Circuiti LED

Circuiti LED

Il nostro obiettivo è quello di fornire una panoramica dei tipi di circuiti di base utilizzati per alimentare i LED. I diagrammi di circuito, o schemi, che seguono sono disegnati usando simboli elettronici standard per ogni componente. Le definizioni dei simboli sono le seguenti:

Il simbolo LED è il simbolo standard per un diodo con l’aggiunta di due piccole frecce che denotano l’emissione (di luce). Da qui il nome, diodo ad emissione di luce (LED). La “A” indica l’anodo, o connessione positiva (+), e la “C” il catodo, o connessione negativa (-). L’abbiamo già detto, ma vale la pena ripeterlo: I LED sono dispositivi rigorosamente a corrente continua e non funzionano con la corrente alternata (AC). Quando si alimenta un LED, a meno che la fonte di tensione non corrisponda esattamente alla tensione del dispositivo LED, è necessario utilizzare una resistenza “limitante” in serie al LED. Senza questa resistenza limitatrice, il LED si brucerebbe all’istante.

Nei nostri circuiti qui sotto, usiamo il simbolo della batteria per indicare una fonte di alimentazione. L’alimentazione potrebbe essere facilmente fornita da un alimentatore, o dai pickup delle ruote dai binari di un impianto. Qualunque sia la fonte, l’importante è che sia in corrente continua e ben regolata per evitare che fluttuazioni di sovratensione causino danni ai LED. Se la fonte di tensione deve essere fornita da pickup di binari, un raddrizzatore a ponte dovrebbe essere usato per assicurare che i LED ricevano solo DC e polarità invariata.

I simboli degli interruttori sono abbastanza semplici. Un interruttore single-pole, single-throw (SPST) è semplicemente una funzione on-off, mentre l’interruttore SPDT (double-throw) permette il routing tra due circuiti diversi. Può essere usato come un interruttore a una via se un lato non è collegato a nulla. Il pulsante è un interruttore a contatto momentaneo.

Il simbolo del condensatore che stiamo usando qui è per il tipo di condensatore elettrolitico o polarizzato. Cioè, deve essere usato in un circuito in corrente continua e collegato correttamente (connessione positiva alla tensione positiva), o sarà danneggiato. Per i nostri scopi, è usato per l’immagazzinamento momentaneo, per aiutare a “smussare” le fluttuazioni della tensione di alimentazione causate da piccole perdite quando le ruote che raccolgono energia rotolano attraverso punti sporchi del binario o spazi vuoti nei deviatoi. I condensatori polarizzati sono classificati da diversi valori massimi di tensione DC. Usate sempre un condensatore che superi con sicurezza la tensione massima prevista nella vostra applicazione.

Il circuito di base

Questo è il più semplice possibile. Il circuito a LED singolo è il blocco di costruzione su cui si basano tutti gli altri esempi. Per un corretto funzionamento è necessario conoscere i valori di tre componenti. La tensione di alimentazione (Vs), la tensione operativa del dispositivo LED (Vd) e la corrente operativa del LED (I). Con questi valori noti, usando una variazione della legge di Ohm, si può determinare la corretta resistenza di limitazione (R). La formula è:

Un esempio di lavoro attraverso questa formula può essere trovato sulla nostra pagina di consigli sul cablaggio del ponte. Rivedere il passo 7 per i dettagli.

Nello schema qui sopra, abbiamo sia la resistenza di limitazione che l’interruttore collegati sul lato positivo (+) del circuito. Abbiamo fatto questo per essere coerenti con le “pratiche elettriche standard” nel lavorare con il lato “caldo” (più) del circuito piuttosto che il meno (-), o lato “terra”. Il circuito in realtà funzionerebbe adeguatamente in entrambi i modi, ma le pratiche di sicurezza standard raccomandano la “disconnessione” sul lato “caldo” per ridurre al minimo la possibilità di cortocircuito elettrico dei fili ad altri circuiti “a terra”.

Circuiti con due o più LED

I circuiti con più LED rientrano in due categorie generali; circuiti cablati in parallelo e circuiti cablati in serie. Un terzo tipo conosciuto come circuito serie/parallelo è una combinazione dei primi due e può anche essere abbastanza utile in progetti di modellazione.

Le regole generali per i circuiti LED paralleli e serie possono essere dichiarate come segue:

1. In un circuito parallelo, la tensione è la stessa attraverso tutti i componenti (LED), ma la corrente è divisa attraverso ciascuno.

2. In un circuito serie, la corrente è la stessa, ma la tensione è divisa.

3. In un circuito in serie, la somma di tutte le tensioni dei LED non dovrebbe superare il 90% della tensione di alimentazione per garantire un’emissione luminosa stabile dei LED.

