LED_circuits

LED-kretsar

Vårt mål här är att ge en översikt över de grundläggande typerna av kretsar som används för att driva lysdioder. Kretsdiagrammen som följer är ritade med hjälp av industristandardiserade elektroniska symboler för varje komponent. Symboldefinitionerna är följande:

LED-symbolen är standardsymbolen för en diod med tillägget av två små pilar som anger emission (av ljus). Därav namnet lysdiod (LED). ”A” anger anoden eller plusanslutningen (+) och ”C” katodanslutningen eller minusanslutningen (-). Vi har sagt det förut, men det tål att upprepas: Lysdioder är strikt likströmsenheter och fungerar inte med växelström (AC). Om spänningskällan inte exakt motsvarar spänningen för LED-enheten måste ett ”begränsningsmotstånd” användas i serie med LED:n när man matar en LED, om inte spänningskällan exakt motsvarar spänningen för LED-enheten. Utan detta begränsningsmotstånd skulle lysdioden omedelbart brinna ut.

I våra kretsar nedan använder vi batterisymbolen för att ange en strömkälla. Strömmen skulle lika lätt kunna tillhandahållas av ett nätaggregat eller av hjulupptagningar från spåren på en layout. Oavsett källa är det viktiga att den måste vara likström och väl reglerad för att förhindra att överspänningsfluktuationer orsakar skador på lysdioderna. Om spänningskällan ska levereras från spårplockare bör en brygglikriktare användas för att se till att lysdioderna endast får likström och oförändrad polaritet.

Symbolerna för omkopplare är ganska enkla. En SPST-omkopplare (single-pole, single-throw) är helt enkelt en on-off-funktion, medan SPDT-omkopplaren (double-throw) gör det möjligt att dirigera mellan två olika kretsar. Den kan användas som en switch med enkel utkast om den ena sidan inte är ansluten till något. Tryckknappen är en momentan kontaktbrytare.

Kondensatorsymbolen som vi använder här är för den elektrolytiska eller polariserade typen av kondensator. Det vill säga att den måste användas i en likströmskrets och anslutas på rätt sätt (plusanslutning till plusspänningen), annars skadas den. För våra syften används den för tillfällig lagring, för att hjälpa till att ”jämna ut” fluktuationer i matningsspänningen som orsakas av små förluster när hjul som tar upp ström rullar över smutsiga ställen i spåret eller luckor vid växlar. Polariserade kondensatorer klassificeras efter olika maximala likspänningsnivåer. Använd alltid en kondensator vars nominella värde säkert överstiger den maximala spänning som förväntas i din tillämpning.

Den grundläggande kretsen

Det här är så enkelt som det bara går. Kretsen med en enda lysdiod är den byggsten som alla våra andra exempel bygger på. För att den ska fungera korrekt måste tre komponentvärden vara kända. Matningsspänningen (Vs), LED-enhetens driftsspänning (Vd) och LED-driftströmmen (I). När dessa värden är kända kan man med hjälp av en variant av Ohm’s lag bestämma det korrekta begränsningsmotståndet (R). Formeln är:

Ett exempel som arbetar med denna formel finns på vår sida med tips om bryggledningar. Se steg 7 för detaljer.

I schemat ovan har vi både begränsningsmotståndet och brytaren anslutna på kretsens positiva (+) sida. Vi har gjort detta för att vara konsekventa med ”standard elektrisk praxis” i arbetet med den ”varma” (plus) sidan av kretsen snarare än minus (-), eller ”jord” sidan. Kretsen skulle faktiskt fungera tillfredsställande på båda sätten, men standard säkerhetsrutiner rekommenderar att man kopplar från på den ”varma” sidan för att minimera risken för elektrisk kortslutning av ledningar till andra ”jordade” kretsar.

Kretsar med två eller fler lysdioder

Kretsar med flera lysdioder kan delas in i två generella kategorier; parallellkopplade kretsar och seriekopplade kretsar. En tredje typ som kallas serie/parallellkrets är en kombination av de två första och kan också vara ganska användbar i modelleringsprojekt.

De allmänna reglerna för parallella och seriekopplingar med lysdioder kan anges på följande sätt:

1. I en parallellkrets är spänningen densamma genom alla komponenter (lysdioder), men strömmen är uppdelad genom var och en.

2. I en seriekoppling är strömmen densamma, men spänningen är delad.

3. I en seriekrets bör summan av alla LED-spänningar inte överstiga 90 % av matningsspänningen för att säkerställa ett stabilt LED-ljusflöde.

