LED_áramkörök

LED áramkörök

A célunk az, hogy áttekintést adjunk a LED-ek táplálására használt áramkörök alapvető típusairól. A következő áramköri rajzok, vagy kapcsolási rajzok az egyes alkatrészek ipari szabványos elektronikus szimbólumainak felhasználásával készültek. A szimbólumdefiníciók a következők:

A LED szimbólum a dióda szabványos szimbóluma, kiegészítve két kis nyíllal, amelyek a (fény)kibocsátást jelzik. Innen ered a név: fénykibocsátó dióda (LED). Az “A” az anódot, vagyis a plusz (+) csatlakozást, a “C” pedig a katódot, vagyis a mínusz (-) csatlakozást jelöli. Már mondtuk korábban, de meg kell ismételni: A LED-ek szigorúan egyenáramú eszközök, és nem működnek váltakozó áram (AC) használatával. Egy LED táplálásakor, hacsak a feszültségforrás nem felel meg pontosan a LED-eszköz feszültségének, egy “korlátozó” ellenállást kell a LED-del sorba kapcsolni. E korlátozó ellenállás nélkül a LED azonnal kiégne.

Az alábbi áramköreinkben az akkumulátor szimbólumot használjuk az áramforrás jelzésére. A tápellátást egyszerűen biztosíthatná egy tápegység, vagy egy elrendezésen lévő pályáról származó kerékfelvevők is. Bármi legyen is a forrás, a fontos dolog az, hogy egyenáramúnak és jól szabályozottnak kell lennie, hogy megakadályozza a LED-ek károsodását okozó túlfeszültség-ingadozást. Ha a feszültségforrást sínszedőkről kell táplálni, hídegyenirányítót kell használni, hogy a LED-ek csak egyenáramot és változatlan polaritást kapjanak.

A kapcsoló szimbólumok meglehetősen egyszerűek. Az egypólusú, egyfordulatú (SPST) kapcsoló egyszerűen egy be- és kikapcsolási funkciót jelent, míg az SPDT (kétfordulatú) kapcsoló két különböző áramkör közötti átvezetést tesz lehetővé. Egyutas kapcsolóként is használható, ha az egyik oldala nincs összekötve semmivel. A nyomógomb egy pillanatnyi érintkezős kapcsoló.

A kondenzátor szimbólum, amelyet itt használunk, az elektrolitikus vagy polarizált típusú kondenzátorra vonatkozik. Ez azt jelenti, hogy egyenáramú áramkörben kell használni, és megfelelően kell csatlakoztatni (plusz csatlakozás a plusz feszültséghez), különben megsérül. A mi céljainkra pillanatnyi tárolásra használják, hogy segítsen “kisimítani” a tápfeszültség ingadozásait, amelyeket a kis veszteségek okoznak, amikor az áramot felvevő kerekek átgurulnak a pálya piszkos pontjain vagy a váltóknál lévő réseken. A polarizált kondenzátorokat különböző maximális egyenfeszültségi névleges értékek szerint osztályozzák. Mindig olyan kondenzátort használjon, amelynek névleges értéke biztonságosan meghaladja az alkalmazásban várható maximális feszültséget.

Az alapáramkör

Ez a lehető legegyszerűbb. Az egyetlen LED-es áramkör az az építőelem, amelyre az összes többi példánk épül. A megfelelő működéshez három alkatrész értékét kell ismernünk. A tápfeszültséget (Vs), a LED-eszköz működési feszültségét (Vd) és a LED működési áramát (I). Ezek ismeretében az Ohm-törvény egy variációjának segítségével meghatározható a megfelelő korlátozó ellenállás (R). A képlet a következő:

Egy példát, amely ezt a képletet dolgozza fel, aHíd bekötési tippek oldalunkon talál. Tekintse át a 7. lépést a részletekért.

