LED diody v modelařině …
Autor: NovakO <@>, Téma: Elektronika (nejen) pro modeláře, Vydáno dne: 03. 02. 2011… aneb co, jak, proč a nač …
Tak, když už se mi Míra stará o to, abych se nenudil (co to je, nudit se?) a vytvořil mi novou rubriku na hranolu (a tím mě „naočkoval“ …), zkusím prvotinu speciálně pro tuhle novinku … Nezačneme sice tím základním, co by modelář měl znát (aku, motor, „palubní elektronika“ apod.), ale tím populárnějším, tedy osvětlení modelu LEDkami … Tedy přesněji, teorií a povídáním kolem nich …
LED dioda - z anglického Light-Emitting Diode, dioda emitující světlo (princip apod. viz např. LED)– se dnes vyrábí v mnoha provedeních, typech, tvarech a barvách a používají se na tolika místech, že nás to možná ani nenapadne … Pamětníci vzpomenou na naši první LEDku LQ100 – červená kulatá v kovovém pouzdře, nebo na shánění hranatých LED (pro různé indikátory apod.) – jel-li někdo známý na výlet do NDR, dostal dlouhý seznam, kolik kterých LED má přivézt … Ty doby už jsou naštěstí pryč a tak si dnes můžeme vybírat, co hrdlo ráčí a co zrovna potřebujeme. Základní principy ale zůstaly stejné a ty si zde popíšeme – zájemci o hlubší studium této problematiky si jistě více informací vyhledají sami, tohle má být jen „základní kuchařka“ …
LEDka má základní vlastnosti jako každá dioda, obsahuje PN přechod – má tedy propustný a závěrný směr („svítí – nesvítí"), katodu a anodu (na značce čárka – trojúhelníček) apod. Platí tedy, že chceme-li, aby LEDka svítila, zapojujeme kladné napětí („plus“) na anodu a záporné napětí („minus“) na katodu. Kde je K a A je krásně popsáno na uvedeném odkazu z wikipedie, včetně dalších užitečných informací – obecné vodítko může být tvar uvnitř pouzdra – tenčí ploška je anoda, ta větší ploška (vlastně to, kde „to svítí“) je katoda, u katody bývá pouzdro seříznuté a vývod katody („nožička“) je kratší, než vývod anody. Takže jak LEDku zapojit víme, teď ještě „pomocné obvody“ …
LED se dá „budit“ různě (opět viz wikipedie a odborná literatura), nám bude stačit, když LEDce omezíme max. proud pomocí předřadného odporu – pro vysvětlení, LED se rozsvěcí procházejícím proudem, který však je relativně malý (to je hlavní výhoda LED …) a my musíme zajistit, aby byl pro danou LED optimální. Co je pro naší LED optimální, zjistíme z katalogových údajů (pokud to nevíme), současně bychom měli znát, jaké jsou pro naši LED i maximální hodnoty. Z katalogu také zjistíme, jaký úbytek je na naší LED při svícení (propustný směr) – laicky řečeno, jaké napětí LED pro svoji funkci „spotřebuje“ – pro různé barvy a typy LED je toto napětí („úbytek napětí na LED“) různé, v katalogu zjistíme typické hodnoty, měřením můžeme zjistit hodnoty přesné … Tak, hodnoty máme, můžeme počítat …
Pro počítání použijeme základní elektrotechnické zákony, tj. Ohmův zákon a Kichhoffovy zákony, v našem případě zákon druhý … Apropo, tyhle zákony jsou naprostý základ, doporučuji seznámení s nimi, bude se nám to hodit … :-). Jo, abych nezapomněl, hodnoty do vzorečku musíme dosazovat v základních jednotkách (volt, ohm, ampér apod.), tedy ne např. mA – vyšlo by nám sice číslo správně, ale řádově trochu mimo …. Převody řádů (mili, mikro, nano, piko apod.) by snad neměly být problém, je to matika základní školy … :-).
Takže – R = (Ub – Uled) / Iled (ohm, volt, ampér) … Vysvětlím – potřebný odpor (R, ohm) vypočítáme, když od napětí zdroje (Ub, V) odečteme úbytek napětí na LED (Uled, V) a výsledek vydělíme potřebným proudem LEDkou (Iled, A). Vyjde nám nějaká hodnota odporu, prakticky zvolíme hodnotu nejbližší vyšší (!) v řadě hodnot vyráběných odporů (viz opět např. rezistor). Potřebnou hodnotu odporu předřadného rezistoru máme, co dál? Ano, aby to nebylo tak jednoduché, ještě bychom měli vypočítat, jak výkonný rezistor potřebujeme, tedy jaký výkon rezistoru potřebujeme.
Tedy – P = R . I2 (watt, ohm, ampér) – opět vysvětlím - potřebný výkon (P, W) vypočítáme, když odpor rezistoru (R, ohm) vynásobíme druhou mocninou proudu LED (tedy I . I, A). Vyjde nám nějaká hodnota výkonu rezistoru, prakticky zvolíme hodnotu nejbližší vyšší (!) v řadě hodnot vyráběných odporů (viz opět např. wikipedia a rezistor :-)). Jen opět podotýkám, že do vzorce dosazujeme hodnoty v základních jednotkách, jinak nám vyjde špatná hodnota. A to je teoreticky vše, co k rozsvícení (a přežití :-) ) LED potřebujeme ….
A teď praktický příklad, např. z osvětlení RC aut – příklad z použití v modelech RCK, všude uvažováno „palubní napětí“ z BECu, tedy 5V, v katalogu (nebo od prodejce) zjistíme potřebné základní údaje …
Přední světla – typ W18C – PBF led bílá čirá 18000mcd 35mA 20° 4V, průměr 5mm. Ostatní údaje vysvětlíme jindy, pro nás je teď důležitý úbytek napětí 4V a max. proud 35mA – pro účely výpočtu 0,035A.
tedy – R = (5V – 4V) / 0,035A = 1 / 0,035 = 28,6ohmu, nejbližší vyšší hodnota v řadě E12 je hodnota 33ohm. A ještě výkon – P = 33ohm . (0,035A . 0,035A) = 33 . 0,001225 = 0,040425W, nejbližší „normální“ výkon je 0,25W.
No, a protože už jsem si tyhle LEDky dostatečně „osahal“, tak máme všude použité obyčejné rezistory „půlwaťáky“ (tedy 0,5W) – nejdostupnější, s cenou kolem 80halířů a s hodnotou 39ohmů – pak je proud LEDkou 32mA – ideál, svítí jako „čert“ :-).
Druhý příklad, zadní světla – poznámka – původně použity vysocesvítivé LED, po zkušenostech pak „příště normální“ LED … - typ R3C, LED 5mm červená čirá 635nm 3500mcd 20° 2,1V AlGaInP – opět jsou v tuto chvíli pro nás důležité jen údaje o úbytku napětí (2,1V) a max. proudu – a hele, tady žádný není, takže praxe – pokud se nejedná o „nízkopříkonovou LED“, tak uvažujeme max. proud 20mA, pro nás 0,02A.
tedy – R = (5V – 2,1V) / 0,02A = 2,9 / 0,02 = 145ohmů, nejbližší vyšší hodnota v řadě E12 je hodnota 150ohmů. A ještě výkon – P = 150ohm . (0,02A . 0,02A) = 150 . 0,0004 = 0,06W, nejbližší „normální“ výkon je 0,25W.
No, a protože už jsem si tyhle LEDky také dostatečně „osahal“, tak máme všude použité obyčejné rezistory „půlwaťáky“ (tedy 0,5W) – jako u předních LED - s hodnotou 180ohmů – pak je proud LEDkou 16,5mA – svítí jako „čert“ :-), tedy skoro až moc ….
Teď pro ty, co to zajímá, další údaje o LED, z námi použitých např. toto:
svítivost (jednotkou je kandela, cd) – bílá 18000mcd (tedy 18cd, proto W18C), červená 3500mcd (tedy 3,5cd)
vyzařovací úhel (stupně, °) – udává, v jakém úhlu ještě platí údaj o svítivosti (obě 20°)
vlnová délka (nm, nanometr) – udává „barvu světla“ apod. (R3C 635nm)
materiál „katody“ – typ příměsi, která je použita na katodě a od níž se odvíjí vlastnosti LED (R3C AlGaInP – zájemci ať si dešifrují sami … :-) ).
A nakonec několik praktických rad:
- hodnotu odporu rezistoru volte raději o řád vyšší, než vám vyjde ve výpočtu a výběru z hodnotové řady – na svítivosti to nepoznáte a LED „bude ráda“ za menší proud, nehledě na to, že při určitém rozptylu parametrů jednotlivých LED a kolísání napájecího napětí nebudete „atakovat“ maximální hodnoty …
- potřebný výkon použitého rezistoru si vždy raději spočítejte, sice v praxi většinou stačí „půlwaťáky“, ale budete mít jistotu a až budete počítat „nepříznivé okolnosti“, nezapomenete na to …
- sice by šlo spočítat a použít jen jeden rezistor pro několik LED (kdopak si vzorové výpočty vezme za domácí úkol ?), ale v praxi se vyplatí použít pro každou LED jeden rezistor – jednak při dnešních cenách není co řešit a potom, při různém kombinování a přehazování LED nic nespletete a při poruše některé LED nebudou ostatní „v nepříznivé situaci“.
- budete-li dělat více LED, je dobré si sjednotit umisťování rezistorů (já je dávám na katodu) – už na první pohled pak vidíte polaritu LED a zbytečně jí netrápíte v závěrném směru – některé LED to nemají moc rádi …
- nožičky LED pokud možno nezkracujte nebo neohýbejte blíže, než za rozšířenou částí, jinak se namáhá vnitřní struktura LED a může se pak stát, že LED najednou přestane svítit, aniž je viditelné poškození …
- na nic dalšího si teď nevzpomínám, také se tomu říká „profesionální slepota“ – vy to víte automaticky, ale neuvědomíte si, že ostatní ne. Pokud mě ještě něco napadne, tak to doplním, případně zde odpovím na dotazy …
A úplně nakonec, jen pro doplnění – nejpoužívanější řada jmenovitých hodnot E12 je takto – 1,0 / 1,2 / 1,5 / 1,8 / 2,2 / 2,7 / 3,3 / 3,9 / 4,7 / 5,6 / 6,8 / 8,2 a její násobky ….. Za domácí úkol zjistěte co to je E12
Tak, když už se mi Míra stará o to, abych se nenudil (co to je, nudit se?) a vytvořil mi novou rubriku na hranolu (a tím mě „naočkoval“ …), zkusím prvotinu speciálně pro tuhle novinku … Nezačneme sice tím základním, co by modelář měl znát (aku, motor, „palubní elektronika“ apod.), ale tím populárnějším, tedy osvětlení modelu LEDkami … Tedy přesněji, teorií a povídáním kolem nich …
LED dioda - z anglického Light-Emitting Diode, dioda emitující světlo (princip apod. viz např. LED)– se dnes vyrábí v mnoha provedeních, typech, tvarech a barvách a používají se na tolika místech, že nás to možná ani nenapadne … Pamětníci vzpomenou na naši první LEDku LQ100 – červená kulatá v kovovém pouzdře, nebo na shánění hranatých LED (pro různé indikátory apod.) – jel-li někdo známý na výlet do NDR, dostal dlouhý seznam, kolik kterých LED má přivézt … Ty doby už jsou naštěstí pryč a tak si dnes můžeme vybírat, co hrdlo ráčí a co zrovna potřebujeme. Základní principy ale zůstaly stejné a ty si zde popíšeme – zájemci o hlubší studium této problematiky si jistě více informací vyhledají sami, tohle má být jen „základní kuchařka“ …
LEDka má základní vlastnosti jako každá dioda, obsahuje PN přechod – má tedy propustný a závěrný směr („svítí – nesvítí"), katodu a anodu (na značce čárka – trojúhelníček) apod. Platí tedy, že chceme-li, aby LEDka svítila, zapojujeme kladné napětí („plus“) na anodu a záporné napětí („minus“) na katodu. Kde je K a A je krásně popsáno na uvedeném odkazu z wikipedie, včetně dalších užitečných informací – obecné vodítko může být tvar uvnitř pouzdra – tenčí ploška je anoda, ta větší ploška (vlastně to, kde „to svítí“) je katoda, u katody bývá pouzdro seříznuté a vývod katody („nožička“) je kratší, než vývod anody. Takže jak LEDku zapojit víme, teď ještě „pomocné obvody“ …
