Výber rezistorov pre osvetlenie rc auta

|

recon

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
5 Nov 2021
Príspevkov
15
Reakčné skóre
2
Bodov
3
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
Úloha:
Pre tvoju Li-Ion batériu:
- odmeraj napätie batérie po nabití nabíjačkou
- odmeraj napätie batérie, keď ju považuješ za vybitú a mala by isť na nabíjačku.
Pre tvoju druhú batérie (spomínal si, že to bude NiMH):
- odmeraj napätie po nabití nabíjačkou
- uveď, akú má kapacitu mAh
- min. napätie, kedy sa batéria považuje za vybitú, nájdeme v katalógovom liste akumulátora (ak by sme ho našli), alebo z údajov podobných typov.
Tak dnes som sa konečne k tomu dostal:

Li-Pol 7,4V 5200mAh
Plne nabitá: 8,48V
Vybitá: 6,21V

NiMH 7,2V 800mAh (tá pôvodná 2100mAh bola chybná a nedala sa nabiť)
Plne nabitá: 8,67V
Vybitá: 7,12V (Nabíjačka ju v režime vybíjania vypla pri tomto napätí s hláškou "Prerušené spojenie", hoci sa vybíjanie malo skončiť pri 6V, nepomohlo ani opakovanie procesu nabíjanie/vybíjanie. Vybíjanie sa vždy preruší pri cca tejto hodnote)
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
Vybíjanie akumulátora:
- Keď to vybíjanie nechodí, môže byť problém v nastavení parametrov vybíjania v tvojom prístroji, alebo je na vybíjačke niečo nefunkčné.
- Išlo by to zmerať tak, že budeš batériu vybíjať rezistorom 68 ohm pre prúd okolo 100mA. Rezistor by mal byť na 2W alebo viac. Ak budeš zapisovať hodnoty napätia každú 1 hod, dostaneš graf vybíjacej krivky tvojho konkrétneho akumulátora. Keď začne napätie akumulátory rýchlejšie klesať, tam niekde je napätie, kde treba ukončiť vybíjanie. Z doby vybíjania dostaneš aj skutočnú kapacitu akumulátora.
- Ak sa ti to nechce, alebo nemáš na to čas, budeme považovať konečné napätie pre vybíjanie rovné 6V. Kapacitu akumulátora budeme považovať 700mAh, ako je na nej napísané.

Meranie parametrov LED:
- Pre meranie parametrov LED (napätie pre daný prúd, vizuálne svietivosť pre daný prúd) možno použiť prípravok, regulovateľný zdroj prúdu podľa schémy na obrázku:
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Napájanie 12V je z bežného adaptéra k elektronike, ktorý dá aspoň 200mA alebo viac.
Ako tranzistor je použitý darlington TIP120 - TIP122. Je potrebné upevniť tranzistor na chladič, stačí kúsok Al plechu, aby sa dal tranzistor ešte udržať rukou aj pri vyšších prúdoch. Je to zapojenie vhodné pre začiatočníkov (žiaden operák).
Ja som použil šuflíkový tranzistor v púzdre TO220F(nie darlington), preto bol u mňa R2=68ohm. Uvedený prípravok bol poslaný autorovi vlákna, aby sa pohol s meraním.

- Čo treba zmerať:
1. Napätie na bielej LED (čo pôjde do svetelnej rampy) pri prúde 20mA, alebo 15mA, ak chce recon šetriť LEDky. Toto potrebujeme pre zistenie, či by veľkou náhodou nešlo pri 6V (možno do 6,5V) zapojiť dve LED do série, čo by značne vylepšilo energetickú bilanciu (spotrebu a tým aj výdrž batérie).

2. Ďalej si treba urobiť nejaký prípravok pre umiestnenie LED do takej pozície, ako bude v skutočnom modeli. Alebo primontovať LED priamo do modelu auta (snáď ich nebude treba meniť).
Pozn.: ilustračné foto modelu aj s merítkom rozmerov by sa nenašlo?

3. V reálnych podmienkach zmerať, aký prúd treba pre:
a) svetelnú rampu, t.j. paralelne zapojené 6xLED (silné svetlo)
b) klasické svetlá predné - paralelne zapojené 2xLED pre viac jasu
c) klasické svetlá vzadu - paralelne zapojené 2xLED pre menej jasu
d) obrysové svetlá biele: paralelne zapojené 2xLED
e) obrysové svetlá červené: sériovo zapojené 2xLED červené

Tieto prúdy treba zistiť pre požadovanú svietivosť v reálnych podmienkach, kde sa bude model používať. Aby to vyhovovalo aj za súmraku aj za tmy.
Tieto prúdy sú dôležitým parametrom, pre výpočet rezistorov, aby sa dosiahli požadované prúdy v jednotlivých okruhoch. K tomu treba ešte zmerať napätie na LED pre požadované prúdy.

------------
To je zatiaľ všetko, pokračovať sa dá, až keď budú známe prúdy (a napätia) pre jednotlivé okruhy LED.

Ešte jedna predbežná otázka:
Ako budeš zapínať a vypínať jednotlivé svetelné okruhy?
O tom si nikde nepísal, tak predpokladám že to máš vyriešené.
Zatiaľ predpokladám, že klasickými vypínačmi pre okruh 1, 2 a 3.

