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Circuits LED

Notre objectif ici est de fournir un aperçu des types de circuits de base utilisés pour alimenter les LED. Les diagrammes de circuit, ou schémas, qui suivent sont dessinés en utilisant les symboles électroniques standard de l’industrie pour chaque composant. Les définitions des symboles sont les suivantes :

Le symbole LED est le symbole standard d’une diode avec l’ajout de deux petites flèches dénotant l’émission (de lumière). D’où le nom de diode électroluminescente (LED). Le « A » indique l’anode, ou connexion plus (+), et le « C » la cathode, ou connexion moins (-). Nous l’avons déjà dit, mais il faut le répéter : Les DEL sont des dispositifs strictement à courant continu et ne fonctionnent pas avec du courant alternatif (CA). Lorsque vous alimentez une DEL, à moins que la source de tension ne corresponde exactement à la tension du dispositif de la DEL, une résistance de limitation doit être utilisée en série avec la DEL. Sans cette résistance de limitation, la DEL s’éteindrait instantanément.

Dans nos circuits ci-dessous, nous utilisons le symbole de la batterie pour indiquer une source d’alimentation. L’alimentation pourrait tout aussi bien être fournie par un bloc d’alimentation, ou des prises de roues sur les rails d’un réseau. Quelle que soit la source, l’important est qu’elle soit en courant continu et bien régulée pour éviter que les fluctuations de surtension n’endommagent les LED. Si la source de tension doit être alimentée par des capteurs de voie, un pont redresseur doit être utilisé pour s’assurer que les LED ne reçoivent que du courant continu et une polarité invariable.

Les symboles des interrupteurs sont assez simples. Un interrupteur unipolaire, unidirectionnel (SPST) est simplement une fonction marche-arrêt, tandis que l’interrupteur SPDT (double-directionnel) permet le routage entre deux circuits différents. Il peut être utilisé en tant qu’interrupteur unipolaire si un côté n’est connecté à rien. Le bouton-poussoir est un interrupteur à contact momentané.

Le symbole du condensateur que nous utilisons ici est pour le type de condensateur électrolytique ou polarisé. C’est-à-dire qu’il doit être utilisé dans un circuit de courant continu et connecté correctement (connexion plus à la tension plus), sinon il sera endommagé. Dans notre cas, il est utilisé pour le stockage momentané, pour aider à « lisser » les fluctuations de la tension d’alimentation causées par de petites pertes lorsque les roues qui prennent de l’énergie roulent sur des endroits sales de la voie ou des trous aux aiguillages. Les condensateurs polarisés sont classés en fonction de leur tension maximale en courant continu. Utilisez toujours un condensateur dont la valeur nominale dépasse sans risque la tension maximale prévue dans votre application.

Le circuit de base

C’est aussi simple que possible. Le circuit à une seule DEL est le bloc de construction sur lequel tous nos autres exemples sont basés. Pour un fonctionnement correct, trois valeurs de composants doivent être connues. La tension d’alimentation (Vs), la tension de fonctionnement du dispositif LED (Vd), et le courant de fonctionnement de la LED (I). Ces valeurs étant connues, en utilisant une variation de la loi d’Ohm, la résistance de limitation correcte (R) peut être déterminée. La formule est la suivante :

Un exemple de cette formule se trouve sur notre page d’astuces de câblage de pont. Revoyez l’étape 7 pour plus de détails.

Dans le schéma ci-dessus, nous avons à la fois la résistance de limitation et l’interrupteur connectés sur le côté positif (+) du circuit. Nous avons fait cela pour être cohérent avec les « pratiques électriques standard » en travaillant avec le côté « chaud » (plus) du circuit plutôt que le côté moins (-), ou « terre ». Le circuit fonctionnerait en fait adéquatement de l’une ou l’autre façon, mais les pratiques de sécurité standard recommandent la « déconnexion » du côté « chaud » pour minimiser la possibilité de court-circuit électrique des fils à d’autres circuits « mis à la terre ».

Circuits avec deux LED ou plus

Les circuits avec plusieurs LED se divisent en deux catégories générales ; les circuits câblés en parallèle, et les circuits câblés en série. Un troisième type connu sous le nom de circuit série/parallèle est une combinaison des deux premiers et peut également être très utile dans les projets de modélisation.

Les règles générales pour les circuits à DEL parallèles et en série peuvent être énoncées comme suit :

1. Dans un circuit parallèle, la tension est la même à travers tous les composants (DEL), mais le courant est divisé à travers chacun.

2. Dans un circuit en série, le courant est le même, mais la tension est divisée.

3. Dans un circuit en série, la somme des tensions de toutes les LED ne doit pas dépasser 90% de la tension d’alimentation pour assurer une sortie de lumière LED stable.

