LED осветление за моделни железници; Началната страница на Кристиан
Някои основни схеми за използване на LED осветление на моделни железници
На тази страница
За да осветя колата си равномерно и без поддръжка, от известно време опитвам различни варианти на LED. Тук трябва да бъдат обяснени някои основни схеми, с които може да се реализира вашето собствено осветление.
Основни схеми
На първо място, Mdrklin и цифровият сектор не използват директно напрежение, а повече или по-малко дори променливо напрежение. При аналоговата операция това е просто, равномерно синусоидално трептене. При цифровата работа това не е съвсем равномерно, тъй като данните се предават и чрез работното напрежение.
Най-простата схема за LED може да бъде представена с диод, резистор и самия LED:
Работното напрежение е тук отляво и отдясно, при което положителният полюс винаги е последователно наляво или надясно поради променливия ток. Ако е вляво, диодът провежда, токът протича през серийния резистор и светодиода и светодиодът светва.
Диодът и серийният резистор служат за защита на светодиода. Светоизлъчващите диоди светват само когато токът преминава през тях в „правилната“ посока - тоест от анода към катода. В обратната посока те се заключват срещу него. За разлика от "нормалния" диод обаче, светодиодите го приемат зле, ако работят дълго време в обратна посока, т.е.: диод за защита.
Като алтернатива можете да използвате и тази схема:
Ако положителният полюс е вляво, токът преминава през светодиода. Ако положителният полюс е отдясно, токът вместо това протича през нормалния диод.
Как разпознавате “+” (анод) и “-” (катод) на светодиод? Лесно е с нови светодиоди: по-дългият крак е +. Трябва да разгледате по-отблизо светодиодите от кутията на занаятите:
На снимката можете да видите как краката продължават да се движат в корпуса на светодиода. Катодът е по-голямата част - на снимката отгоре катодът е вдясно, а анодът вляво.
Последователният резистор се използва за генериране на правилния ток за светодиода от захранващото напрежение. Размерът му се изчислява съгласно закона на Ом, като се използва формулата R = U/I, където R е желаната стойност на съпротивлението, U е напрежението, което трябва да падне през резистора, а I текущата сила на светодиода.
Ето пример: Железопътният трансформатор захранва с променлив ток до 16 V. Но светодиодът се нуждае само от 2 V. Така че 14 V трябва да "падне" на резистора: U = 14V.
Повечето светодиоди работят с 20 mA, така че I = 20 mA или 0,02 A.
Цялото вложено в нашата формула осигурява съпротивление:
Това не зависи от всеки един ом - така че ако нашият сериен резистор има нещо между 650 и 750 ома, тогава ще бъде добре.
При изчисляването не трябва да се забравя самият диод. Напрежение от 0,7 волта обикновено пада на всеки диод. Това може да се наложи да се приспадне преди изчислението. За горния пример това е пренебрежимо малко, но трябва да се има предвид, когато става въпрос за по-точни изчисления.
Ако светодиодът работи с твърде високо напрежение, през него протича твърде много ток. Светодиодът се нагрява и обезцветява или директно изгаря. Ако свръхнапрежението е ниско, процесът на стареене се ускорява: светодиодът става все по-тъмен и в крайна сметка напълно отказва.
Последователна връзка
Резисторът преобразува електричеството, което "консумира", в топлина. Колкото по-висок е спадът на напрежението, толкова по-топло става. Особено когато трябва да се доставят няколко светодиода, какъвто е случаят с вътрешното осветление, вътрешността на вагона може бързо да стане неудобна от топлината.
Решението е много просто: серийно свързване. Нека просто вземем нашия пример по-горе: Ако вместо един, четири светодиода се доставят от резистора, които са свързани последователно, напрежение от 2 V пада върху всеки светодиод. Така че съпротивлението трябва само да "намали" 8 V, така че да стигнем до нашите 16V. Вместо 700 ома, той трябва да има 400 ома. Тогава веригата изглежда така:
Вместо диода в схемата по-горе, същия брой светодиоди могат да бъдат инсталирани в обратна посока. При нормален променлив ток и двата реда светодиоди ще светят последователно и ще се предпазват взаимно.