4. I en seriekrets ska alla lysdioder ha samma spännings- (Vd) och strömegenskaper (I).

Den parallellkopplade lysdiodkretsen

Ovan visas två exempel på samma krets. Figur 1 till vänster är en schematisk bild av tre lysdioder som är parallellt anslutna till ett batteri med en strömbrytare för att slå på eller av dem. Du noterar att i den här kretsen har varje lysdiod sitt eget begränsningsmotstånd och att matningsspänningssidan av dessa motstånd är sammankopplad och leds till batteriets pluspol (genom en omkopplare). Notera också att katoderna till de tre lysdioderna är anslutna till varandra och leds till den negativa batteripolen. Det är denna ”parallella” sammankoppling av komponenterna som definierar kretsen.

Om vi skulle bygga kretsen exakt som i figur 1, med ledningar som förbinder enheterna på det sätt som schemat visar (brytarledningar mellan motstånden och brytarledningar mellan katodanslutningarna), skulle vi behöva ta hänsyn till strömföringskapaciteten hos den ledning vi väljer. Om ledningen är för liten kan överhettning (eller till och med smältning) uppstå.

I många fall på denna webbplats visar vi exempel på lysdioder som är kopplade med vår #38 belagda magnettråd. Vi valde denna trådstorlek av mycket specifika skäl. Den är tillräckligt liten (,0045″ diameter inklusive isoleringsbeläggning) för att se prototypisk ut som tråd eller kabel i de flesta projekt, även i Z-skala, och den är tillräckligt stor för att leverera ström till 20ma belysningsanordningar (som våra lysdioder) med en extra 50 % säkerhetsfaktor. Som specificerat har #38 solid koppartråd en nominell nominell effekt på 31,4ma och en maximal effekt på 35,9ma. Vi kunde ha valt tråd #39, med ett nominellt strömvärde på 24,9ma, men vi kände att detta inte säkert skulle tillåta fluktuationer i motståndsvärden eller individuella LED-variationer. Dessutom skulle den något mindre diametern (.004″ istället för .0045″) förmodligen inte göra någon märkbar skillnad vid modellering.

Vi återvänder till figur 1; i det här exemplet kan du se att strömbehovet för varje LED/resistorpar adderas till nästa och följer regeln för parallellkretsar (#1) ovan. Vi kunde inte säkert använda vår magnettråd #38 för hela den här kretsen. Till exempel kommer bryggan från den nedre lysdiodkatoden till den negativa batteripolen att leda 60ma. Vår tråd skulle snabbt överhettas och eventuellt smälta och orsaka en öppen krets. Av denna anledning är figur 1 endast ett enkelt sätt att ”schematiskt” visa hur komponenterna skall anslutas för att kretsen skall fungera korrekt.

I verkligheten skulle vårt verkliga kabeldragningsprojekt se mer ut som figur 2. I det här fallet kan vi säkert använda vår tråd nr 38 för allt utom anslutningen mellan batteriets pluspol och strömbrytaren. Här skulle vi behöva minst #34 tråd (79,5ma nom.), men vi skulle förmodligen använda något som Radio Shacks #30 isolerad omslagstråd. Den är billig, lättillgänglig och klarar 200ma (nominell specifikation). Det räcker gott och väl för vår tillämpning. Dessutom skulle vi förmodligen inte löda ihop de tre motstånden i ena änden som vi har visat, vi skulle bara använda en annan bit av #30 för att ansluta deras gemensamma ändar till varandra och till växeln.

Modelljärnvägsanläggningar kan bli elektriskt komplexa och innefatta alla möjliga typer av ledningskrav för saker som spårkraft, omkoppling, belysning, signalering, DCC, etc.; var och en med olika potentiella strömbesök. För att underlätta din planering för sådana saker finns en tabell över vanliga trådstorlekar (solid koppar enkelsträng) och deras strömförande kapacitet här.

