LED, LED a zase LED

LED a železniční modeláři

 Svítící dioda je mezi železničními modeláři jednou z nejčastěji používaných elektronických součástek. Je to díky její univerzální použitelnosti, širokému rozsahu velikosti, tvarů i barev a nízké ceně. Na rozdíl od jiných součástek je její použití nenáročné, jak na praxi, tak i teorii, takže se do použití pustí kdokoliv. V nedávné minulosti se ve velkém používaly žárovky, dnes je v nových konstrukcích už nenajdete. Dlouho jsem rozmýšlel, jestli tento článek vůbec psát. Omlouvám se kolegům, kteří tyto věci běžně znají a sypou z rukávu… Ale otázky, které se občas mezi modeláři vyskytují, nám ukazují, že ne všechno je tak jednoduché. Mnozí si myslí, že použít LED místo žárovky spočívá pouze v její záměně. A pak pláčou nad výsledkem …

Poznámka první: Název

LED je zkratka anglických slov Light-Emitting Diode, tedy dioda emitující světlo. Proto je nesmyslem označení „svítivá (svítící) LED dioda“, stejně tak i „LED dioda“. Když už, tak jen LE dioda, což ale není obvyklé. Kdysi byl pokus o zavedení pojmu svítivka, neujal se. Asi proto, že (alespoň mě) připomíná broučka se svítícím zadečkem – světlušku. Nejčastěji se dnes v češtině používá pouze LED, nebo tak trochu familiárně „LED-ka“.

Poznámka druhá: Proč LED svítí

V žárovce vzniká světlo rozžhavením vlákna protékajícím proudem jako menší část uvolněné energie (přes 90 % energie se mění na teplo). V závislosti na teplotě vlákna se zbarvení mění od červené až po jasně bílou (s vyšším podílem modré).
V zářivce nebo ve výbojce vzniká světlo elektrickým výbojem mezi elektrodami a ozářením luminoforu (bližší výklad si odpustíme, viz např. https://cs.wikipedia.org/wiki/Výbojka).
Mechanizmus vzniku světla v LED je odlišný. LED je polovodičová dioda. Na rozdíl od diod usměrňovacích, kde se nejčastěji používá křemík, jsou v LED použité komplexnější polovodiče, skládající se ze dvou až čtyř různých prvků – viz https://cs.wikipedia.org/wiki/LED. Každá polovodičová dioda je vždy tvořena dvěma oblastmi (vrstvami) s odlišným chemickým složením. V případě LED při průtoku proudu (fyzikálně přesněji při přechodu elektronů mezi energetickými hladinami) dochází k vyzáření fotonů – částic světla. Frekvence záření určuje barvu světla a je v poměrně úzkém rozsahu. Barva záření se mění se složením polovodiče, je tedy daná výrobou. Proto nelze měnit barvu jedné diody (dělá se to jen kombinací více diod v jednom pouzdře). Důležité je vědět, že nedochází k vyzáření bílého světla, protože, jak známo, to je směsí širokého spektra světleného záření různých frekvencí. Proto „bílé“ LED nemohou být vyrobeny stejným způsobem, jako „barevné“.

Poznámka třetí: Bílá LED existuje

Napsal jsem, že bílá LED je problém. Ano, je to tak. První svítící diody byly počátkem 70 let minulého století jen červené, žluté a zelené. Delší dobu se pak fyzikové pokoušeli vyrobit další polovodičové sloučeniny, které by umožnily sestrojit modrou LED. Ta byla důležitá pro plánovanou konstrukci plnobarevných zobrazovacích panelů. Výzkum skončil úspěšně použitím karbidu křemíku SiC. Ale bílá LED nemůže existovat už z principu činnosti. Proto se hledalo náhradní řešení spočívající v kombinaci několika různě barevných čipů v jednom pouzdře. Ale nebylo to ono … Hledalo se dál… Vzor se našel v zářivkách. V těch se vybuzuje ultrafialové záření a to dopadem na luminofor na trubici vytváří viditelné bílé světlo. Dnes se na místě bílé LED používá kombinace modré nebo ultrafialové LED a luminoforu, který je nanesený přímo na polovodičovém čipu. A výsledné světlo vznikající v luminoforu je bílé a poměrně intenzivní. Složením luminoforu lze mírně modifikovat odstín světla, podobně, jako existují různé odstíny zářivek.

