LED_piirit

LED-piirit

Tarkoituksemme on antaa yleiskatsaus LEDien virransyöttöön käytettävien piirien perustyypeistä. Seuraavat piirikaaviot eli kaaviot on piirretty käyttäen kunkin komponentin kohdalla alan elektronisia standardisymboleja. Symbolien määritelmät ovat seuraavat:

LED-symboli on diodin vakiosymboli, johon on lisätty kaksi pientä nuolta merkitsemään (valon) emissiota. Siitä nimi, valoa säteilevä diodi (LED). A osoittaa anodin eli plus (+) -liitännän ja C katodin eli miinus (-) -liitännän. Olemme sanoneet sen ennenkin, mutta se on syytä toistaa: LEDit ovat tiukasti tasavirtalaitteita, eivätkä ne toimi vaihtovirralla (AC). Kun LEDiä syötetään, ellei jännitelähde vastaa täsmälleen LED-laitteen jännitettä, LEDin kanssa on käytettävä sarjassa ”rajoitusvastusta”. Ilman tätä rajoitusvastusta LED palaisi välittömästi loppuun.

Alla olevissa piireissämme käytämme paristosymbolia osoittamaan virtalähdettä. Virran voisi aivan yhtä helposti saada virtalähteestä tai layoutin radan pyöränpoimijoista. Olipa lähde mikä tahansa, tärkeää on, että sen on oltava tasavirtaa ja hyvin säädetty, jotta ylijännitteen vaihtelut eivät aiheuta vahinkoa LEDeille. Jos jännitelähde syötetään radan poimijoista, on käytettävä siltasuuntaajaa, jotta varmistetaan, että LEDit saavat vain tasajännitettä ja muuttumatonta napaisuutta.

Kytkimien symbolit ovat melko suoraviivaisia. Yksinapainen, yksisuuntainen (SPST) kytkin on yksinkertaisesti on-off-toiminto, kun taas SPDT (kaksisuuntainen) kytkin mahdollistaa reitityksen kahden eri piirin välillä. Sitä voidaan käyttää yksisuuntaisena kytkimenä, jos toista puolta ei ole kytketty mihinkään. Painonappi on hetkellinen kosketinkytkin.

Tässä käyttämämme kondensaattorin symboli tarkoittaa elektrolyyttistä tai polarisoitua kondensaattorityyppiä. Eli sitä on käytettävä tasavirtapiirissä ja kytkettävä oikein (plus-liitäntä plus-jännitteeseen), tai se vaurioituu. Meidän tarkoituksiamme varten sitä käytetään hetkelliseen varastointiin, joka auttaa ”tasoittamaan” syöttöjännitteen vaihteluita, jotka johtuvat pienistä häviöistä, kun virtaa ottavat pyörät rullaavat radan likaisten kohtien tai vaihteiden aukkojen yli. Polarisoidut kondensaattorit luokitellaan eri suurimpien tasajännitearvojen mukaan. Käytä aina kondensaattoria, jonka nimellisarvo ylittää turvallisesti sovelluksessasi odotettavissa olevan enimmäisjännitteen.

Peruspiiri

Tämä on niin yksinkertaista kuin vain voi olla. Yksittäinen LED-piiri on rakennuspalikka, johon kaikki muut esimerkkimme perustuvat. Oikeaa toimintaa varten on tunnettava kolme komponentin arvoa. Syöttöjännite (Vs), LED-laitteen käyttöjännite (Vd) ja LEDin toimintavirta (I). Kun nämä tiedetään, voidaan Ohmin lain muunnelman avulla määrittää oikea rajoitusvastus (R). Kaava on:

Esimerkki tämän kaavan läpikäymisestä löytyy sillan kytkentävinkit-sivultamme. Tutustu vaiheeseen 7 saadaksesi lisätietoja.

Yllä olevassa kaaviossa sekä rajoitusvastus että kytkin on kytketty piirin positiiviselle (+) puolelle. Olemme tehneet tämän ollaksemme johdonmukaisia ”tavanomaisten sähkökäytäntöjen” kanssa työskennellessämme piirin ”kuuman” (plus) puolen kanssa pikemminkin kuin miinus (-) eli ”maadoituspuolen” kanssa. Piiri toimisi itse asiassa asianmukaisesti kummallakin tavalla, mutta tavanomaiset turvallisuuskäytännöt suosittelevat ”katkaisua” ”kuumalla” puolella, jotta minimoidaan mahdollisuus johtojen sähköiseen oikosulkuun muihin ”maadoitettuihin” virtapiireihin.