Neviem, či tieto všetky úlohy nie sú pre teba náročné, až frustrujúce, ale bez merania a určenia požadovaných parametrov svetelného parku pre tvoj model auta, sa dajú parametre len hádať a spoliehať na náhodu. Merania sú uskutočniteľné aj začiatočníkom.
Ak toto nebola tvoja predstava o realizácii, potom si si mal dať požiadavku do sekcie: "potrebujem niečo vyrobiť". Ale ani tam nikto nevie, ako silno majú LED svietiť a použitie nastavovacích trimrov by viedlo k zníženej spoľahlivosti v "drsných" prevádzkových podmienkach.
 

recon

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
5 Nov 2021
Príspevkov
15
Reakčné skóre
2
Bodov
3
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
- Ak sa ti to nechce, alebo nemáš na to čas, budeme považovať konečné napätie pre vybíjanie rovné 6V. Kapacitu akumulátora budeme považovať 700mAh, ako je na nej napísané.

Čo treba zmerať:
1. Napätie na bielej LED (čo pôjde do svetelnej rampy) pri prúde 20mA, alebo 15mA, ak chce recon šetriť LEDky. Toto potrebujeme pre zistenie, či by veľkou náhodou nešlo pri 6V (možno do 6,5V) zapojiť dve LED do série, čo by značne vylepšilo energetickú bilanciu (spotrebu a tým aj výdrž batérie).

2. Ďalej si treba urobiť nejaký prípravok pre umiestnenie LED do takej pozície, ako bude v skutočnom modeli. Alebo primontovať LED priamo do modelu auta (snáď ich nebude treba meniť).

Ešte jedna predbežná otázka:
Ako budeš zapínať a vypínať jednotlivé svetelné okruhy?
O tom si nikde nepísal, tak predpokladám že to máš vyriešené.
Zatiaľ predpokladám, že klasickými vypínačmi pre okruh 1, 2 a 3.
S NiMH sa mi naozaj viac hrať nechce, čiže považujme tieto hodnoty za smerodajné: 6V a 800mAh.

1. Napätie na bielej LEDke je 3,10V pri 17mA. To sa mi tak subjektívne - mimo modelu, zdalo ako dostačujúce osvetlenie. Zmeral som aj červenú, tam bude určite stačiť 1,80V a 15mA - pri vyššej hodnote bolo to svetlo už dosť nepríjemné.

2. Pri skúške priamo v modeli treba zapojiť celý okruh alebo najskôr stačí merať 1ks LED? Mierka auta je 1:10, pofotím zopár detailov umiestnenia svetiel.
Len pripomínam, že okruh obrysových svetiel (2x biela + 2x červená) bude napájaný z hlavnej batérie NiMH a tento okruh by som rád vyriešil ako prvý.

Áno, každý okruh bude mať svoj samostatný vypínač. Okruhy na karosérií chcem riešiť jedným z týchto. Malý rozmer vs jednoduché ovládanie skrehnutými rukami... :)
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
...
1. Napätie na bielej LEDke je 3,10V pri 17mA. ... Zmeral som aj červenú, tam bude určite stačiť 1,80V a 15mA ...

2. Pri skúške priamo v modeli treba zapojiť celý okruh alebo najskôr stačí merať 1ks LED? Mierka auta je 1:10, pofotím zopár detailov umiestnenia svetiel.
Len pripomínam, ...

... každý okruh bude mať svoj samostatný vypínač. ... jedným z týchto. Malý rozmer vs jednoduché ovládanie skrehnutými rukami...
Asi si už frustrovaný z toľkých otázok a úloh. Už len zopár posledných a ideme na konkrétne riešenie.

1. OK, tých 3,10V pri 17mA je výborná hodnota (pre svetelnú rampu).

Ale pre obrysové svetlá tiež požaduješ 17mA pri bielej a 15mA pri červenej?
A pre hlavné svetlá tiež také isté prúdy? Skúškou na modeli podľa bodu č.2 sa mali určiť konkrétne prúdy v jednotlivých okruhoch a farbách.

2. Skúškou priamo na modeli významná pre rozhodnutie, aký konkrétny prúd (a tým aj intenzitu svietenia) požaduješ pre LED v jednotlivých okruhoch za prevádzkových svetelných podmienok (súmrak, tma). Aký prúd povieš, taký sa rezistormi nastaví a bude udržiavať. Ide o to, aby intenzita svetla v jednotlivých okruhoch a v nich aj intenzity bielej a červenej boli vyvážené, t.j. aby bola intenzita obrysových svetiel a intenzita hlavných svetiel taká, aby to v reáli vyzeralo vierohodne. To isté platí pre intenzitu bielej a červenej v jednotlivých okruhoch.
Predpokladám, že intenzita svetelnej rampy bude požadovaná "maximálna", aká sa dá dosiahnuť.
Ak prúdy určíš správne, vyhneš sa dodatočným úpravám, "aby tá červená svietila slabšie, prípadne aby obrysové svetlá svietili silnejšie a pod." Preto by sa to malo skúšať už na reálnom modeli v reálnych svetelných podmienkach.