Poznámka čtvrtá a nejdůležitější: Proud nebo napětí

Pro zapojení LED v obvodě platí několik zásad.
1.) LED se napájí stejnosměrným proudem. Tady zdůrazňuji slovo stejnosměrný. Viděl jsem už mnoho případů, kdy LED byla připojena na zdroj střídavého proudu. A svítila. Otázkou je, jak dlouho vydrží… Z konstrukce a materiálů použitých při výrobě LED vyplývá, že má malé povolené napětí v závěrném směru (tedy opačném, než při svícení). Řádově jsou to volty, na rozdíl od usměrňovacích diod, kde to obvykle jsou stovky voltů. Vyšší závěrné napětí svítící diodu po nějakém čase (někdy i hned po zapnutí) zničí. Pokud už musíme LED připojit na střídavé napětí, musíme zabezpečit, aby přes ni tekl proud pouze jedním směrem. Možnosti jsou dvě – buď opačnou polaritu vůbec obvodem nepustíme, nebo ji pošleme „objížďkou“. V obou případech nám pomůže obyčejná usměrňovací dioda. V prvním případě ji zapojíme sériově, takže projde jen proud „povolené orientace“. Proud v závěrném směru usměrňovací dioda nepropustí a vzhledem k tomu, že v nepropustném směru snese stovky voltů, na LED nebude škodlivé závěrné napětí (obr.1). Druhá možnost je nejlepší – je to tzv. antiparalelní zapojení (viz poznámku níže). Usměrňovací dioda a LED se zapojí vedle sebe (paralelně), ale opačnými elektrodami. Tedy spojí se vždy anoda s katodou té druhé. Proud „povoleným směrem“ proteče LED a rozsvítí ji, proud opačným směrem poteče usměrňovací diodou a LED neublíží. Na usměrňovací diodě vznikne sice malý úbytek napětí (pod 1 V), ale ten LED bez problémů snese i v závěrném směru) (obr.2). (Takto můžeme antiparalelně zapojit i dvě stejné nebo i rozdílné  LED.) To, že LED při takovýchto zapojeních (obr. 1 i 2) bliká v rytmu frekvence střídavého proudu, teď neřešme. Někdy to nevadí. Efekt pro oči je to podobný, jako se vyskytuje u starých televizorů. Pokud to někomu vadí, musí použít tzv. dvoucestný usměrňovač, obvykle Graetzovo zapojení (obr.3). V tomto případě neprotékají diodou impulsy 50x za vteřinu, ale 100x. Navíc, přidáním elektrolytického kondenzátoru lze tyto impulzy vyhladit. To už je potom zdroj stejnosměrného napětí.

Poznámka (doplněno po deseti letech v květnu 2024): Zapojení na obr. 1 je sice funkční, ale má jednu nectnost. Nedovedeme spolehlivě zaručit, v jakém poměru se rozdělí napětí v závěrném směru mezi LED a ochrannou diodu v době, když jsou připojeny v závěrném směru a LED nesvítí. Teoreticky může dojít k tomu, že bude překročeno povolené napětí LED v závěrném směru a LED se zničí. Museli bychom zapojení doplnit ještě paralelní napěťový dělič ze dvou odporů. Proto ho nelze obecně doporučit, vyhoví jen pro nízká napětí. Zapojení na obr. 2 je univerzální a funguje za všech okolností.

2.) LED se napájí vždy proudem, ne napětím. Aby dioda svítila, musí jí protékat proud, řádově jednotky až desítky miliampérů (uvažuji teď o LED používaných mezi modeláři, ne o světlometech v autě). A měl by být ustálený, pokud nechceme, aby se výrazně měnil jas diody. Při průtoku tohoto proudu je na diodě malý úbytek napětí, cca 2 až 4 volty, podle barvy. Kdybychom diodu připojili přímo ke zdroji vyššího napětí, shoří, protože zdroj protlačí diodou vyšší proud. Když ji připojíme k menšímu napětí, nebude svítit, protože polovodičový přechod v ní se neotevře. Je tedy potřebné použít tzv. proudový zdroj. A nejjednodušší proudový zdroj je zdroj napětí a odpor. Pokud tedy nebudeme používat nějaký elektronický proudový zdroj, musíme vždy použít odpor.
Pozn. Dnes jsou v prodeji elektronické součástky, které fungují jako stabilizovaný proudový zdroj, jsou levné a nenáročné. Používají se spíš pro napájení více sériově spojených LED – popis jednoho typu např. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NSI50010Y-D.PDF .

3.) A jak se počítá odpor?
Předpokládejme základní zapojení, tj. stejnosměrný zdroj, předřadný odpor a LED. Známe katalogové parametry diody, tj. napětí v propustném směru (když ne, orientačně nám pomůže barva – viz např. Wikipedia) a proud diodou. Zde se zastavím. Katalog nám udává nejčastěji mezní proud v propustném směru označovaný I_F  , I_Fmax (od slova forward, tedy dopředu). To je hodnota, kterou bychom neměli překročit. Ve skutečnosti dioda svítí daleko dříve, dnešní moderní LED často už při 1 mA, někdy i méně. Pokud ale zalovíte ve starých zásobách, např. zelených LED, zjistíte, že aby byly vidět na slunci, nestačí ani 20 mA. Takže ideální je diodu dopředu vyzkoušet a změřit. O tom později.
Napětí zdroje U_Z  se rozděluje mezi odpor a LED. Pokud na LED je napětí U_F (z katalogu nebo změřené), pak na odporu musí být U_R = U_Z – U_F . Proud, který teče diodou, samozřejmě musí téct i odporem. A ze základní školy si možná pamatujeme Ohmův zákon R=U/I.
Proto R = U_R / I_F = (U_Z – U_F)/I_F. Tedy slovně: Od napětí zdroje odpočítáme úbytek na LED a vydělíme proudem. Jednoduché, že? Navíc, na internetu lze najít různé kalkulačky, které to zvládnou za nás. Např. … (zde byl uveden odkaz na kalkulačku, kterou bohužel můj antivirový program vyhodnotil jako nebezpečnou, proto jsem ho smazal.) Doporučuji českou LED kalkulačku uvedenou v diskusi dole.

