Zapojení LED pro osvětlení (Stavba 3)

  1. Úvod
  2. Základní pojmy
  3. Výpočet
  4. Bez výpočtu
  5. Závěr

Úvod

    O zapojení LED v modelové železnici i jinde už toho bylo napsáno mnoho. Naneštěstí ne všechny publikované údaje jsou přesné. A srozumitelné i pro "neelektrikářskou" část modelářů. A většinou se počítá se zdrojem stejnosměrného napětí. Proto bych tady chtěl lehce shrnout zapojení LED diod pro osvětlení domků, nádraží atd., a to především ze zdroje 16 V stř., který se používá pro napájení digitální železnice. Osvětlením lokomotiv (reflektory i jiné.), které se v digitálu připojuje na lokodekodér, se zde zabývat nebudu. Ani osvětlením vagonů, se kterým zatím zkušenosti nemám.

 

Základní pojmy

    Na začátku bych jen trochu zjednodušeně vysvětlil některé pojmy. Dioda (obecně) se chová tak, že v jednom směru proud vede, v opačném směru nikoliv.

 

Proudu v propustném směru říkáme také jmenovitý proud a na diodě je přitom napětí v propustném směru.

Proudu v závěrném (nepropustném) směru říkáme závěrný a na diodě je přitom napětí v závěrném směru.

 

Běžná usměrňovací dioda, kterou jako Dpoužijeme, má  jmenovitý proud řádově 1 A, přitom napětí v propustném směru je na ní asi 1 V. Napětí v závěrném směru přitom "vydrží" řádově ve stovkách V.

LED dioda se chová stejně, jako běžná usměrňovací dioda. Jen při protékání jmenovitého proudu (tedy v propustném směru) svítí. Druhá odlišnost od té běžné diody je, že má malé napětí v závěrném směru. Lépe řečeno, vydrží jen malé napětí v závěrném směru, obvykle tak 5 V. Při větším se zničí. Napětí v propustném směru je na ní asi 1,9 až 3,5 V, a to podle barvy světla (zjistíme z jejích parametrů).

    Parametry diod můžeme také velmi snadno změřit běžným VAmetrem.

    Zde bych se chtěl zmínit o jedné zvláštnosti, pro mne nepochopitelné (mimo jiné) o:))). Napětí v závěrném směru je u LED diod asi 5 V. Když LEDku připojíme na střídavé napětí pod touto hranicí (sériovým odporem upravíme proud na jmenovitý), dioda bude normálně svítit (trochu bude blikat, protože ji bude rozsvěcen jen jedna půlvlna) a všechno bude v pořádku. Když však napětí zdroje zvýšíme nad těch 5 V (dejme tomu 12 V), bude na LEDce při opačné půlvlně téměř plné napájecí napětí (proud v závěrném směru je nepatrný, takže na odporu bude jen nepatrný úbytek napětí), a to by ji mělo zničit. Napětí v závěrném směru je překročeno. Ovšem nic se nestane. Výrobci lampiček pro modelovou železnici běžně udávají připojení na střídavé napětí a žádná usměrňovací dioda ani není přiložena. Psát, proč tomu tak je, by byly pouhé kalkulace. Nevím. Mohl by mi to nějaký odborník vysvětlit? Rád bych to zde potom uvedl.

Na začátek článku

Výpočet

    Základní zapojení je jednoduché (obr.1). Dioda  DU chrání LED diodu DL před proražením napětím opačné polarity, které "dává" opačná půlvlna střídavého napájecího napětí, které chceme použít. Na výpočet stačí Ohmův zákon. Potřebujeme znát jmenovitý proud diodou LED (I), napětí na diodě LED v propustném směru (UL), napětí na diodě DU v propustném směru (UU ) a napájecí napětí U.

 

Obr.1 - Základní schéma zapojení

 

Označení Význam Hodnota Poznámka
U napájecí napětí střídavé 16 V Napětí ~16V je standardní napájecí napětí pro příslušenství
I proud 20mA (0,02A) Jmenovitý proud LED diodou *)
UL napětí na diodě DL (LED) 2 V v propustném směru, liší se dle typu i barvy světla *)
UU napětí na diodě DU 0,8 Většinou < 1V *)

*)zjistíme v katalogu nebo na stránkách dodavatele.