3. Ten robustnejší vypínač bude lepšie znášať prevádzkové a poveternostné podmienky. Na stránkach gme.sk nájdeš aj viac typov, líšiacich sa rozmermi. Prúdy a napätia sú tak malé, že by mal vyhovieť každý typ.

Ešte praktické otázky:
- Ako si na tom so spájkovaním súčiastok? Vieš, alebo máš niekoho, kto ti s tým pomôže?
- Budeme potrebovať dispozície, aké rozmery obvodov pre nastavenie a stabilizáciu prúdu si môžeme dovoliť, či to môže byť na malých kúskoch plošného spoja (zopár cm2), keďže mi ostatní zatiaľ nevieme, koľko miesta je k dispozícii vo vnútornej čast modelu.

Myslím, že v ďalšom už prejdeme ku konkrétnemu výpočtu rezistorov a prípadných ďalších súčiastok pre osvetlenie.
Začneme, ako si chcel, okruhom č.1, napájaným z Li-Ion akumulátora.
 
Naposledy upravené:

recon

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
5 Nov 2021
Príspevkov
15
Reakčné skóre
2
Bodov
3
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
Odskúšal som svetlá priamo na aute:
1. Obrysové 2x biele LED 3,10 V je v pohode
2. Zadné obrysové 2x červená LED 1,80 V tiež ok a týka sa to aj 2x LED zadných svetiel z druhého okruhu, tiež vyhovuje toto napätie.
3. Skúškou priamo na aute by som však 2x predné svetlá a tiež 6x LED v rampe dal radšej 3,50 V, lepšie to svietilo. K tomuto mám otázku. Aktuálne mám biele LED so svietivosťou 13-16tis. mcd. Ak by som použil LED so svietivosťou 23tis. mcd, bolo by možné ubrať prúd a zachovať intenzitu svetiel?

Spájkovanie - snáď si poradím, prípadne mi má kto pomôcť.
Čo sa týka miesta, pre okruh v podvozku je ho minimum, pre okruhy v karosérií je to v poriadku tam je miesta dosť. Nerozumiem však potrebe použiť plošné spoje. Rezistor nebude prispájkovaný niekde "na ceste" v kábli medzi LEDkou a vypínačom? Tak to majú bežne rc autá s tým, že rezistor je v zmršťovacej bužírke. Neviem si veľmi predstaviť niekde nad podvozkom plošný spoj, tomuto riešeniu by som nedával dlhú životnosť...
Alebo som to zle pochopil?
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
1. Napätie na bielej LEDke je 3,10V pri 17mA. To sa mi tak subjektívne - mimo modelu, zdalo ako dostačujúce osvetlenie. Zmeral som aj červenú, tam bude určite stačiť 1,80V a 15mA - pri vyššej hodnote bolo to svetlo už dosť nepríjemné.
...
Odskúšal som svetlá priamo na aute:
1. Obrysové 2x biele LED 3,10 V je v pohode
2. Zadné obrysové 2x červená LED 1,80 V tiež ok a týka sa to aj 2x LED zadných svetiel z druhého okruhu, tiež vyhovuje toto napätie.
3. Skúškou priamo na aute by som však 2x predné svetlá a tiež 6x LED v rampe dal radšej 3,50 V, lepšie to svietilo.

... Aktuálne mám biele LED so svietivosťou 13-16tis. mcd. Ak by som použil LED so svietivosťou 23tis. mcd, bolo by možné ubrať prúd a zachovať intenzitu svetiel?

... plošné spoje... v zmršťovacej bužírke...
Začnem od konca:
- Ak by sme použili elektroniku so stabilizáciou prúdu, potom tam bude regulátor v púzdre TO220 (s veľkosťou, ako máš na prípravku zdroja prúdu) a asi 3 malé súčiastky. Možno by stačila zmršťovacia bužírka, ale kvôli otrasom v aute v teréne, by bol vhodnejší malý plošný spoj (do 2x2cm) - uvidí sa podľa dispozičného priestoru.
- Vyššia svietivosť LED ča často dosahuje nižším vyžarovacím uhlom. Teda ak tvoje LED svietia povedzme do uhla 30 stupňov, potom pri tom istom "svetelnom výkone" a vyžarovaní do uhla 20 stupňov budú sa javiť ako silnejšie. Takže treba len vyskúšať.
Môžeš zvážiť aj LED s difúznou charakteristikou, ktoré sú všesmerové a svietia subjektívna slabšie, ale ich zo všetkých smerov vidieť, čo môže byť pri obrysových svetlách výhodou.

- Ku konkrétnym hodnotám napájania LED:
To, ako silno majú LED svietiť, určuje najmä prúd cez LED. Preto napätie na LED je len pomocný (ale tiež potrebný) parameter pri výpočte napájacieho obvodu (rezistor). Napätie na LED je teplotne závislé, preto treba ten prúd. Preto k údaju 3,5V pre bielu LED treba zadať aj zodpovedajúci prúd - doplň aj tento údaj.

Pomaly sa dostávame k návrhu.
V zobrazených tabuľkách sú rekapitulácie údajov o napájacích zdrojoch a o požadovaných prúdoch (a potrebných napätiach) jednotlivých LED v spomínaných okruhoch.
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Po doplnení chýbajúcich prúdov môžeme ísť ďalej.
Ukážeme si (a budeme počítať) zapojenie len s rezistorom a 2 zapojenia so stabilizáciou prúdu. Ak nebude postačovať zapojenie len s rezistorom, skúsime to so stabilizáciou. Nič hrozné.