A fenti kapcsolási rajzban mind a korlátozó ellenállás, mind a kapcsoló az áramkör pozitív (+) oldalára van csatlakoztatva. Ezt azért tettük, hogy összhangban legyünk a “szokásos elektromos gyakorlatokkal”, amikor az áramkör “forró” (plusz) oldalával dolgozunk, nem pedig a mínusz (-), vagy “földelt” oldalával. Az áramkör valójában mindkét módon megfelelően működne, de a szabványos biztonsági gyakorlatok a “forró” oldal “leválasztását” javasolják, hogy minimalizálják a vezetékek más “földelt” áramkörökkel való elektromos rövidzárlatának lehetőségét.

Két vagy több LED-et tartalmazó áramkörök

A több LED-et tartalmazó áramkörök két általános kategóriába sorolhatók; párhuzamos vezetékes áramkörök és soros vezetékes áramkörök. Egy harmadik típus, az úgynevezett soros/párhuzamos áramkör az első kettő kombinációja, és szintén nagyon hasznos lehet a modellezési projektekben.

A párhuzamos és soros LED-áramkörök általános szabályai a következőképpen fogalmazhatók meg:

1. Párhuzamos áramkörben a feszültség minden alkatrészen (LED-eken) keresztül azonos, de az áram mindegyiken keresztül megoszlik.

2. Soros áramkörben az áram azonos, de a feszültség megoszlik.

3. Soros áramkörben az összes LED-feszültség összege nem haladhatja meg a tápfeszültség 90%-át a stabil LED-fénykibocsátás biztosítása érdekében.

4. A soros áramkörben az összes LED-nek azonos feszültség (Vd) és áram (I) tulajdonságokkal kell rendelkeznie.

A párhuzamosan bekötött LED-áramkör

A fenti két példán látható. A bal oldali 1. ábra három, egy akkumulátorral párhuzamosan kapcsolt LED-et ábrázol sematikusan, egy kapcsolóval a be- és kikapcsolásukhoz. Megjegyzi, hogy ebben az áramkörben minden LED-nek saját korlátozó ellenállása van, és ezen ellenállások tápfeszültségi oldala össze van kötve és a plusz akkumulátor csatlakozóhoz van vezetve (egy kapcsolón keresztül). Azt is vegye figyelembe, hogy a három LED katódjai össze vannak kötve és a negatív akkumulátorcsatlakozóhoz vannak vezetve. Az alkatrészeknek ez a “párhuzamos” összekapcsolása határozza meg az áramkört.

Ha az áramkört pontosan az 1. ábrán látható módon építenénk fel, az eszközöket a kapcsolási rajzban látható módon összekötő vezetékekkel (áthidaló vezetékekkel az ellenállások között és áthidaló vezetékekkel a katódcsatlakozások között), akkor figyelembe kell vennünk a választott vezeték áramerősségét. Ha a vezeték túl kicsi, túlmelegedés (vagy akár olvadás) következhet be.

A weboldalon számos esetben mutatunk példákat a #38-as bevonatos mágneshuzalunkkal bekötött LED-ekre. Nagyon konkrét okokból választottuk ezt a drótméretet. Elég kicsi (,0045″ átmérő a szigetelőbevonattal együtt) ahhoz, hogy a legtöbb projektben, még a Z méretarányban is, prototípusos vezetékként vagy kábalként jelenjen meg, és elég nagy ahhoz, hogy 20 mA-es világítóeszközök (mint a mi LED-jeink) áramot kapjanak, plusz 50%-os biztonsági tényezővel. A specifikáció szerint a 38-as tömör rézhuzal névleges teljesítménye 31,4ma, maximális teljesítménye pedig 35,9ma. Választhattunk volna #39-es vezetéket is, 24,9ma névleges áramértékkel, de úgy éreztük, hogy ez nem teszi biztonságosan lehetővé az ellenállások értékének vagy az egyes LED-ek variációinak ingadozását. Ráadásul a valamivel kisebb átmérő (.004″ helyett .0045″) valószínűleg nem jelentene észrevehető különbséget a modellezésben.

