Honzíkovy vláčky

Úvaha o záměně klasických žároviček za LED

K sepsání tohoto článku dal podnět kamarád prostou otázkou: „Mám ponechat u lokomotiv a vagonů klasické žárovičky, nebo je vyměnit za LED?“ Důvodem pro ANO je nižší spotřeba elektrické energie, nižší proud přes koleje a tím i menší proudové ztráty na přechodových odporech, a následně větší světelný výkon. Vadou je mírné „mrkání“ zaviněné nedokonalým sběrem napětí z kolejí, které se díky tepelné setrvačnosti u klasických žároviček tolik neprojevuje.

  Dále uvedená doporučení lze aplikovat na všechna u nás obvyklá modelová měřítka (H0, TT, N i Z).  Nutné je uvědomit si včas, že prostá výměna LED za žárovku není zase tak úplně jednoduchá, protože na výsledný efekt má vliv hned několik faktorů.
  Pro ovládání železničních modelů se v současnosti používají dva druhy napětí, a to nejrozšířenější stejnosměrné napětí 12 V (10 V u Z), ale také střídavé napětí u H0. Pro následná schémata si stanovíme základní symboly, aby nedocházelo k omylům při výkladu problémů.
  Na obr. 1 jsou jednotlivé používané symboly s jejich pojmenováním.        

Poznámka: Při pojmenování polovodičových prvků se někdy používá termínu „svítící LED diody“.  Je to mluvnický anachronizmus, protože když bychom použili doslovný překlad, tak bychom museli říct: „svítící světlo emitující dioda diody“. Takže, raději budeme používat termín svítící dioda nebo jen prostě LED.

Ovládání střídavým napájecím napětím

  Náhradu LED za žárovky u modelů se střídavým napájecím napětím lze provést dvěma způsoby, a to jednodušším a lacinějším podle obr. 2., anebo dražším, ale funkčně lepším podle schéma na obr. 3.
  Podle obr. 2 se jedná o pouhou náhradu svítící diody za žárovku s nutností usměrnění napájecího napětí a následně o úpravu napájecího proudu podle katalogových údajů výrobce pomocí vzorce na obrázku. Máme opět dvě možnosti, a to jednocestné usměrnění jednou diodou – viz obr. 2a -, nebo dvojcestné usměrnění pomocí diodového můstku viz obr. 2b; toto provedení má tu nevýhodu,  že jas svitu diody je úměrný ovládacímu napětí, tzn., že při pomalé jízdě pouze „mžourá“.

  Dražší verze – viz obr. 3 – umožňuje konstantní svit až do poměrně nízkého ovládacího napětí. Výpočty jsou opět součástí obrázku. Konstantní svit zajišťuje stabilizátor napětí.

                      
Ovládání stejnosměrným napájecím napětím
 
  Dále se budu obsáhleji věnovat rozšířenějšímu druhu napájení, a tím je stejnosměrné napětí. Připomeňme, že i zde platí stejně jako u jiných napětí základní zákon, kterým je Ohmův zákon.
  Při ovládání stejnosměrným napětím, máme opět několik variant:

a) ovládání proměnným napětím – často se mu říká analogové,
b) ovládání napětím s pulzně šířkovou modulací – též nazývané PWM,
c) nejnovější způsob ovládání – digitální – což je kombinace adresného ovládání a PWM.

  Popis je v opačném pořadí, a to od nejjednoduššího k nejnáročnějšímu.

Digitální ovládání

  Nejnovější varianta ovládání – digitální – je pro výměnu žároviček nejjednodušší (pozn.: týká se amatérské přestavby staršího modelu, anebo dodatečné instalace LED; u nových modelů jsou dnes LED již běžně instalované). Nejjednodušší proto, že digitální ovládání nemění polaritu a ani velikost napětí – jako náhrada se použije pouze svítící dioda a odpor (obr. 4) – výpočet je na obrázku.

 Ovládání napětím s PWM

  U tohoto ovládání (jeho přednosti oproti proměnnému stejnosměrnému napětí zde nebudeme rozebírat) je, jak známo, konstantní velikost napětí a mění se pouze časové mezery jeho působení. Protože směr jízdy se mění změnou polarity, musí se tomu i přizpůsobit obvody svítících diod. Tento způsob ovládání má pro svit LED tu nevýhodu, že nelze realizovat konstantní svit pomocí stabilizátoru, jako v případě střídavého ovládání a i následně popisovaného stejnosměrně proměnného napětí. Tato nevýhoda vzniká principem PWM, tj. střídáním plného napětí a mezer bez napětí. V tomto případě lze výměnu realizovat pouze z důvodů nižší spotřeby elektrického proudu. Zapojení a výpočet je patrný z obr. 5.

