikaci.

Základní zapojení

Toto je tak jednoduché, jak to jen jde. Obvod s jedinou LED diodou je základním stavebním kamenem, na kterém jsou založeny všechny naše další příklady. Pro správnou funkci je třeba znát tři hodnoty součástek. Napájecí napětí (Vs), provozní napětí zařízení LED (Vd) a provozní proud LED (I). Když jsou tyto hodnoty známy, lze pomocí variace Ohmova zákona určit správný omezovací odpor (R). Vzorec je:

Příklad práce s tímto vzorcem naleznete na naší stránce Tipy pro zapojení můstku. Projděte si krok 7, kde najdete podrobnosti.

Ve výše uvedeném schématu máme omezovací rezistor i spínač zapojeny na kladné (+) straně obvodu. Učinili jsme tak proto, abychom v souladu se „standardními elektrotechnickými postupy“ pracovali spíše s „horkou“ (plusovou) stranou obvodu než s minusovou (-ovou) neboli „zemní“ stranou. Obvod by ve skutečnosti fungoval adekvátně oběma způsoby, ale standardní bezpečnostní postupy doporučují „odpojení“ na „horké“ straně, aby se minimalizovala možnost elektrického zkratu vodičů na jiných „uzemněných“ obvodech.

Obvody se dvěma nebo více LED

Obvody s více LED se dělí do dvou obecných kategorií: paralelně zapojené obvody a sériově zapojené obvody. Třetí typ známý jako sériový/paralelní obvod je kombinací prvních dvou a může být také docela užitečný při modelování projektů.

Obecná pravidla pro paralelně a sériově zapojené obvody s LED lze uvést takto:

1. V paralelním obvodu je napětí přes všechny součástky (LED) stejné, ale proud je přes každou z nich rozdělen.

2. V sériovém obvodu je proud stejný, ale napětí je rozděleno.

3. V sériovém obvodu by součet napětí všech LED neměl překročit 90 % napájecího napětí, aby byl zajištěn stabilní světelný výkon LED.

4. V sériovém obvodu by všechny LED měly mít stejné vlastnosti napětí (Vd) a proudu (I).

Paralelně zapojený obvod LED

Výše jsou uvedeny dva příklady stejného obvodu. Na obrázku 1 vlevo je schematické znázornění tří LED diod zapojených paralelně k baterii s přepínačem pro jejich zapnutí nebo vypnutí. Všimněte si, že v tomto zapojení má každá LED svůj vlastní omezovací odpor a strany napájecího napětí těchto odporů jsou spojeny dohromady a vedeny na plusový pól baterie (přes přepínač). Všimněte si také, že katody tří LED jsou spojeny dohromady a vedeny na záporný pól baterie. Toto „paralelní“ zapojení součástek je to, co definuje obvod.

Pokud bychom postavili obvod přesně podle obrázku 1, s vodiči spojujícími zařízení tak, jak je znázorněno na schématu (propojovací vodiče mezi rezistory a propojovací vodiče mezi katodovými spoji), museli bychom zvážit proudovou zatížitelnost zvoleného vodiče. Pokud by byl vodič příliš malý, mohlo by dojít k přehřátí (nebo dokonce roztavení).

V mnoha případech na těchto webových stránkách ukazujeme příklady LED diod zapojených pomocí našeho magnetického drátu s povrchovou úpravou #38. Tuto velikost drátu jsme zvolili z velmi specifických důvodů. Je dostatečně malý (,0045″ průměru včetně izolačního povlaku), aby vypadal prototypicky jako drát nebo kabel ve většině projektů, dokonce i v měřítku Z, a je dostatečně velký, aby mohl dodávat proud 20mA osvětlovacím zařízením (jako jsou naše LED) s dodatečným 50% bezpečnostním faktorem. Jak je uvedeno, plný měděný vodič č. 38 má jmenovitou hodnotu 31,4 mA a maximální hodnotu 35,9 mA. Mohli jsme zvolit vodič č. 39 s nominální hodnotou proudu 24,9 mA, ale měli jsme pocit, že by to bezpečně neumožnilo zohlednit kolísání hodnot rezistorů nebo individuální odchylky LED. Navíc o něco menší průměr (.004″ namísto .0045″) by pravděpodobně neznamenal znatelný rozdíl v modelování.

