Obwody LED

Obwody LED

Naszym celem jest tutaj przedstawienie przeglądu podstawowych typów obwodów używanych do zasilania diod LED. Schematy obwodów, lub schematy, które następują są rysowane przy użyciu standardowych symboli elektronicznych dla każdego komponentu. Definicje symboli są następujące:

Symbol LED jest standardowym symbolem diody z dodatkiem dwóch małych strzałek oznaczających emisję (światła). Stąd nazwa: dioda elektroluminescencyjna (LED). A” oznacza anodę, czyli połączenie plus (+), a „C” katodę, czyli połączenie minus (-). Mówiliśmy już o tym wcześniej, ale warto to powtórzyć: Diody LED są urządzeniami zasilanymi wyłącznie prądem stałym i nie będą działały przy użyciu prądu zmiennego (AC). W przypadku zasilania diody LED, jeżeli źródło napięcia nie pokrywa się dokładnie z napięciem urządzenia LED, należy zastosować rezystor „ograniczający” szeregowo z diodą LED. Bez tego rezystora ograniczającego dioda LED natychmiast by się przepaliła.

W naszych poniższych obwodach używamy symbolu baterii, aby wskazać źródło zasilania. Równie dobrze zasilanie może być dostarczane przez zasilacz, lub odbieraki prądu z torów na makiecie. Niezależnie od źródła, ważne jest aby było to napięcie stałe i dobrze wyregulowane, aby uniknąć wahań napięcia powodujących uszkodzenie diod LED. Jeśli źródło napięcia ma być zasilane z przetworników torowych, należy zastosować mostek prostowniczy, aby diody LED otrzymywały tylko prąd stały o niezmiennej polaryzacji.

Symbole przełączników są dość proste. Przełącznik jednobiegunowy, jednoprzelotowy (SPST) to po prostu funkcja włączania i wyłączania, podczas gdy przełącznik SPDT (dwuprzelotowy) pozwala na przełączanie między dwoma różnymi obwodami. Może być używany jako przełącznik jednobiegunowy, jeśli jedna strona nie jest podłączona do niczego. Przycisk jest chwilowym przełącznikiem stykowym.

Symbol kondensatora, którego tu używamy, jest dla kondensatora elektrolitycznego lub spolaryzowanego typu kondensatora. Oznacza to, że musi on być użyty w obwodzie prądu stałego i prawidłowo podłączony (połączenie plusa z napięciem plusowym), w przeciwnym razie ulegnie uszkodzeniu. Dla naszych celów, jest on używany do chwilowego przechowywania, aby pomóc „wygładzić” wahania napięcia zasilania spowodowane małymi stratami, gdy koła odbierające moc toczą się przez brudne miejsca w torze lub szczeliny na rozjazdach. Kondensatory polaryzowane są klasyfikowane według różnych maksymalnych wartości napięcia stałego. Zawsze używaj kondensatora, którego wartość znamionowa bezpiecznie przekracza maksymalne napięcie spodziewane w Twojej aplikacji.

Obwód podstawowy

To jest tak proste, jak to tylko możliwe. Obwód z pojedynczą diodą LED jest elementem, na którym opierają się wszystkie inne przykłady. Dla poprawnego działania muszą być znane trzy wartości składowe. Napięcie zasilania (Vs), napięcie robocze urządzenia LED (Vd), oraz prąd roboczy LED (I). Mając je znane, wykorzystując odmianę prawa Ohma, można wyznaczyć właściwy rezystor ograniczający (R). Wzór jest następujący:

Przykład zastosowania tego wzoru można znaleźć na naszej stronie z poradami dotyczącymi okablowania mostka. Przejrzyj krok 7, aby uzyskać szczegółowe informacje.

Na powyższym schemacie, zarówno rezystor ograniczający jak i przełącznik są podłączone po dodatniej (+) stronie obwodu. Zrobiliśmy to, aby być w zgodzie ze „standardowymi praktykami elektrycznymi” w pracy z „gorącą” (plusową) stroną obwodu, a nie z minusową (-), czyli stroną „uziemienia”. Obwód właściwie funkcjonowałby odpowiednio w obu przypadkach, ale standardowe praktyki bezpieczeństwa zalecają „odłączenie” po stronie „gorącej”, aby zminimalizować możliwość elektrycznego zwarcia przewodów z innymi „uziemionymi” obwodami.

