Circuite LED
Obiectivul nostru aici este de a oferi o prezentare generală a tipurilor de bază de circuite utilizate pentru alimentarea LED-urilor. Diagramele de circuit, sau schemele, care urmează sunt desenate folosind simboluri electronice standard din industrie pentru fiecare componentă. Definițiile simbolurilor sunt următoarele:
Simbolul LED este simbolul standard pentru o diodă cu adăugarea a două săgeți mici care denotă emisie (de lumină). De aici și denumirea de diodă emițătoare de lumină (LED). „A” indică anodul, sau conexiunea plus (+), iar „C”, catodul, sau conexiunea minus (-). Am mai spus-o și înainte, dar merită să o repetăm: LED-urile sunt dispozitive strict de curent continuu și nu vor funcționa folosind curent alternativ (AC). Atunci când alimentați un LED, cu excepția cazului în care sursa de tensiune se potrivește exact cu tensiunea dispozitivului LED, trebuie utilizată o rezistență de „limitare” în serie cu LED-ul. Fără această rezistență de limitare, LED-ul s-ar arde instantaneu.
În circuitele noastre de mai jos, folosim simbolul bateriei pentru a indica o sursă de alimentare. Alimentarea ar putea fi la fel de ușor furnizată de o sursă de alimentare sau de captarea roților de la calea ferată de pe un layout. Oricare ar fi sursa, important este că aceasta trebuie să fie de curent continuu și bine reglată pentru a preveni fluctuațiile de supratensiune care provoacă deteriorarea LED-urilor. Dacă sursa de tensiune trebuie să fie furnizată de la captatoarele de cale, trebuie utilizat un redresor în punte pentru a se asigura că LED-urile primesc numai curent continuu și polaritate neschimbată.
Simbolurile comutatoarelor sunt destul de simple. Un întrerupător cu un singur pol, cu o singură rotire (SPST) este pur și simplu o funcție de pornire/oprire, în timp ce întrerupătorul SPDT (cu două rotiri) permite rutarea între două circuite diferite. Acesta poate fi utilizat ca un întrerupător cu o singură treaptă dacă o parte nu este conectată la nimic. Butonul este un întrerupător cu contact momentan.
Simbolul condensatorului pe care îl folosim aici este pentru condensatorul de tip electrolitic sau polarizat. Adică trebuie să fie utilizat într-un circuit de curent continuu și conectat corespunzător (conexiunea pozitivă la tensiunea pozitivă), altfel se va deteriora. În scopurile noastre, acesta este utilizat pentru stocare momentană, pentru a ajuta la „netezirea” fluctuațiilor în tensiunea de alimentare cauzate de mici pierderi în timp ce roțile care preiau energie se rostogolesc prin locurile murdare de pe șine sau prin golurile de la schimbătoare. Condensatorii polarizați sunt clasificați în funcție de diferite valori nominale maxime ale tensiunii continue. Folosiți întotdeauna un condensator a cărui valoare nominală depășește în siguranță tensiunea maximă așteptată în aplicația dumneavoastră.
Circuitul de bază
Acesta este cât se poate de simplu. Circuitul cu un singur LED este blocul de construcție pe care se bazează toate celelalte exemple ale noastre. Pentru o funcționare corectă, trebuie cunoscute valorile a trei componente. Tensiunea de alimentare (Vs), tensiunea de funcționare a dispozitivului LED (Vd) și curentul de funcționare a LED-ului (I). Cu aceste valori cunoscute, folosind o variație a Legii lui Ohm, se poate determina rezistența de limitare corectă (R). Formula este:
Un exemplu de lucru cu această formulă poate fi găsit pe pagina noastră de sfaturi de cablare a punților. Revedeți pasul 7 pentru detalii.