4. In un circuito in serie, tutti i LED dovrebbero avere le stesse proprietà di tensione (Vd) e corrente (I).

Il circuito LED cablato in parallelo

Sono mostrati sopra due esempi dello stesso circuito. La figura 1 a sinistra, è una rappresentazione schematica di tre LED collegati in parallelo a una batteria con un interruttore per accenderli o spegnerli. Noterete che in questo circuito, ogni LED ha la propria resistenza di limitazione e il lato della tensione di alimentazione di queste resistenze sono collegati insieme e indirizzati al terminale positivo della batteria (attraverso un interruttore). Notate anche che i catodi dei tre LED sono collegati insieme e indirizzati al terminale negativo della batteria. Questa connessione “parallela” dei componenti è ciò che definisce il circuito.

Se dovessimo costruire il circuito esattamente come mostrato nella Figura 1, con fili che collegano i dispositivi nel modo in cui lo schema mostra (fili di collegamento tra le resistenze e fili di collegamento tra i catodi), dovremmo considerare la capacità di trasporto di corrente del filo che scegliamo. Se il filo è troppo piccolo, potrebbe verificarsi un surriscaldamento (o addirittura la fusione).

In molti casi in questo sito web mostriamo esempi di LED cablati utilizzando il nostro filo magnetico rivestito #38. Abbiamo scelto questo filo per ragioni molto specifiche. È abbastanza piccolo (,0045″ di diametro incluso il rivestimento isolante) per apparire prototipico come filo o cavo nella maggior parte dei progetti, anche in scala Z, ed è abbastanza grande per fornire corrente a dispositivi di illuminazione da 20ma (come i nostri LED) con un fattore di sicurezza extra del 50%. Come specificato, il filo di rame solido #38 ha un valore nominale di 31,4ma e un valore massimo di 35,9ma. Avremmo potuto scegliere il filo #39, con un valore nominale di corrente di 24.9ma, ma abbiamo ritenuto che questo non avrebbe permesso in modo sicuro le fluttuazioni dei valori delle resistenze o le variazioni dei singoli LED. Inoltre, il diametro leggermente più piccolo (.004″ invece di .0045″) probabilmente non farebbe una differenza notevole nella modellazione.

Tornando alla figura 1, si può vedere in questo esempio il requisito di corrente per ogni coppia LED/resistore, si aggiunge al prossimo, e segue la regola del circuito parallelo (#1) sopra. Non potremmo usare in modo sicuro il nostro filo magnetico #38 per l’intero circuito. Per esempio, il ponticello dal catodo del LED inferiore al terminale negativo della batteria porterà 60ma. Il nostro filo si surriscalderebbe rapidamente e possibilmente si fonderebbe causando un circuito aperto. Per questo motivo, la figura 1 è solo un modo semplice per rappresentare “schematicamente” come i componenti dovrebbero essere collegati per un corretto funzionamento del circuito.

Nella vita reale, il nostro progetto di cablaggio reale sarebbe più simile alla figura 2. In questo caso, possiamo tranquillamente usare il nostro filo #38 per tutto tranne che per la connessione tra il terminale positivo della batteria e l’interruttore. Qui, avremmo bisogno almeno del filo #34 (79,5ma nom.), ma probabilmente useremmo qualcosa come il filo avvolgente isolato #30 di Radio Shack. È poco costoso, facilmente disponibile, e porterà 200ma (spec. nominale). Abbastanza grande per la nostra applicazione. Inoltre, probabilmente non avremmo effettivamente saldato le tre resistenze insieme a un’estremità come abbiamo mostrato, avremmo appena usato un altro pezzo di quel #30 per collegare le loro estremità comuni insieme e all’interruttore.

I layout di modellismo ferroviario possono diventare elettricamente complessi coinvolgendo tutti i tipi di requisiti di cablaggio per cose come la potenza del binario, la commutazione, l’illuminazione, la segnalazione, DCC, ecc; ognuno con diverse esigenze potenziali di corrente. Per assistervi nella pianificazione di tali cose, una tabella delle dimensioni dei fili comuni (rame solido a filo unico) e le loro capacità di trasporto della corrente è disponibile qui.