Pozn.:
A čo tie fotky modelu? Najmä vo vnútri, aké sú priestorové možnosti. Tiež, ako budeš mať umiestnenú NiMH baterku, čo zvyšuje ťažisko celého auta.
 
Naposledy upravené:

recon

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
5 Nov 2021
Príspevkov
15
Reakčné skóre
2
Bodov
3
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
- Ak by sme použili elektroniku so stabilizáciou prúdu, potom tam bude regulátor v púzdre TO220 (s veľkosťou, ako máš na prípravku zdroja prúdu) a asi 3 malé súčiastky.
- Vyššia svietivosť LED ča často dosahuje nižším vyžarovacím uhlom.

Pozn.:
A čo tie fotky modelu? Najmä vo vnútri, aké sú priestorové možnosti. Tiež, ako budeš mať umiestnenú NiMH baterku, čo zvyšuje ťažisko celého auta.
Plošný spoj k LEDkám na karosérií nebude problém, tam je miesta relatívne dosť. Horšie to je s podvozkom. Miesto by som síce našiel (dve plochy cca 3x8cm), no sú to plochy, ktoré dostávajú zabrať (blato, voda...). Je možné celý plošný spoj ukryť napr. do nejakej plastovej krabičky?

Dnes mi prišli nové LEDky s vyššou svietivosťou a menším uhlom vyžarovania, takže to všetko zmeriam znovu.
Áno, NiMH bude asi umiestnená na streche, čo mierne zvýši ťažisko. Uvidím, či to bude problém, teoreticky ju viem ukryť aj vo vnútri - nižšie, no bude k nej podstatne horší prístup, niečo málo viem ešte urobiť aj s rozchodom kolies ak to bude zlé.

Mám ešte otázku k LEDkám. Aká je cca ich celková výdrž? Pýtam sa z dôvodu, či ich môžem zabudovať nejak "trvalejšie", lebo pri testovaní priamo na aute som zistil, že prekáža to svetlo, ktoré z nich ide zo zadnej strany cez tú krytku vpravo a potrebujem ich celé zakryť - napr. tmelom alebo aspoň tenkou nepriesvitnou plastovou fóliou s dierkami na nožičky . Nebude problém s prehrievaním?
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Ostatné foto a merania asi stihnem až začiatkom roku...
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
Je možné celý plošný spoj ukryť napr. do nejakej plastovej krabičky?
Alebo do zmršťovacej bužírky ...
Áno, NiMH bude asi umiestnená na streche, čo mierne zvýši ťažisko. Uvidím, či to bude problém, teoreticky ju viem ukryť aj vo vnútri - nižšie, no bude k nej podstatne horší prístup, ...
Ak by bola aj druhá batéria v podvozku, porozmýšlaj, či by sa nedalo niekde umiestniť konektor s prívodmi k batérii, vhodne "zaštuplovaný", aby sa tam nedostala voda ani blato. Možno by sa batéria dala nabíjať aj bez otvárania podvozku. Miesto tankovania benzínu/nafty budeš tankovať el. prúd.

Mám ešte otázku k LEDkám. Aká je cca ich celková výdrž? Pýtam sa z dôvodu, či ich môžem zabudovať nejak "trvalejšie", lebo pri testovaní priamo na aute som zistil, že prekáža to svetlo, ktoré z nich ide zo zadnej strany cez tú krytku vpravo a potrebujem ich celé zakryť - napr. tmelom alebo aspoň tenkou nepriesvitnou plastovou fóliou s dierkami na nožičky . Nebude problém s prehrievaním?
- LED vydržia niekoľko 1000 alebo aj 10000 hodín.
- LED sa dajú po zastrčení do príslušného otvoru/držiaka fixovať lepidlom z tavných tyčiniek, ako to často vidieť v rôznej elektronike na fixáciu čohokoľvek. Taký spoj sa dá pomerne ľahko uvoľniť, keď treba.
- Unikajúce svetlo z boku alebo zozadu sa dá odtieniť rôznym spôsobom, aj ako si naznačil.
Ale konkrétne je to, ako by sme mali kupovať šaty pre "Colombovu ženu".
- Pokiaľ nepoužívaš výkonové LED (1W a viac) je výkonová strata na LED malá a nebudú sa prehrievať.
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
Ostatné foto a merania asi stihnem až začiatkom roku...
Tak sa skúsme pripraviť, aby nám to v novom roku rýchlejšie odsýpalo ...


Na nasledujúcom obrázku sú principiálne schémy, ako zapojiť LEDky. Tieto možno aj rôznym spôsobom kombinovať.
Pripomeniem, že máme 2(?) okruhy, ktoré majú po 2 červené a 2 biele LED. Ďalej máme 1 okruh (rampa) so 6 bielymi LED. Napájanie máme Li-Ion batériu modelu a doplnkovú NiMH batériu.

Zapojenia podľa 1A, 1B a 1C sú najjednoduchšie - len s rezistorom/rezistormi: 1A a 1B pre paralelne zapojené LED a 1C pre sériovo zapojené LED.