Vrátíme-li se k obrázku 1; v tomto příkladu vidíte, že požadavek na proud pro každou dvojici LED/rezistor se sčítá s další a řídí se výše uvedeným pravidlem paralelního zapojení (#1). Pro celý tento obvod bychom nemohli bezpečně použít náš magnetický vodič č. 38. Například propojka od spodní katody LED k zápornému pólu baterie bude přenášet 60 mA. Náš vodič by se rychle přehřál a případně roztavil, což by způsobilo rozpojený obvod. Z tohoto důvodu je obrázek 1 pouze jednoduchým způsobem, jak „schematicky“ znázornit, jak by měly být součástky zapojeny pro správnou funkci obvodu.

V reálném životě by náš skutečný projekt zapojení vypadal spíše jako na obrázku 2. V tomto případě můžeme bezpečně použít náš vodič #38 pro všechno kromě spojení mezi plusovým pólem baterie a spínačem. Zde bychom potřebovali alespoň vodič #34 (nom. 79,5 mA), ale pravděpodobně bychom použili něco jako izolovaný omotávací vodič #30 z Radio Shacku. Je levný, snadno dostupný a přenese 200 mA (jmenovitá specifikace). Pro naši aplikaci je dostatečně velký. Také bychom pravděpodobně nepájeli tři rezistory dohromady na jednom konci, jak jsme si ukázali, ale použili bychom jen další kousek drátu #30 k propojení jejich společných konců dohromady a ke spínači.

Modelové železnice mohou být elektricky složité, což zahrnuje nejrůznější požadavky na zapojení pro věci, jako je napájení kolejí, spínání, osvětlení, signalizace, DCC atd.; každý z nich má jiné potenciální proudové potřeby. Jako pomůcka při plánování takových věcí je zde k dispozici tabulka běžných velikostí vodičů (jednožilových měděných) a jejich proudové zatížitelnosti.

Sériové zapojení LED

Toto zapojení je jednoduché sériové zapojení pro napájení tří LED. Všimněte si dvou hlavních rozdílů mezi tímto a paralelním zapojením. Všechny LED sdílejí jeden omezovací rezistor a LED jsou zapojeny anoda-katoda „řetězově“. Podle výše uvedeného pravidla č. 2 je vzorec, který použijeme k určení našeho omezovacího odporu, další variantou vzorce, který jsme použili výše. Sériový vzorec pro výše uvedené zapojení bychom zapsali takto:

Jediný skutečný rozdíl zde spočívá v tom, že naším prvním krokem je sečíst napětí zařízení pro počet LED, které používáme dohromady, a poté tuto hodnotu odečíst od našeho napájecího napětí. Tento výsledek pak vydělíme proudem našich zařízení (obvykle 20 mA nebo 0,020). Jednoduché, že? Nezapomeňte také vzít v úvahu pravidlo č. 3. To znamená, že vynásobte své napájecí napětí 90 % (0,9) a ujistěte se, že součet napětí všech zařízení (LED) nepřesahuje tuto hodnotu. To je téměř vše…

Potřebujeme vědět, jaký druh vodiče použijeme, tedy jaký proudový odběr můžeme od takového zapojení očekávat? No, ve výše uvedeném paralelním zapojení bychom při třech LED diodách po 20 mA odebírali na baterii 60 mA. Takže… 60 mA? Ne. Ve skutečnosti je to o něco méně než 20 mA pro všechny tři LED diody! Pro zjednodušení to budeme nazývat 20.

Jiný způsob vyjádření výše uvedených pravidel 1 a 2 by byl:

1. V paralelním obvodu je napětí zařízení konstantní, ale proud potřebný pro každé zařízení se sčítá pro celkový proud.

2. V sériovém obvodu je proud zařízení konstantní, ale potřebné napětí je součtem napětí všech zařízení (sečtených dohromady).

