LED_Schaltkreise

LED-Schaltkreise

Unser Ziel ist es, einen Überblick über die grundlegenden Arten von Schaltkreisen zu geben, die zur Stromversorgung von LEDs verwendet werden. Die folgenden Schaltpläne werden mit den in der Industrie üblichen elektronischen Symbolen für die einzelnen Komponenten gezeichnet. Die Definitionen der Symbole lauten wie folgt:

Das LED-Symbol ist das Standardsymbol für eine Diode mit dem Zusatz von zwei kleinen Pfeilen, die die Emission (von Licht) anzeigen. Daher der Name LED (Light Emitting Diode). Das „A“ steht für die Anode bzw. den Plus-Anschluss (+) und das „C“ für die Kathode bzw. den Minus-Anschluss (-). Wir haben es schon einmal gesagt, aber es lohnt sich zu wiederholen: LEDs sind reine Gleichstromgeräte und funktionieren nicht mit Wechselstrom (AC). Wenn Sie eine LED mit Strom versorgen, muss ein Begrenzungswiderstand in Reihe mit der LED geschaltet werden, es sei denn, die Spannungsquelle entspricht genau der Spannung des LED-Geräts. Ohne diesen Begrenzungswiderstand würde die LED sofort durchbrennen.

In unseren Schaltungen unten verwenden wir das Batteriesymbol, um eine Stromquelle anzugeben. Die Stromversorgung könnte aber auch durch ein Netzteil oder durch Radaufnehmer auf einer Anlage erfolgen. Wichtig ist, dass es sich um eine gut geregelte Gleichspannung handelt, um zu verhindern, dass Überspannungsschwankungen die LEDs beschädigen. Wenn die Spannungsquelle von Gleisabnehmern gespeist wird, sollte ein Brückengleichrichter verwendet werden, um sicherzustellen, dass die LEDs nur Gleichstrom mit gleichbleibender Polarität erhalten.

Die Schaltersymbole sind recht einfach. Ein einpoliger Umschalter (SPST) ist einfach eine Ein-Aus-Funktion, während der SPDT-Schalter (Umschalter) die Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Schaltkreisen ermöglicht. Er kann als Umschalter verwendet werden, wenn eine Seite mit nichts verbunden ist. Der Taster ist ein Schalter mit Tastendruck.

Das hier verwendete Kondensatorsymbol steht für den elektrolytischen oder gepolten Kondensatortyp. Das heißt, er muss in einem Gleichstromkreis verwendet und richtig angeschlossen werden (Plus-Anschluss an die Plus-Spannung), sonst wird er beschädigt. Für unsere Zwecke wird er als Kurzzeitspeicher verwendet, um Schwankungen in der Versorgungsspannung auszugleichen, die durch kleine Verluste entstehen, wenn Räder, die Strom aufnehmen, über schmutzige Stellen im Gleis oder Lücken an Weichen rollen. Gepolte Kondensatoren sind nach unterschiedlichen maximalen Gleichspannungswerten gestaffelt. Verwenden Sie immer einen Kondensator, dessen Nennwert die maximale Spannung, die in Ihrer Anwendung erwartet wird, sicher übersteigt.

Die Grundschaltung

So einfach ist es. Die einzelne LED-Schaltung ist der Baustein, auf dem alle anderen Beispiele aufbauen. Für die korrekte Funktion müssen drei Komponentenwerte bekannt sein. Die Versorgungsspannung (Vs), die Betriebsspannung der LED (Vd) und der Betriebsstrom der LED (I). Wenn diese Werte bekannt sind, kann mit Hilfe einer Abwandlung des Ohmschen Gesetzes der richtige Begrenzungswiderstand (R) bestimmt werden. Die Formel lautet:

Ein Beispiel für die Anwendung dieser Formel finden Sie auf unserer Seite mit Tipps zur Brückenverdrahtung. Überprüfen Sie Schritt 7 für Details.

Im obigen Schaltplan sind sowohl der Begrenzungswiderstand als auch der Schalter an der positiven (+) Seite der Schaltung angeschlossen. Wir haben dies getan, um mit der „Standard-Elektro-Praxis“ übereinzustimmen, mit der „heißen“ (plus) Seite des Stromkreises zu arbeiten und nicht mit der Minus- (-) oder „Masse“-Seite. Die Schaltung würde eigentlich auf beide Arten funktionieren, aber die Standard-Sicherheitspraktiken empfehlen die „Unterbrechung“ auf der „heißen“ Seite, um die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses der Drähte mit anderen „geerdeten“ Schaltungen zu minimieren.