Ovládání proměnným stejnosměrným napájecím napětím

  Tento principem nejstarší způsob ovládání modelů poskytuje (ale i vyžaduje) nejvíce možností použití svítících diod. Prvním důvodem je, jak už jsem uvedl, nižší spotřeba elektrické energie. Další důvody jsou v možnostech „komfortu“ způsobů řízení tohoto osvětlení.
  První varianta použití – nejjednodušší – je pro osvětlení osobních vagonů, nebo koncových svítilen u nákladních souprav. U tohoto osvětlení musíme dodržet základní požadavek pro správnou funkci svítící diody, a to je zabezpečení neměnnosti polarity napájecího napětí. To nám zaručí diodový můstek. Druhým požadavkem je zajištění jmenovitého proudu diodou, to zase zaručí správně vypočítaný předřadný odpor viz obr. 6.

  Toto je ta jednodušší varianta – přitom však dochází dle rychlosti jízdy k proměnnému svitu. Tuto „necnost“ podstatně snížíme zařazením stabilizátoru napájecího napětí pro LED s výstupním napětím cca 2 V, kde také vypočítáme patřičný předřadný odpor – viz obr. 7.

Pokud chceme osvětlit osobní rychlíkový vagon více diodami, tak použijeme toto zapojení bez stabilizace  dle obr. 6a či obr. 6b, nebo obr. 6c (v řadě směrů nejvýhodnější – pozn. red.).     

             
anebo se stabilizací podle obr. 7a či obr. 7b.

  U stabilizovaného způsobu lze také použít sériového řazení svítících diod, ale musí se zvýšit výstupní napětí stabilizátoru – jiný typ a tím se i zvýší minimální napětí, při kterém ještě stabilizátor plní svoji funkci.
  Napájení svítících diod odděleným způsobem zaručí rovnoměrnější rozdělení svitu, než společné napájení přes jeden odpor. Počet svítících diod na jeden vagon je dán součtem proudů jednotlivých diod, který nesmí být větší než maximální povolený výstupní proud stabilizátoru. 

U osvětlení lokomotiv je variant více:

• s proměnným svitem – je jednodušší a s konstantním (do jisté míry) svitem (varianty budou vždy u každého obrázku uvedeny,
• svícení bez ohledu na směr jízdy
  – nestabilizovaný – stejné jako obr. 6,
  – stabilizovaný – obr. 7,
  – svícení s ohledem na směr jízdy – obr. 9a a obr. 9b (tedy opět v obou variantách).

  U této varianty musíme zjistit, zda „směrovost“ již není zaručena v elektroinstalaci lokomotivy od výrobce. Všechny způsoby jsou uvedeny na jednotlivých obrázcích, a jak jsem podotkl na začátku – vždy platí Ohmův zákon.
  U jednotlivých prvků jsou vždy uvedeny pouze technické požadavky na jejich funkce – ne typové označení. To je na možnostech každého modeláře a de facto se liší místem bydliště a tudíž blízkostí odborné prodejny; nicméně, díky internetu a e-shopům se zmíněné nevýhody stírají.

Použité znaky – popisy

Napětí je uváděno ve voltech – V.
Proud je uváděn v ampérech – A.
Unap. = max. napájecí napětí = 12 V (u měřítka Z = 10 V)
Unap. min = minimální napětí, při kterém ještě pracuje stabilizátor (toto napětí je o cca 2 V  větší než je výstupní napětí stabilizátoru – Ust).
Ust = výstupní napětí stabilizátoru – u GM = Uout
Ist = provozní proud stabilizátoru – u GM = Iout
Ud = provozní napětí diody – u GM =  Vf typ
Id = provozní proud diody – u GM = If
R = odpor v ohmech
F1 (F2) = ovládací výstupy pomocných funkcí u digitálního ovládání – napětí 12 V (u měřítka Z = 10 V) 

Závěr

Závěrem několik moudrostí vycházejících z mých zkušeností. Vše popsané jsou pouze a jen mé názory, které se již neřídí žádnými zákonitostmi. Předně, když už se rozhodnete pro výměnu žárovky za LED, tak je třeba při výměně postupovat podle zásady „když už, tak pořádně!“ Jinými slovy,  nepříštipkařit po česku. Mé následující rady korespondují s výkladem výše.
  U provozu napájeného střídavým napětím lze doporučit použít k osvětlení jak lokomotiv, tak vagónků zapojení dle obr. 3, to znamená se stabilizátorem.
  V komplexně digitalizovaném systému zásadně použít pouze zapojení popsaná v daném odstavci.
  Naopak při ovládání stejnosměrným napětím s PWM se domnívám, že „ušetřená energie“ v tomto případě nepřináší žádný efekt a naopak tepelná setrvačnost žárovkového vlákna přispívá ke klidnějšímu svitu, takže osvětlení tolik „nemrká“. Proto bych doporučoval zůstat u původního provedení se žárovičkami.
  Největší dilema co poradit mám u ovládání analogového. Zde bych však přesto doporučil LED jak u střídavého napájení v zapojení dle obr. 7 pro osvětlení lokomotiv,  anebo pro směrové osvětleni lokomotiv v zapojení dle obr. 9b. Pro osvětlení vagónků buď jednonásobné osvětlení jako u lokomotivy a sice dle obr. 7, při osvětlení rychlíkových vagónů vícenásobné osvětlení dle obr. 7a. Zapojení dle obr. 7b můžeme použít při nákupu jedné série svítících diod, kde je předpoklad stejných parametrů, nebo provést jejich kontrolní výběr. Zapojení dle obr. 7a je často realizováno u „svítících pásků“.
  Na závěr mi nezbývá nic jiného než popřát šikovné ruce, hodně trpělivosti (úměrné měřítku), neboť tvrdím, že čím menší model – tím větší námaha. A pěkný požitek z výsledku vašeho snažení…

Zpracoval Jaroslav Vorlíček; ilustrační foto v perexu internet – ZDE

Poznámka vydavatele: všechny obrázky publikované v této stati byly opraveny (vyměněny) dne 23. 8. 2011, protože v těch původních byly chyby (viz upozornění v diskusi od V. Pohořelého).