În schema de mai sus, avem atât rezistența de limitare, cât și comutatorul conectat pe partea pozitivă (+) a circuitului. Am făcut acest lucru pentru a fi în concordanță cu „practicile electrice standard” de a lucra cu partea „fierbinte” (plus) a circuitului, mai degrabă decât cu partea minus (-), sau „masă”. Circuitul ar funcționa de fapt în mod adecvat în ambele moduri, dar practicile standard de siguranță recomandă „deconectarea” de pe partea „fierbinte” pentru a minimiza posibilitatea scurtcircuitării electrice a firelor la alte circuite „împământate”.
Circuite cu două sau mai multe LED-uri
Circuitele cu mai multe LED-uri se împart în două categorii generale; circuite cablate în paralel și circuite cablate în serie. Un al treilea tip, cunoscut sub numele de circuit serie/paralel, este o combinație a primelor două și poate fi, de asemenea, destul de util în proiectele de modelare.
Regulele generale pentru circuitele cu LED-uri în paralel și în serie pot fi enunțate după cum urmează:
-
Într-un circuit paralel, tensiunea este aceeași prin toate componentele (LED-uri), dar curentul este împărțit prin fiecare.
-
Într-un circuit în serie, curentul este același, dar tensiunea este împărțită.
-
Într-un circuit serie, suma tuturor tensiunilor LED-urilor nu trebuie să depășească 90% din tensiunea de alimentare pentru a asigura o ieșire stabilă a luminii LED-urilor.
-
Într-un circuit în serie, toate LED-urile ar trebui să aibă aceleași proprietăți de tensiune (Vd) și curent (I).
Circuitul cu LED-uri cablate în paralel
Sunt prezentate mai sus două exemple ale aceluiași circuit. Figura 1, în stânga, este o reprezentare schematică a trei LED-uri conectate în paralel la o baterie cu un întrerupător pentru a le porni sau opri. Veți observa că, în acest circuit, fiecare LED are propria sa rezistență de limitare, iar partea de tensiune de alimentare a acestor rezistențe este conectată împreună și dirijată către borna pozitivă a bateriei (prin intermediul unui comutator). De asemenea, observați că catozii celor trei LED-uri sunt conectați împreună și direcționați către borna negativă a bateriei. Această conectare „paralelă” a componentelor este ceea ce definește circuitul.
Dacă ar fi să construim circuitul exact așa cum este prezentat în figura 1, cu fire care să conecteze dispozitivele așa cum arată schema (fire de legătură între rezistențe și fire de legătură între conexiunile catodice), ar trebui să luăm în considerare capacitatea de transport al curentului a firului pe care îl alegem. Dacă firul este prea mic, ar putea apărea supraîncălzirea (sau chiar topirea).
În multe cazuri, pe tot parcursul acestui site web, prezentăm exemple de LED-uri cablate folosind firul nostru magnetic acoperit #38. Am ales această dimensiune a firului din motive foarte specifice. Este suficient de mic (,0045″ diametru, inclusiv acoperirea de izolație) pentru a apărea prototipic ca fir sau cablu în majoritatea proiectelor, chiar și în Z-Scale, și este suficient de mare pentru a furniza curent dispozitivelor de iluminat de 20ma (precum LED-urile noastre) cu un factor de siguranță suplimentar de 50%. Așa cum este specificat, firul de cupru masiv #38 are o valoare nominală de 31,4ma și o valoare maximă de 35,9ma. Am fi putut selecta firul #39, cu o valoare nominală a curentului de 24,9ma, dar am considerat că acest lucru nu ar permite în siguranță fluctuațiile valorilor rezistențelor sau variațiile LED-urilor individuale. În plus, diametrul ușor mai mic (0,004″ în loc de 0,0045″) probabil că nu ar face o diferență notabilă în modelare.
Întorcându-ne la figura 1; puteți vedea în acest exemplu cerința de curent pentru fiecare pereche LED/rezistor, se adaugă la următoarea și urmează regula circuitului paralel (#1) de mai sus. Nu am putea folosi în siguranță firul nostru de magnet #38 pentru acest întreg circuit. De exemplu, jumperul de la catodul LED-ului de jos la borna negativă a bateriei va transporta 60ma. Firul nostru s-ar supraîncălzi rapid și s-ar putea topi, provocând un circuit deschis. Din acest motiv, figura 1 este doar o modalitate ușoară de a reprezenta „schematic” modul în care trebuie conectate componentele pentru funcționarea corectă a circuitului.
În viața reală, proiectul nostru real de cablare ar arăta mai degrabă ca în figura 2. În acest caz, putem folosi în siguranță firul nostru #38 pentru orice, cu excepția conexiunii dintre borna pozitivă a bateriei și comutator. Aici, am avea nevoie de cel puțin firul #34 (79,5ma nom.), dar probabil am folosi ceva de genul firului de înfășurare izolat #30 de la Radio Shack. Este ieftin, ușor de găsit și va suporta 200ma (spec. nominal). Destul de mare pentru aplicația noastră. De asemenea, probabil că nu am lipi de fapt cele trei rezistențe împreună la un capăt, așa cum am arătat, ci doar am folosi o altă bucată din acel #30 pentru a conecta capetele lor comune împreună și la comutator.
Modelismul feroviar poate deveni complex din punct de vedere electric, implicând tot felul de cerințe de cablare pentru lucruri cum ar fi alimentarea căii ferate, comutarea, iluminatul, semnalizarea, DCC, etc.; fiecare cu diferite nevoi potențiale de curent. Pentru a vă ajuta în planificarea pentru astfel de lucruri, aici este disponibil un tabel cu dimensiunile obișnuite ale firelor obișnuite (cupru masiv cu un singur fir) și capacitățile lor de transport al curentului.
Circuitul LED cablat în serie
Acest circuit este un circuit simplu în serie pentru a alimenta trei LED-uri. Veți observa două diferențe principale între acesta și circuitul paralel. Toate LED-urile împart o singură rezistență de limitare, iar LED-urile sunt conectate anod la catod în mod „în lanț”. Urmând regula nr. 2 de mai sus, formula pe care o vom folosi pentru a determina rezistența de limitare este o altă variație a formulei pe care am folosit-o mai sus. Formula serie pentru circuitul de mai sus ar fi scrisă după cum urmează:
Una singură diferență reală aici, este că primul nostru pas este să adunăm tensiunile dispozitivelor pentru numărul de LED-uri pe care le folosim împreună, apoi să scădem această valoare din tensiunea noastră de alimentare. Acest rezultat este apoi împărțit la curentul dispozitivelor noastre (de obicei 20ma sau 0,020). Simplu, nu-i așa? Nu uitați să luați în considerare și regula nr. 3. Adică, înmulțiți tensiunea de alimentare cu 90% (0,9) și asigurați-vă că suma tuturor tensiunilor dispozitivelor (LED) nu depășește această valoare. Asta e tot, aproape…
Trebuie să știm ce fel de fir vom folosi, deci la ce fel de curent ne putem aștepta de la acest tip de circuit? Ei bine, în circuitul paralel de mai sus, pentru trei LED-uri la 20ma fiecare, am consuma 60ma la baterie. Deci… 60ma? Nu. De fapt, puțin mai puțin de 20ma pentru toate cele trei LED-uri! O vom numi 20 de dragul simplității.
O altă modalitate de a enunța regulile 1 și 2 de mai sus ar fi:
-
Într-un circuit paralel, tensiunea dispozitivului este constantă, dar curentul necesar pentru fiecare dispozitiv este adunat pentru curentul total.
-
Într-un circuit în serie, curentul dispozitivului este constant, dar tensiunea necesară este suma tuturor tensiunilor dispozitivelor (adunate).
Să trecem în revistă câteva exemple folosind o baterie de 9 volți (sau o sursă de alimentare):
Exemplul nr. 1
Vrem să conectăm în serie două dintre LED-urile noastre super-albe 2×3.
-
În primul rând, determinăm tensiunea dispozitivului, care este de 3,6 volți și o adunăm pentru două LED-uri (3,6 + 3,6 = 7,2).
-
Acum că avem această cantitate, să ne asigurăm că nu încalcă regula 3. 80% din 9 volți reprezintă 7,2 volți (,8 x 9 = 7,2). Cantitățile sunt egale. Nu suntem peste 90%, așa că putem continua.