4. Dans un circuit en série, toutes les DEL doivent avoir les mêmes propriétés de tension (Vd) et de courant (I).

Le circuit de DEL câblé en parallèle

Vous trouverez ci-dessus deux exemples du même circuit. La figure 1 à gauche, est une représentation schématique de trois LED connectées en parallèle à une batterie avec un interrupteur pour les allumer ou les éteindre. Vous remarquerez que dans ce circuit, chaque DEL a sa propre résistance de limitation et que le côté tension d’alimentation de ces résistances est connecté ensemble et acheminé vers la borne plus de la batterie (par le biais d’un interrupteur). Notez également que les cathodes des trois DEL sont connectées ensemble et acheminées vers la borne négative de la batterie. Cette connexion « parallèle » des composants est ce qui définit le circuit.

Si nous devions construire le circuit exactement comme indiqué sur la figure 1, avec des fils reliant les dispositifs de la façon dont le schéma le montre (fils de liaison entre les résistances, et fils de liaison entre les connexions de cathode), nous devrions considérer la capacité de transport de courant du fil que nous choisissons. Si le fil est trop petit, une surchauffe (ou même une fusion) pourrait se produire.

Dans de nombreux cas, tout au long de ce site Web, nous montrons des exemples de DEL câblées avec notre fil magnétique revêtu #38. Nous avons choisi cette taille de fil pour des raisons très spécifiques. Il est assez petit (,0045″ de diamètre, y compris le revêtement isolant) pour apparaître prototypique comme fil ou câble dans la plupart des projets, même en Z-Scale, et il est assez grand pour fournir du courant à des dispositifs d’éclairage de 20ma (comme nos LED) avec un facteur de sécurité supplémentaire de 50%. Tel qu’il est spécifié, le fil de cuivre massif #38 a une valeur nominale de 31,4ma et une valeur maximale de 35,9ma. Nous aurions pu choisir un fil #39, avec une valeur nominale de 24,9ma, mais nous avons estimé que cela ne permettrait pas de tenir compte des fluctuations des valeurs des résistances ou des variations individuelles des LED. De plus, le diamètre légèrement plus petit (.004″ au lieu de .0045″) ne ferait probablement pas une différence notable dans la modélisation.

Retournons à la Figure 1 ; vous pouvez voir dans cet exemple le besoin en courant pour chaque paire LED/résistance, s’ajoute à la suivante, et suit la règle du circuit parallèle (#1) ci-dessus. Nous ne pouvions pas utiliser en toute sécurité notre fil magnétique n° 38 pour l’ensemble de ce circuit. Par exemple, le cavalier reliant la cathode de la DEL du bas à la borne négative de la batterie supportera 60 mA. Notre fil surchaufferait rapidement et pourrait fondre, provoquant un circuit ouvert. Pour cette raison, la figure 1 n’est qu’un moyen facile de représenter « schématiquement » comment les composants doivent être connectés pour un bon fonctionnement du circuit.

Dans la vraie vie, notre projet de câblage réel ressemblerait davantage à la figure 2. Dans ce cas, nous pouvons utiliser en toute sécurité notre fil #38 pour tout, sauf pour la connexion entre la borne plus de la batterie et l’interrupteur. Ici, nous aurions besoin d’au moins un fil n° 34 (79,5ma nom.), mais nous utiliserions probablement quelque chose comme le fil d’emballage isolé n° 30 de Radio Shack. Il est peu coûteux, facilement disponible, et peut supporter 200ma (spécification nominale). Largement suffisant pour notre application. De plus, nous ne souderions probablement pas réellement les trois résistances ensemble à une extrémité comme nous l’avons montré, nous utiliserions juste un autre morceau de ce #30 pour connecter leurs extrémités communes ensemble et à l’interrupteur.

Les aménagements de trains miniatures peuvent devenir électriquement complexes impliquant toutes sortes d’exigences de câblage pour des choses comme l’alimentation de la voie, la commutation, l’éclairage, la signalisation, le DCC, etc… ; chacun avec différents besoins potentiels de courant. Pour vous aider dans votre planification pour de telles choses, un tableau des tailles de fils communs (simple brin de cuivre solide) et de leurs capacités de transport de courant est disponibleici.