Piirit, joissa on kaksi tai useampia LEDejä

Piirit, joissa on useita LEDejä, jakautuvat kahteen yleiseen luokkaan; rinnakkain kytkettyihin virtapiireihin ja sarjaan kytkettyihin virtapiireihin. Kolmas tyyppi, joka tunnetaan nimellä sarja/rinnakkaispiiri, on yhdistelmä kahdesta ensimmäisestä, ja se voi myös olla varsin käyttökelpoinen mallinnusprojekteissa.

Rinnakkais- ja sarja-LED-piirejä koskevat yleiset säännöt voidaan todeta seuraavasti:

1. Rinnakkaispiirissä jännite on sama kaikkien komponenttien (LEDien) kautta, mutta virta jaetaan jokaisen komponentin kautta.

2. Sarjapiirissä virta on sama, mutta jännite jaetaan.

3. Sarjapiirissä kaikkien LED-jännitteiden summa ei saisi ylittää 90 % syöttöjännitteestä, jotta LED-valoteho olisi vakaa.

4. Sarjapiirissä kaikilla LEDeillä tulisi olla samat jännitteen (Vd) ja virran (I) ominaisuudet.

Rinnakkain kytketty LED-piiri

Yllä olevassa kuvassa on kaksi esimerkkiä samasta piiristä. Vasemmalla olevassa kuvassa 1 on kaavamainen esitys kolmesta LEDistä, jotka on kytketty rinnakkain paristoon ja joissa on kytkin, jolla ne kytketään päälle tai pois päältä. Huomaat, että tässä piirissä jokaisella LEDillä on oma rajoitusvastuksensa ja näiden vastusten syöttöjännitepuoli on kytketty yhteen ja johdettu plus-pariston napaan (kytkimen kautta). Huomaa myös, että kolmen LEDin katodit on kytketty yhteen ja johdettu negatiiviseen akun napaan. Tämä komponenttien ”rinnakkainen” kytkentä määrittelee piirin.

Jos rakentaisimme piirin täsmälleen kuvassa 1 esitetyllä tavalla siten, että johdot yhdistävät laitteet kaavion osoittamalla tavalla (hyppyjohdot vastusten välissä ja hyppyjohdot katodiliitäntöjen välissä), meidän olisi otettava huomioon valitsemamme johdon virransiirtokyky. Jos johdin on liian pieni, seurauksena voi olla ylikuumeneminen (tai jopa sulaminen).

Monissa tapauksissa tällä verkkosivustolla näytämme esimerkkejä LEDeistä, jotka on kytketty käyttämällä #38-pinnoitettua magneettilankaamme. Valitsimme tämän kokoisen langan hyvin erityisistä syistä. Se on tarpeeksi pieni (,0045″ halkaisija eristyspinnoite mukaan lukien), jotta se näyttäisi prototyyppiseltä johtona tai kaapelina useimmissa projekteissa, jopa Z-mittakaavassa, ja se on tarpeeksi suuri syöttämään virtaa 20 ma:n valaistuslaitteille (kuten meidän LEDeillemme) ylimääräisellä 50 %:n varmuuskertoimella. Täysjohdin #38 on nimellisarvoltaan 31,4 ma ja enimmäisarvoltaan 35,9 ma. Olisimme voineet valita #39-johdon, jonka nimellisvirta-arvo on 24,9 ma, mutta katsoimme, että tämä ei sallisi turvallisesti vastusten arvojen tai yksittäisten LEDien vaihtelua. Lisäksi hieman pienempi halkaisija (.004″ .0045″:n sijasta) ei luultavasti tekisi havaittavaa eroa mallinnuksessa.

Palataan takaisin kuvaan 1; näet tässä esimerkissä jokaisen LED/vastuksen parin virtavaatimuksen, joka lisätään seuraavaan ja noudattaa edellä mainittua rinnakkaisvirtapiirin sääntöä (#1). Emme voineet turvallisesti käyttää #38-magneettijohtoamme koko tähän piiriin. Esimerkiksi jumpperi alimman LED-katodin katodista negatiiviseen akun napaan kuljettaa 60ma. Johtomme ylikuumenisi nopeasti ja mahdollisesti sulaisi aiheuttaen avoimen piirin. Tästä syystä kuva 1 on vain helppo tapa esittää ”kaavamaisesti”, miten komponentit tulisi kytkeä, jotta piiri toimisi oikein.