Il circuito LED cablato in serie

Questo circuito è un semplice circuito in serie per alimentare tre LED. Noterete due differenze principali tra questo e il circuito parallelo. Tutti i LED condividono una singola resistenza di limitazione, e i LED sono collegati anodo-catodo in modo “daisy-chained”. Seguendo la regola #2 di cui sopra, la formula che useremo per determinare la nostra resistenza di limitazione è un’ulteriore variazione della formula che abbiamo usato sopra. La formula in serie per il circuito di cui sopra sarebbe scritta come segue:

L’unica vera differenza qui, è che il nostro primo passo è quello di aggiungere le tensioni dei dispositivi per il numero di LED che stiamo usando insieme, poi sottrarre quel valore dalla nostra tensione di alimentazione. Questo risultato viene poi diviso per la corrente dei nostri dispositivi (tipicamente 20ma o .020). Semplice, no? Ricordatevi di considerare anche la regola #3. Cioè, moltiplicate la vostra tensione di alimentazione per il 90% (0,9), e assicuratevi che la somma di tutte le tensioni dei dispositivi (LED) non superi questo valore. Questo è tutto, quasi…

Dobbiamo sapere che tipo di filo useremo, quindi che tipo di corrente possiamo aspettarci da questo tipo di circuito? Bene, nel circuito parallelo di cui sopra, per tre LED a 20ma ciascuno, consumeremmo 60ma alla batteria. Quindi… 60ma? No. In realtà, un po’ meno di 20ma per tutti e tre i LED! Lo chiameremo 20 per semplicità.

Un altro modo di affermare le regole 1 e 2 di cui sopra sarebbe:

1. In un circuito parallelo, la tensione del dispositivo è costante, ma la corrente richiesta per ogni dispositivo è sommata per la corrente totale.

2. In un circuito serie la corrente del dispositivo è costante, ma la tensione richiesta è la somma di tutte le tensioni del dispositivo (sommate).

Facciamo alcuni esempi usando una batteria da 9 volt (o un alimentatore):

Esempio #1

Vogliamo collegare in serie due dei nostri LED 2×3 Super-white.

1. Prima, determiniamo la tensione del dispositivo, che è 3,6 volt e la sommiamo per due LED (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Ora che abbiamo questa quantità, assicuriamoci che non violi la regola #3. L’80% di 9 volt è 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Le quantità sono uguali. Non siamo oltre il 90%, quindi possiamo procedere.

3. Poi, sottraiamo questa quantità di 7,2 dalla nostra tensione di alimentazione (9 volt) e otteniamo il risultato che è 1,8 (questa è la parte Vs-Vd).

4. Poi, dividiamo 1,8 per la nostra corrente del dispositivo che è 20ma, o .02. La nostra risposta è 90. Dato che una resistenza di 90 ohm non è standard, sceglieremo il valore successivo più alto (100 ohm). Questa resistenza leggermente più alta non farà alcuna differenza nella luminosità dei LED.

5. Infine, poiché il nostro assorbimento di corrente è solo 20ma totale, potremmo usare il nostro filo #38 per tutto, se volessimo.

Esempio #2

Vogliamo collegare quattro dei nostri Micro LED rossi in serie. Che resistenza dovremmo usare?

1. Troviamo la tensione del dispositivo a 1,7 volt. Per quattro LED sarebbe 6,8 volt (4 x 1,7 = 6,8).

2. Ora che abbiamo questa quantità, assicuriamoci che non violi la regola #3. Il 90% di 9 volt è 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). E, 6,8 è meno di 7,2. Sì, siamo a posto.

3. In seguito, sottraiamo questa quantità di 6,8 dalla nostra tensione di alimentazione (9 volt) e otteniamo il risultato che è 2,2 (questa è la parte Vs-Vd).

4. Infine, dividiamo 2,2 per la nostra corrente del dispositivo che è 20ma, o .02. La nostra risposta è 110. Come si scopre, 110 ohm è un valore standard di resistenza, quindi non dobbiamo scegliere il valore più alto disponibile (mai scegliere un valore più basso!). Useremo una resistenza da 110 Ohm 1/8 watt 1%.

Esempio #3

Vogliamo collegare tre dei nostri Micro Super-white LED in serie.

1. La tensione del dispositivo è 3,5 volt. Quindi per tre LED sarà di 10,5 volt, e… abbiamo un problema. Questa quantità non solo viola la regola #3 sopra, ma supera la nostra tensione di alimentazione. In questo caso, i nostri LED non si accendono nemmeno. In questa situazione, se abbiamo bisogno di tre di questi LED, avremo bisogno di una fonte di alimentazione che fornisce almeno 11,67 volt (che è quello che 10,5 sarebbe il 90% di), o dovremo collegare solo due in serie e il terzo separatamente, con la sua propria resistenza (un circuito serie/parallelo, ma più su questo a breve). In questo caso, avremo due tipi di circuito collegati insieme ad una fonte di alimentazione comune. Lo schema apparirebbe come segue:

Ancora una volta, possiamo usare il nostro filo #38 per tutto tranne che per la connessione tra la fonte di alimentazione e l’interruttore. Per determinare quali resistenze di limitazione sono necessarie qui, calcoliamo semplicemente ogni segmento del circuito separatamente. Non importa quale segmento viene determinato per primo, ma faremo il singolo LED/resistenza. Per questo usiamo la nostra formula originale:

Sappiamo che Vs (per questi esempi) è 9 volt. E sappiamo che Vd è 3,5 volt e I è 20ma. Quindi, (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. Questo non è un resistore di valore standard, quindi useremo un resistore da 300 ohm qui.