Výhody: jednoduchosť
- Pre 1B stačí jeden rezistor pre nastavenie požadovaného prúdu na rozdiel od zapojenia 1A.
- Pre 1C sa jedným prúdom vysvietia všetky LED zapojené do série (= úspora energie). Napätie batérie však musí byť vyššie ako súčet napätí na LED. U nás vhodné pre červené LED.

Nevýhody:
- pre všetky takéto zapojenia závisí intenzita svetla od napätia batérie. S poklesom napätia počas vybíjania batérie sa intenzita znižuje. Ak je tento pokles malý, prijateľný, alebo nám nevadí, potom je to dobré riešenie.
- podľa 1B sú LED zapojené paralelne -aby svietili rovnako, musia byť dostatočne zhodné (najlepšie z jednej výrobnej série či dávky, resp. aspoň naraz kúpené). Treba odskúšať, či budú svietiť rovnako. Ak nie, potom je lepšie zapojenie 1A, kde sa intenzita každej LED nastavuje svojim vlastným rezistorom.
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


Zapojenia podľa 1D obsahuje LDO stabilizátor napätia, ktorý v našom prípade dá na výstupe napätie 5V. Pri stabilných 5V sa nebude prúd LED meniť s vybíjaním batérie.
Aby stabilizátor stabilizoval výstupné napätie, na jeho vstupe musí byť napätie o niečo vyššie ako 5V. V našom prípade, ak použijeme stabilizátor LF50, treba aspoň 5,5V na baterke pri odbere do 500mA). My máme deklarované, že baterku vybíjame do 6,2V resp. 6V. To je viac, ako požadovaných min. 5,5V.
Majú ho v GME, v púzdre TO220, za 1€.

Zapojenia podľa 1E obsahuje stabilizátor prúdu, ktorý potrebuje na vstupe napätie len o 0,2 - 0,3V vyššie, ako je napätie LED (v našom prípade).
Toto zapojenie by bolo vhodné pre svetelnú rampu, ak sme pre biele LED "vystačili" s napätím do 3V (možno aj 3,1V - 3,2V) pri požadovanom prúde. V takom prípade by sme mohli zapojiť 3x po 2 LED do série. Pre napájanie LED by sme nepotrebovali 6x po 20mA, ale by nám stačilo len 3x po 20mA - odber z batérie by sa znížil pre rampu na polovicu. Vzhľadom k tomu, že rampa je najväčší požierač energie zo všetkých 3 okruhov (aj keď nesvieti stále), by sa životnosť batérie dosť predĺžila.
Preto som sa viackrát pýtal na prúd, ktorý potrebuješ pre LED do rampy a zodpovedajúci úbytok napätia na týchto LED.
 

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
A konečne, už pokračujeme aj výpočtami v podaní pre samoukov elektroniky, čo nešudovali žiadne elektro na strednej škole... (ale aspoň Ohmov zákon poznajú z hodiny fyziky na ZŠ)

Vysvetlenie je cielené na použitie batérie / akumulátora pre napájanie LED svetiel v rc modeli.

Skúsme teraz spočítať rezistor, obmedzujúci prúd LED. To pre tých, ktorí chcú použiť aj vlastnú hlavu, nielen nahratú appku ...
Nie je to nič zložité - príklady podobnej zložitosti voľakedy zvládali aj žiaci základnej školy. Ak by ste vtedy žiakovi vysvetlili, čo je to LED (vtedy ešte nedostupné), že to aj svieti a pri rozumných (použiteľných) prúdoch je na LED pomerne stály úbytok napätia, iste by to žiak ZŠ zvládol.

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky


.
(1) Prečo pridáva do série s LED rezistor?
- LED má podobnú voltampérovú charakteristiku, ako obyčajná usmerňovacia dióda (veď to aj je dióda). Pri malej zmene napätia sa výrazne zmení prúd cez LED. Takže nastaviť a udržať potrebné napätie na LED nie je jednoduché. Naviac, toto napätie je teplotne závislé, čím problém ešte narastá.
- Ak zapojíme do série s LED rezistor, prúd sa bude s napätím meniť pozvoľnejšie, než u samotnej LED a tak vieme jednoduchšie udržať požadovaný prúd v rozumných hraniciach. Nevýhodou môže byť niekedy úbytok napätia na rezistore, o ktorý sa zvýši potrebné napájacie napätie.

(2) Pozrime sa, aké sú pomery v zapojení.
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Batéria (alebo iný zdroj) sú pripojené na sériovo zapojené rezistor R1 a LED. Naznačené voltmetre sú určené pre výpočet alebo aj meranie napäťových pomerov v zapojení. Prúd tečie obvodom z "+" pólu baterky cez rezistor, cez LED na "-" pól baterky.

(3) Aké bude napätie na LED:
- Napätie VF​ pre LED určíme z datasheetu, kde býva uvedený interval napätí pri typickom prúde (pre signálne LED často 20mA), prípadne aj graf závislosti VF​ od prúdu LED.
- Pri návrhu zapojenia treba pamätať, že pri výmene LED môže mať náhrada iné napätie, ako mala pôvodná LED, aj keď je toho istého typu. Ak nechceme pracne hľadať LED s rovnakými parametrami, potom,ak sa dá, navrhujeme zapojenie tak, aby vyhovela každá LED z rozsahu VF​ daného typu LED .
- LEDky jednotlivých farieb obsadzujú určité intervaly napätí VF​ . Červené napr. od 1,8V do 2,2V (ale bývajú typy aj s vyšším napätím), žlté okolo 2,5V, zelené od 2V do 3,5V, modré od 3V do 4,5V a biele od 3V do 4V, no nie je to dogma. Je to dané druhom použitých polovodičov a technológiou spracovania.