Todellisessa elämässä varsinainen kytkentäprojektimme näyttäisi enemmän kuvan 2 kaltaiselta. Tässä tapauksessa voimme turvallisesti käyttää #38-johtoamme kaikkeen muuhun paitsi akun plusnapan ja kytkimen väliseen liitäntään. Tässä tarvitsisimme vähintään #34-johdon (79,5 ma nom.), mutta käyttäisimme luultavasti jotain Radio Shackin #30-eristettyä käärejohtoa. Se on edullinen, helposti saatavilla ja kestää 200 ma (nimellisarvo). Riittävän suuri sovellukseemme. Emme myöskään luultavasti juottaisi kolmea vastusta yhteen, kuten olemme osoittaneet, vaan käyttäisimme vain toista palaa tuota #30-johdinta liittääksemme niiden yhteiset päät toisiinsa ja kytkimeen.

Mallirautatieasetelmat voivat muuttua sähköisesti monimutkaisiksi, ja niihin voi liittyä kaikenlaisia kytkentävaatimuksia, kuten radan virransyöttö, kytkentä, valaistus, merkinanto, DCC jne.; jokaisella niistä on erilainen potentiaalinen virran tarve. Tällaisten asioiden suunnittelun avuksi on saatavana taulukko yleisten johtojen (kiinteä kuparinen yksisäikeinen) koosta ja niiden virrankantokyvystä.

Sarjaan kytketty LED-piiri

Tämä piiri on yksinkertainen sarjaan kytketty piiri, joka syöttää virtaa kolmelle LEDille. Huomaat kaksi pääasiallista eroa tämän ja rinnakkaispiirin välillä. Kaikilla LEDeillä on yhteinen rajoitusvastus, ja LEDit on kytketty anodista katodiin ”daisy-chained” -periaatteella. Yllä olevan säännön nro 2 mukaisesti kaava, jota käytämme rajoitusvastuksen määrittämiseen, on edelleen muunnelma edellä käyttämästämme kaavasta. Edellä esitetyn piirin sarjakaava kirjoitettaisiin seuraavasti:

Ainoa todellinen ero tässä on se, että ensimmäinen askeleemme on laskea yhteen käyttämiemme LEDien lukumäärän laitejännitteet ja vähentää sitten tämä arvo syöttöjännitteestä. Tulos jaetaan sitten laitteiden virralla (tyypillisesti 20 ma tai .020). Yksinkertaista, eikö? Muista ottaa huomioon myös sääntö nro 3. Eli kerro syöttöjännite 90 %:lla (0,9) ja varmista, että kaikkien laitteiden (LEDien) jännitteiden summa ei ylitä tätä arvoa. Siinä kaikki, melkein…

Meidän on tiedettävä, millaista johtoa aiomme käyttää, joten millaista virrankulutusta voimme odottaa tällaiselta piiriltä? No, yllä olevassa rinnakkaispiirissä kolmelle LEDille 20ma:n kukin, kuluttaisimme 60ma:n virran akulta. Joten… 60ma? Ei. Itse asiassa hieman alle 20 ma kaikille kolmelle ledille! Kutsumme sitä yksinkertaisuuden vuoksi 20:ksi.

Toinen tapa esittää säännöt 1 ja 2 yllä olisi:

1. Rinnakkaispiirissä laitejännite on vakio, mutta kunkin laitteen tarvitsema virta lasketaan yhteen, jolloin saadaan kokonaisvirta.

2. Sarjapiirissä laitejännite on vakio, mutta tarvittava jännite on kaikkien laitejännitteiden summa (yhteenlaskettuna).

Käsitellään muutamia esimerkkejä käyttäen 9 voltin paristoa (tai virtalähdettä):

Esimerkki #1

Haluamme kytkeä kaksi 2×3 Super-valkoista LEDiä sarjaan.