Projdeme si několik příkladů s použitím 9voltové baterie (nebo napájecího zdroje):

Příklad č. 1

Chceme zapojit dvě z našich 2×3 superbílých LED do série.

1. Nejprve určíme napětí zařízení, které je 3,6 V, a sečteme je pro dvě LED diody (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Teď, když máme tuto hodnotu, se ujistíme, že neporušuje pravidlo č. 3.

3. . 80% z 9 voltů je 7,2 voltů (.8 x 9 = 7,2). Tato množství jsou stejná. Nejsme nad 90 %, takže můžeme pokračovat.

4. Dále odečteme tuto částku 7,2 od našeho napájecího napětí (9 voltů) a dostaneme výsledek, který je 1,8 (to je část Vs-Vd).

5. Poté vydělíme 1,8 naším proudem zařízení, který je 20 mA, neboli 0,02. Vydělíme 1,8 naším proudem zařízení. Naše odpověď je 90. Protože rezistor 90 ohmů není standardní, zvolíme další nejvyšší hodnotu (100 ohmů). Tento o něco vyšší odpor nebude mít žádný vliv na jas LED diod.

6. Nakonec, protože náš celkový odběr proudu je pouze 20 mA, mohli bychom použít náš vodič č. 38 pro všechno, kdybychom chtěli.

Příklad č. 2

Chceme zapojit čtyři naše mikro červené LED diody do série. Jaký rezistor bychom měli použít?

1. Zjistili jsme, že napětí zařízení je 1,7 voltu. Pro čtyři LED diody by to bylo 6,8 V (4 x 1,7 = 6,8).

2. Teď, když máme tuto hodnotu, zkontrolujme, zda neporušuje pravidlo č. 3. Ujistěte se, že je to v pořádku. 90 % z 9 voltů je 7,2 voltů (.8 x 9 = 7,2). A 6,8 je méně než 7,2. Ano, jsme v pořádku.

3. Následující odečteme tuto částku 6,8 od našeho napájecího napětí (9 voltů) a dostaneme výsledek, který je 2,2 (to je část Vs-Vd).

4. Nakonec vydělíme 2,2 naším proudem zařízení, který je 20 mA, neboli 0,02. Vydělíme 2,2 proudem našeho zařízení, který je 0,02, a dostaneme výsledek. Naše odpověď je 110. Jak se ukázalo, 110 ohmů je standardní hodnota rezistoru, takže nemusíme vybírat nejbližší dostupnou vyšší hodnotu (nikdy nevybírejte nižší hodnotu!). Použijeme rezistor 110 ohmů o výkonu 1/8 wattu a hodnotě 1 %.

Příklad č. 3

Chceme zapojit tři naše mikro-super-bílé LED diody do série.

1. Napětí zařízení je 3,5 voltu. Takže pro tři LED diody to bude 10,5 V a… máme problém. Tato hodnota nejenže porušuje výše uvedené pravidlo č. 3, ale překračuje naše napájecí napětí. V takovém případě se naše LED diody ani nerozsvítí. V této situaci, pokud potřebujeme tři takové LED diody, budeme buď potřebovat zdroj, který dodává alespoň 11,67 V (to by bylo 10,5 na 90 %), nebo budeme muset zapojit pouze dvě do série a třetí zvlášť, s vlastním odporem (sériové/paralelní zapojení, ale o tom až za chvíli). V tomto případě budeme mít dva typy obvodů zapojené společně u společného zdroje. Schéma by vypadalo následovně:

I zde můžeme použít náš vodič č. 38 pro vše kromě spojení mezi zdrojem napájení a spínačem. Abychom určili, jaké omezovací odpory jsou zde potřeba, stačí vypočítat každý segment obvodu zvlášť. Nezáleží na tom, který segment určíme jako první, ale uděláme to pro jednu LED diodu/rezistor. K tomu použijeme náš původní vzorec:

Víme, že Vs (pro tyto příklady) je 9 voltů. A. víme, že Vd je 3,5 voltu a I je 20 mA. Takže (9 – 3,5) = 5,5 ÷ ,020 = 275. To není standardní hodnota rezistoru, takže zde použijeme rezistor 300 ohmů.

