|
Moderne 1,5 of 3,0 mm miniatuur LED's zijn prima onderdeeltjes voor het verfraaien van uw modelbouw-scenery. Met deze print kunt u deze LED'jes bovendien op diverse manieren aansturen alsof het lichtreclames zijn. |
Kennismaking met deze schakeling
Opsmukken van uw HO-schaal modelbouw met lichteffecten
De moderne LED's met een diameter van 1,5 mm of 3,0 mm zijn precies op maat gemaakt voor de HO-schaal. Met 1,5 mm groene, gele en rode LED's kunt u de natuurgetrouwheid van de scenery van uw modelspoorbaan vervolmaken door er bijvoorbeeld lichtreclames op de gevels van huisjes, verkeerslichten, etc. mee samen te stellen.
Bij dergelijke uitbreidingen horen uiteraard elektronische stuurschakelingen. Het in dit artikel beschreven universeel LED looplicht is speciaal ontwikkeld voor het besturen van dergelijke miniatuur LED-opsmuk.
Het blokschema van de schakeling
Het blokschema van de schakeling is getekend in de onderstaande figuur. Hart van de schakeling is een tienteller met gedecodeerde uitgangen. Deze wordt gestuurd door een oscillator met instelbare frequentie.
De uitgangen van de tienteller gaan naar een diode-matrix. Hier worden de verbindingen gelegd met de vier uitgangstrappen. Iedere uitgangstrap is in staat een groot aantal in serie geschakelde LED's te besturen. De diode-matrix zorgt er voor dat een bepaald looplicht-effect ontstaat. In de meest eenvoudige uitvoering worden de vier eindtrappen een na een in geleiding sturen. Dat is dus de meest bekende uitvoering van een looplicht. Door echter enige soldeerbruggetjes op de print te vervangen door de dioden ontstaat een heen en weer gaande beweging over de vier eindtrappen. Een ideale situatie voor het besturen van lichtreclames!
Vervolgens kunt u de schakeling met twee extra eindtrappen uitbreiden, die niet bestuurd worden door de diode-matrix, maar rechtstreeks door de cascade-uitgang van de tienteller. Omdat zowel de vier normale eindtrappen als deze twee extra wel allemaal de tienteller als basis hebben, zijn deze uitgangen natuurlijk wel onderling gesynchroniseerd. Ook de lichteffecten zijn dus gesynchroniseerd, hetgeen het aantal creatieve mogelijkheden van de schakeling nog verder uitbreidt.
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2020 Jos Verstraten) |
Hart van de schakeling is, zoals reeds beschreven, de tienteller. Dat is geen normale tienteller met vier BCD-uitgangen, maar een speciale van het type CD4017B met tien gedecodeerde uitgangen en een overloop CARRY OUT. Omdat het voor het instellen van de schakeling belangrijk is dat u de werking van het gebruikte IC begrijpt wordt deze aan de hand van het interne blokschema van de onderstaande figuur verduidelijkt.
De schakeling reageert op de positieve flank van het CLOCK-signaal. Een van de tien gedecodeerde uitgangen wordt dan actief en levert een 'H' af. De overige uitgangen zijn 'L'. Als een volledige telcyclus wordt doorlopen, worden alle uitgangen dus een na een 'H'.
De CARRY OUT is 'H' tot bij de vijfde telpuls. Bij deze puls gaat deze uitgang naar 'L' en blijft in deze toestand tot op het moment dat de teller aan de volgende cyclus begint. De 'H'-flank die dan op de CARRY OUT verschijnt kan worden gebruikt worden om een tweede teller te sturen. Maar in deze toepassing wordt deze uitgang gebruikt om de twee extra uitgangstrappen aan te sturen.
De RESET van de teller reageert op een 'H'. Dan gaat de teller terug naar zijn uitgangspositie, waarbij uitgang '0' hoog wordt en alle overige uitgangen laag.
 |
| Het intern blokschema en de timing van de tienteller CD4017B. (© Texas Instruments) |
Het praktisch schema van het LED looplicht
De voeding
Het schema van de eenvoudige voeding is getekend in de onderstaande figuur. De schakeling wordt gevoed uit een wisselspanning van 10 V tot 16 V. Deze spanning wordt met de brug G1 gelijkgericht en afgevlakt met de condensator C1. De afgevlakte spanning wordt gebruikt voor het voeden van de eindtrappen. Uit deze spanning wordt door de stabilisator IC1 een gestabiliseerde spanning van 9 Vdc afgeleid. Deze wordt gebruikt voor het voeden van de twee geïntegreerde schakelingen.
 |
| Het schema van de voeding. (© 2020 Jos Verstraten) |
De oscillator is op de bekende manier opgebouwd rond de universele timer 555, zie het linker deel van de onderstaande figuur. De frequentie van de schakeling is afhankelijk van de onderdelen R1, R2 en C4 en kan eventueel worden aangepast door de waarde van de condensator te vergroten of te verkleinen. De uitgang van de 555 op pen 3 stuurt via de weerstand R4 de CLOCK-ingang van de tienteller.
