Ako správne zapojiť LED v lokomotíve

Opakovanie učiva základnej školy:
Obvodom prechádza prúd, ktorý je priamo úmerný napätiu (čím väčšie napätie, tým väčší prúd) a nepriamo úmerný odporu v obvode (čím väčší odpor, tým menší prúd). Prúd vypočítame I=U/R (napätie na odpore je U=I.R, odpor R=U/I stále ten istý vzťah). Potiaľto učebnica fyziky.

V obvode sa nachádza tzv. zdroj jednosmerného prúdu (čo je napr. batéria, alebo transformátor s usmerňovačom, detaily zanedbajme.)

• 1.ponaučenie:
  onen zdroj prúdu je správne „napäťový zdroj“, t.j. niečo čo dáva (relatívne) konštantné napätie na svorkách, inými slovami, zdroj sa snaží pretlačiť obvodom taký prúd aby platil vzťah I=U/R. Takto sa chová napr. batéria (správne je „článok“) alebo akumulátor a aj zdroj pre železnicu za takýto zdroj považovať môžme. Ak je odpor „veľký“, prúd je malý, je všetko v poriadku. Ak zmenšujeme odpor, zväčšuje sa prúd, ale napätie zostáva približne rovnaké (nie je to celkom tak, ale to je iná story).
  Pripojme teda do obvodu žiarovku. Ak je to žiarovka ktorá je určená na dané napätie, žiarovka sa rozsvieti a všetko je v poriadku. Ale toto už nie je celkom také jednoduché. Vlákno žiarovky sa rozžeraví a všetko vyzerá že je v poriadku. Žiarovka s parametrami 12V 50mA (bežná) má teda odpor 12/0,05 = 240ohm. Vezmite si ohmmeter a odmerajte ho. Je to čudné, ale nameriate asi 30ohm. Zjavne niečo nesedí: pri 12V by mal tiecť prúd 12/30 = 0,4A (teda asi 8x väčší). Riešenie je z učebnice fyziky: kovy so zvyšujúcou teplotou zvyšujú svoj odpor.
• 2.poučenie
  Prúd prechádzajúci žiarovkou NIE je úmerný napätiu. So zvyšujúcim sa napätím sa síce prúd zvyšuje, ale omnoho pomalšie ako rastie napätie. Iný dôsledok tohto javu je, že žiarovka v relatívne širokom rozsahu napätí svieti skoro rovnako, alebo ešte inak, žiarovka si „stabilizuje prúd“ (zvýšenie prúdu spôsobí, že sa viac zohreje vlákno, to spôsobí zväčšenie odporu a to zas následne zmenšenie prúdu)
  
  
  Toto správanie nám je všetkým jasné aj bez tejto teórie. Žiaľ úplne inak to je s LED. Predovšetkým LED je polovodič (teda nie vodič) a ten sa chová inak. Polovodičová dióda má tú vlastnosť, že neprepúšťajú prúd jedným smerom. Lenže ona niekedy neprepustí prúd ani tým „správnym“ smerom. To preto, že na „otvorenie“ polovodičového prechodu treba isté napätie. Inak, pri malom napätí kladie dióda vysoký odpor (skoro ako izolant), až pri prekročení istej hraničnej hodnoty (pre „normálnu“ diodu to je cca 0,7V) sa odpor prudko zníži a môže pretekať teoreticky ľubovoľne veľký prúd. Priebeh potom vyzerá asi takto:
  
  
  
  Takto funguje aj LED (svietivá dióda), len to otváracie napätie je vyššie (1,4 až 2,5V, podľa farby). Čo sa teda stane ak pripojíme LED rovnako ako žiarovku? Kým napätie bude pod „otváracím“ napätím tak nič. (napr. zelená LED na NiCd článok). Keby sme však spojili dva články do série (2,4V) začne pretekať diódou značne vysoký prúd. Ak sú články dostatočne silné, zaručene diódu zničia. LED nikdy nepripájajte priamo na zdroj napätia!
  Tak ako to riešiť?
  LED diodu musíme pripojiť na „prúdový zdroj“. teda nie na napäťový zdroj (ako sú známe zdroje) ale niečo čo dáva relatívne konštantný PRÚD, pričom nás nezaujíma napätie. Inak: takýto zdroj dáva na výstupe také napätie aby obvodom tiekol zvolený prúd. To je ideálne pre LED, tá má v parametroch prevádzkový prúd (na rozdiel od žiarovky, ktorá je na dané napätie).
  Táto hromada teórie treba aby sme pochopili ako sa správne k LED dióde správať. Bežne však prúdové zdroje neexistujú lebo majú „čudné správanie. Mali by sa skladovať „skratované“ (aby tiekol prúd, lebo pri „rozpojení“ obvodu by teoreticky malo narásť napätie do nekonečna.) Z praktického hľadiska nám stačí náhrada, našťastie veľmi jednoduchá: Ak do série k napäťovému zdroju zaradíme odpor, bude sa chovať čiastočne ako prúdový: Bez záťaže (veľký odpor) dá plné napätie, pri záťaži (malý odpor) napätie poklesne, až pri „skrate“ potečie práve ten prúd, ktorý zodpovedá odporu.
• 3.ponaučenie
  LED pripájame vždy cez vhodný odpor. Výpočet je nasledovný: R=(U-1,5)/I kde I je menovitý prúd diódy (býva spravidla 2mA až 100mA pre vysokosvietivých diódach). Bežene nastavujeme 10 až 20mA. U je napätie zdroja.
  Ďalšie „múdre“ rady. LED spájame pokiaľ možno do série, nie paralelne. Pri paralenom spojení sa môže stať že diódy nebudú svietiť rovnako vplyvom rôzneho „otváracieho“ napätia. Ono je pre rovnakú farbu skoro rovnaké, ale lepšie riešenie je dať každej dióde svoj pracovný odpor.
  Použitie diódy v obvodoch so striedavým prúdom (alebo aj jednosmerným, ale keď sa polarita napätia môže zmeniť:
  LED je síce dióda, a teda v závernom smere nevedie prúd, ale nie je konštruovaná na vysoké záverné napätie. Vyššie napätie môže LED „preraziť“ a nevratne zničiť. Záverné napätie bežnej diódy je základný katalógový údaj, U LED sa žiaľ bežne neuvádza (nepredpokladá sa také použitie). V praxi toto napätie sú desiatky Voltov, ale nespoliehajme radšej na to. Ak teda používame diódu napr. v lokomotíve, pre istotu ju „ochráňme“ obyčajnou diódou (zapojenej rovnako ako LED).
  
  
  Na základe pripomienky od "Ferri" je nasledovné zapojenie nadbytočné:
  
  
  Ak sú LED zapojené antiparalelne, chránia sa navzájom, teda postačí nasledovné zapojenie:
  

  Pripojenie LED k dekóderu.
  LED sa pripája na príslušný funkčný výstup a „spoločný“ modrý vodič, opäť cez odpor. Na spoločný vodič ide anóda, funkčné vodiče sú „zem“. Keďže svieti naraz iba jedna z diód, predná a zadná môžu mať spoločný odpor. Ak však zapájame aj červené svetlá, predná a zadná LED musí mať samostatný odpor.

  
  
  Použitie dvojfarebnej diódy s dvomi výstupmi, (podľa smeru prúdu svieti červene, alebo žlto). Treba použiť malý trik pri zapojení.