(4) Ako vypočítať potrebné napätie baterky:
Ak požadujeme, aby cez LED pretekal prúd i a vieme, že je pri tomto prúde je na LED napätie VF​, potom napájacie napätie

Vbat ​= VF​ + VR ​(1)

Úbytok napätia na rezistore určuje úroveň stabilizácie prúdu LED, ako si ukážeme v ďalšom. Čím je úbytok na R1 vyšší, tým menej závisí prúd od zmien napätia batérie (napr. počas jej vybíjania) alebo od teploty LED. Rozumný kompromis, s ktorý možno náš návrh začať, je napätie na R1 zhruba rovné napätiu LED. Ak bude napätie vyššie (aj 10x, 100x, alebo viac), nič negatívneho sa nedeje. Ak by bolo menšie (napr. 1/10), zvyšujú sa požiadavky na stabilné napätie napájania.

(5) Ako vypočítať prúd cez LED:
Prúd cez LED je ten istý, ako prúd rezistorom a ten je

i = VR​ / R1​ (2)

po dosadení VR​ z (1) dostaneme

i = ( Vbat​ - VF​ ) / R1 (3)

Príklad:
Ak napájame zo zdroja 5V LED s napätím okolo 3V cez rezistor 1kΩ, potom prúd cez LED bude
i = ( 5V - 3V ) / 1kΩ = 2mA.

(6) A ako vypočítať hodnotu rezistora?
Príklad:
Požadujeme, aby cez LED pretekal prúd 20mA pri nominálnom napätí batérie 7,2V. Vieme (z merania alebo z datasheetu), že pri prúde 20mA bude na LED napätie 3,1V. Aký treba rezistor zapojený do série s LED?
Napätie na rezistore bude UR​ = Vbat​ - VF​ = 7,2 - 3,1 = 4,1V. Následne vieme určiť hodnotu rezistora R1​ = UR​ / i = 4,1V / 20mA = 205Ω. Použijeme najbližšiu štandardnú hodnotu 180Ω alebo 220Ω, ak nepotrebujeme úplne presne 20mA (ale vyhovuje aj 23mA alebo 19mA).

(7)Ako sa bude meniť prúd cez LED s vybíjajúcou sa batériou.
Ako nám vie rezistor udržať prúd aj pri meniacom sa napätí batérie, či iného zdroja?
Fakty: LED aj rezistor ako v predošlom príklade, batéria má maximálne napätie 8,4V po nabití (rýchlo padá dole), potom nominálne napätie 7,2V (pomalé klesanie počas vybíjania) a nakoniec konečné napätie 6V pri vybitej batérii, kedy treba vybíjanie ukončiť, aby sa batéria nezničila. Tieto napätia závisia od technológie, od výrobcu, niekedy aj konkrétneho typu.

Výpočet bude podľa vzorca (3) i = ( Vbat​ - VF​ ) / R1​
- pre max. napätie batérie bude i = ( 8,4 - 3,1 ) / 220Ω = 24mA
- pre nom. napätie batérie bude i = ( 7,2 - 3,1 ) / 220Ω = 19mA
- pre min. napätie batérie bude i = ( 6,0 - 3,1 ) / 220Ω = 13mA
Ak takáto zmena nebude vadiť v našej aplikácii, potom je to OK.

(8) Ako veľkosť napätia na rezistore stabilizuje prúd LED pri zmenách napájacieho napätia?
Ako sa mení prúd cez LED so zmenou napájacieho napätia sme videli v predošlej časti. A ako tieto zmeny závisia od veľkosti napájacieho napätia, resp. napätia na rezistore? Skúsme preveriť takéto správanie:

Prúd i = ( Vbat​ - VF​ ) / R1 ​, resp. i = UR​ / R1 .

Ak sa napájacie napätie zmení o 1V, potom aj UR​ sa zmení o 1V, nakoľko napätie na LED považujeme za rovnaké (pre daný rozsah zmien prúdov).

Príklad (pre "okrúhle" čísla uvažujme LED s 3V pri 20mA):
- nasledujúcej tabuľke sú postupne: napájacie napätie Vbat​ , napätie VR1​ a rezistor R1​
- v ďalšej časti je napájacie napätie zvýšené o 1V a zodpovedajúci (zvýšený) prúd LED.

Pomery pre Vbat​ a prúd 20mAZvýšenie napájacieho napätia o 1V
Vbat​
[V]
ILED​
[mA]
VR1​
[V]
R1​ pre 20mAVbat​+1V
[V]
VR1​
[V]
ILED​
[mA]
420150Ω5240
5202100Ω6330
6203150Ω7427
9206300Ω10723
12209450Ω131022
182015750Ω191621,3
2420221100Ω252320,9
4820462300Ω494720,4
Z výsledkov tabuľky vidieť (niekto to vidí aj zo vzorcov), že pri nízkom napájacom napätí, neprevyšujúcom veľmi napätie LED, sa každá zmena napájacieho napätia výrazne odrazí na zmene prúdu LED.