Visszatérve az 1. ábrához; ebben a példában látható, hogy az egyes LED/ellenállás párok áramigénye hozzáadódik a következőhöz, és követi a fenti párhuzamos áramkör szabályát (#1). Ehhez az egész áramkörhöz nem tudtuk biztonságosan használni a 38-as mágneshuzalunkat. Például az alsó LED katódjától a negatív akkumulátorcsatlakozóhoz vezető átkötő 60ma-t fog szállítani. A drótunk gyorsan túlmelegedne, és esetleg megolvadna, ami nyílt áramkört okozna. Emiatt az 1. ábra csak egy egyszerű módja annak, hogy “sematikusan” bemutassa, hogyan kell az alkatrészeket csatlakoztatni a megfelelő áramkör működéséhez.

A való életben a tényleges kábelezési projektünk inkább a 2. ábrához hasonlítana. Ebben az esetben nyugodtan használhatjuk a 38-as vezetékünket mindenhez, kivéve a plusz akkumulátorpólus és a kapcsoló közötti kapcsolatot. Itt legalább #34-es vezetékre lenne szükségünk (79,5ma nom.), de valószínűleg valami olyasmit használnánk, mint a Radio Shack #30-as szigetelt csomagolóhuzal. Ez olcsó, könnyen beszerezhető, és 200ma-t (névleges spec.) bír el. Elég nagy a mi alkalmazásunkhoz. Valószínűleg nem forrasztanánk össze a három ellenállást az egyik végén, ahogy mutattuk, csak egy másik darabot használnánk a #30-as huzalból, hogy összekapcsoljuk a közös végeket egymással és a kapcsolóval.

A modellvasúti elrendezések elektromosan összetetté válhatnak, beleértve mindenféle vezetékezési követelményt olyan dolgokhoz, mint a vágányáram, a kapcsolás, a világítás, a jelzések, a DCC, stb.; mindegyik különböző potenciális áramigénnyel. Hogy segítsen az ilyen dolgok tervezésében, az általános vezetékméretek (tömör réz egyszálas) és áramhordozó képességük táblázatát itt találja.

A soros vezetékes LED áramkör

Ez az áramkör egy egyszerű soros áramkör három LED táplálására. Két fő különbséget fogsz észrevenni a párhuzamos áramkörhöz képest. Az összes LED osztozik egyetlen korlátozó ellenálláson, és a LED-ek anódról katódra vannak csatlakoztatva “daisy-chained” módon. A fenti 2. szabályt követve a képlet, amelyet a korlátozó ellenállás meghatározásához használunk, a fent használt képlet további variációja. A fenti áramkör soros képletét a következőképpen írnánk fel:

Az egyetlen igazi különbség itt az, hogy az első lépésünk az, hogy összeadjuk az általunk használt LED-ek számához tartozó eszközfeszültségeket, majd ezt az értéket kivonjuk a tápfeszültségünkből. Ezt az eredményt ezután elosztjuk az eszközeink áramával (általában 20ma vagy .020). Egyszerű, ugye? Ne feledje, hogy a 3. szabályt is figyelembe kell vennie. Vagyis szorozza meg a tápfeszültségét 90%-kal (0,9), és győződjön meg róla, hogy az összes eszköz (LED) feszültségének összege nem haladja meg ezt az értéket. Ennyi az egész, majdnem…

Tudnunk kell, hogy milyen vezetéket fogunk használni, tehát milyen áramfelvételre számíthatunk egy ilyen áramkörtől? Nos, a fenti párhuzamos áramkörben három LED esetén, egyenként 20ma-nál, 60ma-t fogyasztanánk az akkumulátoron. Tehát… 60ma? Nem. Valójában valamivel kevesebb, mint 20ma mindhárom LED esetében! Az egyszerűség kedvéért nevezzük 20-nak.

A fenti 1. és 2. szabály másik megfogalmazása a következő lenne:

1. Párhuzamos áramkörben az eszköz feszültsége állandó, de az egyes eszközökhöz szükséges áramot összeadjuk a teljes áramhoz.

2. Soros áramkörben az eszközáram állandó, de a szükséges feszültség az összes eszközfeszültség összege (összeadva).

Menjünk végig néhány példán egy 9 voltos elemmel (vagy tápegységgel):

Példa #1

Két 2×3-as szuperfehér LED-ünket szeretnénk sorba kötni.

1. Először is meghatározzuk a készülék feszültségét, ami 3,6 volt, és összeadjuk a két LED-hez (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Most, hogy megvan ez az összeg, győződjünk meg róla, hogy nem sérti a 3. szabályt. A 9 volt 80%-a 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Az összegek egyenlőek. Nem vagyunk 90% felett, tehát folytathatjuk.

3. A következő lépésben ezt a 7,2-es összeget kivonjuk a tápfeszültségünkből (9 volt), és megkapjuk az eredményt, ami 1,8 (ez a Vs-Vd rész).

4. Ezután elosztjuk az 1,8-at az eszközáramunkkal, ami 20ma, azaz 0,02. A válaszunk 90. Mivel a 90 ohmos ellenállás nem szabványos, a következő legnagyobb értéket választjuk (100 ohm). Ez a kissé magasabb ellenállás nem fog különbséget tenni a LED-ek fényerejében.

5. Végül, mivel az áramfelvételünk összesen csak 20ma, mindenhez használhatjuk a #38-as vezetékünket, ha akarjuk.

Példa #2

Négy Micro piros LED-ünket szeretnénk sorba kötni. Milyen ellenállást használjunk?

1. A készülék feszültségét 1,7 voltnak találjuk. Négy LED esetén ez 6,8 volt lenne (4 x 1,7 = 6,8).

2. Most, hogy megvan ez az összeg, győződjünk meg róla, hogy nem sérti a 3. szabályt. A 9 volt 90%-a 7,2 volt (,8 x 9 = 7,2). A 6,8 pedig kisebb, mint a 7,2. Igen, rendben vagyunk.

3. Ezután kivonjuk ezt a 6,8-as összeget a tápfeszültségünkből (9 volt), és megkapjuk az eredményt, ami 2,2 (ez a Vs-Vd rész).

4. Végül elosztjuk a 2,2-t az eszköz áramával, ami 20ma, azaz 0,02. A válaszunk 110. Mint kiderült, a 110 ohm egy szabványos ellenállásérték, így nem kell a legközelebbi elérhető nagyobb értéket választanunk (soha ne válasszunk alacsonyabb értéket!). Egy 110 ohmos 1/8 wattos 1%-os ellenállást fogunk használni.

Példa #3

Három Micro Super-fehér LED-ünket szeretnénk sorba kapcsolni.

1. A készülék feszültsége 3,5 volt. Tehát három LED esetében ez 10,5 volt lesz, és… van egy problémánk. Ez a mennyiség nem csak a fenti 3. szabályt sérti, hanem meghaladja a tápfeszültségünket is. Ebben az esetben a LED-jeink nem is fognak világítani. Ebben a helyzetben, ha három ilyen LED-re van szükségünk, akkor vagy olyan áramforrásra lesz szükségünk, amely legalább 11,67 voltot szolgáltat (ez az, aminek a 10,5 a 90% -a lenne), vagy csak kettőt kell sorba kötnünk, és a harmadikat külön, saját ellenállással (soros/párhuzamos áramkör, de erről hamarosan többet). Ebben az esetben két áramkörtípusunk lesz összekötve egy közös áramforráson. A kapcsolási rajz a következőképpen nézne ki:

Itt is használhatjuk a 38-as vezetékünket mindenre, kivéve a tápforrás és a kapcsoló közötti kapcsolatot. Annak meghatározásához, hogy itt milyen korlátozó ellenállásokra van szükség, csak külön-külön számoljuk ki az áramkör minden egyes szegmensét. Nem számít, hogy melyik szegmenst határozzuk meg először, de mi az egyetlen LED/ellenállást végezzük el. Ehhez használjuk az eredeti képletünket:

Tudjuk, hogy Vs (ezekben a példákban) 9 volt. És. tudjuk, hogy Vd 3,5 volt és I 20ma. Tehát (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. Ez nem egy szabványos értékű ellenállás, ezért itt egy 300 ohmos ellenállást fogunk használni.

Most kiszámítjuk a LED-ek soros párját. A képlet csak két LED-re a következő lenne:

A Vs ismét 9 volt, tehát 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, és ez egy szabványos ellenállás értéke. Kész is vagyunk. Most már bekábelezhetjük ezt a példát, és minden megfelelően fog működni.