De eindtrappen
De eindtrappen bestaan uit eenvoudige elektronische schakelaars T1 tot en met T4. Deze transistoren gaan geleiden als hun basissen via de basisweerstanden met 'H' verbonden worden.
De uitgang '0' van de tienteller (pen 3) stuurt de eerste eindtrap T1 rechtstreeks via de basisweerstand R5 aan. De tweede eindtrap wordt gestuurd uit twee uitgangen, namelijk '1' en '5'. Om beide uitgangen van elkaar te scheiden moeten uiteraard scheidingsdioden worden tussen geschakeld, D1 en D2. De derde eindtrap wordt op dezelfde manier gestuurd uit de twee uitgangen '2' en '4' via de dioden D3 en D4. De laatste eindtrap T4 wordt weer rechtstreeks gestuurd uit de uitgang '3'.
Samengevat worden de vier uitgangstrappen als volgt gestuurd:
- Uitgang T1: '0'
- Uitgang T2: '1' of '5'
- Uitgang T3: '2' of '4'
- Uitgang T4: '3'.
Dank zijn de dioden D1 tot en met D4 kunt u dus een heen-en-weer gaande lichtbeweging genereren, waarbij de uitgangen eerst worden gestuurd van T1 naar T4 en dan weer terug van T3 naar T1.
Opmerking
U kunt het onderstaande schema vergroot weergeven door er met de linker muisknop op te klikken.
 |
| Het volledig schema van het LED looplicht. (© 2020 Jos Verstraten) |
De reset van de tienteller (punt R) wordt bij één effect gestuurd uit uitgang '6' (punt A), maar kan eventueel ook via uitgang '4' (punt B) de noodzakelijke reset-puls ontvangen. Een en ander is uiteraard afhankelijk van het effect dat u wilt realiseren. Door het aan de massa leggen van de reset (punt C) kunt u weer een ander effect creëren.
De extra eindtrappen
De extra twee eindtrappen rond T5 en T6 werken op dezelfde manier als hun vier soortgenoten. T5 ontvangt zijn basissturing via de weerstand R13 uit de CARRY OUT (Ca) uitgang van de teller. De sturing voor T6 wordt verzorgd door de collector van T5. Als T5 dus in geleiding wordt gestuurd zal T6 gaan sperren en vice versa.
De LED-sturing
Als LED-sturing worden BC337 transistoren gebruikt. Deze transistoren kunnen maximaal 600 mA schakelen bij een maximaal vermogen van 0,625 W en een junctie-temperatuur van +150 °C. De collector/emitter-verzadigingsspanning bedraagt maximaal 0,7 V. De transistoren worden, afhankelijk van de trafo, gevoed met een spanning tussen +16 Vdc en +20 Vdc. U hebt dus heel wat vermogen ter beschikking om LED-structuren samen te stellen.
De meest voor de hand liggende methode is seriekringen op te bouwen, zoals getekend in de onderstaande figuur. De weerstanden R9, R10, R11, R12, R15 en R16 hebben geen vaste waarde. U moet de waarde van deze onderdelen berekenen afhankelijk van de LED-ketens die u wilt toepassen.
 |
| De meest eenvoudige manier voor het sturen van de LED's. (© 2020 Jos Verstraten) |
- Rode LED's: 1,6 mA per lichteenheid.
- Groene LED's: 2 mA per lichteenheid
- Gele LED's: 3 mA per lichteenheid.
Door een rode LED moet u dus ongeveer twee keer zoveel stroom sturen als door een gele LED om dezelfde lichtopbrengst te verkrijgen. Voor het berekenen van de voorschakelweerstanden hebt u niet alleen de LED-stroom nodig, maar ook de waarde van de brandspanning van de LED's. Ook deze grootheid is afhankelijk van de kleur:
- Rode LED's: 1,6 V voor 20 mA.
- Groene LED's: 2,2 V voor 20 mA.
- Gele LED's: 3,1 V voor 20 mA.
Aan de hand van deze gegevens kunt u de voorschakelweerstanden berekenen.
Een voorbeeld.
Stel dat u tien rode LED's in serie wilt schakelen met een LED-stroom van 20 mA.
De voedingsspanning van de eindtrappen bedraagt 23 V.
De waarde van de in serie te schakelen weerstand kunt u berekenen met de formule:
Rserie = [Ub - ULED] / ILED
waarin:
- Ub: de beschikbare voedingsspanning.
- ULED: de totale spanningsval over de LED's
- ILED: de stroom door de LED's.
In het voorbeeld bedraagt ULED 16 V (10 x 1,6 V). Het spanningsverschil over de weerstand is dus 23 V - 16 V = 7 V. De waarde van de weerstand wordt dan 7 V / 20 mA = 350 Ω.
Belangrijke opmerking
Bij het samenstellen van de LED-ketens mag u nooit LED's parallel schakelen! Het rechter voorbeeld in de bovenstaande figuur is dus verboden! Op de brandspanning van LED's zit namelijk nogal wat spreiding. Het zal zelden voorkomen dat twee LED-ketens dezelfde ULED hebben.
De transistorstroom deelt zich dan niet mooi in twee even grote deelstromen, waardoor de ene LED-keten veel meer stroom krijgt dan de tweede. De LED's in de keten die de meeste stroom trekt gaan dus na een tijdje defect. Als u tóch twee ketens parallel wilt schakelen op één uitgang moet u iedere keten voorzien van een eigen serieweerstand en de betreffende serieweerstand op de print vervangen door een draadbruggetje.
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling van deze schakeling zijn voorgesteld in de twee onderstaande figuren. Op de print zijn twee soldeerbruggetjes aanwezig, namelijk onder D1 en D3. Door het dicht solderen van deze bruggetjes kunt u de eindtrappen T2 en T3 rechtstreeks doorverbinden met de telleruitgangen '1' en '2'. Dat is noodzakelijk als u kiest voor de eenvoudigste optie.
Op de bovenzijde van de print ziet u vier gaatjes (R), (A), (B) en (C). Het is de bedoeling dat u de reset (R) met een draadje doorverbindt met een van de gaatjes (A), (B) of (C). Als u dat vergeet en (R) open laat, dan zal de schakeling niet werken!
 |
| De print voor de schakeling. (© 2020 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2020 Jos Verstraten) |
Toepassingen van deze schakeling
Toepassing 1: eenvoudig looplicht
Als u voor de meest eenvoudige optie kiest, waarbij de vier uitgangstrappen een na een worden gestuurd, is het niet noodzakelijk de vier dioden D1 tot en met D4 in de schakeling op te nemen. Wél moet u dan de twee genoemde soldeerbruggetjes onder de dioden D1 en D3 dicht solderen. De vier LED-ketens worden dan gestuurd uit de telleruitgangen '0' tot en met '3' en zullen een na een oplichten. Bij deze toepassing moet de reset (R) van de teller doorverbonden worden met uitgang '4' (B). U moet dus op de print een draadbruggetje aanbrengen tussen de pennen (B) en (R) boven de tienteller. Op de print zijn daarvoor gaatjes aanwezig.
Toepassing 2: heen-en-weer gaand looplicht
Bij deze toepassing moet u de vier dioden D1 tot en met D4 wél op de print aanbrengen. De twee soldeerbruggen onder de dioden mogen natuurlijk niet dicht worden gesoldeerd. De reset van de tienteller (R) wordt nu doorverbonden met teluitgang '6' (A). Ook daarvoor is een printgaatje aanwezig. De vier LED-ketens gaan nu eerst van links naar rechts en dan van rechts naar links oplichten.
Toepassing 3: looplicht met pause
Beide beschreven toepassingen kunnen nog uitgebreid worden door het inlassen van een pause na afloop van een cyclus. Het volstaat daarvoor de reset van de teller te verbinden met de massa. Dat kan door de gaatjes (R) en (C) met een draadje te verbinden. De teller wordt nu niet gedwongen gereset, maar zal de volledige telcyclus doorlopen. Omdat de vier LED-ketens alleen maar door de uitgangen '0' tot en met '3' of '0' tot en met '5' worden gestuurd zal er een pause van zes respectievelijk vier klokpulsen optreden, waarin alle LED's gedoofd zijn.
Toepassing 4: knipperlicht
De print kan ook als knipperlicht ingezet worden door de vier uitgangstrappen rond T1 tot en met T4 niet op de print aan te brengen, maar wel de uitgangen rond de transistoren T5 en T6. De twee LED-ketens die op de componentenopdruk met 'extra' zijn benoemd gaan dan als knipperlicht werken, een bruikbare toepassing dus voor het sturen van spoorwegovergangen.
500 stuks 3 mm LED