-
În continuare, scădem această cantitate de 7,2 din tensiunea noastră de alimentare (9 volți) și obținem rezultatul care este 1,8 (aceasta este partea Vs-Vd).
-
Apoi, împărțim 1,8 la curentul dispozitivului nostru care este de 20ma, sau 0,02. Răspunsul nostru este 90. Deoarece o rezistență de 90 ohmi nu este standard, vom alege următoarea valoare cea mai mare (100 ohmi). Această rezistență ușor mai mare nu va face nicio diferență în ceea ce privește luminozitatea LED-urilor.
-
În cele din urmă, din moment ce consumul nostru de curent este de numai 20ma în total, am putea folosi firul nostru #38 pentru orice, dacă am dori.
Exemplul #2
Vrem să conectăm patru dintre LED-urile noastre Micro red în serie. Ce rezistor ar trebui să folosim?
-
Constatăm că tensiunea dispozitivului este de 1,7 volți. Pentru patru LED-uri, aceasta ar fi de 6,8 volți (4 x 1,7 = 6,8).
-
Acum că avem această cantitate, să ne asigurăm că nu încalcă regula nr. 3. 90% din 9 volți reprezintă 7,2 volți (,8 x 9 = 7,2). Și, 6,8 este mai mic decât 7,2. Da, suntem în regulă.
-
În continuare, scădem această cantitate de 6,8 din tensiunea noastră de alimentare (9 volți) și obținem rezultatul care este 2,2 (aceasta este partea Vs-Vd).
-
În cele din urmă, împărțim 2,2 la curentul dispozitivului nostru care este de 20ma, sau 0,02. Răspunsul nostru este 110. După cum se pare, 110 ohmi este o valoare standard a rezistorului, așa că nu trebuie să alegem cea mai apropiată valoare mai mare disponibilă (nu alegeți niciodată o valoare mai mică!). Vom folosi un rezistor de 110 ohmi 1/8 watt 1%.
Exemplu #3
Vrem să conectăm trei dintre LED-urile noastre Micro Super-albe împreună în serie.
-
Tensiunea dispozitivului este de 3,5 volți. Deci, pentru trei LED-uri va fi de 10,5 volți și… avem o problemă. Această cantitate nu numai că încalcă regula nr. 3 de mai sus, dar depășește tensiunea noastră de alimentare. În acest caz, LED-urile noastre nici măcar nu se vor aprinde. În această situație, dacă avem nevoie de trei dintre aceste LED-uri, vom avea nevoie fie de o sursă de alimentare care să furnizeze cel puțin 11,67 volți (adică ceea ce 10,5 ar reprezenta 90%), fie va trebui să conectăm doar două în serie, iar pe cel de-al treilea separat, cu propriul rezistor (un circuit serie/paralel, dar mai multe despre asta în curând). În acest caz, vom avea două tipuri de circuite conectate împreună la o sursă de alimentare comună. Schema ar apărea după cum urmează:
Aici, din nou, putem folosi firul nostru #38 pentru orice, cu excepția conexiunii dintre sursa de alimentare și comutator. Pentru a determina ce rezistențe de limitare sunt necesare aici, trebuie doar să calculăm fiecare segment al circuitului separat. Nu contează care segment este determinat mai întâi, dar noi vom face cu un singur LED/rezistor. Pentru aceasta folosim formula noastră inițială:
Știm că Vs (pentru aceste exemple) este de 9 volți. Și. știm că Vd este de 3,5 volți și I este de 20ma. Așadar, (9 – 3,5) = 5,5 ÷ 0,020 = 275. Aceasta nu este o rezistență de valoare standard, așa că vom folosi aici o rezistență de 300 ohm.
Acum, vom calcula perechea de LED-uri în serie. Formula pentru doar două LED-uri ar fi:
Din nou, Vs este de 9 volți, deci 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ 0,020 = 100, iar aceasta este o valoare standard a rezistorului. Am terminat. Acum putem cabla acest exemplu și totul va funcționa corect.