_____________________________________________________

Vyjádření autora příspěvku Jaroslava Vorlíčka k připomínkám Martina Pinty a Viktora Pohořelého (viz diskuse)

  Já, autor tohoto příspěvku, se omlouvám všem slušným čtenářům, kteří si všimli omylu při kreslení obrázků a upozornili mne na to; těm, kteří si toho prozatím nevšimli, to dávám na vědomí a omlouvám se rovněž. Dovoluji si jen dodat, že chybovat je lidské a může se to stát každému. Obvyklé je, že slušný čtenář taktně upozorní na chybu a jen hulvát se vysmívá a pomlouvá.
  K názorům oponentů se nebudu detailněji vyjadřovat, protože v některých názorech si vzájemně protiřečí – např. ve věci sériového řazení diod. A tím pádem nemají jedinou a absolutní pravdu. Taková pravda totiž neexistuje. Kdyby páni kritici věnovali více času pozornému čtení mé stati, mohli si ušetřit námahu při sepisování svých komentářů, které zřejmě stejně měly za cíl kdoví co?
  Proto bych jim chtěl doporučit, aby své rady publikovali pouze a jen jako své názory k věci a ne jako kritiku autora, protože každý máme nárok na svůj názor. Navíc, ve druhé větě prvního odstavce pod nadpisem Závěr jasně píšu: „Vše popsané jsou pouze a jen mé názory…“. Navíc článek byl pojednán jako informace o možnostech a ne jako závazný návod. Takže bych napříště očekával, že se budou tímto principem řídit.

Jaroslav Vorlíček, dne 23. 8. 2011

________________________________________________________-

Dodatek vydavatele

  Kdyby byl tento web opravdovým vědecko-odborným papírovým časopisem, musel bych si sypat popel na hlavu a vzít odpovědnost za chybu autora na sebe. Takovým časopisem tento web není a ani takové ambice nemá. Tím neříkám, že mne publikovaná chyba nemrzí a i já se čtenářům, kteří mohli být uvedeni v omyl, omlouvám.
  Když jsem zakládal tento web, první co jsem na něm „zakázal“ byla diskuse. Mám totiž velmi špatné zkušenosti s úrovní diskusí v prostředí internetu, což jsem poznal na řadě webových aplikací, kterých jsem od roku 1996 několik vytvořil; oplzlosti, hulvátství, ignorování autorských práv atd., to jsou jen některé nešvary, které sebou přináší „internetová anonymita“. Až po čase, když jsem se setkal jen se slušnými a dalo by se říci vesměs kvalitními a v dobrém úmyslu míněnými připomínkami (samozřejmě i s negativním obsahem), jsem diskusi „povolil“. A nemám s ní problém. Opravdu mi nevadí, že někdo mi napíše „tohle je špatně“, „tady nemáš pravdu, oprav to“. Vděčný jsem i za upozornění na jazykové prohřešky. Při nemožnosti provádět kvalitní odbornou recenzi a jazykovou korekturu každého článku je to vítaná pomoc a také zpětná vazba.
  Když přišly připomínky pánů Pinty a Pohořelého k cit. článku, dosti mne zamrazilo v zádech. Jednak proto, že chyba v „novinách“ je vážná věc, jednak proto, že autor byl jako naschvál  několik dní nedosažitelný. Tak či onak, způsob reakce oponentů se mi jevil jako velmi neadekvátní, už jenom proto, že pánové se osobně znají a při existenci telefonů, mailů, skype aj. spojení bych spíše očekával, že si osobně problémy vyříkají, jak že je budou prezentovat přes veřejný web. Nestalo se tak, nevím proč a nebudu to pitvat! Pořád si totiž myslím, že modeláři jsou jedna parta a tím pádem, že když ne kamarádi, tak určitě kolegové. A mezi takovými by podle mne měla probíhat zcela jiná forma komunikace, než je tomu jinde…
  Už jen poslední věty: Na mém webu budu i nadále publikovat statě svoje i kohokoliv dalšího, kdo o to bude stát. Stejně tak se nebudu bránit kritice v pozitivním i negativním smyslu. Nebudu ale dělat soudce těm, kdo se kvůli jiným názorům pohádají. Budu si ale dávat větší pozor na to, jestli diskuse směřuje k věci, anebo jen k uplatnění svého ega.

Jan Hlaváček, dne 23. 8. 2011 

Počet přečtení: 17 336 | Tisknout: | Poslat: