Світлодіодне освітлення для модельних залізниць; Домашня сторінка Крістіана
Деякі основні схеми використання світлодіодного освітлення на модельних залізницях
На цій сторінці
Для того, щоб освітлити свою машину рівномірно і не вимагати технічного обслуговування, я вже деякий час пробую різні варіанти світлодіодів. Тут слід пояснити деякі основні схеми, за допомогою яких ви можете реалізувати власне освітлення.
Основні схеми
Перш за все, Mdrklin та цифровий сектор використовують не пряму напругу, а більш-менш рівномірну напругу. В аналоговій роботі це просте, рівне, синусоїдальне коливання. У цифровій роботі це не зовсім рівно, оскільки дані також передаються через робочу напругу.
Найпростіша схема для світлодіода може бути представлена діодом, резистором і самим світлодіодом:
Робоча напруга знаходиться тут ліворуч і праворуч, завдяки чому позитивний полюс завжди чергується вліво або вправо через змінний струм. Якщо він знаходиться зліва, діод проводить, струм протікає через послідовний резистор і світлодіод, і світлодіод загоряється.
Діод і послідовний резистор служать для захисту світлодіода. Світлодіоди загоряються лише тоді, коли через них протікає струм у "правильному" напрямку - тобто від анода до катода. У зворотному напрямку вони замикаються на нього. Однак, на відміну від "звичайного" діода, світлодіоди сприймають це погано, якщо вони тривалий час працюють у зворотному напрямку, тобто: діод для захисту.
Крім того, ви також можете використовувати цю схему:
Якщо позитивний полюс знаходиться зліва, струм протікає через світлодіод. Якщо позитивний полюс знаходиться праворуч, натомість струм протікає через звичайний діод.
Як розпізнати “+” (анод) та “-” (катод) на світлодіоді? З новими світлодіодами це легко: довша ніжка +. Вам слід уважніше поглянути на світлодіоди з коробки для рукоділля:
На малюнку видно, як ніжки продовжують ходити в корпусі світлодіода. Катод - це більша частина - на малюнку над катодом справа, анод - ліворуч.
Послідовний резистор використовується для генерації правильного струму для світлодіода від напруги живлення. Його розмір розраховується за законом Ома за формулою R = U/I, де R - значення опору, U - напруга, яка повинна впасти на резисторі, а I - інтенсивність струму світлодіода.
Ось приклад: залізничний трансформатор подає змінний струм до 16 В. Але світлодіоду потрібно лише 2 В. Отже, 14 В повинні «падати» на резисторі: U = 14 В.
Більшість світлодіодів працюють з 20 мА, тому I = 20 мА або 0,02 А.
Ціле, вставлене в нашу формулу, забезпечує опір:
Це не залежить від кожного ома - тому, якщо наш серійний резистор має значення від 650 до 750 Ом, тоді це буде добре.
При розрахунку не можна забувати про сам діод. На кожному діоді зазвичай падає напруга 0,7 вольт. Можливо, це доведеться вирахувати перед розрахунком. У наведеному вище прикладі це незначно, але це слід мати на увазі, коли йдеться про більш точні розрахунки.
Якщо світлодіод працює із занадто високою напругою, через нього буде протікати занадто багато струму. Світлодіод нагрівається і знебарвлюється або безпосередньо згоряє. Якщо перенапруга низька, процес старіння прискорюється: світлодіод стає все більш темним і з часом повністю виходить з ладу.
Послідовне підключення
Резистор перетворює "споживану" електроенергію в тепло. Чим вище падіння напруги, тим тепліше стає. Особливо, коли потрібно поставити кілька світлодіодів, як у випадку з внутрішнім освітленням, внутрішня частина вагона може швидко стати незручною від нагрівання.
Рішення дуже просте: послідовне підключення. Давайте просто візьмемо наш приклад вище: якщо замість одного чотири світлодіоди подаються резистором, які підключені послідовно, напруга 2 В падає на кожен світлодіод. Тож опір має лише «зменшити» 8 В, щоб ми дійшли до наших 16 В. Замість 700 Ом він повинен мати 400 Ом. Тоді схема виглядає так:
Замість діода в схемі вище, таку ж кількість світлодіодів можна встановити в протилежному напрямку. При нормальному змінному струмі обидва ряди світлодіодів загоряються по черзі і захищають один одного.
Звичайно, ця схема не підходить для цифрової роботи. При аналоговій напрузі змінного струму воно мерехтить рівномірно, але це все ще цілком терпимо. Однак при цифровій роботі напруга також передає сигнали на локомотиви та стрілочні переводи, а це означає: Обидві сторони не мерехтять рівномірно, а в ритмі даних. Найпізніше, коли центральний блок має в пам'яті команди для декількох локомотивів і безперервно їх відправляє, стає негарно. Тому слід використовувати схему з додатковим діодом.
Не могли б ви просто взяти цифрову напругу і поставити потрібну кількість світлодіодів між ними, без послідовного резистора? В принципі, це спрацювало б, звичайно, але цифрова напруга рідко буває кратним прямій напрузі світлодіода - навіть якщо це виглядає так на перший погляд. Якщо напруга стає занадто низькою, світлодіоди дуже швидко темніють. Якщо напруга занадто висока, надмірно високі струми будуть протікати дуже швидко, і світлодіод буде зруйнований. Послідовний резистор може компенсувати це певною мірою - звичайно, світлодіод дотримується кривої напруги, але зміни незначні. Тому він не працює без послідовного резистора, якщо ви не покладаєтесь на вдосконалені схеми для стабілізації напруги - про це пізніше.
Тож повернемося до схеми, в якій захисний діод, резистор і світлодіод підключені послідовно. Цю схему можна також використовувати в цифровому вигляді: імпульси струму від рейки (+) до центрального провідника (-) досить рівномірні, так що ланцюг можна використовувати, якщо ви звертаєте увагу на полярність ліній живлення: Ліва частина цих схем до рейки, право на центральний провідник.
Звичайно, ви можете повісити кілька "струн" із послідовним резистором та світлодіодом за захисним діодом. За допомогою цієї схеми я спроектував просте освітлення конвертованих вагонів та купе автомобілів:
Теоретично можливий інший варіант. Один резистор може подавати кілька рядів світлодіодів:
Звичайно, значення резистора потрібно регулювати відповідно, оскільки струм повинен протікати вдвічі. Наш опір мав би значення 8 В/0,04 А = 200 Ом. Однак подвійний струм призводить до того, що резистор стає трохи теплішим. Існують також резистори з різною несучою здатністю і чим більше струму, що протікає через них, тим більшим повинен бути опір. Не обов’язково рішення, якщо кілька автомобілів потребують освітлення.
Випрямляч мосту та згладжування
Попередні схеми сяяли через більш-менш сильне мерехтіння під час роботи. Це все ще може працювати для вуличного освітлення на світловому трансформаторі, але найпізніше за один раз на цифровій системі ви дуже чітко бачите, що освітлення не є постійним. Тут допомагає конденсатор. У той же час він служить для пом'якшення короткочасних перебоїв з подачею енергії. Звичайні джерела світла роблять це з їх вродженою інерцією, але ми повинні допомогти зі світлодіодами.
Щоб ми дійсно використовували кожен біт струму, який надає трансформатор, ми замінюємо простий захисний діод на справжній випрямний контур, який складається з чотирьох діодів:
За допомогою цієї схеми можна досягти дуже рівномірного освітлення. Діоди ліворуч забезпечують зворотний "неправильний" край змінного струму. Конденсатор заряджається і подає світлодіод під час “розривів напруги”. В якості орієнтиру я припускаю приблизно 1 мкФ на мА. У наведеному вище прикладі це означає 20 мкФ, коли світлодіод витрачає 20 мА. Чим більший конденсатор, тим рівномірніше освітлення, навіть якщо немає контакту з рейкою - але: чим більший конденсатор, тим більша потреба в просторі і більші струми, які система передає від трансформатора по живильних лініях, рейках, Подрібнювач і, нарешті, діоди повинні витримати.
І ще одне зауваження: Вище я припустив, що трансформатор забезпечує напругу 16 В, а потім розрахував послідовний опір. Слід зазначити, що ефективна напруга вказана на трансформаторах змінного струму. Якщо випрямлення обмежене простим діодом, ви все ще можете жити з ним.
Однак за ланцюгом випрямляча і згладжувальним конденсатором напруга ближче до пікової напруги, тобто не 16 В, а близько 22,6 В. При аналоговій роботі Mдrklin H0, максимальне значення ще вище через імпульсний перемикач. Звичайно, це слід враховувати при розрахунку послідовних резисторів і особливо конденсаторів. Конденсатори повинні витримувати 35 вольт.
