Принципы расчета схем освещения при работе в цифровых системах управления.

[MSV]

Тема освещения подвижного состава в данный момент является еще более актуальной, благодаря применению экономичных и долговечных светоизлучающих диодов (далее по тексту LED) и цифровых систем, дающих возможность управления цепями освещения, еще более приближая модель по визуальным параметрам к прототипу.

На рынке присутствует большое количество электронных изделий, но моделисты редко ими пользуются ввиду усредненных технических параметров (например шаг расположения LED, не соответствующий расположению купе вагона), предпочитая изготовлять системы освещения самостоятельно.

Внимание! В данной статье я рассмотрю системы освещения ПС, который будет эксплуатироваться на макетах с цифровым управлением. Применение такого ПС на аналоговом управлении не приведет к выходу из строя, но не даст реализовать все возможности, заложенные в схему.

Вначале рассмотрим, что такое светоизлучающие диоды, Light Emition Diodes - LED. Это полупроводниковый диод, содержащий один p-n переход, в котором ввиду переходов электронов с одного энергетического уровня на другой под воздействием внешнего напряжения, происходит излучение квантов фотонов, или, проще говоря светового излучения.

LED имеют две области технических характеристик - электрические и оптические. Оптические - цветовое пространство (цвет), угол рассеивания излучения (наличие линзы), яркость и.т.д моделист выбирает, основываясь на характеристиках световых приборов конкретного прототипа.

Электрические - это характеристики, которые обусловнены самой физикой процессов p-n перехода, и которые должны четко выполняться при расчете схем включения для избежания выхода LED из строя или деградацией его кристалла со временем.

Самыми важными являются:
I - максимально допустимый прямой (рабочий) ток. Его величина составляет порядка 0,005 - 0,02А в зависимости от типа LED. Этот параметр влияет на расчет балластного резистора.

Uпрям - падение напряжения на крсталле LED в прямом (рабочем) включении. Это напряжение составляет 1,5 - 3В в зависимости от типа LED. Этот параметр обуславливает минимальное напряжение, при котором LED начинает светиться и влияет на расчет балластного резистора.

Uобр - максимальное напряжение при обратном включении, при котором не возникает необратимого пробоя кристалла LED. Важно подключать LED к источнику постоянного напряжения, или при подключении к источнику переменного напряжения больше Uобр использовать последовательно выпрямительный диод.

При работе LED в цепях аналогового управления основной задачей стояла возможность засветки кристалла при минимальном напряжении на рельсах. Для этих целей каждый LED включался последовательно со своим балластным резистором к шине питания. В цифровых системах, где напряжение шины питания (или функциональных выходов декодера) почти неизменно, такой способ усложняет схему и приводит к ненужным потерям энергии на резисторах, увиличивая общее тепловыделение схемы.

И так, делаем выводы:

Если имеется цепь одного функционального назначения (пример - LED освещения корридора вагона), то все LED цепи соединяем последовательно между собой и балластным резистором.

Формула расчета балластного резистора: R=(Uпит.-Uпрям.*N)/Iпрям., где:
Uпит. - напряжение на рельсах, или выхода декодера DCC, можно принять, как 20В.

Uпрям.*N - суммарное падение напряжение на кристаллах LED, N-колличество LED в цепи. Важно, чтобы Uпрям.*N < Uпит. В противном случае колличество LED необходимо уменьшить. Для 20В цепь может содержать 6 LED c Uпрям 3В.

Iпрям. - Прямой ток LED цепи. Если LED применяются разнотипные, то необходимо брать наименьшую величину.


Пример: Расчитаем освещение стандартного пассажирского вагона (вот Аммендорф возьмем)

1. Выберем декодер, подойдет ESU LokPilot Fx V3.0, он имеет 4 выхода + 2 выхода, зависящих от направления движения. Составим группы освещения:
F0> - огни хвостового ограждения котлового торца, 3 красных LED
F0< - огни хвостового ограждения некотлового торца, 3 красных LED
F1 - освещение тамбуров и туалетов, 4 желтых LED
F2 - освещение купе проводников и дежурного проводника 2 белых LED
F3 - освещение коридора (люминесцентное) 4 белых LED
F4 - освещение купе (часть люминесцентное, часть "ночники") 4 белых, 5 желтых LED

F0> и F0< R=(20-3*2,5)/0,02=625Ом, P=625*0,02^2=0,25Вт Подбираем резистор из типового ряда 680ОмХ0,25Вт

F1 R=(20-4*2,5)/0,02=500Ом P=500*0,02^2=0,2Вт Подбираем резистор из типового ряда 510ОмХ0,25Вт