Schaltungen mit zwei oder mehr LEDs

Schaltungen mit mehreren LEDs fallen in zwei allgemeine Kategorien; parallel verdrahtete Schaltungen und in Reihe verdrahtete Schaltungen. Ein dritter Typ, der als Serien-/Parallelschaltung bekannt ist, ist eine Kombination der ersten beiden und kann bei Modellierungsprojekten ebenfalls sehr nützlich sein.

Die allgemeinen Regeln für parallele und serielle LED-Schaltungen können wie folgt angegeben werden:

1. In einer Parallelschaltung ist die Spannung durch alle Komponenten (LEDs) gleich, aber der Strom wird durch jede geteilt.

2. In einer Serienschaltung ist der Strom gleich, aber die Spannung wird geteilt.

3. In einer Reihenschaltung sollte die Summe aller LED-Spannungen 90% der Versorgungsspannung nicht überschreiten, um eine stabile LED-Lichtleistung zu gewährleisten.

4. In einer Reihenschaltung sollten alle LEDs die gleichen Spannungs- (Vd) und Stromeigenschaften (I) haben.

Die parallel verdrahtete LED-Schaltung

Oben sind zwei Beispiele für die gleiche Schaltung dargestellt. Abbildung 1 auf der linken Seite ist eine schematische Darstellung von drei LEDs, die parallel an eine Batterie angeschlossen sind und mit einem Schalter ein- und ausgeschaltet werden können. Sie werden feststellen, dass in dieser Schaltung jede LED ihren eigenen Begrenzungswiderstand hat und dass die Versorgungsspannungsseite dieser Widerstände miteinander verbunden und an den Pluspol der Batterie (über einen Schalter) angeschlossen ist. Beachten Sie auch, dass die Kathoden der drei LEDs miteinander verbunden sind und an den Minuspol der Batterie geführt werden. Diese „parallele“ Verbindung der Komponenten macht die Schaltung aus.

Wenn wir die Schaltung genau wie in Abbildung 1 dargestellt aufbauen würden, mit Drähten, die die Geräte so verbinden, wie es der Schaltplan zeigt (Überbrückungsdrähte zwischen den Widerständen und Überbrückungsdrähte zwischen den Kathodenanschlüssen), müssten wir die Strombelastbarkeit des von uns gewählten Drahtes berücksichtigen. Wenn der Draht zu klein ist, könnte eine Überhitzung (oder sogar Schmelzen) auftreten.

In vielen Fällen zeigen wir auf dieser Website Beispiele von LEDs, die mit unserem beschichteten Magnetdraht #38 verdrahtet sind. Wir haben diese Drahtgröße aus ganz bestimmten Gründen gewählt. Er ist klein genug (,0045″ Durchmesser einschließlich Isolationsbeschichtung), um in den meisten Projekten als Draht oder Kabel prototypisch zu erscheinen, sogar in Z-Scale, und er ist groß genug, um 20-Ma-Beleuchtungsgeräte (wie unsere LEDs) mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor von 50 % mit Strom zu versorgen. Wie angegeben, hat der massive Kupferdraht Nr. 38 eine Nennleistung von 31,4 mA und eine Höchstleistung von 35,9 mA. Wir hätten auch #39-Draht mit einem Nennstromwert von 24,9 mA wählen können, aber wir waren der Meinung, dass dies Schwankungen bei Widerstandswerten oder individuellen LED-Variationen nicht sicher ausgleichen würde. Außerdem würde der geringfügig kleinere Durchmesser (0,004″ statt 0,0045″) wahrscheinlich keinen merklichen Unterschied bei der Modellierung machen.

Zurück zu Abbildung 1: Sie können in diesem Beispiel sehen, dass sich der Strombedarf für jedes LED/Widerstandspaar zum nächsten addiert und der obigen Parallelschaltungsregel (#1) folgt. Wir konnten unseren Magnetdraht Nr. 38 nicht für die gesamte Schaltung verwenden. Zum Beispiel wird die Brücke von der unteren LED-Kathode zum Minuspol der Batterie mit 60 mA belastet. Unser Draht würde schnell überhitzen und möglicherweise schmelzen und einen offenen Stromkreis verursachen. Aus diesem Grund ist Abbildung 1 nur eine einfache Möglichkeit, um „schematisch“ darzustellen, wie die Komponenten für eine ordnungsgemäße Funktion der Schaltung angeschlossen werden sollten.