Dôsledok1:
Ak chceme udržať prúd LED v rozumných hraniciach, môžeme
a) použiť vyššie napájacie napätie (ak sa to dá)
b) použiť napájacie napätie, ktoré sa nebude výrazne meniť
Obe tieto podmienky sú relatívne. Závisia od používaných či dostupných napájacích napätí a od prijateľnej zmeny (stabilnosti) napájacieho napätia. Obe ovplyvňujú zmenu prúdu LED. Samozrejme, všetko záleží na tom, aká zmena prúdu cez LED je pre nás prijateľná.

Dôsledok2:
Stabilita napájacieho napätia sa s výhodou využíva v napájaní LED+R1​ až za stabilizátorom napätia, ako to bolo ukázané v konfigurácii podľa obr.1D.

Dôsledok3:
Pokiaľ máme alebo vieme použiť len napájanie s pomerne nízkym napätím, potom sa dá napájanie riešiť pomocou vhodného zdroja prúdu, ktorý stabilizuje požadovaný prúd cez LED v širokom rozsahu napájacích napätí. Samozrejme, napájacie napätie musí byť vyššie, ako napätie LED. Dá sa navrhnúť stabilizátor prúdu, kde stačí aj napájanie o 0,2V až 0,3V vyššie. Tak, ako to bolo ukázané v konfigurácii podľa obr.1E.

(9) Ako výkonovo dimenzovať rezistor R1​?
Výkonová strata na rezistore je P = VR1 ​x ILED​ . Pre nízkovýkonové LED to nebýva problém (10V x 20mA = 200mW). S vhodným výberom max. výkonovej straty rezistorov treba rátať pri výkonnejších LED.

Predchádzajúci a tento "úvod" by mal postačovať pre zdarný návrh riešenia.
Prípadné formálne chyby v texte stačí oznámiť do SS, aby sa mohli opraviť.
 
Naposledy upravené:

recon

Nový člen
Registrovaný člen
Člen od
5 Nov 2021
Príspevkov
15
Reakčné skóre
2
Bodov
3
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
S oneskorením a po menších problémoch s meraním pripájam tabuľku s potrebnými údajmi.
 

Prílohy

StefanNz

Člen
Registrovaný člen
Člen od
10 Mar 2020
Príspevkov
31
Reakčné skóre
30
Bodov
23
Paragraf (§)
Amatér bez elektrotechnického vzdelania
OK, tak skúsme ...

Začneme červenými a bielymi LEDkami, napájanými z Li-Pol, ako si to chcel.
A začneme najskôr s verziou s rezistorom samotným, podľa zapojenia 1A až 1C. Až keď takéto riešenie nebude to pravé orechové, skúsime stabilizátor podľa zapojenia 1D.

Zhrňme si vstupné parametre, ako si ich zadal alebo nameral:
Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

Musíte sa zaregistrovať, aby ste mohli vidieť obrázky

1. Zapojenie LED s rezistorom má pri napájaní z batérie svoje špecifiká: Pri vybíjaní batérie sa znižuje napätie batérie, teda aj prúd cez LED a tým aj svit LEDiek. Ak je táto zmena prijateľná pre dané použitie, potom je to jednoduché a dobré riešenie.

2. Pre určenie hodnoty rezistora vypočítame jeho hodnotu v "strede" výbíjacej charakteristiky batérie, t.j. pre nominálne napätie. Potom s daným rezistorom vypočítame prúd cez LED pri plne nabitej batérii (kde napätie rýchlo klesá) a aj prúd na konci vybíjacej charakteristiky batérie

3. S vypočítanými prúdmi treba vyskúšať konkrétne LED, najlepšie zabudované v modeli, za prevádzkových podmienok (prítmie, tma), kedy budú LED zapnuté, ako budú svietiť a či je ich svit akceptovateľný v celom rozsahu vybíjacej charakteristiky. T.j. aj pri plne nabitej, aj na konci vybíjacieho cyklu.
Dajú sa ešte trochu "posunúť" všetky tri prúdy smerom nahor či nadol a to malou zmenou odporu rezistora.

4. Červené LED potrebujú 1,98V - pri zapojení dvoch LED do série podľa 1C (kedy Ubat > 2 x 1,98V) netreba 2 x 6mA, ale stačí "jeden prúd" 6mA pre obe LED.

5. Biele LED budú zapojené podľa 1A alebo 1B. V zapojení 1B stačí jeden spoločný rezistor. Podmienkou pre 1B je, aby boli paralelne zapojené LED identické - to treba vyskúšať: Cez paralelne zapojené LED sa pustí prúd, tu 2 x 15mA = 30mA. Ak svietia prijateľne rovnako, potom je zapojenie 1B vhodné. Ušetrí sa tu jeden rezistor, čo zas nie je nejaká extrémna výhra. Oveľa zaujímavejšie to bude v prípade LED pre svetelnú rampu, kde je 6 lediek.