Den seriekopplade LED-kretsen

Den här kretsen är en enkel seriekoppling för att driva tre lysdioder. Du kommer att lägga märke till två huvudsakliga skillnader mellan denna och den parallella kretsen. Alla lysdioder delar ett enda begränsningsmotstånd och lysdioderna är anslutna från anod till katod på ett ”daisy-chained” sätt. Enligt regel nr 2 ovan är den formel som vi ska använda för att bestämma vårt begränsningsmotstånd en ytterligare variant av den formel som vi använde ovan. Serieformeln för ovanstående krets skulle skrivas på följande sätt:

Den enda egentliga skillnaden här är att vårt första steg är att addera enhetsspänningarna för det antal lysdioder vi använder tillsammans, och sedan subtrahera detta värde från vår matningsspänning. Resultatet divideras sedan med strömmen för våra enheter (vanligtvis 20ma eller .020). Enkelt, eller hur? Kom ihåg att även tänka på regel nr 3. Det vill säga, multiplicera din matningsspänning med 90 % (0,9) och se till att summan av alla enheters (lysdiodernas) spänningar inte överstiger detta värde. Det är nästan allt…

Vi måste veta vilken typ av tråd vi ska använda, så vilken typ av strömdragning kan vi förvänta oss av den här typen av krets? Tja, i den parallella kretsen ovan, för tre lysdioder på 20ma vardera, skulle vi förbruka 60ma vid batteriet. Så… 60ma? Nej. Faktiskt är det något mindre än 20ma för alla tre lysdioder! Vi kallar det 20 för enkelhetens skull.

Ett annat sätt att formulera regel 1 och 2 ovan skulle vara:

1. I en parallellkrets är enhetsspänningen konstant, men den ström som krävs för varje enhet adderas till den totala strömmen.

2. I en seriekrets är enhetens ström konstant, men den spänning som krävs är summan av alla enheters spänningar (adderade tillsammans).

Låt oss gå igenom några exempel med hjälp av ett 9-voltsbatteri (eller en strömförsörjning):

Exempel 1

Vi vill koppla två av våra 2×3 supervita lysdioder i serie.

1. Först bestämmer vi enhetsspänningen, som är 3,6 volt, och adderar den för två lysdioder (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. När vi nu har denna mängd ska vi se till att den inte bryter mot regel 3. 80 % av 9 volt är 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Beloppen är lika stora. Vi är inte över 90 %, så vi kan fortsätta.

3. Nästan subtraherar vi detta belopp på 7,2 från vår matningsspänning (9 volt) och får resultatet som är 1,8 (detta är Vs-Vd-delen).

4. Därefter dividerar vi 1,8 med vår enhetsström som är 20ma, eller 0,02. Vårt svar är 90. Eftersom ett motstånd på 90 ohm inte är standard, väljer vi det näst högsta värdet (100 ohm). Detta något högre motstånd kommer inte att göra någon skillnad för lysdiodernas ljusstyrka.

5. Slutligt, eftersom vårt strömuttag bara är 20ma totalt, kan vi använda vår tråd #38 till allt, om vi vill.

Exempel nr 2

Vi vill koppla ihop fyra av våra Micro röda lysdioder i serie. Vilket motstånd ska vi använda?

1. Vi finner att enhetens spänning är 1,7 volt. För fyra lysdioder skulle det vara 6,8 volt (4 x 1,7 = 6,8).

2. När vi nu har denna mängd ska vi se till att den inte bryter mot regel nr 3. 90 % av 9 volt är 7,2 volt (.8 x 9 = 7,2). Och 6,8 är mindre än 7,2. Japp, vi är okej.

3. Nästan subtraherar vi detta belopp på 6,8 från vår matningsspänning (9 volt) och får resultatet som är 2,2 (detta är Vs-Vd-delen).

4. Slutligt dividerar vi 2,2 med vår enhetsström som är 20ma, eller 0,02. Vårt svar är 110. Det visar sig att 110 ohm är ett standardmotståndsvärde, så vi behöver inte välja det närmaste högre värdet som finns tillgängligt (välj aldrig ett lägre värde!). Vi använder ett motstånd på 110 ohm 1/8 watt 1 %.

Exempel nr 3

Vi vill koppla ihop tre av våra Micro Super-white lysdioder i serie.

1. Enhetens spänning är 3,5 volt. Så för tre lysdioder blir det 10,5 volt, och… vi har ett problem. Denna mängd bryter inte bara mot regel nr 3 ovan, utan överskrider även vår matningsspänning. I det här fallet kommer våra lysdioder inte ens att lysa. I den här situationen, om vi behöver tre av dessa lysdioder, behöver vi antingen en strömkälla som levererar minst 11,67 volt (det är vad 10,5 skulle vara 90 % av), eller så måste vi ansluta endast två i serie och den tredje separat, med ett eget motstånd (en serie/parallell-krets, men mer om det inom kort). I det här fallet kommer vi att ha två kretsar som är anslutna till en gemensam strömkälla. Schemat skulle se ut på följande sätt:

Här kan vi återigen använda vår tråd nr 38 för allt utom anslutningen mellan strömkällan och strömbrytaren. För att bestämma vilka begränsningsmotstånd som krävs här beräknar vi bara varje segment av kretsen separat. Det spelar ingen roll vilket segment som bestäms först, men vi gör den enskilda lysdioden/resistorn. För detta använder vi vår ursprungliga formel:

Vi vet att Vs (för dessa exempel) är 9 volt. Vi vet också att Vd är 3,5 volt och att I är 20ma. Så (9 – 3,5) = 5,5 ÷ 0,020 = 275. Det är inte ett motstånd med standardvärde, så vi använder ett motstånd på 300 ohm här.

Nu ska vi beräkna serieparet av lysdioder. Formeln för bara två lysdioder skulle vara:

Också Vs är 9 volt, så 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, och det är ett standardvärde för motståndet. Vi är klara. Vi kan nu koppla upp det här exemplet och allt kommer att fungera som det ska.

Belyst Kato Amtrak Superliner med EOT-lampor

Här är schemat för en passagerarbil som är kopplad för belysning med hjälp av en brygglikriktare och en kapacitans på 600μf för att se till att flimmerfri polaritetsstabil likström matas till alla lysdioder. En supervit lysdiod lyser upp bilens interiör och två mikroröda lysdioder ger ljus vid tågets slut. En strömbrytare har lagts till så att EOT-funktionen kan stängas av om så önskas. Ett körande exempel på denna bil (med 800μf flimmerkontroll) kan ses här.

Den serie/parallellkopplade LED-kretsen

Här har vi utökat lite på vårt exempel #3 ovan. Vi har tre grupper av seriekopplade lysdioder. Var och en behandlas som en separat krets i beräkningssyfte, men är sammankopplade för en gemensam strömkälla. Om dessa alla skulle vara våra Micro Super-white LEDs vet vi redan allt som behövs för att bygga den här kretsen. Dessutom vet vi att varje seriepar kommer att dra 20ma ström, så den totala strömmen vid strömkällan kommer att vara 60ma. Ganska enkelt.

Det intressanta med serie/parallell LED-kretsar är hur lätt man kan utöka antalet lampor på en given strömkälla. Ta vår N3500 Switching Power Supply till exempel. Den ger 1 ampere (1000ma) ström vid 9 volt.

Med hjälp av vår parallella krets tidigare kan vi ansluta 50 av våra 2×3-, mikro- eller nanosupervita lysdioder (eller någon kombination som motsvarar 50), var och en med sitt eget begränsningsmotstånd, och den här lilla strömförsörjningen klarar av det. Det skulle förmodligen räcka för en hyfsat stor stad. Om vi är lite smartare kan vi använda några serie/parallell-kretsar och enkelt utöka denna mängd, fortfarande med bara en strömförsörjning. Om alla kretsar var i serie/parallell skulle vi kunna driva 100 lampor. Om vi hypotetiskt sett skulle göra ett projekt med våra N1012 Micro röda lysdioder (1,7 volts enhetsspänning) skulle vi kunna driva 400 lysdioder med vår lilla försörjning. Det är dock en ganska bisarr tanke. Mörka glasögon någon?

För mer information om hur du använder vår switching power supply för dina layout- eller dioramaprojekt, klicka här.

Glöm inte regel 4. När du skapar seriegrupper ska du se till att enhetens spänningar och strömkrav är mycket lika. Det räcker med att säga att blandning av lysdioder med stora skillnader i enhetsspänning eller strömkrav i samma seriegrupp inte kommer att ge tillfredsställande resultat.

Finnligt, var fantasifull. Du kan blanda och kombinera. Seriekretsar, parallella, enkeltrådade lysdioder, serie/parallell-kretsar, vita grupper, röda grupper, gula, gröna, vad som helst. Så länge du beräknar varje fall för korrekt begränsningsmotstånd och tittar på dina ledningsscheman för korrekt trådstorlek kommer dina belysningsprojekt att fungera med mycket tillfredsställande resultat.

En annan sak, för de av er som känner sig obekväma med att arbeta ”för hand” med ovanstående formler, har vi skapat flera kalkylatorer för att göra beräkningarna åt er. Allt du behöver göra är att skriva in värdena och klicka på ”beräkna”-knappen. Du hittar dem genom att klicka här.

… LÅT DET BLI LJUS …