המאמר הינו מאמר מקדים למדריך שיגיע בקרוב אודות הכנת שלט חוצות מגניב מלדים (LED-ים). תוך כדי כתיבת המדריך הבנתי שאני צריך להניח יסודות מינימליים לחיזוק ההבנה החשמלית של מעגלי לדים לפני שאני מציג את הפרוייקט עצמו. והרי הוא לפניכם.

חשוב! אני לא חשמלאי. אין לראות במאמר זה (או לצורך העניין בשום מאמר / מדריך / סיקור אחר באתר “בידיים”) כהמלצה לביצוע פרוייקט זה או אחר שאינו חוקי ו/או דורש אישור חוקי, לרבות עבודות חשמל ואלקטרוניקה. חובת האחריות על המבצע בפועל.

עדכון (20.9.2013) – כשעבדתי על המאמר ועל המדריך שרדף אותו לא חשבתי כלל על האפשרות בשימוש בספק כוח ממותג (Switched-mode power supply, ראו תגובתו של “נצילות” בתגובות למטה). אחרי מחקר קצר בעניין החלטתי בעתיד הקרוב אתנסה גם בגישה הזאת, ואספר לכם מה יצא. תודה על השיתוף.

 

מה זה LED

דיודה פולטת אור (LED – Light-emitting diode) היא רכיב חשמלי אשר מאפשר זרימה של אלקטרונים במעגל חשמלי רק בכיוון אחד, והרכב החומר המוליך למחצה ממנו עשויה הדיודה פולטת האור (להלן LED) מאפשר את פליטת האור בעת שהזרם עובר בה (לקריאה נוספת).

היום ניתן למצוא את ה-LED בכמעט כל מכשיר אלקטרוני שמכבד את עצמו (לכל הפחות בתור נורת החיווי שמעידה על מצב העבודה של המכשיר), ובפרט במסכים (מטלוויזיות ענק ועד שעוני יד), ברמזורים, בפנסי רחוב ומכוניות, פנסי ראש, ועוד מוצרים רבים.

כרכיב אלקטרוני שניתן לרכישה ביחידה בודדת, נוכל למצוא נוריות LED בעשרות ואולי מאות סוגים שונים. הפשוטות ביותר מורכבות מחומר שנראה פלסטי בצורה של גליל מעוגל באחד מקצותיו (הנורית עצמה), ובעלות “שתי רגליים” (הדקים). כסטנדרט, הרגל הארוכה יותר היא הרגל החיובית.

למה LED?

לשאלה “למה LED” יש הרבה תשובות. חלק מהן פירטתי במאמר “LED it be“. כאן במאמר נאמר רק במשפט אחד – LED הן זולות, מחזיקות המון זמן (50,000~ שעות), עמידות מבחינה פיזיקאלית (אין זכוכית שאפשר לשבור), מפיצות פחות חום (יעילות גבוהה א’), ונותנות יותר אור פר וואט (יעילות גבוהה ב’). אמנם לא כל הפרטים מדוייקים בטבלה הזו, אבל היא נותנת איזה שהוא מושג.

למה לא פשוט לקנות?

• הנורות ופסי ה-LED המוכנים פשוט יקרים.
• עם מעט למידה ועבודה נוכל להכין גופי תאורת LED בעצמנו. בשונה מנורות ליבון או CFL, דווקא ב-LED, אנחנו ממש יכולים להכין נורות LED בעצמנו (עם רכיבים קנויים כמובן). דרך אחרת לומר זאת היא שנורות LED מסחריות הן פשוט קופסא שסגורים בה בצורה אסטטית והרמטית רכיבים שיש לנו גישה אליהם – מקור כוח, נגדים, LED-ים, ואם ממש נרצה להיות פיינשמקרים, גם צלעות קירור ואפילו מאוורר קטן. הנורות שאנחנו נכין, אם נשקיע מספיק, לא יהיו שונות מהותית מהנורות LED שקונים בחנות.

חשמל על רגל אחת

אנחנו לא נעבור עכשיו על כל תורת החשמל בזרם ישר (או בכלל, בכל זרם שהוא), כי אמנם אנחנו כאן בשביל התיאוריה, אבל בסופו של דבר אנחנו מוכוונים פרוייקט. לא נכנס לעומק תיאורטי (רק קצת, מה שאי אפשר בלעדיו). מי שלא מסתדר וחסר לו רקע, כדאי להשלים. מרפרוף קצר ניתן להעזר בקורס אלקטרוניקה של יהושע גומא כדי לבסס קצת מושגי יסוד.

מעגל חשמלי בזרם ישר

על רגל אחת (כמו שהבטחנו), מעגל חשמלי בזרם ישר הוא מעגל סגור שמחובר בו מקור אנרגיה כלשהיא (סוללה מסוג כלשהו או פאנל סולארי, לדוגמא) וצרכנים שונים (נורה, זםזם, נגד, מנוע וכו’). בכל מעגל שכזה קיימים, לצורך ענייננו, ארבעה גדלים רלוונטיים:

מתח (V, וולט) – הפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות במרחב. בהקשר של מעגל חשמלי במתח ישר, “מקור המתח” הוא מקור האנרגיה, הסוללה. באנלוגיה לזרימת מים (כמו שאפשר לראות באנימציה למטה) המתח שווה להפרש הגבהים בין המיכל העליון לתחתון. שימו לב לכך שאפשר לשחק באנימציה עם “מתח” נמוך וגבוה.

זרם (A, אמפר) – תנועה של חלקיקים טעונים בין שני הנקודות בהן נמדד הפרש הפוטנציאלים. לצורך הפקת זרם יש “לסגור מעגל” ולשם זה אנו זקוקים ל”צינורות” או לחוטי חשמל בהם הזרם יזרום. באנלוגיה הזרם הוא הקצב של המים שגובר כשאנו מעלים בבת אחת את פעולת המשאבה (מקור המתח) מנמוך לגבוה.

התנגדות (Ω, אוהם) – מבלי לצלול לתיאוריה, ניתן לומר שהתנגדות חשמלית היא המתח החשמלי בין שתי נקודות בגוף חלקי הזרם החשמלי ביניהם. או בנוסחה, V/I=R (מתח חלקי זרם שווה להתנגדות).

הספק [חשמלי] (W, וואט) – הספק חשמלי של מעגל חשמלי הוא כמות האנרגיה החשמלית ליחידת זמן הנכנסת אליו ומומרת בו לצורות אחרות של אנרגיה. ז”א, כשאנחנו אומרים שלנורה יש הספק של 60w, אנו מתכוונים לכמות האנרגיה שהנורה פולטת בצורה של אור וחום יחד, שתי צורות אנרגיה שנורת ליבון “מייצרת”, או ממירה אנרגיה חשמלית אליהן. הנוסחה האידיאלית לחישוב הספק הינה I*V=W (זרם כפול מתח שווה הספק).

בנוסף, מתקיימים שלושה חוקים בסיסיים במעגלים שלנו (להזכירכם, מעגלי זרם ישר).

חוק אוהם – בחומרים מסויימים (למשל בנגדים) היחס בין המתח לזרם הינו יחס ישר וקבוע. חשוב לדעת שהחוק נכון למתכות מסוימות וכלל לא מתקיים במוליכים למחצה, שם היחס בין המתח לזרם אינו לינארי. זאת אומרת, החוק נכון לנגדים, אך אינו נכון ל-LED.

חוק המתחים של קירכהוף – סכום המתחים (הפרשי הפוטנציאלים) על פני לולאה סגורה כלשהי במעגל חייב להיות אפס (אחרת ניתן ליצור אנרגיה יש מאין). למשל, בשרטוט משמאל, V4 מסמל את המתח ש”מפיל” מקור המתח במעגל. לפי חוק המתחים V1+V2+V3=V4.

חוק הזרמים של קירכהוף – סכום הזרמים הנכנסים לנקודה שווה לסכום הזרמים היוצאים ממנה. למשל, בשרטוט מימין סכום הזרמים הנכנסים – i2+i3 שווה לסכום הזרמים היוצאים (i1+i4), בכל אופן ובכל מצב.

מעגל LED, פשוט וקל

חוק אוהם שלמעלה, מתאר יחס ישר בין המתח לזרם בסוג מסויים של רכיבים (לצורך העניין, נגדים). היחס הישר הזה לא מתקיים בהרבה מאוד רכיבים אחרים, למשל (כן, איך ניחשתם) ב-LED. ב-LED הזרם עולה בקצב לוגריתמי ביחס למתח, כך ששינוי קטן במתח והLED נשרפ/ים. הדרך למנוע זאת היא בשילוב של נגד במעגל. לנגד יש את התכונה לשמור את הזרם יציב, וכיוון שכשה-LED-ים והנגד מחוברים בטור, הזרם שזורם דרך כולם הוא אותו זרם (מקרה פרטי של חוק הזרמים של קירכהוף, לעיל), הנגד יעזור לנו לקבוע את הזרם הרצוי במעגל.