LED se dá „budit“ různě (opět viz wikipedie a odborná literatura), nám bude stačit, když LEDce omezíme max. proud pomocí předřadného odporu – pro vysvětlení, LED se rozsvěcí procházejícím proudem, který však je relativně malý (to je hlavní výhoda LED …) a my musíme zajistit, aby byl pro danou LED optimální. Co je pro naší LED optimální, zjistíme z katalogových údajů (pokud to nevíme), současně bychom měli znát, jaké jsou pro naši LED i maximální hodnoty. Z katalogu také zjistíme, jaký úbytek je na naší LED při svícení (propustný směr) – laicky řečeno, jaké napětí LED pro svoji funkci „spotřebuje“ – pro různé barvy a typy LED je toto napětí („úbytek napětí na LED“) různé, v katalogu zjistíme typické hodnoty, měřením můžeme zjistit hodnoty přesné … Tak, hodnoty máme, můžeme počítat …
Pro počítání použijeme základní elektrotechnické zákony, tj. Ohmův zákon a Kichhoffovy zákony, v našem případě zákon druhý … Apropo, tyhle zákony jsou naprostý základ, doporučuji seznámení s nimi, bude se nám to hodit … :-). Jo, abych nezapomněl, hodnoty do vzorečku musíme dosazovat v základních jednotkách (volt, ohm, ampér apod.), tedy ne např. mA – vyšlo by nám sice číslo správně, ale řádově trochu mimo …. Převody řádů (mili, mikro, nano, piko apod.) by snad neměly být problém, je to matika základní školy … :-).
Takže – R = (Ub – Uled) / Iled (ohm, volt, ampér) … Vysvětlím – potřebný odpor (R, ohm) vypočítáme, když od napětí zdroje (Ub, V) odečteme úbytek napětí na LED (Uled, V) a výsledek vydělíme potřebným proudem LEDkou (Iled, A). Vyjde nám nějaká hodnota odporu, prakticky zvolíme hodnotu nejbližší vyšší (!) v řadě hodnot vyráběných odporů (viz opět např. rezistor). Potřebnou hodnotu odporu předřadného rezistoru máme, co dál? Ano, aby to nebylo tak jednoduché, ještě bychom měli vypočítat, jak výkonný rezistor potřebujeme, tedy jaký výkon rezistoru potřebujeme.
Tedy – P = R . I2 (watt, ohm, ampér) – opět vysvětlím - potřebný výkon (P, W) vypočítáme, když odpor rezistoru (R, ohm) vynásobíme druhou mocninou proudu LED (tedy I . I, A). Vyjde nám nějaká hodnota výkonu rezistoru, prakticky zvolíme hodnotu nejbližší vyšší (!) v řadě hodnot vyráběných odporů (viz opět např. wikipedia a rezistor :-)). Jen opět podotýkám, že do vzorce dosazujeme hodnoty v základních jednotkách, jinak nám vyjde špatná hodnota. A to je teoreticky vše, co k rozsvícení (a přežití :-) ) LED potřebujeme ….
A teď praktický příklad, např. z osvětlení RC aut – příklad z použití v modelech RCK, všude uvažováno „palubní napětí“ z BECu, tedy 5V, v katalogu (nebo od prodejce) zjistíme potřebné základní údaje …
Přední světla – typ W18C – PBF led bílá čirá 18000mcd 35mA 20° 4V, průměr 5mm. Ostatní údaje vysvětlíme jindy, pro nás je teď důležitý úbytek napětí 4V a max. proud 35mA – pro účely výpočtu 0,035A.
tedy – R = (5V – 4V) / 0,035A = 1 / 0,035 = 28,6ohmu, nejbližší vyšší hodnota v řadě E12 je hodnota 33ohm. A ještě výkon – P = 33ohm . (0,035A . 0,035A) = 33 . 0,001225 = 0,040425W, nejbližší „normální“ výkon je 0,25W.