Obwody z dwoma lub więcej diodami LED

Obwody z wieloma diodami LED dzielą się na dwie ogólne kategorie; obwody z przewodami równoległymi i obwody z przewodami szeregowymi. Trzeci typ znany jako obwód szeregowo-równoległy jest kombinacją dwóch pierwszych i może być również całkiem przydatny w projektach modelarskich.

Ogólne zasady dla równoległych i szeregowych obwodów LED można określić następująco:

1. W obwodzie równoległym, napięcie jest takie samo przez wszystkie komponenty (diody LED), ale prąd jest dzielony przez każdy z nich.

2. W obwodzie szeregowym, prąd jest taki sam, ale napięcie jest dzielone.

3. W obwodzie szeregowym suma napięć wszystkich diod LED nie powinna przekraczać 90% napięcia zasilania, aby zapewnić stabilne światło LED.

4. W obwodzie szeregowym, wszystkie diody LED powinny mieć takie same właściwości napięcia (Vd) i prądu (I).

Obwód LED z przewodem równoległym

Powyżej przedstawiono dwa przykłady tego samego obwodu. Rysunek 1 po lewej stronie, to schemat trzech diod LED podłączonych równolegle do baterii z przełącznikiem do ich włączania i wyłączania. Zauważ, że w tym układzie każda dioda LED ma swój własny rezystor ograniczający, a po stronie napięcia zasilania te rezystory są połączone razem i poprowadzone do bieguna dodatniego baterii (poprzez przełącznik). Zauważ również, że katody trzech diod LED są połączone razem i poprowadzone do ujemnego bieguna baterii. To „równoległe” łączenie komponentów jest tym, co definiuje ten obwód.

Jeśli mielibyśmy zbudować obwód dokładnie tak, jak pokazano na rysunku 1, z przewodami łączącymi urządzenia w sposób pokazany na schemacie (zworki pomiędzy rezystorami i zworki pomiędzy katodami), musielibyśmy rozważyć zdolność przewodzenia prądu wybranego przez nas przewodu. Jeśli przewód jest zbyt mały, może dojść do przegrzania (a nawet stopienia).

W wielu przypadkach na tej stronie pokazujemy przykłady diod LED podłączonych przy użyciu naszego powlekanego drutu magnetycznego #38. Wybraliśmy ten rozmiar drutu z bardzo konkretnych powodów. Jest on wystarczająco mały (średnica 0,0045″ wraz z powłoką izolacyjną), aby wyglądać prototypowo jako drut lub kabel w większości projektów, nawet w skali Z, i jest wystarczająco duży, aby dostarczyć prąd do urządzeń oświetleniowych 20ma (jak nasze diody LED) z dodatkowym 50% współczynnikiem bezpieczeństwa. Zgodnie z opisem, drut miedziany #38 ma obciążalność znamionową 31,4ma i maksymalną 35,9ma. Mogliśmy wybrać drut #39, o nominalnej wartości prądu 24,9ma, ale uznaliśmy, że nie pozwoli to na bezpieczne uwzględnienie wahań wartości rezystorów lub indywidualnych zmian LED. Dodatkowo, nieco mniejsza średnica (.004″ zamiast .0045″) prawdopodobnie nie zrobiłaby zauważalnej różnicy w modelowaniu.

Wracając do rysunku 1; możesz zobaczyć w tym przykładzie zapotrzebowanie na prąd dla każdej pary LED/rezystor, dodaje się do następnej, i jest zgodne z zasadą obwodu równoległego (#1) powyżej. Nie mogliśmy bezpiecznie użyć naszego drutu magnetycznego #38 do całego tego obwodu. Na przykład, zworka od dolnej katody LED do ujemnego bieguna baterii będzie przenosić prąd o natężeniu 60mA. Nasz drut szybko by się przegrzał i stopił, powodując przerwanie obwodu. Z tego powodu, rysunek 1 jest tylko łatwym sposobem „schematycznego” przedstawienia, jak komponenty powinny być połączone dla prawidłowego działania obwodu.