Poznámka pátá: Co když „špatně“ svítí

My železniční modeláři jsme občas divní. To, co vyhovuje jiným, nám se nelíbí. Třeba hodně svítící LED. Ve skutečnosti chce každý co nejvíc světla. Modelář ne, ten chce „tak akorát“, jen aby bylo vidět, že svítí. Zejména návěstidla nemají svítit jako vánoční stromeček… Co s tím?
Nezbývá, než si před výpočtem odporu pro LED vyzkoušet její svítivost. Tedy zjistit, při jakém proudu svítí LED tak, jak potřebujeme. Pomůžeme si jednoduchým obvodem. Zapojíme do série proměnný odpor (potenciometr) a LED. Otáčením potenciometrem nastavíme takový jas, jako potřebujeme. Změříme úbytek na LED U_F a protékající proud I _F. Tyto hodnoty potom můžeme použít pro výpočet namísto katalogových. Na obr. 4 je celé schéma zapojení, navíc je tu odpor R, kterého hodnota se připočítává k potenciometru. Odpor má pouze jedinou funkci, není možné potenciometrem nastavit nulový odpor a zničit LED velkým proudem. Jeho hodnota se určí opět z Ohmova zákona, tentokrát si můžeme dovolit ještě zjednodušit. Pokud má zdroj napětí U_Z a nechceme proud větší než I_max vypočítáme tento odpor jako R = U_Z / I_max. Proud I_max volíme cca 20-50 mA, podle typu LED. Tak pro 12V zdroj a 30 mA vychází 400 Ω, použijeme nejbližší hodnotu 390 Ω. Pokud si věříme a budeme pamatovat, že před začátkem měření musíme nastavit potenciometr na maximum, můžeme odpor úplně vynechat. Potenciometr může mít hodnotu 5-10 kΩ. Při 5 kΩ bude nejmenší možný nastavitelný proud kolem 2 mA. Celý obvod je výhodné postavit do malé krabičky s potenciometrem a zdířkami, do kterých zapojujeme zdroj, měřicí přístroj i LED. Případně zdroj může nahradit baterka 9V. Ještě dvě drobné poznámky: 1.) Pokud použijeme stejné napětí, na které bude připojená LED v modelu, nemusíme nic počítat. Stačí změřit multimetrem odpor rezistoru a potenciometru dohromady. 2.) Pokud budeme LED provozovat z pulzujícího napětí (obr. 1, 2 a 3), pro zkoušení použijeme stejný zdroj. Přepočítávání přes koeficient 2, jak je doporučované v některých článcích je sice teoreticky správné, ale lidské oko nezná matematiku. 

Poznámka šestá: Šetřeme energií

Z předchozích odstavců vyplývá jedno – na předřadném odporu je nejen úbytek napětí, ale i výkonová ztráta. Výkon je součinem proudu a napětí. A tak lehce spočítáme, že při úbytku 2V na LED a tekoucím proudu 10 mA bude vyzářený výkon 20 mW. To je úplně minimální v porovnání se žárovkou, která může mít např. 12 V a 50 mA, tedy 600 mW. Ale my musíme použít ten nešťastný odpor. Pokud celý obvod napájíme ze 16 V, jako je obvyklé, pak na odporu bude 14 V a výkonová ztráta 140 mW. Tedy 7x víc, než vyzáří LED. A to považuji za zbytečné. Těchto 140 mW se neužitečně mění na teplo. Jedna LED nám nevadí, pokud jich máme na kolejišti 200, už to bude zbytečných 28 W. Pokud máme ty odpory v polystyrenu, můžeme modelovat Etnu nebo Island. Teplá země, občas stoupající kouř …  Lepší je LED napájet nižším napětím, úplně postačí 4 – 5 V. Anebo řadit několik LED do série, abychom se součtem úbytku na diodách přiblížili napájecímu napětí mínus jeden-dva volty. Předřadný odpor stačí jeden společný. Toto se hodí při osvětlení domečků, ulice apod., kde jsou ty LED blízko sebe.

Poznámka poslední: (nikoli jen na okraj)

Pro serioznější a častější měření LED je využití přípravku na obr. 4 poněkud těžkopádné. Proto jsem ho trochu vylepšil a vznikl nový Digitální tester LED.

Poznámka o pět let novější (březen 2019) – pro ty, kteří používají diody v obvodech s DCC, doporučuji článek o rychlých diodách.

Zatím poslední poznámka (září 2020) – doplňující článek o řízení LED pomocí PWM (bude brzy uvolněn).

Odkazy:

http://lokopin.wz.cz/ruzne/zaklady_elektroniky.htm
http://lokopin.wz.cz/prislusenstvi/stavba3.htm
http://www.honzikovyvlacky.cz/2011/08/20/uvaha-o-zamene-klasickych-zarovicek-za-led/
a další …