Využití LED v železničním modelářství

Autor: Viktor Pohořelý <info(at)pojezdy.eu>, Téma: Modelová železnice, Vydáno dne: 19. 05. 2015

---

V modelové železnici najdeme mnoho míst kam je třeba osadit zdroj světla. Z těch nejdůležitějších jsou to reflektory lokomotiv, osvětlení interiérů vagonů, návěstidla, pouliční osvětlení a spousta dalších. Od nepaměti se používaly miniaturní žárovky, ale s rozvojem elektroniky jsou stále častěji používány LED. Cílem tohoto článku je osvětlit modelářům alespoň základní vlastnosti LED a jejich využití v modelech.

Na úvod začněme vysvětlením co vlastně ta LED je. Jedná se o polovodičovou součástku zvanou dioda, která je schopna emitovat světlo. Odtud také pochází zkratka LED (z anglického light-emitting diode). Poznáte ji podle pouzdra, které je vyrobeno z čiré nebo průsvitné zabarvené hmoty.
LED jsou schopné vydávat světlo jedné barvy, resp. jedné, ostře ohraničené vlnové délky. Ta závisí na použítém materiálu a technologii výroby a zhruba jí odpovídá také napětí, které je třeba na LED pro její správnou funkci přivést. Orientační hodnoty naleznete v tabulce na Wikipedii ve sloupci označeném [ΔV]. Anglický text jistě nebude na závadu, barvičky jsou tam jasně patrné.
První LED červené barvy se jako použitelné součástky objevily v roce 1962, následované po 9 letech vývoje zelenou, oranžovou a žlutou variantou. LED s modrým a bílým světlem odolávaly světlem výrobcům dlouho, první se objevily až v 90. letech a jejich cena byla oproti ostatním několikanásobná.
S rozvojem technologií přišly také vícebarevné LED, které mají v pouzdře dva a více čipů a vydávají tak dvě a více barev, např. v kombinaci zelená - červená pro různé kontrolky. Vyrábějí se i RGB verze, které umí vydávat červené, zelené a modré světlo. Lze tedy poskládat prakticky všechny barvy a jejich odstíny. Pro použití v různých senzorech (např. CD/DVD) nebo dálkových ovladačích se také vyrábějí infračervené a ultrafialové diody, jejichž světlo není lidským okem viditelné. Rozhodně to ale nezkoušejte, protože i přesto je schopné poškodit zrak!
Od prvních LED se také rozšířilo množství pouzder. Kromě původních 5mm válcových pouzder tak nalezneme mnoho variant, s nejmenšími o rozměrech pod 1mm. V modelové železnici tak nejen že můžeme nahradit žárovičky, ale je možné osvětlit i místa u kterých to dříve díky rozměrům nebylo možné.
черный тмин
Klasická LED má dva vývody - anodu "+" a katodu "-". Na nové diodě lze anodu poznat podle délky, je to ten delší vývod. U osazené součástky to již nejde, tam to poznáme zejména podle oříznutí pouzdra u katody (8). Bohužel se ale občas na trhu objevují LED z Číny, které mají polaritu otočenu a pozná se pouze měřením nebo vyzkoušením :-(.
SMD LED v bezvývodovém pouzdře mají katodu označenou zelenou tečkou nebo proužkem.
Světlo emitující čip (4) je umístěn uprostřed malého reflektoru (3), vytvořeného přímo na vývodu součástky (vícebarevné LED mají vývodů více). Vše je zatavené v plastovém pouzdře, jehož horní část slouží jako čočka.
Zapojení LED do obvodu je poměrně jednoduché. Jak již bylo naznačeno, je třeba dát pozor na správnou polaritu. Při studiu zapojení a schémat ji poznáte snadno podle schématické značky.


Dalšími důležitými parametry z hlediska návrhu obvodu a vhodnosti LED je pracovní napětí (Vf) a proud LED (If). Oboje udává výrobce v katalgovém listu. Z těchto hodnot spočítáme vhodný předřadný odpor, jehož zařazením do série s LED omezíme proud diodou. Bez tohoto odporu hrozí riziko zničení LED, protože LED reaguje i na malou změnu přivedeného napětí velkou změnou proudu, který přes ní protéká.
(v1) R = ( U - Vf ) / If
kde R je velikost odporu, zařazeného do obvodu, U je napětí zdroje, Vf je pracovní napětí LED a If je pracovní proud diodou.
Pokud se nám zdá jas diody příliš vysoký, je možné zvýšením odporu zmenšit proud diodou, díky čemuž poklesne i její jas.

Jak určit správný předřadný odpor
Jako vzorový příklad použijme vysoce svítivou červenou LED - pro katalogový list klikněte. osazenou do koncového osvětlení. Na tento katalogový list se budu odkazovat v příkladu níže.
Pro předběžný výpočet použijeme vzoreček (v1), kam doplníme napájecí napětí U - pro modelovou železnici obvykle 12V, napětí na LED Vf použijeme buď z tabulky na wikipedii a nebo lépe z katalogového listu výrobce, pokud je k dispozici. Pro koncová červená světla tedy uvažujme 1.8V - zde nevadí když se použité číslo bude o pár desetin lišit od skutečné hodnoty (viz Fig. 1 v katalogu).
Zbývá určit proud If protékající diodou při plném napájecím napětí v kolejích. V modelářských diskuzích se obvykle počítá s maximálním proudem diodou uvedeným v katalogu - většinou 20 mA (viz tabulka 2 v katalogu - hodnota při které parametry LED testoval výrobce, případně 30 mA (viz tabulka 1 v katalogu - maximální povolený proud součástkou).

(v2) R = ( 12 V - 1.8 V ) / 20 mA = 0.51 kOhm = 510 Ohm.