Тази схема, разбира се, не е подходяща за цифрова работа. При аналоговото променливо напрежение той мига равномерно, но това все още е доста поносимо. При цифровата работа обаче напрежението предава сигналите и на локомотиви и стрелки, което означава, че двете страни не трептят равномерно, а в ритъма на данните. Най-късно, когато централното устройство има командите за няколко локомотива в паметта и ги изпраща непрекъснато, става грозно. Следователно трябва да се използва схема с допълнителен диод.
Не бихте ли могли просто да вземете цифровото напрежение и да поставите правилния брой светодиоди между тях, без сериен резистор? По принцип това би работило, разбира се, но цифровото напрежение рядко е точно кратно на напрежението на светодиода напред - дори ако на пръв поглед изглежда така. Ако напрежението стане твърде ниско, светодиодите много бързо потъмняват. Ако напрежението е твърде високо, прекалено високите токове ще потекат много бързо и светодиодът ще бъде унищожен. Серийният резистор може да компенсира това до известна степен - разбира се светодиодът следва кривата на напрежението, но промените са само незначителни. Така че не работи без сериен резистор, освен ако не разчитате на усъвършенствани схеми за стабилизиране на напрежението - повече за това по-късно.
Така че нека се върнем към схема, в която защитният диод, резистор и светодиод са свързани последователно. Тази верига може да се използва и цифрово: Токовите импулси от релсата (+) към централния проводник (-) са доста равномерни, така че веригата може да се използва, ако обърнете внимание на полярността на захранващите линии: Лявата страна на тези схеми на веригата, отдясно на централния проводник.
Можете, разбира се, да закачите няколко "струни" със сериен резистор и светодиод зад защитния диод. С тази схема проектирах простото осветление на вагоните за преустройство и купетата:
Теоретично друг вариант би бил възможен. Един резистор може да достави няколко реда светодиоди:
Разбира се, стойността на резистора трябва да бъде коригирана съответно, тъй като токът трябва да тече два пъти. Нашето съпротивление ще има стойността 8 V/0,04 A = 200 Ohm. Двойният ток обаче кара резистора да стане малко по-топъл. Има и резистори с различна товароносимост и колкото повече ток протича през тях, толкова по-голямо трябва да бъде съпротивлението. Не е задължително решението, ако трябва да бъдат осветени няколко автомобила.
Мостов токоизправител и изглаждане
Предишните вериги блестяха чрез повече или по-малко силно трептене по време на работа. Това все още може да работи за уличното осветление на светлинния трансформатор, но най-късно с едно движение на цифровата система можете да видите много ясно, че осветлението не е постоянно. Тук помага кондензатор. В същото време той служи за намаляване на кратките прекъсвания на захранването. Конвенционалните източници на светлина правят това с тяхната вродена инерция, но ние трябва да помогнем със светодиодите.
За да използваме наистина всеки бит ток, който трансформаторът предоставя, ние заместваме простия защитен диод с истинска токоизправителна верига, която се състои от четири диода:
С тази схема може да се постигне много равномерно осветление. Диодите вляво гарантират, че "грешният" ръб на променливия ток е обърнат. Кондензаторът се зарежда и захранва светодиода по време на „прекъсвания на напрежението“. Като насока предполагам, че около 1 µF на mA. В горния пример 20 µF, когато светодиодът черпи 20 mA. Колкото по-голям е кондензаторът, толкова по-равномерно е осветлението, дори ако няма контакт с релсата - но: колкото по-голям е кондензаторът, толкова по-голямо е изискването за пространство и по-големи токове, които системата предава от трансформатора през захранващи линии, релси Мелница и накрая диодите трябва да издържат.
И още една бележка: По-горе предположих, че трансформаторът доставя 16V и след това изчисли серийното съпротивление. Трябва да се отбележи, че ефективното напрежение е посочено на трансформаторите с променлив ток. Ако коригирането е ограничено до обикновен диод, пак можете да живеете с него.
Зад токоизправителната верига и изглаждащия кондензатор обаче напрежението е по-близо до пиковото напрежение, т.е. не 16V, а около 22,6 V. При аналогова работа на Mдrklin H0 максималната стойност е още по-висока поради превключващия импулс. Това разбира се трябва да се вземе предвид при изчисляването на серийните резистори и особено кондензаторите. Кондензаторите трябва да могат да се справят с 35 волта.