F2 R=(20-3*2)/0,01=1400Ом P=1400*0,01^2=0,14Вт Подбираем резистор из типового ряда 1500ОмХ0,25Вт

F3 R=(20-3*4)/0,01=800Ом P=800*0,01^2=0,08Вт Подбираем резистор из типового ряда 820ОмХ0,25Вт

F4 В данном случае Iпр. выбранных LED - разные 10мА у белых и 20мА у желтых, а суммарное падение напряжение более 20 вольт. Поэтому делаем две цепи, соединенных параллельно:

F4 белая R=(20-3*4)/0,01=800Ом P=800*0,01^2=0,08Вт Подбираем резистор из типового ряда 820ОмХ0,25Вт

F4 желтая R=(20-5*2,5)/0,02=375Ом P=375*0,02^2=0,15Вт Подбираем резистор из типового ряда 390ОмХ0,25Вт

Суммарная мощность рассеивания на резисторах - 2,34Вт Расчет показал, что тепловая мощность столь сложной схемы соизмерим с тепловой мощностью четырех ламп накаливания, поэтому за перегрев пластика вагона можно не волноваться.

Суммарный ток освещения, потребляемый от бустера с учетом декодера - 150мА, что вполне укладывается в нормы для одного вагона с освещением.


UPD1: Конденсаторы, которые предотвратят мигание света (хотя лучшим способом будет, конечно запараллеливание токосъемов соседних вагонов) лучше подключать параллельно цепочкам LED, после балластного резистора. Это ограничит зарядный ток конденсатора, и при его пробое или большом токе утечки (не забываем конденсаторы made in хрензнаетгде) дополнительно защитит выход декодера.

Важно! Напряжение конденсатора выбирать не менее 25В. На первый взляд, рабочее напряжение ограничено цепочкой LED, но в случае обрыва в LED или проводниках, к конденсатору будет приложено полное напряжение питания.

Статья в стадии корректировки, поэтому буду вносить незначительные изменения.

(C) MSV

[atom8]

Сообщение от MSV

Подбираем резистор из типового ряда 500ОмХ0,25Вт

Маленькое уточнение - значение сопротивления типового ряда Е24 - 510 Ом, Е48 и Е96 - 511 Ом
http://www.vt1.ru/mc/194.html

[GUDVIN]

Сереж, труд капитальный(!)(как у Маркса(каламбур)) - но не хватает рисунков типовых схем (и на аналог то же например с применением стабилизаторов)...
Ты в этом разбираешься и надо осветить весь спектр возникающих проблемм с освещением и их вариантами решения.
Всем будет полезно, и поместить статью в "ВАЖНОЕ"(обр . к администрации) по электрике , что бы не затерялась. А то у вновь прибывших постоянно возникают одни и те же вопросы,да и освежить знания всегда необходимо,а то приходится скакать по всему форуму в поисках нужного.Спасибо.

[Alex_S]

Сообщение от MSV

Uпит. - напряжение на рельсах, или выхода декодера DCC, можно принять, как 20В.

Если руководствоваться электрическими стандартами и RP, напряжение зависят от масштаба. И, естественно, от станции/бустера/транса/декодера и настроек или регулировок.

Например, у Экоса выход транса имеет регулировку, а напряжение и потребление можно мониторить самой станцией. Я выставляю напряжение выхода бустера на 14 в - по моему, для H0 самое оно.

ИМХО, для рассчета балластных резисторов и макс. мощностей - согласен, можно принять 20 в. Дает некий запас.

А например при рассчете "N-колличество LED в цепи", я бы исходил из напряжения на выходе декодера в районе 12 в. Для масштаба N или Z - и того меньше.

Сообщение от MSV

Для 20В цепь может содержать 6 LED c Uпрям 3В

- а если на выходе декодера 12 вольт, то цепь таких LEDов может вообще не светиться....

И еще такой момент, чисто из личной практики.

Сообщение от MSV

F0> и F0< R=(20-3*2,5)/0,02=625Ом, P=625*0,02^2=0,25Вт Подбираем резистор из типового ряда 680ОмХ0,25Вт

и т.д. Если "округлить" сопротивление до 1КОм, результат будет практически таким же. У меня всегда в запасе пачка килоомных и двухкилоомных резисторов 0.25 Ватт, подбираю "на глаз", пробуя цепочку светодиодов с резистором на аналоговом ИП 0 - 12в.

[MSV]

Сообщение от Alex_S

Если руководствоваться электрическими стандартами и RP, напряжение зависят от масштаба. И, естественно, от станции/бустера/транса/декодера и настроек или регулировок.

Напряжения, обусловленные NEM, относятся к аналоговому управлению. Уровни напряжения цифрового сигнала диктуются стандартами этих систем, в частности DCC.

Для расчетов всегда берется максимальное значение напряжения, чтобы не допускать работы с перегрузкой. Минимальное напряжение стандартом DCC не определено.

Более того, чем выше напряжение, тем будут реже импульсы, подаваемые на электродвигатель модели, при равной мощности, если бы это происходило на низшем напряжении. Таким образом, уменьшается вероятность "наложения" импульсов во временном интервале, что повышает нагрузочную способность бустера.

Для более четкого понимания вышенаписанного привожу следующий пример: Для отопления помещения используются три электрических обогревателя с датчиком температуры в каждом. Их общий автоматический выключатель "на пределе" расчитан на номинальный ток при напряжении 230В. Подключим еще один такой же нагреватель. Поскольку предыдущие нагреватели работают в импульсном режиме, то есть вкл.-набрал температуру-откл. может оказаться, что временные интервалы включения не совпадают, и ТЭН четвертого нагревателя работает в бестоковые паузы первых трех. Автомат не выбивает. Уменьшим напряжение до 200В. Поскольку мощность будет снижена, то время включения нагревателей для достижения температуры будет увеличено, что приведет к тому, увеличится вероятность того, что ТЭНы всех четырех нагревателей будут включены одновременно. Автомат будет выбивать.

Сообщение от Alex_S

Если "округлить" сопротивление до 1КОм, результат будет практически таким же. У меня всегда в запасе пачка килоомных и двухкилоомных резисторов 0.25 Ватт, подбираю "на глаз", пробуя цепочку светодиодов с резистором

Давайте 16,5мм округлим "на глаз" до 20мм. В статье вообще пытался донести методы расчета, а не методы научного тыка. Давайте только без обид, пожалуйста.

Сообщение от GUDVIN

не хватает рисунков типовых схем

Учту. Будут схемы, немного позже. Пока, думаю ничего сложного, +20в декодера - цепочка LED - балластный резистор - F-выход декодера, в параллель LED - кондер, - да такое проще на словах, чем рисовать

[technik]

Сообщение от MSV

Пока, думаю ничего сложного, +20в декодера - цепочка LED - балластный резистор - F-выход декодера, в параллель LED - кондер, - да такое проще на словах, чем рисовать

А по-моему, проще все-таки так:

[atom8]

Простой выпрямительный диод в этой схеме - лишнее звено, смысла в нем никакого нет, а конденсатор все таки лучше параллельно светодиоду подключить

Сообщение от MSV

Конденсаторы, которые предотвратят мигание света ..... лучше подключать параллельно цепочкам LED, после балластного резистора. Это ограничит зарядный ток конденсатора, и при его пробое или большом токе утечки (не забываем конденсаторы made in хрензнаетгде) дополнительно защитит выход декодера.

Светодиод должен обозначаться буквами HL, а не SMD (это общепринятое обозначение радиодеталей)

[Arendatr]

Конденсатор хотели вроде после резистора, параллельно LED (или обоим диодам)

[technik]

Сообщение от atom8

Светодиод должен обозначаться буквами HL, а не SMD (это общепринятое обозначение радиодеталей)

Спасибо, не знал...

Сообщение от Arendatr

Конденсатор хотели вроде после резистора, параллельно LED (или обоим диодам)

как опИсали схему:

Сообщение от MSV

+20в декодера - цепочка LED - балластный резистор - F-выход декодера, в параллель LED - кондер, - да такое проще на словах, чем рисовать

так я и нарисовал.... Хотя, конечно, так будет лучше:

[atom8]

Вот подправленная схема

[Alex_S]

Сообщение от MSV

Для расчетов всегда берется максимальное значение напряжения

Дык и я о том же. Только оперируя этими максимумами, лучше всего опираться на опубликованные стандарты.

Стандарт NMRA S9.1:

The RMS value of NMRA digital signal, measured at the track, shall not exceed by more than 2 volts the voltage
specified in standard S9 for the applicable scale. In no case should the peak amplitude of the command
control signal exceed +/- 22 volts.

Т.е. максимальное напряжение - 22 вольта (а не 20).

И еще в S9.1 дальше сказано, что декодеры для N должны выдерживать максимальное напряжение 24 в, а большие масштабы - до 27 в.

Кто знает - есть ли аналогичный NEM по цифровым напряжениям?

И Вы как-то не обратили внимание на что что я пытался донести - что при расчете количества светодиодов в цепочке уже лучше оперировать не максимальным напряжением, а "реальным".

