LED_kredsløb

LED-kredsløb

Vores mål her er at give et overblik over de grundlæggende typer af kredsløb, der bruges til at forsyne LED’er. De følgende kredsløbsdiagrammer eller skemaer er tegnet ved hjælp af elektroniske industristandardsymboler for hver enkelt komponent. Symboldefinitionerne er som følger:

LED-symbolet er standardsymbolet for en diode med tilføjelsen af to små pile, der angiver emission (af lys). Heraf navnet, lysemitterende diode (LED). “A” angiver anoden, eller plusforbindelsen (+), og “C” angiver katoden, eller minusforbindelsen (-). Vi har sagt det før, men det fortjener at blive gentaget: LED’er er udelukkende DC-enheder og fungerer ikke med AC (vekselstrøm). Når en LED forsynes med strøm, skal der, medmindre spændingskilden svarer nøjagtigt til LED-enhedens spænding, anvendes en “begrænsende” modstand i serie med LED’en. Uden denne begrænsningsmodstand ville LED’en straks brænde ud.

I vores kredsløb nedenfor bruger vi batterisymbolet til at angive en strømkilde. Strømmen kunne lige så let leveres af en strømforsyning eller af hjulplukkere fra spor på et layout. Uanset kilden er det vigtige, at den skal være jævnstrøm og velreguleret for at undgå overspændingsudsving, der kan beskadige lysdioderne. Hvis spændingskilden skal leveres fra sporpickupper, bør der anvendes en broligretter for at sikre, at lysdioderne kun modtager jævnstrøm og uændret polaritet.

Symbolerne for kontakten er ret ligetil. En single-pole, single-throw (SPST) switch er blot en on-off-funktion, mens SPDT (double-throw) switch giver mulighed for routing mellem to forskellige kredsløb. Den kan bruges som en single-throw switch, hvis den ene side ikke er forbundet til noget. Trykknappen er en momentan kontaktkontaktkontakter.

Det kondensatorsymbol, vi bruger her, er for den elektrolytiske eller polariserede kondensatortype. Det vil sige, at den skal bruges i et jævnstrømskredsløb og tilsluttes korrekt (plusforbindelse til plusspænding), ellers vil den blive beskadiget. Til vores formål bruges den til momentan lagring for at hjælpe med at “udjævne” udsving i forsyningsspændingen forårsaget af små tab, når hjul, der opsamler strøm, ruller over snavsede steder i sporet eller huller ved sporskifter. Polariserede kondensatorer er klassificeret efter forskellige maksimale jævnspændingsværdier. Brug altid en kondensator, hvis værdi sikkert overstiger den maksimale spænding, der forventes i din anvendelse.

Det grundlæggende kredsløb

Det er så enkelt, som det kan blive. Det enkelte LED-kredsløb er den byggesten, som alle vores andre eksempler er baseret på. For at det kan fungere korrekt, skal tre komponentværdier være kendt. Forsyningsspændingen (Vs), LED-enhedens driftsspænding (Vd) og LED-driftsstrømmen (I). Når disse værdier er kendt, kan den korrekte begrænsningsmodstand (R) bestemmes ved hjælp af en variation af Ohm’s lov. Formlen er:

Et eksempel, der gennemgår denne formel, kan findes på vores side med tips til bryggeledninger. Gennemgå trin 7 for at få flere oplysninger.

I skemaet ovenfor har vi både begrænsningsmodstanden og kontakten tilsluttet på kredsløbets positive (+) side. Vi har gjort dette for at være i overensstemmelse med “standard elektrisk praksis” ved at arbejde med den “varme” (plus) side af kredsløbet i stedet for minus (-) eller “jord” side. Kredsløbet ville faktisk fungere tilfredsstillende på begge måder, men standardsikkerhedspraksis anbefaler “frakobling” på den “varme” side for at minimere muligheden for elektrisk kortslutning af ledninger til andre “jordede” kredsløb.

Kredsløb med to eller flere lysdioder

Kredsløb med flere lysdioder falder i to generelle kategorier; kredsløb med parallelkabler og kredsløb med seriekabler. En tredje type, kendt som et serie/parallel-kredsløb, er en kombination af de to første og kan også være ganske nyttig i modelleringsprojekter.

De generelle regler for parallelle og serie-LED-kredsløb kan angives som følger:

1. I et parallelt kredsløb er spændingen den samme gennem alle komponenter (LED’er), men strømmen er delt gennem hver enkelt.

2. I et serie-kredsløb er strømmen den samme, men spændingen er delt.

3. I et seriekredsløb bør summen af alle LED-spændinger ikke overstige 90 % af forsyningsspændingen for at sikre et stabilt LED-lysoutput.