Nyní vypočítáme sériový pár LED. Vzorec pro pouhé dvě LED bude:

Znovu, Vs je 9 V, takže 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ ,020 = 100, a to je standardní hodnota rezistoru. Máme hotovo. Nyní můžeme tento příklad zapojit a vše bude fungovat správně.

Světelný vůz Kato Amtrak Superliner se světly EOT

Tady je schéma osobního vozu zapojeného pro osvětlení pomocí můstkového usměrňovače a kapacity 600 μf, která zajišťuje, že ke všem LED diodám je přiváděn stejnosměrný proud bez blikání a se stabilní polaritou. Superbílá LED dioda osvětluje interiér vozu a dvě mikročervené LED diody zajišťují osvětlení konce vlaku. Funkci EOT lze v případě potřeby vypnout pomocí přepínače. Provozní příklad tohoto vozu (s regulací blikání 800 μf) si můžete prohlédnout zde.

Sériově/paralelně zapojený obvod LED

Tady jsme trochu rozšířili náš příklad č. 3 výše. Máme tři skupiny sériově zapojených párů LED diod. Každá z nich je pro účely výpočtu považována za samostatný obvod, ale jsou spojeny dohromady pro společný zdroj napájení. Pokud by to všechno měly být naše mikro-super-bílé LED diody, známe již vše potřebné k sestavení tohoto obvodu. Dále víme, že každý sériový pár bude odebírat 20 mA proudu, takže celkový proud na zdroji napájení bude 60 mA. Docela jednoduché.

Zajímavé na sériových/paralelních obvodech LED je, jak snadno můžete rozšířit počet světel na daném zdroji napájení. Vezměme si například náš spínaný zdroj N3500. Poskytuje proud 1 A (1000 mA) při napětí 9 V.

Pomocí našeho předchozího paralelního zapojení bychom mohli připojit až 50 našich superbílých LED diod 2×3 nebo Micro nebo Nano (nebo jakoukoli kombinaci rovnající se 50), každou s vlastním omezovacím odporem, a tento malý zdroj by to zvládl. To by pravděpodobně stačilo pro slušně velké město. Pokud bychom byli trochu chytřejší, mohli bychom použít sériové/paralelní zapojení a snadno toto množství rozšířit, a to stále jen s jedním zdrojem. Kdyby byly všechny sériové/paralelní, mohli bychom provozovat 100 světel. Hypoteticky, pokud bychom dělali projekt s našimi červenými LED N1012 Micro (napětí zařízení 1,7 V), mohli bychom s naším malým zdrojem provozovat 400 LED. To je však dost bizarní představa. Chce někdo tmavé brýle?

Další podrobnosti o použití našeho spínaného napájecího zdroje pro vaše projekty maket nebo dioramat najdete zde.

Nezapomeňte na pravidlo č. 4. Při vytváření sériových skupin dbejte na to, aby napětí a proudové požadavky zařízení byly velmi podobné. Stačí říci, že míchání LED diod s velkými rozdíly v napětí zařízení nebo proudových požadavcích ve stejné sériové skupině nepřinese uspokojivé výsledky.

Nakonec buďte nápadití. Můžete je míchat a kombinovat. Sériové obvody, paralelní, jednopáskové LED, sériové/paralelní obvody, bílé skupiny, červené skupiny, žluté, zelené, cokoli. Pokud v každém případě spočítáte správný mezní odpor a budete sledovat schémata zapojení z hlediska správné velikosti vodičů, budou vaše projekty osvětlení fungovat s velmi uspokojivými výsledky.

Ještě jedna věc, pro ty z vás, kterým je nepříjemné pracovat s výše uvedenými vzorci „zdlouhavě“, jsme vytvořili několik kalkulaček, které výpočty provedou za vás. Stačí jen zadat hodnoty a kliknout na tlačítko „vypočítat“. Najdete je po kliknutízde.

… BUDIŽ SVĚTLO …