LED világítás vasúti modellekhez; Christian honlapja
Néhány alapvető áramkör a LED-világítás használatához a vasúti modelleken
Ezen az oldalon
Annak érdekében, hogy egyenletesen és karbantartás nélkül világítsam meg az autómat, egy ideje különböző LED változatokkal próbálkozom. Itt meg kell magyarázni néhány alapvető áramkört, amelyekkel a saját világítása megvalósítható.
Alap áramkörök
Először is, a Mдrklin és a digitális szektor nem közvetlen feszültséget, hanem többé-kevésbé egyenáramot is használ. Analóg működés esetén ez egy egyszerű, egyenletes, szinuszos oszcilláció. Digitális üzemben ez nem egészen egyenletes, mivel az adatokat az üzemi feszültségen keresztül is továbbítják.
A LED legegyszerűbb áramköre diódával, ellenállással és magával a LED-del ábrázolható:
Az üzemi feszültség itt van bal és jobb oldalon, ahol a pozitív pólus mindig váltakozva balra vagy jobbra váltakozik a váltakozó áram miatt. Ha a bal oldalon van, a dióda vezet, az áram átfolyik a soros ellenálláson és a LED-en, és a LED kigyullad.
A dióda és a soros ellenállás a fénykibocsátó dióda védelmét szolgálja. A fénykibocsátó diódák csak akkor gyulladnak ki, amikor az áram „helyes” irányban áramlik át rajtuk - vagyis az anódtól a katódig. Az ellenkező irányban reteszelődnek ellene. A „normál” diódával ellentétben a fénykibocsátó diódák azonban rosszul veszik, ha hosszú ideig fordított irányban működnek, azaz: védő dióda.
Alternatív megoldásként ezt az áramkört is használhatja:
Ha a pozitív pólus bal oldalon van, akkor az áram átfolyik a fénykibocsátó diódán. Ha a pozitív pólus jobb oldalon van, akkor az áram a normál diódán keresztül áramlik.
Hogyan ismeri fel a „+” (anód) és a „-” (katód) fénykibocsátó diódát? Új fénykibocsátó diódákkal könnyű: a hosszabb láb +. Közelebbről meg kell néznie a kézműves doboz ledjeit:
A képen látható, hogy a lábak tovább futnak a LED házában. A katód a nagyobb rész - a kép fölött a katód jobbra, az anód balra.
A soros ellenállást arra használják, hogy a tápfeszültségből a LED számára megfelelő áramot állítson elő. Méretét Ohm törvénye alapján számítják ki az R = U/I képlet alkalmazásával, ahol R az ellenállás értéke, U az a feszültség, amelynek át kell esnie az ellenálláson, és I a LED jelenlegi intenzitása.
Íme egy példa: A vasúti transzformátor 16 V-os váltakozó áramot táplál. De a LED-nek csak 2 V-ra van szüksége. Tehát 14 V-nak "le kell esnie" az ellenállásnál: U = 14V.
A legtöbb LED 20 mA-vel működik, tehát I = 20 mA vagy 0,02 A.
A képletünkbe beillesztett egész biztosítja az ellenállást:
Ez nem minden egyes ohmantól függ - tehát ha a soros ellenállásunk értéke 650 és 750 ohm között van, akkor rendben lesz.
A számítás során nem szabad megfeledkezni magáról a diódáról sem. Az egyes diódákon általában 0,7 volt feszültség csökken. Lehet, hogy ezt a számítás előtt le kell vonni. Ez a fenti példánál elhanyagolható, de a pontosabb számítások során szem előtt kell tartani.
Ha egy LED-et túl nagy feszültséggel működtetnek, túl sok áram folyik rajta keresztül. A LED felmelegedik, elszíneződik vagy közvetlenül kiég. Ha a túlfeszültség alacsony, az öregedési folyamat felgyorsul: A LED egyre sötétebb lesz, és végül teljesen meghibásodik.
Soros kapcsolat
Az ellenállás az "elfogyasztott" villamos energiát hővé alakítja. Minél nagyobb a feszültségesés, annál melegebb lesz. Különösen akkor, ha több LED-et kell szállítani, mint a belső világítás esetében, a kocsi belseje gyorsan kényelmetlen lehet a hő hatására.
A megoldás nagyon egyszerű: soros kapcsolat. Vegyük csak a fenti példát: Ha az ellenállás egy helyett négy LED-et lát el, amelyek sorba vannak kapcsolva, akkor az egyes LED-ekre 2 V feszültség csökken. Tehát az ellenállásnak csak 8 V-ot kell "csökkentenie", hogy elérjük a 16 V-ot. 700 ohm helyett 400 ohmnak kell lennie. Az áramkör ekkor így néz ki:
A fenti áramkör diódája helyett ugyanannyi LED-et lehet ellenkező irányba telepíteni. Normál váltakozó áram esetén mindkét LED sor felváltva világít és védi egymást.
Ez az áramkör természetesen nem alkalmas digitális működésre. Analóg váltakozó feszültséggel egyenletesen villog, de ez még mindig eléggé elviselhető. Digitális üzemben azonban a feszültség továbbítja a jeleket a mozdonyokhoz és a kanyarodókhoz is, ami azt jelenti, hogy a két oldal nem egyenletesen, hanem az adatok ritmusában villog. Legkésőbb, amikor a központi egységnek több mozdonyra vonatkozó parancsai vannak a memóriában, és folyamatosan küldi őket, csúnya lesz. Ezért egy kiegészítő diódával ellátott áramkört kell használni.
Nem lehet, hogy csak a digitális feszültséget veszi be, és megfelelő számú LED-et tesz be közé, soros ellenállás nélkül? Elvileg természetesen működne, de a digitális feszültség ritkán pontosan megduplázza a LED előremenő feszültségét - még akkor is, ha első pillantásra így néz ki. Ha a feszültség túl alacsony lesz, a LED-ek nagyon gyorsan elsötétülnek. Ha a feszültség túl magas, akkor a túl nagy áramok nagyon gyorsan áramlanak, és a LED megsemmisül. Egy soros ellenállás ezt bizonyos mértékben képes kompenzálni - természetesen a LED követi a feszültséggörbét, de a változások csak csekélyek. Tehát soros ellenállás nélkül nem működik, hacsak nem a fejlett áramkörökre támaszkodik a feszültség stabilizálására - erről később.
Térjünk vissza egy áramkörhöz, amelyben a védő dióda, az ellenállás és a LED sorba van kapcsolva. Ez az áramkör digitálisan is használható: Az áramimpulzusok a síntől (+) a középvezetőig (-) meglehetősen egyenletesek, így az áramkör használható, ha figyelünk a tápvezetékek polaritására: Ezen kapcsolási rajzok bal oldala a sínre a középvezetőnek megfelelő.
Természetesen több "húr" is felakasztható soros ellenállással és LED-del a védő dióda mögé. Ezzel az áramkörrel megterveztem az átalakító autók és a fülkék autóinak egyszerű világítását:
Elméletileg elképzelhető egy másik változat. Egy ellenállás több LED-sort is képes ellátni:
Természetesen az ellenállás értékét ennek megfelelően kell beállítani, mivel az áram kétszeresének kell áramlania. Ellenállásunk értéke 8 V/0,04 A = 200 Ohm. A kettős áram miatt az ellenállás kissé melegebbé válik. Vannak különböző terhelhetőségű ellenállások is, és minél nagyobb áram folyik rajtuk, annál nagyobbnak kell lennie az ellenállásnak. Nem feltétlenül a megoldás, ha több autót világítanak.
Hídirányító és simítás
Az előző áramkörök működés közben többé-kevésbé erős villogással ragyogtak. Ez még mindig működhet a fénytranszformátor utcai világításánál, de a digitális rendszer legkésőbb egy menetben nagyon jól látható, hogy a világítás nem állandó. Kondenzátor segít itt. Ugyanakkor rövid áramkimaradások csillapítására szolgál. A hagyományos fényforrások veleszületett tehetetlenségükkel teszik ezt meg, de a LED-eknél segítenünk kell.
Annak érdekében, hogy valóban felhasználjuk az áram minden bitjét, amelyet a transzformátor elérhetővé tesz, az egyszerű védődiódát egy igazi egyenirányító áramkörre cseréljük, amely négy diódából áll:
Ezzel az áramkörrel nagyon egyenletes világítás érhető el. A bal oldali diódák biztosítják a váltakozó áram "rossz" élének megfordítását. A kondenzátor feltölti és ellátja a LED-et a „feszültségszünetek” alatt. Irányelvként körülbelül 1 µF/mA-t feltételezek. A fenti példában 20 µF, amikor a LED 20 mA-t húz. Minél nagyobb a kondenzátor, annál egyenletesebb a világítás, még akkor is, ha nincs érintkezés a sínnel - de: minél nagyobb a kondenzátor, annál nagyobb a helyigény és annál nagyobb az áram, amelyet a rendszer a transzformátorból szállít tápvezetékeken, síneken, A darálónak és végül a diódáknak ellen kell állniuk.
És még egy megjegyzés: Fent azt feltételeztem, hogy a transzformátor 16 V-ot szolgáltat, majd kiszámoltam a soros ellenállást. Meg kell jegyezni, hogy a tényleges feszültség az AC transzformátorokon van megadva. Ha a kijavítás egyszerű diódára korlátozódik, akkor is élhet vele.
Az egyenirányító áramkör és a simító kondenzátor mögött azonban a feszültség közelebb van a csúcsfeszültséghez, vagyis nem 16 V, hanem kb. 22,6 V. A Mдrklin H0 analóg működésében a maximális érték még magasabb a kapcsolási impulzus miatt. Ezt természetesen figyelembe kell venni a soros ellenállások és különösen a kondenzátorok kiszámításakor. A kondenzátoroknak képesnek kell lenniük a 35 voltos feszültség kezelésére.