Регулятор напруги
Використовуючи LM317 як джерело постійного струму, світлодіоди можуть світитися навіть при зміні напруги:
LM317, як правило, є регульованим регулятором напруги. Схема, наведена вище, також перетворює його на джерело постійного струму: регулятор напруги регулюється таким чином, що 1,25 В знаходиться між "Vout" і "Adj". Для розрахунку необхідного опору вставте бажану інтенсивність струму у формулу R = U/I.
Приклад розрахунку: Світлодіоди розраховані на 20 мА.
Тут слід прийняти наступний більший опір. Якщо використовується менший резистор, сила струму стає більшою:
З іншими світлодіодами значення можна регулювати відповідним чином - іноді надзвичайно яскраві світлодіоди можуть працювати з напругою до 100 мА. Правильні значення можна знайти в технічних паспортах світлодіода. У таких відправників, як Conrad або Reichelt, вони безпосередньо пов'язані з відповідними компонентами для завантаження.
Регулятор напруги компенсує різні вхідні напруги. Якщо в аналоговому режимі вагон живиться мало, оскільки поїзд рухається повільно, контролер відкривається трохи далі - і світлодіоди загоряються на повну потужність. Якщо у машини є проблеми з контактом, конденсатор пом'якшує це, і світлодіоди продовжують постійно світитися, навіть якщо конденсатор більше не може утримувати початкову напругу. За попередньої схеми світлодіоди повільно темніють - тут вони продовжують постійно світити.
З постійним джерелом струму вам не потрібно турбуватися про номінальну напругу світлодіода. Схема працює як змінний резистор, який автоматично встановлює оптимальну напругу для підключеного споживача.
Слід зазначити, що зменшити напругу тут можна лише так само, як і на резисторі. Отже, якщо ви працюєте послідовно з 4 світлодіодами, але напруга становить лише 6 вольт, то LM317 магічно не перетворює його на 8 вольт, які йому найбільше потрібні. Навпаки: вхідна напруга повинна бути на 2-3 вольта вище вхідної напруги, щоб вона працювала надійно, тому що контролеру також потрібно трохи напруги для себе.Для цифрової роботи ви отримуєте 6-7 світлодіодів, якими можна керувати за LM317.
Комутаційний регулятор
Останній варіант - використовувати комутаційний регулятор. Тут надлишок напруги не просто перетворюється на тепло, а регулятор напруги насправді змінює напругу і, таким чином, залишається прохолодним.
Це пропонує ряд переваг. Найголовніше при використанні "дорогого" цифрового струму - це, звичайно, ефективність: схема набагато економічніша за всі альтернативи. У той же час ви можете легко повісити велику кількість окремих світлодіодів з низьким послідовним опором паралельно виходу, щоб освітлення світило з повною яскравістю навіть в аналоговому режимі з будь-якою швидкістю.
Якщо ви залишаєтесь нижче номінальної напруги використовуваного світлодіода, ви можете навіть додати світлодіоди без послідовного резистора, що за певних обставин значно спрощує проводку - на моєму залізничному вокзалі для сотень світлодіодів використовуються лише два контролери перемикання. Однак ви не можете використовувати максимальну потужність світлодіода, оскільки номінальна напруга ніколи не повинна перевищувати.
Недоліком комутаційного регулятора є підвищена складність схеми та більші витрати. Чи доцільні ці зусилля, залежить від різних факторів: на автомобілі для аналогової роботи або при використанні готових світлодіодних стрічок на 12 В з муфтами, що подають струм, ланцюг може бути захований у багажному відділенні. Якщо, навпаки, ви освітлюєте лише одну машину, яка завжди працює цифровим способом, то такий регулятор перемикання, ймовірно, перебільшений.
Я зібрав кілька прикладів макетів для світлодіодного освітлення з MC34063A на сторінці регулятора перемикання.
Всього цього має бути достатньо як невеликого вступу до теми та для перших кроків. Тож або отримайте більше літератури на цю тему, або просто спробуйте.
Я можу порекомендувати книгу “Modellbahn-Elektronik” Бурхарда Ерттеля з Альба-Верлагу як подальший вступ: Написана зрозумілим способом, недорого і пропонує найважливіші основи для моделі залізничника - також за межами освітлення.