О применении светодиодов в макетах и моделях

Как-то составлял знакомому моделисту инструкцию по работе со светодиодами.

Получилась целая статья. Объемно, но доходчиво. Любому школяру по плечу. Наверно, пригодится...

По поводу светодиодной подсветки:

Как известно, без нее не обходится практически ни один современный макет или модель.

Но как в любом деле, у нее есть свои хитрости.

В - общем-то, все просто: пока не спалишь их пару горстей, - не научишься, а потом они начинают слушаться тебя и работать как надо.

Сейчас я постараюсь объяснить, в чем дело.

Люди несведущие и торопливые говорят: а .., че тут сложного? Я сам все знаю! И сразу бросаются подключать светодиод к источнику питания, надеясь, что он сразу же засветится, как обычная лампочка накаливания. Да, он светится сразу же, но недолго, а дальше как повезет... Некоторые будут светиться дольше, а некоторые "умрут", как источник света, через несколько секунд или минут. Так в чем же дело? А дело в том, что светодиод - это не лампа накаливания!

Вспомним, как последняя устроена: ее основу составляет металлическая спираль, другими словами, это обычный резистор, который и ведет себя как резистор в пределах номинального напряжения лампы накаливания: при увеличении напряжения лампа светит ярче, при уменьшении менее ярко. Поскольку лампа - резистор, то ток, текущий через нее, будет в первом приближении пропорциональным приложенного напряжению, и в пределах номинального напряжения лампы будет устанавливаться автоматически в зависимости от мощности лампы.

Другое дело - светодиод. Это типичный полупроводник. Все полупроводники имеют нелинейный характер сопротивления в зависимости от приложенного напряжения. Например, если к белому светодиоду приложить напряжение 2,8 В, то ток через него будет около 15 мА, а если 3,2 В - то уже 50 мА! Хотя напряжение мы изменили всего на 0,4 В. Может быть и больше 50 мА, и меньше, это зависит не только от марки светодиода, но и от характеристик каждого конкретного экземпляра. Между тем, обычный сигнальный светодиод (например, АЛ102, АЛ304, АЛ307 имеет рабочий ток около 10 мА), сверхъяркие светодиоды синие, белые, фиолетовые около 20 мА, красные, желтые, зеленые около 15 мА, мигающие сверхъяркие около 15 мА. О мощных диодах пока говорить не будем. Превышать эти токи нельзя. Что интересно, превышение тока не приводит к повышению светимости светодиода, а только к повышению рассеиваемой мощности, которая, в первую очередь, превращается в тепло и греет светодиод.

Вторая особенность светодиода связана с тем, что он очень не любит нагрева. Даже если он кратковременно перенес температуру, близкую к 100 градусам по Цельсию - он перестанет ярко светиться, а будет светиться тускло! А то и вовсе светиться перестанет. Т.е. светящийся кристалл очень быстро деградирует с повышением температуры. По этой же причине светодиодные автомобильные лампочки не должны соседствовать в одном фарном блоке или плафоне с обычной лампой накаливания, которая, нагревая его своим излучением, просто "поджаривает" его своим теплом, даже если он находится в обесточенном состоянии!

Поэтому при пайке светодиодов нужно принять все меры против его перегрева: паять его быстро, выводы держать массивным теплоотводящим инструментом, использовать легкоплавкий припой.

В отличие от лампы накаливания, светодиод подключают к источнику питания через какой-либо токоограничительный элемент, в простейшем случае через резистор. Резистор должен быть выбран таким, чтобы через светодиод протекал его рабочий ток, не больше, не меньше. При большем токе светодиод греется, при меньшем светит не на всю мощь. Это гарантия того, что светодиод проработает положенное для него время, которое на сегодняшний день составляет уже десятки тысяч часов, в пересчете на года от 3 до 10 лет!

Как рассчитать номинал резистора?

Очень просто, если мы знаем напряжение источника питания, рабочий ток светодиода и падения напряжения на нем.

По закону Ома R=U/I, где U - разность между напряжением питания и падением напряжения на светодиоде, а I - рабочий ток светодиода. При подставлении в формулу нужно помнить, что ток нужно выражать в амперах, а напряжение - в вольтах, тогда сопротивление получим в омах.

Да, еще один момент: в магазине не продают резисторов произвольного сопротивления. Например, если мы при расчете получили номинал сопротивления 678 Ом, а такого в продаже нет, тогда нужно округлить до ближайшего большего значения из размерного ряда, в данном случае до 680 Ом.