Im wirklichen Leben würde unser tatsächliches Verdrahtungsprojekt eher wie Abbildung 2 aussehen. In diesem Fall können wir unseren Draht mit der Nummer 38 für alles verwenden, außer für die Verbindung zwischen dem Pluspol der Batterie und dem Schalter. Hier bräuchten wir mindestens #34-Draht (79,5ma nom.), aber wir würden wahrscheinlich etwas wie den isolierten #30-Wickeldraht von Radio Shack verwenden. Er ist preiswert, leicht erhältlich und kann 200 mA (Nennwert) übertragen. Das reicht für unsere Anwendung völlig aus. Außerdem würden wir die drei Widerstände wahrscheinlich nicht wirklich an einem Ende zusammenlöten, wie wir gezeigt haben, sondern einfach ein weiteres Stück des 30er Drahtes verwenden, um ihre gemeinsamen Enden miteinander und mit dem Schalter zu verbinden.

Modelleisenbahnanlagen können elektrisch sehr komplex werden, da sie alle Arten von Verdrahtungsanforderungen für Dinge wie Gleisstrom, Schaltung, Beleuchtung, Signalisierung, DCC usw. beinhalten; jede mit unterschiedlichen potenziellen Stromanforderungen. Um Ihnen bei der Planung solcher Dinge zu helfen, finden Sie hier eine Tabelle mit den gängigen Drahtgrößen (massive Kupferlitze) und deren Strombelastbarkeit.

Die seriell verdrahtete LED-Schaltung

Diese Schaltung ist eine einfache Serienschaltung zur Versorgung von drei LEDs. Es gibt zwei wesentliche Unterschiede zwischen dieser und der Parallelschaltung. Alle LEDs teilen sich einen einzigen Begrenzungswiderstand, und die LEDs sind von Anode zu Kathode in Reihe geschaltet. Gemäß der obigen Regel Nr. 2 ist die Formel, die wir zur Bestimmung des Begrenzungswiderstands verwenden, eine weitere Abwandlung der Formel, die wir oben verwendet haben. Die Serienformel für die obige Schaltung würde wie folgt lauten:

Der einzige wirkliche Unterschied besteht darin, dass wir in einem ersten Schritt die Gerätespannungen für die Anzahl der von uns verwendeten LEDs addieren und diesen Wert dann von unserer Versorgungsspannung abziehen. Das Ergebnis wird dann durch den Strom unserer Geräte geteilt (in der Regel 20ma oder .020). Einfach, oder? Vergessen Sie nicht, auch Regel Nr. 3 zu berücksichtigen. Multiplizieren Sie also Ihre Versorgungsspannung mit 90 % (0,9) und stellen Sie sicher, dass die Summe aller Spannungen der Geräte (LEDs) diesen Wert nicht überschreitet. Das ist alles, fast…

Wir müssen wissen, welche Art von Draht wir verwenden werden, also welche Art von Stromaufnahme können wir von dieser Art von Schaltung erwarten? Nun, in der obigen Parallelschaltung würden wir bei drei LEDs mit je 20 mA 60 mA an der Batterie verbrauchen. Also… 60 mA? Nö. Tatsächlich sind es etwas weniger als 20 mA für alle drei LEDs! Der Einfachheit halber sagen wir 20.

Eine andere Art, die obigen Regeln 1 und 2 zu formulieren, wäre:

1. In einer Parallelschaltung ist die Gerätespannung konstant, aber der für jedes Gerät erforderliche Strom wird für den Gesamtstrom addiert.

2. In einer Reihenschaltung ist der Gerätestrom konstant, aber die erforderliche Spannung ist die Summe aller Gerätespannungen (addiert).

Lassen Sie uns einige Beispiele mit einer 9-Volt-Batterie (oder einem Netzteil) durchspielen:

Beispiel 1

Wir wollen zwei unserer 2×3 superweißen LEDs in Reihe schalten.

1. Zunächst bestimmen wir die Gerätespannung, die 3,6 Volt beträgt, und addieren sie für zwei LEDs (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Nun, da wir diesen Wert haben, müssen wir sicherstellen, dass er nicht gegen Regel #3 verstößt. 80% von 9 Volt sind 7,2 Volt (.8 x 9 = 7,2). Die Beträge sind gleich. Wir sind nicht über 90 %, also können wir fortfahren.