No, a protože už jsem si tyhle LEDky dostatečně „osahal“, tak máme všude použité obyčejné rezistory „půlwaťáky“ (tedy 0,5W) – nejdostupnější, s cenou kolem 80halířů a s hodnotou 39ohmů – pak je proud LEDkou 32mA – ideál, svítí jako „čert“ :-).
Druhý příklad, zadní světla – poznámka – původně použity vysocesvítivé LED, po zkušenostech pak „příště normální“ LED … - typ R3C, LED 5mm červená čirá 635nm 3500mcd 20° 2,1V AlGaInP – opět jsou v tuto chvíli pro nás důležité jen údaje o úbytku napětí (2,1V) a max. proudu – a hele, tady žádný není, takže praxe – pokud se nejedná o „nízkopříkonovou LED“, tak uvažujeme max. proud 20mA, pro nás 0,02A.
tedy – R = (5V – 2,1V) / 0,02A = 2,9 / 0,02 = 145ohmů, nejbližší vyšší hodnota v řadě E12 je hodnota 150ohmů. A ještě výkon – P = 150ohm . (0,02A . 0,02A) = 150 . 0,0004 = 0,06W, nejbližší „normální“ výkon je 0,25W.
No, a protože už jsem si tyhle LEDky také dostatečně „osahal“, tak máme všude použité obyčejné rezistory „půlwaťáky“ (tedy 0,5W) – jako u předních LED - s hodnotou 180ohmů – pak je proud LEDkou 16,5mA – svítí jako „čert“ :-), tedy skoro až moc ….
Teď pro ty, co to zajímá, další údaje o LED, z námi použitých např. toto:
svítivost (jednotkou je kandela, cd) – bílá 18000mcd (tedy 18cd, proto W18C), červená 3500mcd (tedy 3,5cd)
vyzařovací úhel (stupně, °) – udává, v jakém úhlu ještě platí údaj o svítivosti (obě 20°)
vlnová délka (nm, nanometr) – udává „barvu světla“ apod. (R3C 635nm)
materiál „katody“ – typ příměsi, která je použita na katodě a od níž se odvíjí vlastnosti LED (R3C AlGaInP – zájemci ať si dešifrují sami … :-) ).
A nakonec několik praktických rad:
- hodnotu odporu rezistoru volte raději o řád vyšší, než vám vyjde ve výpočtu a výběru z hodnotové řady – na svítivosti to nepoznáte a LED „bude ráda“ za menší proud, nehledě na to, že při určitém rozptylu parametrů jednotlivých LED a kolísání napájecího napětí nebudete „atakovat“ maximální hodnoty …
- potřebný výkon použitého rezistoru si vždy raději spočítejte, sice v praxi většinou stačí „půlwaťáky“, ale budete mít jistotu a až budete počítat „nepříznivé okolnosti“, nezapomenete na to …
- sice by šlo spočítat a použít jen jeden rezistor pro několik LED (kdopak si vzorové výpočty vezme za domácí úkol ?), ale v praxi se vyplatí použít pro každou LED jeden rezistor – jednak při dnešních cenách není co řešit a potom, při různém kombinování a přehazování LED nic nespletete a při poruše některé LED nebudou ostatní „v nepříznivé situaci“.
- budete-li dělat více LED, je dobré si sjednotit umisťování rezistorů (já je dávám na katodu) – už na první pohled pak vidíte polaritu LED a zbytečně jí netrápíte v závěrném směru – některé LED to nemají moc rádi …
- nožičky LED pokud možno nezkracujte nebo neohýbejte blíže, než za rozšířenou částí, jinak se namáhá vnitřní struktura LED a může se pak stát, že LED najednou přestane svítit, aniž je viditelné poškození …
- na nic dalšího si teď nevzpomínám, také se tomu říká „profesionální slepota“ – vy to víte automaticky, ale neuvědomíte si, že ostatní ne. Pokud mě ještě něco napadne, tak to doplním, případně zde odpovím na dotazy …
A úplně nakonec, jen pro doplnění – nejpoužívanější řada jmenovitých hodnot E12 je takto – 1,0 / 1,2 / 1,5 / 1,8 / 2,2 / 2,7 / 3,3 / 3,9 / 4,7 / 5,6 / 6,8 / 8,2 a její násobky ….. Za domácí úkol zjistěte co to je E12