   

Vzorec [1] pro výpočet odporu

 

 

(dvojka ve jmenovateli vzorce je z důvodu jednocestného usměrnění diodou DU, "pouštíme" jen jednu půlvlnu!). Zvolíme 390 až 560 Ω (proud LEDkou nemusí být úplně "nadoraz"). Lze, samozřejmě, použít i ss napětí. Pak je ovšem usměrňovací dioda zbytečná a výpočet odporu [2] je ještě jednodušší:

 

Zapojení pro ss napětí jsem viděl na internetu vícekrát, nebudu se tím tedy zabývat. Ovšem všechny zde uvedené údaje, lze aplikovat obdobně i pro stejnosměrné napájení.

   

V případě potřeby většího počtu "světel" přijde na řadu několik dalších variant zapojení. Základ je na obr.2.

 

Obr.2 - Schéma zapojení pro větší počet LEDek

 

    Výpočet odporu je stejný, jako pro jednu LED diodu, u usměrňovací diody DU  nesmíme zapomenout na proud, který je znásoben počtem LEDek, ovšem zjednodušeně řečeno, teprve při několika desítkách LED diod bychom se tím museli zabývat. Zapojení na obr.2 je sice naprosto v pořádku, v některých případech se však dá podstatně vylepšit. Jedním z negativ je nerovnoměrné zatěžování zdroje napájecího napětí. Využíváme jen jednu půlvlnu, takže lépe je to na obr.3. Prostě polovinu diod otočíme (elektricky, tedy zaměníme katodu a anodu), včetně té usměrňovací, samozřejmě (a nemusí to být přesně polovina).

 

Obr.3 - Lepší schéma zapojení pro větší počet LEDek

 

    To tam máme ale spoustu součástek (odporů), které se dají snadno ušetřit. Na obr.4 je další z variant pro více LED diod. A dokonce můžeme vynechat i usměrňovací diodu. Napětí v závěrném směru (to je ta nevyužitá půlvlna) se pěkně rovnoměrně rozdělí na všechny LEDky a nepřesáhne to povolené napětí v závěrném směru na LED diodách (cca 5 V). Výpočet odporu [3] je pak

 

    Tato varianta má však určitá omezení v počtu diod. Nemůže jich být moc málo (součet jejich napětí v závěrném směru by měl být cca 25 V), řekněme tedy aspoň pět LEDek, ale zase jich nesmí být moc (součet napětí v propustném směru musí být zase menší, než je napájecí napětí), takže třeba bíle nebo modře svítících LEDek, které mají toto napětí asi 3,5 V, takto zapojíme tak 5 až 6, víc těžko. Ale ostatní barvy, které mají napětí v propustném směru kolem 2 V, se rozsvítí i v počtu asi osmi. Tato varianta zapojení má tedy některá omezení, ale můžeme ji pochopitelně využít třeba po 6ti kusech několikrát. Vůbec, pro připojení většího počtu LED diod, např. pro silnici, nádražní prostor atd., ale i třeba pro vnitřní osvětlení vagonů, je to jediné správné zapojení. Připojovat třeba dvacet LEDek pro osvětlení silnice (najednou spínaných) paralelně (obr.2), je z energetického hlediska naprostý nesmysl. Na každém předřadném odporu, kterých je v tomto případě stejně, jako LEDek, se ztratí cca pětinásobný výkon, jaký potřebuje LED dioda ke svícení. A to zcela zbytečně (pokud zrovna nechceme tu silnici vytápět). Takže pro větší počet (najednou spínaných) LED diod, rozhodně sériové zapojení dle obr.4, 4a. Pro méně diod (2,3,4) musíme zase použít usměrňovací (ochrannou) diodu DU.

Obr.4 - A další varianta pro větší počet LEDek

 

Obr.4a - Toto zapojení je použito pro skladiště Auhagen. Proud LED diodami je asi 35 mA.