4. I et seriekredsløb bør alle LED’er have samme spændings- (Vd) og strømegenskaber (I).

Det parallelfortrådte LED-kredsløb

Ovenfor er vist to eksempler på det samme kredsløb. Figur 1 til venstre er en skematisk fremstilling af tre LED’er, der er parallelforbundet til et batteri med en afbryder til at tænde eller slukke dem. Du vil bemærke, at i dette kredsløb har hver LED sin egen begrænsningsmodstand, og at forsyningsspændingssiden af disse modstande er forbundet sammen og ledt til batteriets pluspol (gennem en kontakt). Bemærk også, at katoderne på de tre lysdioder er forbundet sammen og ledt til den negative batteripol. Denne “parallelle” sammenkobling af komponenter er det, der definerer kredsløbet.

Hvis vi skulle opbygge kredsløbet nøjagtigt som vist i figur 1, med ledninger, der forbinder enhederne på den måde, som skemaet viser (jumperledninger mellem modstandene og jumperledninger mellem katodeforbindelserne), ville vi være nødt til at tage hensyn til den strømførende evne for den ledning, vi vælger. Hvis ledningen er for lille, kan der opstå overophedning (eller endda smeltning).

I mange tilfælde på hele dette websted viser vi eksempler på LED’er, der er kablet med vores #38 belagte magnettråd. Vi har valgt denne størrelse tråd af meget specifikke årsager. Den er lille nok (,0045″ diameter inklusive isoleringsbelægning) til at fremstå prototypisk som ledning eller kabel i de fleste projekter, selv i Z-skala, og den er stor nok til at levere strøm til 20ma belysningsenheder (som vores LED’er) med en ekstra 50% sikkerhedsfaktor. Som specificeret har #38 massiv kobbertråd en nominel værdi på 31,4ma og en maksimal værdi på 35,9ma. Vi kunne have valgt #39-tråd med en nominel strømværdi på 24,9ma, men vi mente ikke, at dette ville give mulighed for at tage højde for udsving i modstandsværdier eller individuelle LED-variationer på en sikker måde. Desuden ville den lidt mindre diameter (.004″ i stedet for .0045″) sandsynligvis ikke gøre en mærkbar forskel i modelleringen.

Vi vender tilbage til figur 1; du kan i dette eksempel se, at strømbehovet for hvert LED/modstandspar, lægger sig til det næste, og følger reglen om parallelle kredsløb (#1) ovenfor. Vi kunne ikke sikkert bruge vores #38 magnettråd til hele dette kredsløb. For eksempel vil jumperen fra den nederste LED-katode til den negative batteripol bære 60ma. Vores ledning ville hurtigt blive overophedet og muligvis smelte og forårsage et åbent kredsløb. Af denne grund er figur 1 kun en nem måde at “skematisk” repræsentere, hvordan komponenterne skal forbindes for at få kredsløbet til at fungere korrekt.

I det virkelige liv ville vores faktiske ledningsføringsprojekt se mere ud som i figur 2. I dette tilfælde kan vi roligt bruge vores ledning nr. 38 til alt undtagen forbindelsen mellem den positive batteripol og kontakten. Her ville vi have brug for mindst #34-tråd (79,5ma nom.), men vi ville sandsynligvis bruge noget som Radio Shacks #30 isolerede indpakningstråd fra Radio Shack. Det er billigt, let tilgængeligt og kan bære 200ma (nominel spec.). Det er rigeligt stort nok til vores anvendelse. Vi ville sandsynligvis heller ikke lodde de tre modstande sammen i den ene ende, som vi har vist, vi ville bare bruge et andet stykke af den #30 til at forbinde deres fælles ender sammen og til kontakten.

Modeljernbaneanlæg kan blive elektrisk komplekse og involvere alle mulige ledningskrav til ting som sporstrøm, omskifter, belysning, signalering, DCC osv. Som hjælp til din planlægning af sådanne ting findes en tabel over almindelige ledningsstørrelser (massiv kobber enkeltstrenget) og deres strømføringsevne her.

