LED osvetlenie pre železničné modely; Christianova domovská stránka
Niektoré základné obvody na použitie LED osvetlenia na železničných modeloch
Na tejto stránke
Aby som svoje auto osvetlil rovnomerne a bez údržby, už nejaký čas skúšam rôzne varianty LED. Tu je potrebné vysvetliť niekoľko základných obvodov, pomocou ktorých je možné realizovať vaše vlastné osvetlenie.
Základné obvody
Najskôr je potrebné povedať, že Mдrklin a digitálny sektor nepoužívajú priame napätie, ale skôr viac alebo menej rovnomerné striedavé napätie. V analógovej prevádzke je to jednoduchá, rovnomerná, sínusová oscilácia. V digitálnej prevádzke to nie je celkom rovnomerné, pretože údaje sa prenášajú aj cez prevádzkové napätie.
Najjednoduchší obvod pre LED môže byť reprezentovaný diódou, odporom a samotnou LED:
Prevádzkové napätie je tu vľavo a vpravo, pričom kladný pól je v dôsledku striedavého prúdu vždy striedavo vľavo alebo vpravo. Ak je vľavo, dióda vedie, prúd preteká sériovým rezistorom a LED a LED sa rozsvieti.
Dióda a sériový rezistor slúžia na ochranu diódy vyžarujúcej svetlo. Diódy vyžarujúce svetlo sa rozsvietia iba vtedy, keď nimi preteká prúd v „správnom“ smere - to znamená od anódy po katódu. V opačnom smere sa proti nej zablokujú. Na rozdiel od „normálnej“ diódy to však majú svetelné diódy zle, ak sú dlhodobo prevádzkované v opačnom smere, tj: dióda na ochranu.
Alternatívne môžete tiež použiť tento okruh:
Ak je kladný pól vľavo, prúd preteká svetelnou diódou. Ak je kladný pól vpravo, prúd namiesto toho preteká normálnou diódou.
Ako rozpoznáte „+“ (anóda) a „-“ (katóda) na svetelnej dióde? S novými diódami vyžarujúcimi svetlo je to ľahké: dlhšia noha je +. Musíte sa bližšie pozrieť na LED diódy z remeselníckej krabice:
Na obrázku vidíte, ako ďalej chodia nohy v kryte LED. Katóda je väčšia časť - na obrázku vyššie je katóda vpravo, anóda vľavo.
Sériový rezistor sa používa na generovanie správneho prúdu pre LED z napájacieho napätia. Jeho veľkosť sa počíta podľa Ohmovho zákona pomocou vzorca R = U/I, kde R je hodnota odporu, U je napätie, ktoré by malo poklesnúť cez rezistor, a I aktuálna intenzita LED.
Tu je príklad: Železničný transformátor dodáva striedavý prúd až 16 V. LED potrebuje iba 2 V. Takže 14 V musí „klesnúť“ na rezistor: U = 14V.
Väčšina LED diód pracuje s 20 mA, takže I = 20 mA alebo 0,02 A.
Celý vložený do nášho vzorca poskytuje odolnosť:
Nezávisí to od každého jedného ohmu - takže ak má náš sériový rezistor niečo medzi 650 a 750 ohmmi, potom sa to zmestí.
Pri výpočte nesmieme zabudnúť na samotnú diódu. Na každú diódu zvyčajne klesá napätie 0,7 voltu. Možno to bude potrebné pred výpočtom odpočítať. V prípade vyššie uvedeného príkladu je to zanedbateľné, je však potrebné mať na pamäti, pokiaľ ide o presnejšie výpočty.
Ak je LED prevádzkovaná s príliš vysokým napätím, bude cez ňu pretekať príliš veľa prúdu. LED dióda sa zahrieva a má inú farbu alebo priamo horí. Ak je prepätie nízke, proces starnutia sa urýchli: LED dióda je čoraz tmavšia a nakoniec úplne zlyhá.
Sériové pripojenie
Rezistor premieňa elektrinu, ktorú „spotrebuje“ na teplo. Čím vyšší je pokles napätia, tým je teplejší. Najmä keď je potrebné dodať niekoľko LED diód, ako je to v prípade vnútorného osvetlenia, by sa vnútro vagónu mohlo rýchlo stať nepríjemným pre horúčavu.
Riešenie je veľmi jednoduché: sériové pripojenie. Zoberme si iba náš príklad vyššie: Ak namiesto jednej napája rezistor štyri LED diódy, ktoré sú zapojené do série, na každú LED diódu klesá napätie 2 V. Takže odpor musí iba „znížiť“ 8 V, aby sme sa dostali na našich 16V. Namiesto 700 ohmov musí mať 400 ohmov. Okruh potom vyzerá takto:
Namiesto diódy vo vyššie uvedenom obvode mohol byť inštalovaný rovnaký počet LED diód v opačnom smere. Pri normálnom striedavom prúde by sa obidva rady LED striedavo rozsvietili a chránili sa.