 

    Elektronická elegance je zapojení na obr.5. LED diody se navzájem chrání proti průrazu v závěrném směru, na dvě stačí jeden odpor a diody DU nepotřebujeme (zdroj tohoto nápadu jsem načerpal na stránkách Railnet). Má to jen jeden háček a to je sudý počet LEDek. Lichou však zase můžeme připojit podle obr.1. Výpočet odporu [4] je trochu jiný (vypadne napětí na usměrňovací diodě):

 

Pro proud I = 10mA má tedy odpor hodnotu 700 Ω, pro 20mA, 350 Ω. Takových 560 Ω je akorát. Výkonové zatížení odporu [5] je v tomto případě největší:

 

Jak zjistíme dále, teorie je pěkná věc, ale... Třeba v tomto případě použijeme na napájení starý FZ1. Na jeho výstupu naměříme ale klidně ~18 V a na LEDkách zase sotva 1 V. Rázem máme výkon na odporu přes 0,5 W ! Až nám za pár hodin provozu odpor shoří v zalepeném domečku, určitě se nám to líbit nebude. Tady použiji raději odpor z řady TR1W nebo R0414 (2 W). A rozhodně odpory neumísťujeme do bužírek, trubiček, malých uzavřených prostor. Vzduch musí kolem nich volně proudit. Někdy "topí" poměrně dost.

 

Obr.5 - Jedno z nejjednodušších alternativních zapojení (R=560Ω 1W, D=L934SYC)

 

Abych to trochu oživil aplikací, je na následujících obrázcích zapojení z obr.5, použité na osvětlení staré výtopny.

 

Obr.5a - Mezi čela je vlepen pomocný "trámek", který slouží jako nosič.

 

Obr.5b - Vše přilepeno "vteřiňákem" nebo trochu zataveno do nosníku.

 

Obr.5c - První fotka osvětlení. Mohlo to dopadnout hůř.

 

Obr.5d - Takhle by to snad mohlo vypadat i ve skutečnosti.

Na začátek článku

Bez výpočtu

    Tak, to by byla teorie. Ono to v ní taky trochu skřípe. Jakmile začneme měřit, zjistíme, že na usměrňovací diodě je napětí sotva 0,4 V, na LEDce (žluté) asi 1 V. (Napětí v propustném směru se taky udává pro maximální proud.) A někomu stejně dělají potíže i jednoduché vzorečky a tady se bez nich můžeme zcela obejít. V praxi to dělám tak, že místo odporu R zapojím potenciometr P (asi 1 až 5 kΩ) v sérii s odporem R(asi 220 Ω) - obr.6. Začnu na max. odporu, pak pomalu odpor potenciometru snižuji, intenzita svitu stoupá, až je dosaženo téměř max. svitu. Samozřejmě je lepší použít v sérii ještě ampérmetr, abychom nepřekročili povolený proud LED diodou, ale jde to i bez něj. Pak změřím odpor potenciometru s odporem (P + Ro) a nejbližší hodnotu použiji. Je to jednodušší a rychlejší, než jsem to napsal. Výkonové zatížení odporu [6]

 

a to ještě pro původní velikost odporu a tedy proud 20 mA. My jsme odpor zvětšili a proud je tedy o něco nižší (v praxi zjistíme, že LEDky svítí slušně už na poloviční proud, než je jmenovitý) a výkonové zatížení je tedy ještě mnohem menší. Doporučuji metalizované odpory řady 207 (0,6 W). Pozor, pro zapojení na obr.5 je ale zatížení víc než dvojnásobné [7]. Současně je třeba podotknout, že LEDky většinou snesou daleko větší proud, než 20 mA. U EZK např. najdeme: LED diody mají povolený mezní ss proud 100mA, svítivost je udávána při 75mA. Zkoušel jsem do LED L934SYC pustit 80 mA po dobu několika hodin. V pohodě. A čím větší proud, tím větší svit. Ale pozor, taky tím větší spotřeba!!! Zkrátka, všechno je kompromis a musíme to předem brát v úvahu, abychom pak neměli více zdrojů na lampičky, než na lokomotivy a dráty jako k akumulačkám.

 

 

Obr.6 - Schéma pro stanovení sériového odporu.

 

Pozor při vypínání LED diod třeba mikrospínačem. Musíme vždy odpojit celou větev, spínací prvek bude vždy v sérii s odporem R (např. u zapojení na obr.5 nesmíme spínat diody jednotlivě, ale obě najednou, při odpojení jen jedné z nich se ta druhá zničí). Jako příklad je na obr.7 zapojení pro spínání jednotlivých diod.

 

Obr.7 - Zapojení s LED diodami, ovládanými mikrospínači

 

    U výkonového zatížení se ještě trochu zastavím. Základní vzorce [8,9,10] pro výpočet výkonu jsou:

    Výkon tedy můžeme vypočítat více způsoby (je to, samozřejmě, stále stejný, jinak upravený vzorec). Jde o to, aby vstupní údaje byly přesné. Po výpočtu zvolíme trochu jinou hodnotu odporu a už se změní proud i napětí na jednotlivých prvcích a všechno je jinak. Doporučuji změřit proud (v našem případě střídavým ampérmetrem) a z hodnoty proudu a odporu spočítat výkon dle [10].

 

    A volba jednotlivých součástek? S výběrem pomohou v každém kamenném obchodu, prodávajícím elektronické součástky. Já většinou vše kupuji v obchodech internetových, dodavatelů je celá řada (Dodavatelé 1). Potřebné parametry jsou zde většinou uvedeny.

 

LED vybíráme podle velikosti, tvaru, barvy. Taková vhodná LEDka pro osvětlení objektu zevnitř je třeba L934SYC (LED dioda Ř 3 mm, barva světla žlutá, barva pouzdra čirá, 595 nm, 1300 mCd/10mA ) nebo L3YEL4000 (LED dioda Ř 3 mm, barva světla žlutá, barva pouzdra čirá, 590 nm, 4000 mCd/10mA) s užším vyzařovacím úhlem 24° (svítí jako lampa dolů) EZK nebo GES (Dodavatelé 1).

Usměrňovací dioda DU je nějaká zcela běžná, např. 1N4004.

Odpory řady R0207 (i R0204), případně TR1W nebo R0414 (2 W).

Ceny jsou řádově v korunách, takže vítr v peněžence tady nehrozí a občas něco můžeme i "odkouřit". Horší je, když spadne na podlahu mašina.

 

    Popisované střídavé napájení LEDek má jednu nevýhodu. LEDky blikají. Málo, prakticky neznatelně, ale přece. Je to pochopitelné, neboť do nich pouštíme proud jen ob jednu půlvlnu. Raději nejprve vyzkoušejte. Odstranit se to dá jednoduše, přejde se na stejnosměrné napájení. Napětí ani nemusí být vyhlazené. Stačí usměrnit můstkem. Odpadnou diody DU a LEDky jsou zapojené pouze jedním směrem (obr.8). Výpočet se trochu změní. Dvojka u napětí Uzohledňuje dvě diody v můstkovém usměrňovači. Maximální počet LEDek je omezen pouze celkovým výkonem přivedeného střídavého napětí a povoleným proudem můstku. Při zdroji (a můstku) 1A, lze připojit asi 50 LED diod. Také nezapomínejme na zapojení z obr.4, řečeno odborně, má největší účinnost. Výkon se totiž neztrácí zbytečně na předřadném odporu (kde taky dost topí), ale rozdělí se užitečně na LED diody. Vždy jde o to, kolik LED najednou chceme spínat a podle toho je nutno zvolit zapojení.

 


Obr.8 - Zapojení s můstkovým usměrňovačem, které nebliká.

Na začátek článku

Závěr

    Na závěr bych jen podotknul, že takto podrobně popisuji vše proto, že osvětlení pomocí LED je použitelné na mnoha místech (domy, lokomotivy, vagony, nádraží atd.) a způsob zapojení a výběr součástek je prakticky stejný. "Elektrikáři" prominou, ale to byste koukali, na co se mě někteří kolegové ptají.

Na začátek článku
Menu

LokoPin    23.04.2007