3. Als Nächstes subtrahieren wir diesen Betrag von 7,2 von unserer Versorgungsspannung (9 Volt) und erhalten das Ergebnis, das 1,8 beträgt (das ist der Vs-Vd-Teil).

4. Dann teilen wir 1,8 durch unseren Gerätestrom, der 20 mA oder 0,02 beträgt. Unsere Antwort ist 90. Da ein 90-Ohm-Widerstand nicht der Standard ist, nehmen wir den nächsthöheren Wert (100 Ohm). Dieser etwas höhere Widerstand wird keinen Unterschied in der Helligkeit der LEDs machen.

5. Da unsere Stromaufnahme insgesamt nur 20ma beträgt, könnten wir unseren #38-Draht für alles verwenden, wenn wir wollten.

Beispiel #2

Wir wollen vier unserer roten Micro-LEDs in Reihe schalten. Welchen Widerstand sollen wir verwenden?

1. Wir stellen fest, dass die Gerätespannung 1,7 Volt beträgt. Bei vier LEDs wären es 6,8 Volt (4 x 1,7 = 6,8).

2. Nun, da wir diesen Wert haben, müssen wir sicherstellen, dass er nicht gegen Regel Nr. 3 verstößt. 90% von 9 Volt sind 7,2 Volt (.8 x 9 = 7,2). Und 6,8 ist weniger als 7,2. Ja, alles in Ordnung.

3. Als Nächstes subtrahieren wir diesen Betrag von 6,8 von unserer Versorgungsspannung (9 Volt) und erhalten das Ergebnis, das 2,2 beträgt (das ist der Vs-Vd-Teil).

4. Schließlich teilen wir 2,2 durch unseren Gerätestrom, der 20 mA oder 0,02 beträgt. Unsere Antwort ist 110. Wie sich herausstellt, ist 110 Ohm ein Standardwiderstandswert, so dass wir nicht den nächsthöheren verfügbaren Wert wählen müssen (niemals einen niedrigeren Wert wählen!). Wir werden einen 110 Ohm 1/8 Watt 1% Widerstand verwenden.

Beispiel #3

Wir wollen drei unserer Micro Super-weißen LEDs in Reihe schalten.

1. Die Gerätespannung beträgt 3,5 Volt. Bei drei LEDs sind das also 10,5 Volt, und … wir haben ein Problem. Dieser Wert verstößt nicht nur gegen Regel Nr. 3, sondern übersteigt auch unsere Versorgungsspannung. In diesem Fall werden unsere LEDs nicht einmal aufleuchten. Wenn wir in dieser Situation drei dieser LEDs benötigen, brauchen wir entweder eine Stromquelle, die mindestens 11,67 Volt liefert (das ist das, was 10,5 zu 90 % ausmachen würde), oder wir müssen nur zwei in Reihe schalten und die dritte separat mit einem eigenen Widerstand (eine Reihen/Parallelschaltung, aber dazu gleich mehr). In diesem Fall haben wir zwei Schaltungstypen, die an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind. Der Schaltplan würde wie folgt aussehen:

Auch hier können wir unseren Draht #38 für alles verwenden, außer für die Verbindung zwischen der Stromquelle und dem Schalter. Um zu bestimmen, welche Begrenzungswiderstände hier erforderlich sind, berechnen wir einfach jedes Segment der Schaltung separat. Es spielt keine Rolle, welches Segment zuerst bestimmt wird, aber wir nehmen die einzelne LED/Widerstand. Dazu verwenden wir unsere ursprüngliche Formel:

Wir wissen, dass Vs (für diese Beispiele) 9 Volt beträgt. Und wir wissen, dass Vd 3,5 Volt ist und I 20ma beträgt. Also: (9 – 3,5) = 5,5 ÷ 0,020 = 275. Das ist kein Standardwiderstand, also verwenden wir hier einen 300-Ohm-Widerstand.

Nun berechnen wir das Serienpaar von LEDs. Die Formel für nur zwei LEDs wäre:

Auch hier ist Vs 9 Volt, also 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, und das ist ein Standardwiderstandswert. Wir sind fertig. Jetzt können wir dieses Beispiel verdrahten, und alles funktioniert einwandfrei.