Tento obvod samozrejme nie je vhodný pre digitálnu prevádzku. S analógovým striedavým napätím bliká rovnomerne, ale to je ešte celkom znesiteľné. V digitálnej prevádzke však napätie prenáša signály aj na lokomotívy a výhybky, čo znamená: Obe strany neblikajú rovnomerne, ale v rytme údajov. Najneskôr keď má centrálna jednotka v pamäti príkazy pre niekoľko rušňov a nepretržite ich odosiela, stane sa škaredým. Preto by sa mal použiť obvod s prídavnou diódou.
Nemohli by ste jednoducho vziať digitálne napätie a vložiť medzi ne správny počet LED, bez sériového odporu? V zásade by to samozrejme fungovalo, ale digitálne napätie je zriedka presne násobkom dopredného napätia LED - aj keď to na prvý pohľad vyzerá takto. Ak je napätie príliš nízke, LED diódy veľmi rýchlo stmavnú. Ak je napätie príliš vysoké, nadmerne vysoké prúdy budú prúdiť veľmi rýchlo a LED dióda sa zničí. Sériový rezistor to môže do istej miery kompenzovať - LED samozrejme sleduje napäťovú krivku, ale zmeny sú iba malé. Bez sériového rezistora to teda nejde, pokiaľ sa nespoliehate na pokročilé obvody na stabilizáciu napätia - o tom neskôr.
Vráťme sa teda k obvodu, v ktorom sú ochranná dióda, rezistor a LED zapojené do série. Tento obvod možno použiť aj digitálne: Prúdové impulzy z koľajnice (+) na stredný vodič (-) sú pomerne rovnomerné, takže obvod je možné použiť, ak dbáte na polaritu napájacích vedení: Ľavá strana týchto schém zapojenia k koľajnici, doprava na stredový vodič.
Za ochrannú diódu môžete samozrejme zavesiť niekoľko „strún“ so sériovým rezistorom a LED. S týmto obvodom som navrhol jednoduché osvetlenie prestavovacích a priestorových automobilov:
Teoreticky by bol možný iný variant. Jeden rezistor by mohol napájať niekoľko radov diód LED:
Samozrejme je potrebné zodpovedajúcim spôsobom upraviť hodnotu odporu, pretože musí prúdiť dvojnásobok prúdu. Náš odpor by mal hodnotu 8 V/0,04 A = 200 Ohm. Dvojitý prúd však spôsobuje, že sa odpor trochu zahreje. Existujú aj odpory s rôznou nosnosťou a čím viac nimi preteká prúd, tým väčší musí byť odpor. Nie nevyhnutne riešenie, ak je potrebné osvetliť niekoľko automobilov.
Mostový usmerňovač a vyhladzovanie
Predchádzajúce obvody počas prevádzky svietili viac-menej silným blikaním. Toto môže stále fungovať pre pouličné osvetlenie na transformátore svetla, ale najneskôr pri jednom prechode na digitálny systém môžete veľmi jasne vidieť, že osvetlenie nie je stále. Tu pomáha kondenzátor. Zároveň slúži na tlmenie krátkych prerušení napájania. Bežné zdroje svetla to robia so svojou vrodenou zotrvačnosťou, musíme si však pomôcť pomocou LED diód.
Aby sme skutočne využili každý kúsok prúdu, ktorý transformátor sprístupní, nahradíme jednoduchú ochrannú diódu skutočným usmerňovacím obvodom, ktorý sa skladá zo štyroch diód:
Týmto obvodom je možné dosiahnuť veľmi rovnomerné osvetlenie. Diódy vľavo zaisťujú obrátenie „nesprávnej“ hrany striedavého prúdu. Kondenzátor sa nabíja a dodáva LED počas „prerušenia napätia“. Ako vodítko predpokladám asi 1 uF na mA. Vo vyššie uvedenom príklade 20 µF, keď LED odoberá 20 mA. Čím väčší je kondenzátor, tým rovnomernejšie je osvetlenie, aj keď nie je v kontakte s koľajnicou - ale: čím väčší je kondenzátor, tým väčšia je potreba miesta a väčšie prúdy, ktoré systém prenáša z transformátora napájacími vedeniami, koľajnicami, Mlynček a nakoniec musia diódy vydržať.
A ešte jedna poznámka: Vyššie som predpokladal, že transformátor dodáva 16V, a potom vypočítal sériový odpor. Je potrebné poznamenať, že efektívne napätie je uvedené na AC transformátoroch. Ak je oprava obmedzená na jednoduchú diódu, dá sa s ňou žiť.