Le circuit de DEL câblé en série

Ce circuit est un simple circuit en série pour alimenter trois DEL. Vous noterez deux différences principales entre ce circuit et le circuit parallèle. Toutes les DEL partagent une seule résistance de limitation et les DEL sont connectées d’anode à cathode en  » guirlande « . Conformément à la règle n° 2 ci-dessus, la formule que nous utiliserons pour déterminer notre résistance de limitation est une variation supplémentaire de la formule utilisée ci-dessus. La formule de série pour le circuit ci-dessus s’écrirait comme suit :

La seule vraie différence ici, c’est que notre première étape consiste à additionner les tensions des dispositifs pour le nombre de LED que nous utilisons ensemble, puis à soustraire cette valeur de notre tension d’alimentation. Ce résultat est ensuite divisé par le courant de nos dispositifs (généralement 20ma ou .020). Simple, non ? N’oubliez pas de tenir compte de la règle n° 3. En d’autres termes, multipliez votre tension d’alimentation par 90 % (0,9) et assurez-vous que la somme des tensions de tous les dispositifs (LED) ne dépasse pas cette valeur. C’est tout ce qu’il y a à faire, presque…

Nous devons savoir quel type de fil nous allons utiliser, donc quel type de courant absorbé pouvons-nous attendre de ce type de circuit ? Eh bien, dans le circuit parallèle ci-dessus, pour trois LED à 20ma chacune, nous consommerions 60ma à la batterie. Donc… 60ma ? Non, pas du tout. En fait, un peu moins de 20ma pour les trois LEDs ! Nous l’appellerons 20 pour plus de simplicité.

Une autre façon d’énoncer les règles 1 et 2 ci-dessus serait :

1. Dans un circuit parallèle, la tension du dispositif est constante, mais le courant requis pour chaque dispositif est additionné pour obtenir le courant total.

2. Dans un circuit en série, le courant du dispositif est constant, mais la tension requise est la somme de toutes les tensions des dispositifs (additionnées).

Travaillons sur quelques exemples en utilisant une pile de 9 volts (ou une alimentation) :

Exemple #1

Nous voulons brancher deux de nos LED 2×3 super blanches en série.

1. D’abord, nous déterminons la tension du dispositif, qui est de 3,6 volts et nous l’additionnons pour deux DEL (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Maintenant que nous avons cette quantité, assurons-nous qu’elle ne viole pas la règle n°3. 80% de 9 volts est 7,2 volts (.8 x 9 = 7,2). Les quantités sont égales. Nous ne sommes pas au-dessus de 90%, donc nous pouvons continuer.

3. Puis, nous soustrayons cette quantité de 7,2 de notre tension d’alimentation (9 volts) et obtenons le résultat qui est 1,8 (c’est la partie Vs-Vd).

4. Puis, nous divisons 1,8 par le courant de notre dispositif qui est de 20ma, ou .02. Notre réponse est 90. Puisqu’une résistance de 90 ohms n’est pas standard, nous allons choisir la prochaine valeur la plus élevée (100 ohms). Cette résistance légèrement supérieure ne fera aucune différence dans la luminosité des DEL.

5. Enfin, puisque notre consommation de courant n’est que de 20ma au total, nous pourrions utiliser notre fil #38 pour tout, si nous le voulions.

Exemple #2

Nous voulons connecter quatre de nos DEL Micro rouges en série. Quelle résistance devons-nous utiliser ?

1. Nous trouvons que la tension du dispositif est de 1,7 volt. Pour quatre DEL, elle serait de 6,8 volts (4 x 1,7 = 6,8).

2. Maintenant que nous avons cette quantité, vérifions qu’elle ne viole pas la règle n°3. 90% de 9 volts est de 7,2 volts (,8 x 9 = 7,2). Et, 6,8 est inférieur à 7,2. Oui, nous sommes OK.

3. Puis, nous soustrayons cette quantité de 6,8 de notre tension d’alimentation (9 volts) et nous obtenons le résultat qui est 2,2 (c’est la partie Vs-Vd).

4. Enfin, nous divisons 2,2 par le courant de notre dispositif qui est de 20ma, ou .02. Notre réponse est 110. Il s’avère que 110 ohms est une valeur de résistance standard, nous n’avons donc pas à choisir la valeur supérieure la plus proche disponible (ne choisissez jamais une valeur inférieure !). Nous utiliserons une résistance de 110 Ohms 1/8 watt 1%.

Exemple #3

Nous voulons connecter trois de nos Micro Super-LEDs blanches ensemble en série.

1. La tension du dispositif est de 3,5 volts. Donc, pour trois DEL, ce sera 10,5 volts, et… nous avons un problème. Cette quantité ne viole pas seulement la règle n°3 ci-dessus, elle dépasse notre tension d’alimentation. Dans ce cas, nos LED ne s’allument même pas. Dans cette situation, si nous avons besoin de trois de ces DEL, nous aurons besoin d’une source d’alimentation qui fournit au moins 11,67 volts (c’est ce que 10,5 représente à 90 %), ou nous devrons en connecter seulement deux en série et la troisième séparément, avec sa propre résistance (un circuit série/parallèle, mais nous y reviendrons bientôt). Dans ce cas, nous aurons deux types de circuits connectés ensemble à une source d’alimentation commune. Le schéma apparaîtrait comme suit:

Ici encore, nous pouvons utiliser notre fil #38 pour tout sauf la connexion entre la source d’alimentation et l’interrupteur. Pour déterminer quelles résistances de limitation sont nécessaires ici, nous calculons simplement chaque segment du circuit séparément. Le segment qui est déterminé en premier n’a pas d’importance, mais nous allons nous occuper de la LED/résistance unique. Pour cela, nous utilisons notre formule originale:

Nous savons que Vs (pour ces exemples) est de 9 volts. Et. nous savons que Vd est de 3,5 volts et que I est de 20ma. Donc, (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. Ce n’est pas une résistance de valeur standard, donc nous allons utiliser une résistance de 300 ohms ici.

Maintenant, nous allons calculer la paire de LED en série. La formule pour seulement deux DEL serait :

Encore, Vs est de 9 volts, donc 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, et c’est une valeur de résistance standard. Nous avons terminé. Nous pouvons maintenant câbler cet exemple et tout fonctionnera correctement.

Superliner Kato Amtrak éclairé avec des feux EOT

Voici le schéma d’une voiture de passagers câblée pour l’éclairage à l’aide d’un pont redresseur et de 600μf de capacité pour s’assurer qu’un CC stable en polarité et sans scintillement est fourni à toutes les LED. Une LED super-blanche éclaire l’intérieur de la voiture et deux Micro LED rouges fournissent les feux de fin de train. Un interrupteur est ajouté pour que la fonction EOT puisse être désactivée, si on le souhaite. Un exemple de fonctionnement de cette voiture (avec 800μf de contrôle de scintillement) peut être vu ici.

Le circuit de LED câblé en série/parallèle

Ici, nous avons étendu un peu notre exemple #3 ci-dessus. Nous avons trois groupes de paires de DEL en série. Chacun est traité comme un circuit séparé à des fins de calcul, mais ils sont connectés ensemble pour une source d’alimentation commune. S’il s’agit de nos micro LED super blanches, nous savons déjà tout ce qui est nécessaire pour construire ce circuit. De plus, nous savons que chaque paire en série consommera 20ma de courant, donc le total à la source d’alimentation sera de 60ma. Plutôt simple.

La chose intéressante avec les circuits de LED en série/parallèle est la facilité avec laquelle vous pouvez augmenter le nombre de lumières sur une source d’alimentation donnée. Prenez notre alimentation à découpage N3500 par exemple. Il fournit 1 Amp (1000ma) de courant à 9 volts.

En utilisant notre circuit parallèle plus tôt, nous pourrions connecter jusqu’à 50 de nos 2×3, ou Micro, ou Nano Super-white LEDs (ou toute combinaison égale à 50), chacun avec leur propre résistance de limitation, et cette petite alimentation le gérerait. Cela serait probablement suffisant pour une ville de taille décente. Maintenant, si nous sommes un peu plus malins, nous pouvons utiliser des circuits série/parallèle et augmenter facilement cette quantité, toujours avec une seule alimentation. S’ils étaient tous en série/parallèle, nous pourrions faire fonctionner 100 lampes. Hypothétiquement, si nous faisions un projet utilisant nos DEL rouges N1012 Micro (tension de dispositif de 1,7 volt), nous pourrions faire fonctionner 400 DEL avec notre petite alimentation. C’est une idée assez bizarre, cependant. Lunettes noires, quelqu’un ?

Pour plus de détails sur l’utilisation de notre alimentation à découpage pour vos projets de layout ou de diorama, cliquez ici.

N’oubliez pas la règle n°4. Lorsque vous créez des groupes en série, assurez-vous que les tensions et les besoins en courant des appareils sont étroitement similaires. Il suffit de dire que le mélange de DEL avec de grandes différences de tension de dispositif ou de besoins en courant dans le même groupe de série ne produira pas de résultats satisfaisants.

Enfin, faites preuve d’imagination. Vous pouvez mélanger et assortir. Circuits en série, en parallèle, DEL à fil unique, circuits en série/parallèle, groupes blancs, groupes rouges, jaunes, verts, peu importe. Tant que vous calculez chaque cas pour la résistance de limitation appropriée et que vous surveillez vos schémas de câblage pour la taille correcte des fils, vos projets d’éclairage fonctionneront avec des résultats très satisfaisants.

Une autre chose, pour ceux d’entre vous qui se sentent mal à l’aise de travailler « à la main » avec les formules ci-dessus, nous avons créé plusieurs calculateurs pour faire les calculs pour vous. Il vous suffit d’entrer les valeurs et de cliquer sur le bouton « calculer ». Vous pouvez les trouver en cliquant ici.

… QUE LA LUMIÈRE SOIT…