Ora, calcoleremo la coppia di LED in serie. La formula per due soli LED sarebbe:

Ancora una volta, Vs è 9 volt, quindi 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, e questo è un valore standard della resistenza. Abbiamo finito. Ora possiamo cablare questo esempio e tutto funzionerà correttamente.

Superliner Kato Amtrak illuminato con luci EOT

Ecco lo schema di un vagone passeggeri cablato per l’illuminazione usando un raddrizzatore a ponte e 600μf di capacità per assicurare che la corrente continua stabile senza sfarfallio sia fornita a tutti i LED. Un LED super-bianco illumina l’interno dell’auto e due Micro LED rossi forniscono luci di fine treno. È stato aggiunto un interruttore in modo che la funzione EOT possa essere spenta, se lo si desidera. Un esempio funzionante di questa macchina (con 800μf di controllo dello sfarfallio) può essere visto qui.

Il circuito LED cablato in serie/parallelo

Qui, abbiamo ampliato un po’ il nostro esempio #3 sopra. Abbiamo tre gruppi di coppie di LED in serie. Ognuno è trattato come un circuito separato ai fini del calcolo, ma sono collegati insieme per una fonte di alimentazione comune. Se questi dovessero essere tutti i nostri Micro LED Super-bianchi, sappiamo già tutto il necessario per costruire questo circuito. Inoltre, sappiamo che ogni coppia in serie assorbirà 20ma di corrente, quindi il totale alla fonte di alimentazione sarà di 60ma. Abbastanza semplice.

La cosa interessante dei circuiti LED in serie/parallelo è quanto facilmente si può espandere il numero di luci su una data fonte di alimentazione. Prendiamo ad esempio il nostro alimentatore a commutazione N3500. Fornisce 1 Amp (1000ma) di corrente a 9 volt.

Utilizzando il nostro circuito parallelo in precedenza, potremmo collegare 50 dei nostri 2×3, o Micro, o Nano Super-white LED (o qualsiasi combinazione pari a 50), ciascuno con la propria resistenza di limitazione, e questo piccolo alimentatore lo gestirebbe. Questo sarebbe probabilmente sufficiente per una città di dimensioni decenti. Ora, se siamo un po’ più intelligenti, potremmo usare alcuni circuiti in serie/parallelo ed espandere facilmente questa quantità, sempre con una sola alimentazione. Se fossero tutti in serie/parallelo, potremmo far funzionare 100 luci. Ipoteticamente, se stessimo facendo un progetto utilizzando i nostri N1012 Micro LED rossi (tensione del dispositivo 1,7 volt), potremmo far funzionare 400 LED con il nostro piccolo alimentatore. Questo è un pensiero piuttosto bizzarro, tuttavia. Occhiali scuri qualcuno?

Per ulteriori dettagli sull’uso del nostro alimentatore a commutazione per i vostri progetti di layout o diorama, cliccate qui.

Non dimenticate la regola #4. Quando crei gruppi in serie, assicurati che le tensioni dei dispositivi e i requisiti di corrente siano strettamente simili. Basti dire che la miscelazione di LED con grandi differenze di tensione dei dispositivi o requisiti di corrente nello stesso gruppo in serie non produrrà risultati soddisfacenti.

Infine, siate fantasiosi. Potete mescolare e abbinare. Circuiti in serie, in parallelo, LED a cablaggio singolo, circuiti serie/parallelo, gruppi bianchi, gruppi rossi, gialli, verdi, qualsiasi cosa. Finché calcolate ogni caso per un’adeguata resistenza di limitazione e osservate i vostri schemi di cablaggio per la corretta dimensione del filo, i vostri progetti di illuminazione funzioneranno con risultati molto soddisfacenti.

Un’altra cosa, per quelli di voi che si sentono a disagio a lavorare “a mano” con le formule di cui sopra, abbiamo creato diversi calcolatori per fare i calcoli per voi. Tutto quello che dovete fare è inserire i valori e cliccare sul pulsante “calcola”. Si possono trovare cliccando qui.

… SIA LA LUCE…

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