Világított Kato Amtrak Superliner EOT lámpákkal

Itt egy személykocsi kapcsolási rajza, amely egy hídegyenirányítóval és 600μf kapacitással van bekábelezve, hogy biztosítsa a villogásmentes, polaritás-stabil egyenáramot minden LED-hez. Egy szuperfehér LED világítja meg a kocsi belsejét, és két Micro piros LED biztosítja a vonat végének világítását. Egy kapcsoló van hozzáadva, hogy az EOT funkciót kívánság szerint ki lehessen kapcsolni. Ennek a kocsinak egy futó példája (800μf flicker-szabályozással) itt látható.

A soros/párhuzamosan bekötött LED-áramkör

Itt egy kicsit kibővítettük a fenti 3. példánkat. Három sorba kapcsolt LED-párból álló csoportunk van. Mindegyiket külön áramkörként kezeljük számítási célokra, de közös áramforráshoz csatlakoztatjuk őket. Ha ezek mind a mi Micro Super-fehér LED-jeink lennének, már mindent tudunk, ami ennek az áramkörnek a felépítéséhez szükséges. Továbbá tudjuk, hogy minden egyes soros pár 20ma áramot fog felvenni, így a teljes áramforráson 60ma lesz. Elég egyszerű.

A soros/párhuzamos LED-áramkörök érdekessége, hogy milyen könnyen bővíthetjük a fények számát egy adott áramforráson. Vegyük például az N3500 kapcsoló tápegységünket. Ez 1 Amper (1000ma) áramot biztosít 9 volton.

A korábbi párhuzamos áramkörünket használva 50 darab 2×3, vagy Micro, vagy Nano Super-fehér LED-et (vagy bármilyen kombinációt, amely 50-nek felel meg) csatlakoztathatunk, mindegyik saját korlátozó ellenállással, és ez a kis tápegység kezeli. Ez valószínűleg elegendő lenne egy tisztességes méretű város számára. Most, ha egy kicsit okosabbak vagyunk, használhatunk néhány soros/párhuzamos áramkört, és könnyen bővíthetjük ezt a mennyiséget, még mindig csak egy tápegységgel. Ha mind soros/párhuzamos lenne, akkor 100 lámpát tudnánk működtetni. Elméletileg, ha az N1012 Micro piros LED-jeinket (1,7 voltos eszközfeszültség) használó projektet csinálnánk, 400 LED-et tudnánk működtetni a kis tápegységünkkel. Ez azonban elég bizarr gondolat. Sötét szemüveg valaki?

Ha további részleteket szeretne megtudni a kapcsoló tápegységünk használatáról az elrendezéshez vagy a dioráma projektekhez, kattintson ide.

Ne felejtse el a 4. szabályt. A soros csoportok létrehozásakor ügyeljen arra, hogy az eszközfeszültségek és az áramigények közel hasonlóak legyenek. Elég, ha nagy eszközfeszültségkülönbségű vagy áramigényű LED-ek keverése ugyanabban a soros csoportban nem fog kielégítő eredményt hozni.

Végezetül, legyen fantáziadús. Lehet keverni és összeválogatni. Soros áramkörök, párhuzamos, egyhuzamba kötött LED-ek, soros/párhuzamos áramkörök, fehér csoportok, piros csoportok, sárga, zöld, bármi. Mindaddig, amíg minden esetben kiszámítja a megfelelő határellenállást, és figyeli a vezetékezési sémákat a megfelelő vezetékméretre, a világítási projektjei nagyon kielégítő eredménnyel fognak működni.

Még egy dolog, azok számára, akik kényelmetlenül érzik magukat a fenti képletekkel való “hosszúkézi” munka során, több számológépet is készítettünk, amelyek elvégzik a számításokat az Ön számára. Mindössze annyit kell tennie, hogy beírja az értékeket, és rákattint a “számítás” gombra. Ezeket megtalálod, ha ide kattintasz.

… LEGYEN VILÁGOSSÁG …