Luminat Kato Amtrak Superliner cu lumini EOT
Iată schema unui vagon de pasageri cablat pentru iluminat folosind un redresor în punte și o capacitate de 600μf pentru a asigura alimentarea cu curent continuu stabil la polaritate fără pâlpâire a tuturor LED-urilor. Un LED super-alb iluminează interiorul mașinii și două LED-uri micro-roșii asigură luminile de sfârșit de tren. Se adaugă un comutator pentru ca funcția EOT să poată fi oprită, dacă se dorește. Un exemplu de funcționare a acestei mașini (cu 800μf de control al pâlpâirii) poate fi văzut aici.
Circuitul cu LED-uri cablate în serie/paralel
Aici, am extins puțin exemplul nostru #3 de mai sus. Avem trei grupuri de LED-uri în serie-perechi. Fiecare este tratat ca un circuit separat în scopuri de calcul, dar sunt conectate împreună pentru o sursă de alimentare comună. Dacă acestea ar fi toate LED-urile noastre Micro Super-White, știm deja tot ce este necesar pentru a construi acest circuit. Mai mult decât atât, știm că fiecare pereche în serie va absorbi 20ma de curent, astfel încât totalul la sursa de alimentare va fi de 60ma. Destul de simplu.
Ceea ce este interesant la circuitele LED în serie/paralel este cât de ușor puteți extinde numărul de lumini la o sursă de alimentare dată. Luați ca exemplu sursa noastră de alimentare cu comutație N3500. Aceasta furnizează 1 amper (1000ma) de curent la 9 volți.
Utilizând circuitul nostru paralel de mai devreme, am putea conecta până la 50 dintre LED-urile noastre 2×3, sau Micro, sau Nano Super-white (sau orice combinație egală cu 50), fiecare cu propria lor rezistență de limitare, iar această mică sursă s-ar descurca. Acest lucru ar fi probabil suficient pentru un oraș de dimensiuni decente. Acum, dacă suntem un pic mai isteți, am putea folosi câteva circuite în serie/paralel și am putea extinde cu ușurință această cantitate, tot cu o singură sursă de alimentare. Dacă ar fi toate în serie/paralel, am putea face să funcționeze 100 de lumini. Ipotetic, dacă am face un proiect folosind LED-urile roșii N1012 Micro (tensiunea dispozitivului de 1,7 volți), am putea rula 400 de LED-uri cu mica noastră sursă. Totuși, acesta este un gând destul de bizar. Vrea cineva ochelari negri?
Pentru mai multe detalii despre utilizarea sursei noastre de alimentare cu comutare pentru proiectele dvs. de machetare sau diorama, faceți clic aici.
Nu uitați regula nr. 4. Pe măsură ce creați grupuri în serie, asigurați-vă că tensiunile și cerințele de curent ale dispozitivelor sunt foarte asemănătoare. Este suficient să spunem că amestecarea LED-urilor cu diferențe mari de tensiune a dispozitivelor sau cerințe de curent în același grup de serie nu va produce rezultate satisfăcătoare.
În cele din urmă, fiți imaginativi. Puteți să amestecați și să asortați. Circuite în serie, în paralel, LED-uri cu un singur fir, circuite serie/paralel, grupuri albe, grupuri roșii, galbene, verzi, orice. Atâta timp cât calculați fiecare caz pentru o rezistență de limitare adecvată și urmăriți schemele de cablare pentru dimensiunea corectă a firelor, proiectele dvs. de iluminat vor funcționa cu rezultate foarte satisfăcătoare.
Un alt lucru, pentru aceia dintre dvs. care se simt inconfortabil lucrând „de mână lungă” cu formulele de mai sus, am creat mai multe calculatoare pentru a face calculele în locul dvs. Tot ce trebuie să faceți este să introduceți valorile și să faceți clic pe butonul „calculează”. Acestea pot fi găsite dând click aici.
… SĂ FIE LUMINĂ …