Feszültségszabályozó
Az LM317 állandó áramforrásként a LED-ek akkor is világíthatnak, ha a feszültség változik:
Az LM317 általában állítható feszültségszabályozó. A fenti áramkör állandó áramforrássá is változtatja: A feszültségszabályozó úgy állítja be magát, hogy 1,25 V legyen a "Vout" és az "Adj" között. A szükséges ellenállás kiszámításához helyezze be a kívánt áramerősséget az R = U/I képletbe.
Példa számításra: A LED-ek 20 mA-re lettek tervezve.
Itt a következő nagyobb ellenállást kell vállalnia. Kisebb ellenállás használata esetén az áram nagyobb lesz:
Más LED-ekkel az érték ennek megfelelően állítható - az ultraragyogó LED-ek néha akár 100 mA-vel is működtethetők. A helyes értékek a LED adatlapjain találhatók. Az olyan küldőknél, mint a Conrad vagy a Reichelt, ezek közvetlenül a megfelelő komponensekhez kapcsolódnak letöltésre.
A feszültségszabályozó kompenzálja a különböző bemeneti feszültségeket. Ha az autó analóg üzemmódban kevés energiát kap, mert a vonat lassan halad, a vezérlő kissé tovább nyílik - és a LED-ek teljes erővel világítanak. Ha az autó érintkezési problémákkal küzd, a kondenzátor ezt csillapítja, és a LED folyamatosan világít, még akkor is, ha a kondenzátor már nem képes tartani az eredeti feszültséget. Az előző áramkörrel a LED-ek lassan sötétednek - itt folyamatosan ragyognak.
Állandó áramforrással nem kell aggódnia a LED névleges feszültsége miatt. Az áramkör változó ellenállásként működik, amely automatikusan beállítja az optimális feszültséget a csatlakoztatott fogyasztó számára.
Meg kell jegyezni, hogy itt is csak a feszültséget lehet csökkenteni, csakúgy, mint egy ellenállásnál. Tehát, ha 4 LED-et működtet sorosan, de a feszültség csak 6 volt, akkor az LM317 nem varázsütésre változtatja azt a 8 voltra, amelyre a legnagyobb szüksége van. Éppen ellenkezőleg: A bemeneti feszültségnek 2-3 voltosnak kell lennie a bemeneti feszültség fölött, hogy megbízhatóan működjön, mert a vezérlőnek is szüksége van egy kis feszültségre magának. Digitális működéshez 6-7 LED-et kap, amelyek egy LM317 mögött működtethetők.
Kapcsolószabályozó
Az utolsó lehetőség egy kapcsolószabályozó használata. Itt a túlfeszültséget nem egyszerűen hővé alakítják, hanem a feszültségszabályozó valóban megváltoztatja a feszültséget, és így hűvös marad.
Ez számos előnyt kínál. A "drága" digitális áram használata során a legfontosabb természetesen a hatékonyság: Az áramkör sokkal gazdaságosabb, mint az összes alternatíva. Ugyanakkor a kimenettel párhuzamosan könnyedén felakaszthat nagyszámú, alacsony soros ellenállású LED-et, így a világítás analóg módban, bármilyen sebességgel teljes fényerővel világít.
Ha a felhasznált LED névleges feszültsége alatt marad, akár soros ellenállás nélküli LED-eket is felvehet, ami bizonyos körülmények között jelentősen leegyszerűsíti a kábelezést - a vasútállomáson csak két kapcsolószabályozót használnak több száz LED-hez. A LED maximális teljesítményét azonban nem használhatja, mert a névleges feszültséget soha nem szabad túllépni.
A kapcsolószabályozó hátránya a megnövekedett áramkör-komplexitás és a magasabb költségek. Hogy ez az erőfeszítés megéri-e, különféle tényezőktől függ: Ha analóg üzemű autóval vagy kész 12 V-os LED-szalagokat használunk áramvezeték-kapcsolókkal, akkor az áramkört el lehet rejteni a csomagtérben. Ha viszont csak egyetlen olyan autót világít meg, amelyet mindig digitálisan működtetnek, akkor egy ilyen kapcsolószabályozó valószínűleg túlzó.
Összegyűjtöttem néhány példa elrendezést a LED világításhoz az MC34063A-val a kapcsolószabályozó oldalon.
Mindezeknek elegendőnek kell lenniük a téma kis bevezetéseként és az első lépésekhez. Tehát vagy szerezzen több irodalmat a témában, vagy csak próbálja ki.
További bevezetőként ajánlom Burkhard Oerttel, az alba-verlagi Burkhard Oerttel „Modellbahn-Elektronik” című könyvét: Érthetően írva, olcsón és a legfontosabb alapokat kínálva a vasutas modell számára - a világításon túl is.