Výpočty pre červené LED podľa zapojenia 1C (dve LED v sérii):
UBAT​ = 7,2
ILED​ = 6mA
ULED​ = 2 x 1,98 = 3,96V
- Napätie na rezistore bude: VR ​= Vbat ​- VLED​
VR ​=7,2 - 3,96 = 3,24V
- Hodnota rezistora bude: R1​ = VR​ / ILED​
R1​ = 3,24V / 6mA = 540Ω
Zvolíme štandardnú hodnotu 560Ω.
Pozn.: Ak by sme niekde potrebovali presnejšie dodržať vypočítanú hodnotu, dá požadovaná hodnota zložiť z dvoch rezistorov, sériovo alebo paralelne zapojených.

- Prúd, pretekajúci LED s rezistorom 560Ω bude: ILED​ = VR​ / R1​
ILED​ = 3,24V / 560Ω = 5,8mA
Aký bude cez LED pretekať prúd pri plne nabitej ( 8,48V ) a vybitej batérii ( 6,21V ) ?
ILED​ = VR​ / R1 ​= ( Vbat ​- VLED​ ) / R1​
Pre nabitú batériu bude ILED​ = ( 8,48V - 2 x 1,98V ) / 560Ω = 8mA
Pre vybitú batériu bude ILED​ = ( 6,21V - 2 x 1,98V ) / 560Ω = 4mA

Výpočty pre červené LED podľa zapojenia 1A:
UBAT​ = 7,2
ILED​ = 6mA
ULED​ = 1,98V
- Napätie na rezistore bude: VR ​= Vbat ​- VLED​
VR ​=7,2 - 1,98 = 5,22V
- Hodnota rezistora bude: R1​ = VR​ / ILED​
R1​ = 5,22V / 6mA = 870Ω
Zvolíme štandardnú hodnotu 820Ω.

- Prúd, pretekajúci LED s rezistorom 820Ω bude: ILED​ = VR​ / R1​
ILED​ = 5,22V / 820Ω = 6,4mA
Aká bude cez LED pretekať prúd pri plne nabitej ( 8,48V ) a vybitej batérii ( 6,21V ) ?
ILED​ = VR​ / R1 ​= ( Vbat ​- VLED​ ) / R1​
Pre nabitú batériu bude ILED​ = ( 8,48V - 1,98V ) / 820Ω = 8mA
Pre vybitú batériu bude ILED​ = ( 6,21V - 1,98V ) / 820Ω = 5,2mA


Výpočty pre biele LED podľa zapojenia 1A:
UBAT​ = 7,2
ILED​ = 15mA
ULED​ = 3,22V
- Napätie na rezistore bude: VR ​= Vbat ​- VLED​
VR ​=7,2 - 3,22 = 3,98V
- Hodnota rezistora bude: R1​ = VR​ / ILED​
R1​ = 3,98V / 15mA = 265Ω
Zvolíme štandardnú hodnotu 270Ω.

- Prúd, pretekajúci LED s rezistorom 270Ω bude: ILED​ = VR​ / R1​
ILED​ = 3,98V / 270Ω = 14,7mA
Aká bude cez LED pretekať prúd pri plne nabitej ( 8,48V ) a vybitej batérii ( 6,21V ) ?
ILED​ = VR​ / R1 ​= ( Vbat ​- VLED​ ) / R1​
Pre nabitú batériu bude ILED​ = ( 8,48V - 3,22V ) / 270Ω = 19,5mA
Pre vybitú batériu bude ILED​ = ( 6,21V - 3,22V ) / 270Ω = 11mA

Výpočty pre biele LED podľa zapojenia 1B
(dve LED paralelne):
Pre 2 LED paralelne zapojené treba prúd 2x väčší a rezistor 2x menší:
Prúd cez 2LED bude 2 x 15mA = 30mA
Rezistor pre dve LEDky zapojené paralelne bude treba 265Ω / 2 = 132Ω
Najbližšia štandardná hodnota je 120Ω, čo je o 10% menej a aj prúdy cez LED budú o 10% nižšie. Hodnota 132Ω by sa dala zložiť zo 120Ω + 12Ω - tým sa ale stráca výhoda jedného rezistoru.

Domáca úloha:
- Preveriť výpočty, či tam nie je chyba
- Overiť svit LED pri nabitej aj vybitej batérii, či bude vyhovovať
Pozn.: Aby sme nemuseli batériu neustále nabíjať a vybíjať, treba napájať LEDky z pomocného zdroja napätia (plus rezistor) alebo z pomocného prúdového zdroja (ktorý máme).
- Vybrať riešenie, ktoré by vyhovovalo (pre červené 1A alebo 1C, pre biele 1A alebo 1B)
Ak by bola zmena svitu neakceptovaťelná (veľká), potom prejdeme na zapojenie so stabilizátorom podľa zapojenia 1D.

- Kúpiť si stabilizátor LOD na 5V, typ LF50 v púzdre TO220 (majú ho v GME za 1€), aby sme mohli vyskúšať aj zapojenie 1D. Tu, pri napájaní z Li-Pol, resp. skôr pri napájaní z NiMH, kde bude zmena napätia batérie ešte výraznejšia.

- V ďalšom dokončíme riešenie pre Li-Pol (ak bude treba) alebo prejdeme k riešeniu pre LED napájané z batérie NiMH .
 
E-shop ElektroLab.eu
Top