Beleuchteter Kato Amtrak Superliner mit EOT-Leuchten

Hier ist der Schaltplan eines Personenwagens, der für die Beleuchtung verdrahtet ist, wobei ein Brückengleichrichter und 600μf Kapazität verwendet werden, um sicherzustellen, dass alle LEDs mit flackerfreiem, polaritätsstabilem Gleichstrom versorgt werden. Eine superweiße LED beleuchtet das Wageninnere, und zwei rote Micro-LEDs sorgen für die Zugschlussbeleuchtung. Ein Schalter ermöglicht es, die EOT-Funktion auf Wunsch abzuschalten. Ein laufendes Beispiel dieses Wagens (mit 800μf Flackerkontrolle) ist hier zu sehen.

Die seriell/parallel verdrahtete LED-Schaltung

Hier haben wir unser Beispiel #3 oben ein wenig erweitert. Wir haben drei Gruppen von in Reihe geschalteten LED-Paaren. Jede wird für Berechnungszwecke als separater Schaltkreis behandelt, ist aber für eine gemeinsame Stromquelle miteinander verbunden. Wenn es sich dabei um unsere Mikro-Superweiß-LEDs handelt, wissen wir bereits alles, was für den Aufbau dieser Schaltung erforderlich ist. Außerdem wissen wir, dass jedes in Reihe geschaltete Paar 20 mA Strom ziehen wird, so dass die Gesamtleistung an der Stromquelle 60 mA beträgt. Ziemlich einfach.

Das Interessante an seriellen/parallelen LED-Schaltungen ist, wie leicht man die Anzahl der Lichter an einer gegebenen Stromquelle erweitern kann. Nehmen Sie zum Beispiel unser Schaltnetzteil N3500. Es liefert 1 Ampere (1000 mA) Strom bei 9 Volt.

Wenn wir unsere Parallelschaltung von vorhin verwenden, könnten wir 50 unserer 2×3, Micro- oder Nano-Superweiß-LEDs (oder eine beliebige Kombination, die 50 entspricht) anschließen, jede mit ihrem eigenen Begrenzungswiderstand, und dieses kleine Netzteil würde es schaffen. Das würde wahrscheinlich für eine anständig große Stadt ausreichen. Wenn wir nun etwas cleverer sind, können wir einige Reihen-/Parallelschaltungen verwenden und diese Menge leicht erweitern, immer noch mit nur einer Stromversorgung. Wenn sie alle in Reihe/Parallelschaltung geschaltet wären, könnten wir 100 Lichter betreiben. Wenn wir ein Projekt mit unseren roten N1012 Micro-LEDs (1,7 Volt Gerätespannung) durchführen würden, könnten wir hypothetisch 400 LEDs mit unserer kleinen Stromversorgung betreiben. Das ist allerdings ein ziemlich bizarrer Gedanke. Dunkle Brille gefällig?

Für weitere Details zur Verwendung unseres Schaltnetzteils für Ihr Layout oder Ihre Dioramenprojekte klicken Sie hier.

Vergessen Sie nicht Regel Nr. 4. Achten Sie bei der Bildung von Reihenschaltungen darauf, dass die Spannungs- und Stromanforderungen der Geräte sehr ähnlich sind. Es genügt zu sagen, dass das Mischen von LEDs mit großen Unterschieden in der Gerätespannung oder den Stromanforderungen in derselben Seriengruppe keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern wird.

Schließlich sollten Sie fantasievoll sein. Sie können mischen und kombinieren. Reihenschaltungen, parallele, eindrähtige LEDs, Reihen/Parallelschaltungen, weiße Gruppen, rote Gruppen, gelbe, grüne, was auch immer. Solange Sie in jedem Fall den richtigen Begrenzungswiderstand berechnen und bei Ihren Verdrahtungsplänen auf die richtige Drahtgröße achten, werden Ihre Beleuchtungsprojekte mit sehr zufriedenstellenden Ergebnissen funktionieren.

Und noch etwas: Für diejenigen unter Ihnen, denen es unangenehm ist, mit den oben genannten Formeln „von Hand“ zu arbeiten, haben wir mehrere Rechner entwickelt, die die Berechnungen für Sie übernehmen. Alles, was Sie tun müssen, ist, die Werte einzugeben und auf die Schaltfläche „Berechnen“ zu klicken. Sie können sie finden, indem Sie hier klicken.

… ES WERDE LICHT …