Еще несколько моментов:

Если питать отдельные светодиоды, то источник питания должен быть от 4,5 В. И хотя на белом светодиоде падает от 3 В, для источника это маловато, потому, что у тебя все 3 В упадут на светодиоде, а еще ведь нужно, чтобы. по кр. мере, еще полвольта пришлось на добавочный резистор. А без него нельзя, иначе при колебании напряжения всего в несколько десятых вольта все светодиоды могут сгореть, т.к. ограничивать ток может только резистор, а не сам светодиод. Если питаешь несколько одинаковых светодиодов, например, два или три, то их можно включать последовательно, тогда напряжение источника питания должно быть слегка больше 2х3 или 3х3 вольта, например, для двух светодиодов чуть больше 6 В, для трех светодиодов чуть больше 9 В и т.д. Они будут включены последовательно с одним и тем же резистором. На резисторе должно падать примерно 1-2 В. В любом случае напряжение должно быть стабилизировано, поскольку случайный бросок напряжения приводит к выгоранию отдельных светодиодов. Я обычно использую напряжение 12 В, поскольку оно стандартное, купить источник с номинальным напряжением 12 В не проблема. Нужно только проследить, чтобы оно было стабилизированным. Самый дешевый источник - адаптер для питания антенных усилителей. Он имеет выходной ток около 100 мА (его хватает на 5 цепей из последовательно соединенных белых светодиодов – 15 шт. - хватает на небольшой макет!) и выходное напряжение 12 В и стоит всего 100 рублей.

Не рекомендуется включать последовательно несколько мигающих светодиодов, поскольку они мигают с разной частотой, и находясь в одной цепи, они будут влиять друг на друга, общее время горения светодиодов будет гораздо меньше времени горения каждого светодиода в отдельности.

Не рекомендуется включать несколько любых светодиодов параллельно. Даже при одном падении напряжения ток через них будет разный, что приведет к тому, что сначала выгорит светодиод с наибольшим током, а за ним и все остальные. Параллельное включение светодиодов возможно, если последовательно с каждым из них включен свой токоограничивающий резистор.

Если в одну цепь последовательно включить один мигающий светодиод, а остальные немигающие, то вся цепь светодиодов будет мигать синхронно с мигающим светодиодом. Т.е. мигающий светодиод в первом приближении можно рассматривать как маленький маломощный выключатель с автоматической коммутацией, последовательно включенный со светодиодом в одном корпусе. Я этим его свойством широко пользуюсь во многих применениях и научил этому многих моделистов. Ведь это простейший и наидешевейший коммутатор, доступный буквально каждому, даже совершенно несведущему в электронике!

Чем большее напряжение падает на резисторе, тем меньше сказываются на светодиодах скачки напряжения. Но это приводит к повышенному расходу мощности и нагреву резистора. Оптимально, как я и говорил, на нем должно падать 1-2 В при стабилизированном напряжении питания.

Во всех цепях текут токи порядка 10-20 мА, только в общей цепи ток приближается к 100 мА, поэтому нет смысла для соединений выбирать провод большого сечения. Я обычно использую либо цветной провод МГШВ-0,35, что удобно с точки монтажа и распознавания цепей, а пока была возможность - вообще использовал провод МГТФ-0,12, пока он был в наличии. Толстый провод использовать нет смысла - он жесткий, грубый и тяжелый, есть риск повредить монтаж еще до его окончания.

При монтаже схемы нужно помнить, что у нового светодиода длинная ножка - плюсовая, более короткая - минусовая. Если ножки уже откусаны – не беда. Для определения полярности светодиодов удобно использовать маленькую плоскую литиевую 3-вольтовую батарейку-таблетку, например, CR2032, подключая ее к светодиоду. Это самый дешевый «измерительный прибор». Если есть в наличии любой цифровой портативный мультиметр, например, M830, то ставим его на предел «омы» или «измерение диодов» и прикладываем его щупы к светодиоду. В правильной полярности он засветится. Более мощные источники тока напрямую подключать к светодиоду нельзя! Есть риск немедленно его сжечь (см. выше).

Вот и все основные тонкости... но это только основные. А нюансы появляются в каждом конкретном случае.

А вообще-то, как я уже не раз убеждался, каждый должен заниматься своим делом!

С уважением – Шашарин С.А.