Волтажен регулатор
С LM317 като източник на постоянен ток, светодиодите могат да светят дори когато напрежението се промени:
LM317 обикновено е регулируем регулатор на напрежението. Горната схема също го превръща в източник на постоянен ток: Регулаторът на напрежението се настройва така, че 1,25 V да е между „Vout“ и „Adj“. За да изчислите необходимото съпротивление, вкарайте желаната интензивност на тока във формулата R = U/I.
Примерно изчисление: Светодиодите са проектирани за 20 mA.
Тук трябва да се вземе следващата по-голяма съпротива. Ако се използва по-малък резистор, токът става по-голям:
При други светодиоди стойността може да се регулира съответно - свръх-ярки светодиоди понякога могат да работят с до 100 mA. Точните стойности могат да бъдат намерени в информационните листове на светодиода. При податели като Conrad или Reichelt те са свързани директно със съответните компоненти за изтегляне.
Регулаторът на напрежението компенсира различни входни напрежения. Ако колата се захранва с малко мощност в аналогов режим, защото влакът се движи бавно, контролерът се отваря още малко - и светодиодите светват с пълна мощност. Ако автомобилът има проблеми с контакта, кондензаторът го амортизира и светодиодите продължават да светят, дори ако кондензаторът вече не може да задържи първоначалното напрежение. С предишната схема светодиодите бавно щяха да потъмнеят - тук те продължават да светят постоянно.
При постоянен източник на ток не е нужно да се притеснявате за номиналното напрежение на светодиода. Веригата работи като променлив резистор, който автоматично задава оптималното напрежение за свързания консуматор.
Трябва да се отбележи, че напрежението може да се намали само тук, точно както при резистор. Така че, ако работите 4 светодиода последователно, но напрежението е само 6 волта, тогава LM317 не го превръща магически в 8 волта, от които се нуждае най-много. Напротив: Входното напрежение трябва да е на 2-3 волта над входното напрежение, за да работи надеждно, защото контролерът се нуждае и от малко напрежение за себе си. За цифрова работа получавате 6-7 светодиода, които могат да се управляват зад LM317.
Превключващ регулатор
Последната опция е да се използва превключващ регулатор. Тук излишното напрежение не просто се преобразува в топлина, но регулаторът на напрежението всъщност променя напрежението и по този начин остава хладен.
Това предлага редица предимства. Най-важното при използването на "скъп" цифров ток е, разбира се, ефективността: веригата е много по-икономична от всички алтернативи. В същото време можете лесно да закачите много отделни светодиоди с ниско серийно съпротивление успоредно на изхода, така че осветлението да свети с пълна яркост дори при аналогова работа на всяка скорост.
Ако останете под номиналното напрежение на използвания светодиод, можете дори да добавите светодиоди без сериен резистор, което при определени обстоятелства значително опростява окабеляването - на моята жп гара се използват само два превключващи регулатора за стотици светодиоди. Не можете обаче да използвате максималната мощност на светодиода, тъй като номиналното напрежение никога не трябва да бъде надвишено.
Недостатъкът на превключващия регулатор е повишената сложност на веригата и по-високите разходи. Дали това усилие си струва зависи от различни фактори: С автомобил за аналогова експлоатация или при използване на готови 12 V LED ленти с тоководещи съединители, веригата може да бъде скрита в багажното отделение. Ако, от друга страна, осветявате само една кола, която винаги се управлява цифрово, тогава такъв превключващ регулатор вероятно е преувеличен.
Събрах няколко примерни оформления за LED осветление с MC34063A на страницата на превключващия регулатор.
Всичко това трябва да е достатъчно като малко въведение в темата и за първите стъпки. Така че или вземете повече литература по темата, или просто изпробвайте.
Мога да препоръчам книгата „Modellbahn-Elektronik“ от Burkhard Oerttel от Alba-Verlag като допълнително въведение: Написана по разбираем начин, евтина и предлага най-важните основи за моделите железничари - също отвъд осветлението.