1. Ensin määrittelemme laitteen jännitteen, joka on 3,6 volttia, ja laskemme sen yhteen kahta LEDiä varten (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Nyt kun meillä on tämä määrä, varmistetaan, ettei se riko sääntöä nro 3. 80 % 9 voltista on 7,2 volttia (.8 x 9 = 7,2). Määrät ovat yhtä suuret. Emme ole yli 90 %, joten voimme jatkaa.

3. Seuraavaksi vähennämme tämän 7,2 määrän syöttöjännitteestämme (9 volttia) ja saamme tuloksen, joka on 1,8 (tämä on Vs-Vd-osa).

4. Sitten jaamme 1,8:n laitteen virrallamme, joka on 20 ma eli 0,02. Vastauksemme on 90. Koska 90 ohmin vastus ei ole standardi, valitsemme seuraavaksi suurimman arvon (100 ohmia). Tämä hieman korkeampi vastus ei tee mitään eroa ledien kirkkauteen.

5. Loppujen lopuksi, koska virrankulutuksemme on yhteensä vain 20ma, voisimme käyttää #38-johtoamme kaikkeen, jos haluaisimme.

Esimerkki #2

Haluamme kytkeä neljä Micro-punaista lediämme sarjaan. Mitä vastusta meidän pitäisi käyttää?

1. Havaitsemme laitteen jännitteen olevan 1,7 volttia. Neljälle LEDille se olisi 6,8 volttia (4 x 1,7 = 6,8).

2. Nyt kun meillä on tämä määrä, varmistetaan, ettei se riko sääntöä nro 3. 90 % 9 voltista on 7,2 volttia (.8 x 9 = 7,2). Ja 6,8 on pienempi kuin 7,2. Jep, olemme OK.

3. Seuraavaksi vähennämme tämän 6,8:n määrän syöttöjännitteestämme (9 volttia) ja saamme tuloksen, joka on 2,2 (tämä on Vs-Vd-osa).

4. Lopuksi jaamme 2,2:n laitteen virrallamme, joka on 20 ma eli 0,02. Vastauksemme on 110. Kuten käy ilmi, 110 ohmia on vakiovastuksen arvo, joten meidän ei tarvitse valita lähintä saatavilla olevaa suurempaa arvoa (älä koskaan valitse pienempää arvoa!). Käytämme 110 ohmin 1/8 watin 1-prosenttista vastusta.

Esimerkki #3

Haluamme kytkeä kolme Micro Super-valkoista LEDiä sarjaan.

1. Laitteen jännite on 3,5 volttia. Joten kolmelle LEDille se on 10,5 volttia, ja… meillä on ongelma. Tämä määrä ei ainoastaan riko yllä olevaa sääntöä #3, vaan se ylittää syöttöjännitteemme. Tässä tapauksessa LEDimme eivät edes syty. Tässä tilanteessa, jos tarvitsemme kolme tällaista LEDiä, tarvitsemme joko virtalähteen, joka syöttää vähintään 11,67 volttia (siitä 10,5 olisi 90 prosenttia), tai meidän on kytkettävä vain kaksi sarjaan ja kolmas erikseen omalla vastuksella (sarja/rinnakkaispiiri, mutta siitä lisää pian). Tässä tapauksessa meillä on kaksi piirityyppiä, jotka on kytketty yhteen yhteiseen virtalähteeseen. Kaavio näyttäisi seuraavalta:

Tässä voimme taas käyttää #38-johtoamme kaikkeen muuhun paitsi virtalähteen ja kytkimen väliseen yhteyteen. Määrittääksemme, mitä rajoitusvastuksia tässä tarvitaan, laskemme vain piirin jokaisen segmentin erikseen. Sillä ei ole väliä, mikä segmentti määritetään ensin, mutta teemme yksittäisen LEDin/vastuksen. Tätä varten käytämme alkuperäistä kaavaamme:

Tiedämme, että Vs (näissä esimerkeissä) on 9 volttia. Ja. tiedämme, että Vd on 3,5 volttia ja I on 20 ma. Joten (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. Se ei ole vakioarvoinen vastus, joten käytämme tässä 300 ohmin vastusta.

Lasketaan nyt LEDien sarjapari. Kaava vain kahdelle LEDille olisi:

Vs on taas 9 volttia, joten 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, ja se on vakiovastuksen arvo. Olemme valmiit. Voimme nyt kytkeä tämän esimerkin ja kaikki toimii oikein.

Valaistu Kato Amtrak Superliner EOT-valoilla

Tässä on kaaviokuva henkilöautosta, joka on kytketty valaistusta varten käyttäen siltatasasuuntaajaa ja 600μf:n kapasitanssia sen varmistamiseksi, että kaikkiin LED-valaisimiin syötetään välkyntää aiheuttamatonta, napaisuutta stabiilia tasavirtaa. Erittäin valkoinen LED valaisee vaunun sisätilat ja kaksi Micro-punaista LEDiä antaa junan päätevalot. Kytkin on lisätty, jotta EOT-toiminto voidaan haluttaessa kytkeä pois päältä. Käynnissä oleva esimerkki tästä autosta (jossa on 800μf:n välkynnän säätö) on nähtävissä täällä.

Sarja/rinnakkain kytketty LED-piiri

Tässä olemme laajentaneet hieman yllä olevaa esimerkkiämme #3. Meillä on kolme LEDien sarjaan kytkettyjen parien ryhmää. Kutakin käsitellään laskennassa erillisenä piirinä, mutta ne on kytketty yhteen yhteistä virtalähdettä varten. Jos nämä kaikki olisivat meidän Micro Super-valkoiset LEDit, tiedämme jo kaiken tarvittavan tämän piirin rakentamiseen. Lisäksi tiedämme, että kukin sarjapari vetää 20 ma virtaa, joten virtalähteen kokonaisvirta on 60 ma. Aika yksinkertaista.

Sarja/rinnakkais-LED-piireissä on mielenkiintoista se, kuinka helposti voit laajentaa valojen määrää tietyllä virtalähteellä. Otetaan esimerkiksi N3500-kytkentävirtalähteemme. Se tarjoaa 1 ampeerin (1000ma) virran 9 voltin jännitteellä.

Käyttämällä rinnakkaispiiriämme aiemmin, voisimme liittää 50 2×3-, tai Micro-, tai Nano Super-valkoista LEDiä (tai mitä tahansa yhdistelmää, joka vastaa 50:tä), joista jokaisella on oma rajoitusvastuksensa, ja tämä pieni virtalähde hoitaisi sen. Se luultavasti riittäisi kunnollisen kokoiselle kaupungille. Jos olemme hieman fiksumpia, voimme käyttää joitakin sarja/rinnakkaispiirejä ja helposti laajentaa tätä määrää, edelleen vain yhdellä syöttölaitteella. Jos ne olisivat kaikki sarja/rinnakkaisia, voisimme käyttää 100 valoa. Hypoteettisesti, jos tekisimme projektin, jossa käytämme N1012 Micro punaisia LEDejämme (1,7 voltin laitejännite), voisimme käyttää 400 LEDiä pienellä syötöllä. Se on kuitenkin melko outo ajatus. Tummia laseja kenellekään?

Lisätietoja kytkentävirtalähteemme käytöstä layout- tai dioraamaprojekteissasi saat klikkaamalla tästä.

Älä unohda sääntöä #4. Kun luot sarjaryhmiä, varmista, että laitteiden jännitteet ja virtavaatimukset ovat hyvin samanlaiset. Riittää, kun sanotaan, että sellaisten LEDien sekoittaminen samaan sarjaryhmään, joilla on suuret laitejännite-erot tai virtavaatimukset, ei tuota tyydyttäviä tuloksia.

Viimeiseksi, ole mielikuvituksellinen. Voit sekoittaa ja sovittaa. Sarjapiirit, rinnakkaiset, yksijohtimiset ledit, sarja/rinnakkaispiirit, valkoiset ryhmät, punaiset ryhmät, keltaiset, vihreät, mitä tahansa. Niin kauan kuin lasket jokaisessa tapauksessa oikean rajoitusvastuksen ja katsot johdotussuunnitelmasi oikean johtokoon, valaistushankkeesi toimivat erittäin tyydyttävin tuloksin.

Yksi toinen asia, niille teistä, jotka tuntevat olonsa epämukavaksi työskennellessään ”pitkällä kädellä” edellä mainittujen kaavojen kanssa, olemme luoneet useita laskureita, jotka tekevät laskelmat puolestasi. Sinun tarvitsee vain syöttää arvot ja napsauttaa ”laske”-painiketta. Ne löytyvät klikkaamalla tästä.

… TULKOON VALO …