Сообщение от MSV

В статье вообще пытался донести методы расчета, а не методы научного тыка. Давайте только без обид, пожалуйста.

Да что Вы, никаких обид... Насчет округления вверх до ближайшего N*килоом - это так, чисто из практики. Но перед таким округлением надо рассчитать по приведенному Вами методу.

[Alex_S]

Я употребил немного другую схему - ИМХО кондер должен разряжаться на светодиод через еще одно сопротивление.

[MSV]

Сообщение от technik

проще все-таки так

Током заряда конденсатора MOSFET, который коммутирует выход пальнуть, если защита от КоЗы не сработает?

Сообщение от atom8

Вот подправленная схема

Ну, это, именно то, о чем я и говорил.

[Coyote]

Подробное описание.

От себя могу добавить, что для освещения пассажирских вагонов удобнее всего использовать светодиодные ленты. Преимущества их очевидны

- они имеют гибкую основу и самоклеющееся. Правда клей имеет свойства высыхать и лучше всего их еще промазывать клеем "Момент гель" или каким-нибудь клеем для моделей по пластмассе, например от Faller

- сама лента есть физическая основа для крепления светодиодов и ненужно никаких печатных плат или еще какой-либо основы для светодиодов. Лента гибкая и без проблем можно ей пройти углы или выступы что нельзя сделать при помощи платы из текстолита. Длинна одного сегмента из 3х светодиодов обычно 5см, то есть на средней пассажирский вагон их надо не больше пяти.

-стоимость метра такой ленты 250-300р

-В случае необходимости можно использовать фрагмент из двух или одного светодиода, но сопротивление нужно рассчитывать большем номиналом 1,5-3кОм в зависимости от нужной яркости.

По цветам
Желтого цвета LED при уменьшения тока (яркости) как правило не меняют спектр свечения.
С белыми LED частенько при уменьшение яркости спектр свечения уходит в сторону синефиолетового.
Я на макете в блок-пост решил сделать люминесцентный свет и не посмотрев результат заклеил его. В результате при 12В свет в нем оказался слишком яркий, ярче чем освещение на платформе у фонарей и в прожекторах у локов. В результате стал подбирать резисторы что бы уменьшить яркость в блок-посту, и свет стал слегка синюшным. Я конечно понимаю что свет в истинной люминесцентной лампе происходит за счет свечения люминофора, а газ светится в УФ диапазоне, но тут получился какой-то уж сильно дефектный люминофор
В результате так и оставил, не ломать же теперь блок-пост
Кстати для подсветки крытой платформы я то же использовал светодиодные ленты желтого цвета. Она вообще не торчит и с вокзалом то же самое.

По питанию если в вагоны ставить без декодера на DCC то в начале ставим диодный мост, заним последовательно резистор и ленту. Параллельно ленте можно поставить конденсатор, что бы свет не мигал в вагоне при движении при плохом контакте. Стабилизаторы пробовал ставить, но смысла в них особого нет.

[atom8]

Сообщение от Coyote

Стабилизаторы пробовал ставить, но смысла в них особого нет.

Ну не скажите!
У меня есть Кон-Коровский состав Аэротрэйн.
Схема освещения у него сделана с применением микросхемы-стабилизатора на 3 В. Очень здорово получается - состав еще не тронулся, а свет в салоне уже горит и яркость не меняется в зависимости от скорости.

[Coyote]

Сообщение от atom8

Ну не скажите!
У меня есть Кон-Коровский состав Аэротрэйн.
Схема освещения у него сделана с применением микросхемы-стабилизатора на 3 В. Очень здорово получается - состав еще не тронулся, а свет в салоне уже горит и яркость не меняется в зависимости от скорости.

Ну так на аналоге есть смысл, а я то писал про DCC. Там разницы почти нет. У меня BR628 ездит просто с резисторами без стабов и ничего там при движении не меняется. Что стоит на месте, что движется с максимальной скоростью.

[GUDVIN]

Сообщение от atom8

Схема освещения у него сделана с применением микросхемы-стабилизатора на 3 В.

А сможете выложить рисунок схемы ?

[atom8]

Рисовать долго, проще на словах - выпрямительный мост, стабилизатор в смд корпусе, к выходу которого подключены белые смд светодиоды через сопротивления 100 Ом (для желтых надо больше)

[GUDVIN]

Ну это понятно , а тип какой порекомендуете ?

[atom8]

Сообщение от GUDVIN

а тип какой порекомендуете ?

http://forum.modelldepo.ru/showpost....&postcount=330

Добавлю несколько мыслей.