Det seriefortrådte LED-kredsløb

Dette kredsløb er et simpelt seriekredsløb til at forsyne tre LED’er. Du vil bemærke to hovedforskelle mellem dette og det parallelle kredsløb. Alle lysdioderne deler en enkelt begrænsningsmodstand, og lysdioderne er forbundet anode-til-katode på en “daisy-chained” måde. I overensstemmelse med regel nr. 2 ovenfor er den formel, vi skal bruge til at bestemme vores begrænsningsmodstand, en yderligere variation af den formel, vi brugte ovenfor. Serieformlen for ovenstående kredsløb ville blive skrevet som følger:

Den eneste reelle forskel her er, at vores første skridt er at lægge enhedsspændingerne for det antal LED’er, vi bruger sammen, sammen og derefter trække denne værdi fra vores forsyningsspænding. Dette resultat divideres derefter med strømmen for vores enheder (typisk 20ma eller .020). Simpelt, ikke sandt? Husk også at overveje regel nr. 3. Det vil sige, at du skal gange din forsyningsspænding med 90 % (0,9) og sørge for, at summen af alle enheders (LED’ernes) spændinger ikke overstiger denne værdi. Det er det hele, næsten…

Vi skal vide, hvilken slags ledning vi skal bruge, så hvilken slags strømforbrug kan vi forvente af denne slags kredsløb? Tja, i det parallelle kredsløb ovenfor, for tre lysdioder på 20ma hver, ville vi forbruge 60ma på batteriet. Så… 60ma? Niks. Faktisk lidt mindre end 20ma for alle tre lysdioder! Vi kalder det 20 for enkelhedens skyld.

En anden måde at formulere regel 1 og 2 ovenfor ville være:

1. I et parallelt kredsløb er enhedsspændingen konstant, men den strøm, der kræves for hver enhed, lægges sammen til den samlede strøm.

2. I et seriekredsløb er enhedens strøm konstant, men den nødvendige spænding er summen af alle enhedsspændinger (lagt sammen).

Lad os gennemgå nogle eksempler med et 9-volts batteri (eller en strømforsyning):

Eksempel #1

Vi ønsker at tilslutte to af vores 2×3 superhvide LED’er i serie.

1. Først bestemmer vi enhedsspændingen, som er 3,6 volt, og lægger den sammen for to lysdioder (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Nu, hvor vi har dette beløb, skal vi sikre os, at det ikke overtræder regel nr. 3. 80% af 9 volt er 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Mængderne er lige store. Vi er ikke over 90%, så vi kan fortsætte.

3. Næst trækker vi dette beløb på 7,2 fra vores forsyningsspænding (9 volt) og får resultatet, som er 1,8 (dette er Vs-Vd-delen).

4. Dernæst dividerer vi 1,8 med vores enhedsstrøm, som er 20ma, eller 0,02. Vores svar er 90. Da en modstand på 90 ohm ikke er standard, vælger vi den næsthøjeste værdi (100 ohm). Denne lidt højere modstand vil ikke gøre nogen forskel i lysstyrken af lysdioderne.

5. Sluttelig, da vores strømforbrug kun er 20ma i alt, kunne vi bruge vores #38 ledning til alt, hvis vi ville.

Eksempel #2

Vi ønsker at forbinde fire af vores Micro røde lysdioder i serie. Hvilken modstand skal vi bruge?

1. Vi finder, at enhedens spænding er 1,7 volt. For fire lysdioder ville det være 6,8 volt (4 x 1,7 = 6,8).

2. Nu da vi har dette beløb, skal vi sikre os, at det ikke overtræder regel nr. 3. 90% af 9 volt er 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Og 6,8 er mindre end 7,2. Jep, vi er OK.

3. Næst trækker vi dette beløb på 6,8 fra vores forsyningsspænding (9 volt) og får resultatet, som er 2,2 (dette er Vs-Vd-delen).

4. Endeligt dividerer vi 2,2 med vores enhedsstrøm, som er 20ma, eller 0,02. Vores svar er 110. Som det viser sig, er 110 ohm en standardmodstandsværdi, så vi behøver ikke at vælge den nærmeste højere værdi, der er tilgængelig (vælg aldrig en lavere værdi!). Vi bruger en modstand på 110 ohm 1/8 watt 1% modstand.

Exempel #3

Vi ønsker at forbinde tre af vores Micro Super-white LED’er sammen i serie.

1. Enhedens spænding er 3,5 volt. Så for tre lysdioder vil det være 10,5 volt, og… vi har et problem. Dette beløb overtræder ikke kun regel nr. 3 ovenfor, det overstiger også vores forsyningsspænding. I dette tilfælde vil vores lysdioder ikke engang lyse op. Hvis vi i denne situation skal bruge tre af disse lysdioder, skal vi enten bruge en strømkilde, der leverer mindst 11,67 volt (det er det, som 10,5 ville være 90 % af), eller vi skal kun forbinde to i serie og den tredje separat med sin egen modstand (et serie/parallelkredsløb, men mere om det om lidt). I dette tilfælde vil vi have to kredsløbstyper forbundet sammen ved en fælles strømkilde. Skemaet ville se ud som følger:

Her kan vi igen bruge vores #38 ledning til alt undtagen forbindelsen mellem strømkilden og kontakten. For at bestemme, hvilke begrænsningsmodstande der er nødvendige her, beregner vi bare hvert segment af kredsløbet for sig. Det er ligegyldigt, hvilket segment der bestemmes først, men vi tager den enkelte LED/modstand. Til dette bruger vi vores oprindelige formel:

Vi ved, at Vs (for disse eksempler) er 9 volt. Og. vi ved, at Vd er 3,5 volt og I er 20ma. Så (9 – 3,5) = 5,5 ÷ 0,020 = 275. Det er ikke en standardmodstand, så vi bruger en modstand på 300 ohm her.

Nu skal vi beregne serieparret af lysdioder. Formlen for blot to lysdioder ville være:

Og Vs er 9 volt, så 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, og det er en standardmodstandsværdi. Vi er færdige. Vi kan nu tilslutte dette eksempel, og alt vil fungere korrekt.

Belyste Kato Amtrak Superliner med EOT-lys

Her er skemaet for en personvogn, der er tilsluttet til belysning ved hjælp af en broligter og 600μf kapacitet for at sikre flimmerfri polaritetsstabil DC til alle LED’er. En superhvid LED oplyser bilens indre, og to mikro-røde LED’er giver lys ved togets afslutning. Der er tilføjet en afbryder, så EOT-funktionen kan slås fra, hvis det ønskes. Et kørende eksempel på denne bil (med 800μf flimmerkontrol) kan ses her.

Det serie/parallelforbundne LED-kredsløb

Her har vi udvidet lidt på vores eksempel #3 ovenfor. Vi har tre grupper af seriepar af LED’er. Hver behandles som et separat kredsløb til beregningsformål, men er forbundet sammen til en fælles strømkilde. Hvis disse alle skulle være vores Micro Super-white LED’er, ved vi allerede alt, hvad der er nødvendigt for at bygge dette kredsløb. Desuden ved vi, at hvert seriepar vil trække 20ma strøm, så det samlede strømforbrug ved strømkilden vil være 60ma. Ret simpelt.

Det interessante ved serie/parallel LED-kredsløb er, hvor nemt man kan udvide antallet af lys på en given strømkilde. Tag for eksempel vores N3500 Switching Power Supply. Den leverer 1 Amp (1000ma) strøm ved 9 volt.

Ved hjælp af vores parallelle kredsløb tidligere kunne vi tilslutte 50 af vores 2×3 eller Micro eller Nano Super-white LED’er (eller en hvilken som helst kombination svarende til 50), hver med deres egen begrænsningsmodstand, og denne lille forsyning ville klare det. Det ville sandsynligvis være tilstrækkeligt til en by af en anstændig størrelse. Hvis vi nu er lidt klogere, kan vi bruge nogle serie/parallelkredsløb og nemt udvide denne mængde, stadig med kun én forsyning. Hvis de alle var i serie/parallel, kunne vi få 100 lamper til at lyse. Hypotetisk set, hvis vi lavede et projekt med vores N1012 Micro røde LED’er (1,7 volt enhedsspænding), kunne vi køre 400 LED’er med vores lille forsyning. Det er dog en ret bizar tanke. Mørke briller nogen?

For yderligere oplysninger om brugen af vores switching strømforsyning til dine layout- eller diorama-projekter skal du klikke her.

Glem ikke regel nr. 4. Når du opretter seriegrupper, skal du sørge for, at enhedens spændinger og strømkrav er meget ens. Det er tilstrækkeligt at sige, at det ikke vil give tilfredsstillende resultater at blande lysdioder med store forskelle i enhedsspænding eller strømkrav i den samme seriegruppe.

Til sidst skal du være fantasifuld. Du kan blande og matche. Seriekredsløb, parallelle, enkelttrådede lysdioder, serie/parallelkredsløb, hvide grupper, røde grupper, gule, grønne grupper, gule, grønne, hvad som helst. Så længe du beregner hvert enkelt tilfælde for korrekt begrænsningsmodstand og holder øje med dine ledningsskemaer for korrekt ledningsstørrelse, vil dine belysningsprojekter fungere med meget tilfredsstillende resultater.

En anden ting, for dem af jer, der føler sig utilpas ved at arbejde “i lang hånd” med ovenstående formler, har vi oprettet flere regnemaskiner til at foretage beregningerne for jer. Det eneste, du skal gøre, er at indtaste værdierne og klikke på “beregne”-knappen. De kan findes ved at klikke her.

… LAD DER BLIVE LYS …