Za obvodom usmerňovača a vyhladzovacím kondenzátorom je však napätie bližšie k špičkovému napätiu, t. J. Nie 16 V, ale asi 22,6 V. Pri analógovej prevádzke prístroja Mдrklin H0 je maximálna hodnota ešte vyššia kvôli spínaciemu impulzu. Toto je samozrejme potrebné zohľadniť pri výpočte sériových rezistorov a najmä kondenzátorov. Kondenzátory by mali byť schopné zvládnuť 35 voltov.
Regulátor napätia
S LM317 ako zdrojom konštantného prúdu je možné LED diódy rozsvietiť aj pri zmene napätia:
LM317 je zvyčajne nastaviteľný regulátor napätia. Vyššie uvedený obvod z neho tiež urobí zdroj konštantného prúdu: Regulátor napätia sa sám nastaví tak, aby 1,25 V bolo medzi „Vout“ a „Adj.“ Na výpočet požadovaného odporu vložte požadovanú intenzitu prúdu do vzorca R = U/I.
Príklad výpočtu: LED diódy sú dimenzované na 20 mA.
Tu by sa mal dať ďalší väčší odpor. Ak sa použije menší odpor, prúd sa zväčší:
Pri iných LED diódach možno hodnotu zodpovedajúcim spôsobom upraviť - ultrajasné LED diódy môžu byť niekedy prevádzkované až do 100 mA. Správne hodnoty nájdete v údajových listoch LED. U odosielateľov ako Conrad alebo Reichelt sú tieto odkazy priamo na stiahnutie k príslušným komponentom.
Regulátor napätia kompenzuje rôzne vstupné napätia. Ak je vozidlo v analógovom režime napájané z malého množstva energie, pretože vlak ide pomaly, ovládač sa otvorí o niečo ďalej - a kontrolky LED sa rozsvietia na plný výkon. Ak má auto problémy s kontaktom, tlmí to kondenzátor a LED diódy sa neustále rozsvietia, aj keď kondenzátor už nedokáže udržať pôvodné napätie. S predchádzajúcim obvodom by LED diódy pomaly stmievali - tu naďalej nepretržite svietia.
Pri zdroji s konštantným prúdom sa nemusíte obávať menovitého napätia LED. Obvod funguje ako variabilný rezistor, ktorý automaticky nastavuje optimálne napätie pre pripojený spotrebiteľ.
Je potrebné poznamenať, že aj tu možno rovnako ako u rezistora znížiť iba napätie. Takže ak prevádzkujete 4 LED diódy v sérii, ale napätie je iba 6 voltov, potom ho LM317 magicky nezmení na 8 voltov, ktoré najviac potrebuje. Naopak: Vstupné napätie by malo byť o 2–3 volty nad vstupným napätím, aby fungovalo spoľahlivo, pretože regulátor potrebuje aj malé napätie pre seba. Pre digitálnu prevádzku získate 6-7 LED diód, ktoré je možné ovládať za LM317.
Spínací regulátor
Poslednou možnosťou je použiť spínací regulátor. Tu sa nadmerné napätie jednoducho nepremení na teplo, ale regulátor napätia skutočne zmení napätie a zostane tak chladné.
To ponúka množstvo výhod. Najdôležitejšou vecou pri použití „drahého“ digitálneho prúdu je samozrejme účinnosť: Obvod je omnoho ekonomickejší ako všetky alternatívy. Zároveň môžete paralelne s výstupom ľahko zavesiť veľké množstvo jednotlivých LED diód s nízkym sériovým odporom, takže osvetlenie svieti plným jasom aj v analógovom režime pri akejkoľvek rýchlosti.
Ak zostanete pod menovitým napätím použitej LED, môžete dokonca pridať LED bez sériového odporu, čo za určitých okolností výrazne zjednodušuje kabeláž - na mojej vlakovej stanici sa na stovky LED používajú iba dva spínacie regulátory. Nemôžete však použiť maximálny výkon LED, pretože nesmie byť prekročené menovité napätie.
Nevýhodou spínacieho regulátora je zvýšená zložitosť obvodu a vyššie náklady. To, či sa táto námaha oplatí, závisí od rôznych faktorov: U automobilu pre analógovú prevádzku alebo pri použití hotových 12 V LED pásikov so spojkami vedúcimi prúd môže byť obvod skrytý v batožinovom priestore. Ak naopak osvetľujete iba jeden automobil, ktorý je vždy prevádzkovaný digitálne, potom je pravdepodobne taký prepínací regulátor prehnaný.
Na stránke spínacieho regulátora som zostavil niekoľko príkladov usporiadania LED osvetlenia s MC34063A.
To všetko by malo stačiť ako malý úvod do problematiky a na prvé kroky. Takže buď získajte viac literatúry na túto tému, alebo to jednoducho vyskúšajte.
Knihu „Modellbahn-Elektronik“ od Burkharda Oerttela z Alba-Verlag môžem odporučiť ako ďalší úvod: Je napísaná zrozumiteľným spôsobom, lacno a ponúka najdôležitejšie základy pre modelárov - aj mimo osvetlenia.