1) Конденсатор действительно лучше всего ставить только на светодиоды, без резистора между точками подключения конденсатора. Объясняется это очень просто. Дело в том, что балластный резистор вместе с конденсатором образуют RC-цепочку, то есть фильтр нижних частот. Характерное время цепочки R*C, и будет определять частоту фильтрации. RC должно быть больше периода мерцания раз в 5, тогда оно не будет заметно. Попытка поставить еще один резистор последовательно с диодами ничего кардинально не улучшит, скорее наоборот. Установка этоло лишнего резистора потребует уменьшить величину внешнего резистора (для согласования постоянного тока через диоды), в итоге R*C уменьшится и для восстановления частоты фильтрации придется еще увеличить емкость конденсатора. Оно вам надо?

2) Вообще-то светодиоды - это токовые приборы. Стабилизировать для них надо ток, а не напряжение. Балластный резистор решает эту проблему дорогой ценой. А именно, из 12 В питания примерно 3В приходится на светодиод, а остальные 9 - на резистор. В итоге он рассеивает всю невостребованную светодиодом мощность в тепло. Когда мы начинаем экономить и включаем последовательно несколько диодов, например, три, то в сумме они дают падение около 9В, и на резистор остается всего 3. КПД от этого существенно растет, но существенно снижается эффект стабилизации. Если напряжение в сети изменится на 1 В от нагрузки, и из 12В, до декодера дойдут всего 11В, то балластный резистор уменьшит ток сразу на треть (Падение на нем из 3В сократится до 2В, и ток соответственно). И это безусловно, скажется на яркости свечения. Поэтому вместо балластного резистора нужно ставить регулятор тока, настроенный на заданную величину. Сделать его можно из того же линейного регулятора напряжения, только включить нужно иначе. Схему рисовать лень, поэтому я словами напишу. У обычного регулятора три вывода: IN, OUT и Общий. Он стабилизирует напряжение между общим и OUT, если падение на IN-общий больше величины стаблизации + некоторая дельта. Так вот, между общим и OUT включается резистор, задающий ток светодиодов, а IN подключается к катоду цепочки светодиодов. В итоге из трехполюсника получается двухполючник - стабилизирующий ток. Резистор рассчитывается так. Берется напряжение стабилизации регулятора (например, 2.5В) и делится на необходимый ток стабилизации светодиода, скажем, 10 мА. В итоге получаем 250 ом. Точность стабилизации тока будет где-то порядка 1-2%, и ток не будет зависеть от напряжения питания дороги, даже если оно с 12В подскочит до 16 или наоборот, упадет до 11.

3) Регулятор с ebay по ссылке за $6 - это сильно! Для таких целей вполне подойдет регулятор вроде MIC5205. http://eltech.spb.ru/search.html?tex...rch_in=catalog
Он стоит около 13 рублей, то есть примерно в 15 раз дешевле.

А вот, схему таки набросал. Единственное, она все же для цифровой дороги с постоянным |по модулю| питанием.
Для синусоидального питания низкой частоты, конденсатор, вероятно, надо будет увеличить, так чтобы при токе разряда в 10 мА напряжение на нем никогда не просаживалось меньше, чем на Ud + Ur + delta, где Ud = суммарное падение на светодиодах, Ur = напряжение регулятора (на схеме - 2.5В), delta - параметр регулятора - порядка 0.2В, им можно пренебречь. То есть, для частоты 50 Гц, время полупериода после выпрямления - 10 мс, получаем такой расчет. Три белых светодиода грубо дают 9В потребления, 2.5В + 0.2В забирает регулятор. При напряжении сети в 12В, остается 0.3В на конденсатор. I = C * dU/ dT => C = (dT * I) / dU = 0.01с * 0.01A / 0.3В = ~330 мкФ. При регуляторе на 1.5В запас превратится из 0.3В в 1.3В, и хватит конденсатора в 100 мкФ.

[atom8]

Сообщение от vpd

Регулятор с ebay по ссылке за $6 - это сильно!

Читать и считать надо внимательнее.
Во первых не 6, а 9$ - это со стоимостью доставки, а во вторых это за 50 штук, поэтому цена стабилизатора получается всего 18 центов или приблизительно 5,4 рубля.
Так что получается дороже?

А Вы покупали их таким образом?

[atom8]

Конечно!
Не покупал бы - не советовал бы.
Я у этого продавца много всяких радиодеталей брал.
Доставка из Гон-Конга где то месяц.

Ок, пусть будут регуляторы по 18 центов, главное, чтобы работали. А то в Китае много бывает всякого хлама задешево.