Takto spočítaný odpor zajistí že LED v modelu neshoří ale koncové osvětlení z ní rozhodně nebude - tato LED Vám bez problému osvítí nástupiště za stojícím vozem. Proto je potřeba jas ještě snížit zvětšením odporu - mě se pro tuto konrétní LED osvědčilo 3300 Ohm, resp. 3,3 kOhm (v katalogu označené jako 3k3). Správnou hodnotu je nejlepší vyzkoušet pro konkrétní LED - pomocí zdroje který používáte a odporové dekády, nebo alespoň pomocí různých hodnot předřadného odporu, případně sériovým zapojením více odporů.
Pro takové zkoušení je vhodné například kontaktní pole a odpory s drátovými vývody - které lze zakoupit u nás a nebo o něco levněji ve specializovaném obchodě s elektronickými součástkami. Na tomto poli si lze jednoduše hrát se zapojením aniž by bylo nutné použít páječku.
Odpory lze řadit do série ((v3) hodnoty se sčítají : R1 + R2), paralelně ((v4) výsledný odpor = ( R1 * R2 ) / ( R1 + R2 )) nebo jejich kobinací. Případně lze využít potenciometr a po doladění si změřit jeho hodnotu.
Po doladění správné hodnoty se podívejte do katalogu nejbližšího prodejce elektrosoučástek a vyberte z jeho skladové nabídky hodnotu blízkou Vámi určené.
Nevýhodou tohoto zapojení v analogovém provozu je proměnný jas v závislosti na rychlosti jízdy (a tedy napětí v kolejích), ale o tom jak řešit tento jev až někdy příště.

Jak na sériové a paralelní řazení LED?

Jak je patrné ze vzorečku (v2), většina napětí (a tedy výkonu) se spálí na předřadném odporu. Tím se nabízí myšlenka zařadit více LED do série a snížit tak výkonové ztráty které se uvnitř modelu promění v teplo. Pro takové zapojení lze použít výpočet dle vzorce (v5):

(v5) R = ( U - Vf1 - Vf2 - ... - Vfn ) / If

kde počet LED musí být volen tak aby součet Vf nepřesáhnul 12V.

Nevýhodou takového zapojení je minimální napětí od kterého LED začnou svítit - to je dáno součtem Vf sériově zapojených LED. Toto zapojení je vhodné zejména tam kde je napájecí napětí konstantní - digitál, analog s pulzním zdrojem nebo příslušenství napájené pevným napětím.

Paralelní zapojení LED s jedním společným předřadným odporem nedoporučuji, dvě LED nikdy nebudou zcela stejné a jednou bude procházet větší proud než druhou. To má vliv na jas a také životnost LED - i když se to při provozu modelu pravidelně "každý první čtvrtek v únoru" nemusí projevit, z dlouhodobého hlediska to není vhodné a při ceně odporu navíc to nemá opodstatnění.

Jak zapojit LED pro digitál?
Jednoduché a přehledné schéma lze nalézt například stránkách u LokoPina. Napájecí napětí je pevně dané výstupem z centrály a proto je výhodné použít sériového řazení LED. Doporučuji takto spojovat pouze LED jedné barvy - červená a bílá může (a pravděpodobně bude) potřebovat jiný proud pro jas odpovídající modelovému použití. Podobně doporučuji rozdělit poziční světla a hlavní reflektor, pokud chcete od každého z nich jiný jas, proud se bude lišit. Dalších komentářů asi netřeba, dekodér za nás vyřeší spoustu starostí s ochranou LED proti přepólování, problikávání atd.
A jeden příklad z praxe - zapojení námi dodávaných osvětlení pro M152 / 010 / M131 atd. :

Poznámka k zapojení : zde by bylo vhodnější použít sériového zapojení LED jedné barvy (a příslušně změnit odpory). Důvod proč jsem použil zapojení na obrázku je v možnosti rozdělení na jednotlivé okruhy a samostatné ovládání každé LED pro ty kdo chtějí rozsvěcet pouze jedno bílé světlo. Rozdíl v odběru je 3.5 mA, což je nakonec zanedbatelná hodnota.

Jak zapojit LED pro analog?
V analogovém provozu je v první řadě potřeba zajistit ochranu LED proti přepólování. Nejjednodušší je použít usměrňovací diodu (např. 1N4148) nebo Schottkyho diodu (např. BAT42). Tím budou LED chráněny před přepólováním při změně směru jízdy.
Výhodou Schottkyho diody je nižší úbytek v propustném směru, otevírá se při nižším napětí než 1N4148 (0.4V oproti 1V) takže LED začnou svítit při nižším napětí (rozdíl cca 0.6V).
A jeden příklad z praxe - zapojení námi dodávaných osvětlení pro M152 / 010 / M131 atd. :


Další problém který se může v analogovém provozu vyskytnout je problikávání světel která pro směr kam model jede svítit nemají. Intenzita problikávání silně závisí na kvalitě sběru proudu z kolejí. Tento jev je způsoben tím že se z motor při ztrátě napájecího napětí stane generátor a v "palubním rozvodu" vytvoří napětí opačné polarity. Tento jev lze eliminovat kvalitním sběrem proudu (čisté koleje, sběrače, odrušení motoru, dobrý přítlak modelu ke kolejím - dovážení, odpružení...) a také potlačit přidáním filtračního kondenzátoru. Zatím se mi osvědčila kombinace keramického kondenzátoru 1uF a bipolárního elektrolytu 22 uF - vše pochopitelně minimálně na 25V, lépe na 35V. !@#DOPLNIT OBRáZEK

A to je pro tento díl vše, případné dotazy uvítám a doplním dle nich článek...