W prawdziwym życiu, nasz rzeczywisty projekt okablowania będzie wyglądał bardziej jak rysunek 2. W tym przypadku możemy bezpiecznie użyć naszego przewodu #38 do wszystkiego z wyjątkiem połączenia pomiędzy biegunem dodatnim baterii a przełącznikiem. Tutaj potrzebowalibyśmy przynajmniej drutu #34 (79.5ma nom.), ale prawdopodobnie użylibyśmy czegoś takiego jak izolowany drut opakowaniowy #30 z Radio Shack. Jest on niedrogi, łatwo dostępny i wytrzyma 200ma (nominalnie). Wystarczająco duży dla naszego zastosowania. Ponadto, prawdopodobnie nie lutowalibyśmy tych trzech rezystorów razem na jednym końcu, jak pokazaliśmy, tylko użylibyśmy innego kawałka drutu #30 do połączenia ich wspólnych końców razem i do przełącznika.

Modele kolejowe mogą stać się elektrycznie skomplikowane, włączając w to wszelkiego rodzaju wymagania dotyczące okablowania dla takich rzeczy jak zasilanie torów, przełączanie, oświetlenie, sygnalizacja, DCC, itd. Aby pomóc w planowaniu takich rzeczy, tabela rozmiarów przewodów (lite włókna miedziane) i ich obciążalności prądowej jest dostępna tutaj.

Obwód szeregowy LED

Ten obwód jest prostym obwodem szeregowym do zasilania trzech diod LED. Zauważysz dwie główne różnice pomiędzy tym obwodem a obwodem równoległym. Wszystkie diody LED mają jeden wspólny rezystor ograniczający, a diody LED są połączone anoda-katoda w sposób „łańcuchowy”. Zgodnie z zasadą #2 powyżej, wzór, którego użyjemy do określenia naszego rezystora ograniczającego jest kolejną wariacją wzoru użytego powyżej. Formuła szeregowa dla powyższego układu byłaby zapisana następująco:

Jedyną prawdziwą różnicą jest to, że naszym pierwszym krokiem jest dodanie napięć urządzeń dla liczby diod LED, których używamy razem, a następnie odjęcie tej wartości od naszego napięcia zasilania. Wynik dzielimy następnie przez prąd naszych urządzeń (zazwyczaj 20ma lub .020). Proste, prawda? Pamiętaj, aby wziąć pod uwagę również zasadę #3. Czyli pomnóż napięcie zasilania przez 90% (0.9) i upewnij się, że suma napięć wszystkich urządzeń (LED) nie przekracza tej wartości. To już wszystko, prawie…

Musimy wiedzieć jakiego rodzaju przewodu będziemy używać, więc jakiego rodzaju poboru prądu możemy się spodziewać po tego rodzaju obwodzie? Cóż, w powyższym równoległym obwodzie, dla trzech diod LED po 20ma każda, pobór prądu z baterii wyniósłby 60ma. Więc… 60ma? Nie. Właściwie, to nieco mniej niż 20ma dla wszystkich trzech diod LED! Nazwijmy to 20 dla uproszczenia.

Inny sposób przedstawienia zasad 1 i 2 powyżej byłby następujący:

1. W obwodzie równoległym napięcie urządzenia jest stałe, ale prąd wymagany dla każdego urządzenia jest sumowany, aby uzyskać całkowity prąd.

2. W obwodzie szeregowym prąd urządzenia jest stały, ale wymagane napięcie jest sumą napięć wszystkich urządzeń (dodanych razem).

Przeprowadźmy kilka przykładów z użyciem baterii 9 V (lub zasilacza):

Przykład #1

Chcemy połączyć szeregowo dwie z naszych 2×3 Super-białych diod LED.

1. Po pierwsze, określamy napięcie urządzenia, które wynosi 3,6 V i dodajemy je razem dla dwóch diod LED (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Teraz, gdy mamy tę ilość, upewnijmy się, że nie narusza ona zasady #3. 80% z 9 woltów to 7,2 wolta (.8 x 9 = 7,2). Te wartości są równe. Nie przekroczyliśmy 90%, więc możemy kontynuować.

3. Następnie odejmujemy tę wartość 7,2 od naszego napięcia zasilania (9 V) i otrzymujemy wynik, który wynosi 1,8 (to jest część Vs-Vd).

4. Następnie dzielimy 1,8 przez nasz prąd urządzenia, który wynosi 20ma, czyli .02. Naszą odpowiedzią jest 90. Ponieważ rezystor 90 ohm nie jest standardem, wybierzemy następną najwyższą wartość (100 ohm). Ten nieco wyższy opór nie zrobi żadnej różnicy w jasności diod LED.

5. Na koniec, ponieważ nasz pobór prądu wynosi tylko 20ma, moglibyśmy użyć naszego przewodu #38 do wszystkiego, gdybyśmy chcieli.

Przykład #2

Chcemy połączyć cztery z naszych czerwonych diod Micro w szereg. Jakiego rezystora powinniśmy użyć?

1. Ustaliliśmy, że napięcie urządzenia wynosi 1,7 V. Dla czterech diod LED będzie to 6,8 V (4 x 1,7 = 6,8).

2. Teraz, gdy mamy tę wartość, upewnijmy się, że nie narusza ona zasady #3. 90% z 9 woltów to 7,2 wolta (.8 x 9 = 7,2). A 6,8 jest mniejsze niż 7,2. Tak, jesteśmy w porządku.

3. Następnie odejmujemy te 6,8 od naszego napięcia zasilania (9 V) i otrzymujemy wynik, który wynosi 2,2 (to jest część Vs-Vd).

4. Na koniec dzielimy 2,2 przez nasz prąd urządzenia, który wynosi 20ma, czyli .02. Naszą odpowiedzią jest 110. Jak się okazuje, 110 omów jest standardową wartością rezystora, więc nie musimy wybierać najbliższej dostępnej wyższej wartości (nigdy nie wybieraj niższej wartości!). Użyjemy rezystora 110 Ohm 1/8 W 1%.

Przykład #3

Chcemy połączyć ze sobą szeregowo trzy nasze diody Micro Super-white LED.

1. Napięcie urządzenia wynosi 3,5 V. Zatem dla trzech diod LED będzie to 10,5 V i… mamy problem. Taka ilość nie tylko narusza regułę #3 powyżej, ale również przekracza nasze napięcie zasilania. W tym przypadku nasze diody nawet nie zaświecą. W tej sytuacji, jeśli potrzebujemy trzech takich diod, to albo będziemy potrzebowali źródła zasilania o napięciu co najmniej 11,67 V (czyli tyle, na ile w 90% wystarczyłoby 10,5), albo będziemy musieli połączyć tylko dwie szeregowo, a trzecią osobno, z własnym rezystorem (układ szeregowo-równoległy, ale o tym za chwilę). W tym przypadku, będziemy mieli dwa typy obwodów połączone razem przy wspólnym źródle zasilania. Schemat wyglądałby następująco:

W tym przypadku, możemy użyć naszego przewodu #38 do wszystkiego poza połączeniem pomiędzy źródłem zasilania a przełącznikiem. Aby określić jakie rezystory ograniczające są tutaj wymagane, po prostu obliczamy każdy segment obwodu osobno. Nie ma znaczenia, który segment zostanie wyznaczony jako pierwszy, ale my zajmiemy się pojedynczą diodą LED/rezystorem. W tym celu użyjemy naszego oryginalnego wzoru:

Wiemy, że Vs (dla tych przykładów) wynosi 9 woltów. Wiemy też, że Vd wynosi 3,5 V, a I jest równe 20ma. Tak więc, (9 – 3,5) = 5,5 ÷ .020 = 275. To nie jest rezystor o standardowej wartości, więc użyjemy tutaj rezystora 300 ohm.

Teraz obliczymy szeregową parę diod LED. Wzór dla tylko dwóch diod LED będzie następujący:

Ponownie, Vs wynosi 9 V, więc 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, a to jest standardowa wartość rezystora. Skończyliśmy. Możemy teraz podłączyć ten przykład i wszystko będzie działać poprawnie.

Świetlny Kato Amtrak Superliner ze światłami EOT

Tutaj jest schemat wagonu pasażerskiego podłączonego do oświetlenia przy użyciu prostownika mostkowego i 600μf pojemności, aby zapewnić wolne od migotania, stabilne od polaryzacji napięcie stałe do wszystkich diod LED. Super-biała dioda LED oświetla wnętrze wagonu, a dwie Micro czerwone diody LED zapewniają oświetlenie końca pociągu. Dodany jest przełącznik, aby funkcja EOT mogła być wyłączona, jeśli jest to pożądane. Działający przykład tego wagonu (z 800μf kontroli migotania) można zobaczyć tutaj.

Obwód LED połączony szeregowo/równolegle

Tutaj rozszerzyliśmy nieco nasz przykład #3 powyżej. Mamy trzy grupy szeregowo-parowych diod LED. Każda z nich jest traktowana jako osobny obwód dla celów obliczeniowych, ale są one połączone razem dla wspólnego źródła zasilania. Jeśli miałyby to być nasze diody Micro Super-white LED, to wiemy już wszystko co jest potrzebne do zbudowania tego układu. Ponadto wiemy, że każda para szeregowa będzie pobierała 20ma prądu, więc suma na źródle zasilania wyniesie 60ma. Całkiem proste.

Interesującą rzeczą w szeregowo-równoległych obwodach LED jest to, jak łatwo można zwiększyć liczbę świateł na danym źródle zasilania. Weźmy na przykład nasz zasilacz impulsowy N3500. Dostarcza on 1 Amp (1000ma) prądu przy napięciu 9 V.

Korzystając z naszego wcześniejszego układu równoległego, moglibyśmy podłączyć 50 naszych 2×3, Micro, lub Nano Super-białych diod LED (lub dowolną kombinację równą 50), każda z własnym rezystorem ograniczającym, a ten mały zasilacz poradziłby sobie z tym. To prawdopodobnie wystarczyłoby dla przyzwoitej wielkości miasta. Teraz, jeśli jesteśmy trochę sprytniejsi, możemy użyć kilku obwodów szeregowo-równoległych i łatwo rozszerzyć tę ilość, wciąż przy użyciu tylko jednego źródła zasilania. Gdyby wszystkie były szeregowo-równoległe, moglibyśmy uruchomić 100 lampek. Hipotetycznie, gdybyśmy robili projekt wykorzystujący nasze czerwone diody LED N1012 Micro (napięcie urządzenia 1.7 V), moglibyśmy zasilić 400 diod z naszego małego zasilacza. Jest to jednak dość dziwaczna myśl. Czy ktoś ma ciemne okulary?

Aby uzyskać więcej szczegółów na temat użycia naszego zasilacza impulsowego w twoich projektach makiet lub dioram, kliknij tutaj.

Nie zapomnij o zasadzie #4. Tworząc grupy szeregowe, upewnij się, że napięcia i wymagania prądowe urządzeń są bardzo zbliżone. Wystarczy powiedzieć, że mieszanie diod LED o dużych różnicach napięć lub wymagań prądowych w tej samej grupie szeregowej nie przyniesie zadowalających rezultatów.

Na koniec, bądź pomysłowy. Możesz mieszać i dopasowywać. Obwody szeregowe, równoległe, jednoprzewodowe diody LED, obwody szeregowo-równoległe, grupy białe, grupy czerwone, żółte, zielone, cokolwiek. Tak długo jak obliczasz każdy przypadek dla odpowiedniej rezystancji ograniczającej i obserwujesz swoje schematy okablowania dla prawidłowego rozmiaru przewodów, twoje projekty oświetleniowe będą działać z bardzo satysfakcjonującymi rezultatami.

Jeszcze jedna rzecz, dla tych z was, którzy czują się nieswojo pracując „długą ręką” z powyższymi formułami, stworzyliśmy kilka kalkulatorów do wykonywania obliczeń za ciebie. Wszystko, co musisz zrobić, to wprowadzić wartości i kliknąć przycisk „oblicz”. Można je znaleźć klikając tutaj.

… NIECH STANIE SIĘ ŚWIATŁOŚĆ …