אז איך עושים את זה?
נניח שיש לנו מעגל פשוט: LED ירוק אחד, הכי פשוט שיש, ומקור מתח של 5.6V (נניח מטען של פלאפון, ונניח שהמתח מדוייק). בואו נניח ש-LED שלנו הוא ירוק פשוט בעל מתח הפעלה של 2.2V, וזרם הפעלה של 20mA (עשרים אלפיות האמפר) – נתונים סטנדרטיים במצב שבו אין לנו נתונים אחרים על הרכיב. אלו כל הנתונים הקיימים (צבועים בירוק בשרטוט שמשמאל). הנעלם בנוסחא – אנחנו צריכים לגלות את ההתנגדות של הנגד (מסומן באדום בשרטוט) כדי שנדע איזה נגד יתן לנו את התוצאה הרצויה.

ולחישובים (הממש פשוטים) – לפי חוק המתחים של קירכהוף המתח על הנגד הוא 5.6-2.2 (כל המתחים במעגל ביחד יהיו שווים למתח המקור), שזה אומר 3.4V (מסומן בצהוב בשרטוט מימין). אם המתח על הנגד הוא 3.4V, והזרם שעובר בו הוא 20mA (מסומן בצהוב בשרטוט) לפי חוק הזרמים אז ההתנגדות של הנגד (לפי חוק אוהם) היא 3.4/0.02 = 170Ω. מכיוון שאין נגד סטנדרטי של 170Ω, יש לנו אפשרות להשתמש או ב-160Ω או ב-180Ω. נגד של 160 יתן לנו מתח סופי נמוך מדי (ויפיל יותר מתח על הLED מאשר אנחנו רוצים, מה שככל הנראה יגרום לנזק) ולכן נבחר נגד של 180Ω.

בשלב הזה נעשה הערכה של ההספק שהנגד צפוי להגיע אליו (0.02*3.4). יצא לנו 0.068W שזה, 68mW. למה בדקתי את זה? כיוון שלנגדים יש הספק מקסימלי שהם מתוכננים אליו, ועלינו לבדוק שההספק המחושב יהיה פחות מ-60% מההספק המקסימלי. נגדים מגיעים עם הספק מקסימלי של 1/8W, 1/4W, 1/2W וכן הלאה. במקרה שלנו, 1/8W (שזה 125mW) הוא גבולי, לכן נשתמש כאן ב1/4W.

הכל טוב ויפה, אבל למעגל שלמעלה אין “זכות קיום”. מדוע? כיוון שבמקום לשים נגד ש”יספוג” מתח של 2.2V ו”סתם יתחמם” ויבזבז חשמל בלי לעשות שום עבודה, אפשר להוסיף עוד LED ירוק אחד. המעגל החדש יראה כך.

המתח החדש הנופל על הנגד הוא 1.2V (כיוון שעכשיו כל הLED-ים ביחד “לוקחים” 4.4V; ו-5.6-4.4 שווה 1.2V). כמובן שהזרם אינו משתנה, כיוון שהזרם הוא עדיין אותו זרם שעובר בכל המעגל (20mA). במקרה כזה (1.2/0.02) ההתנגדות המחושבת תהייה 60Ω, והנגד הנבחר (כי אין נגד של 60) יהיה אחד מעל = 62Ω.

הצריכה של המעגל השני היא בדיוק כמו הצריכה של המעגל הראשון (116mW~), אך עכשיו יותר אנרגיה הופכת לאור מאשר לחום, כי יש שני LED-ים, והפחתנו את ה”בזבוז” לשווא על הנגד.
פשוט, לא?
אשמח למחשבות, תהיות, הארות והערות בתגובות.

בתמונה למטה: חיווט זמני של שני מעגלים במקביל למקור כוח (אפשר לזהות שזה שני מעגלים לפי שני נגדים שמחוברים בצומת).

הערות ומסקנות

• חשוב שכשאתם רוכשים רכיבים (זה נכון לכל דבר) תמיד תדאגו לוודא את ההגדרות של הרכיב. בהקשר של LED-ים פשוטים, הפרטים החשובים הם מתח וזרם ההפעלה. אם אתם לא יודעים את הפרטים הללו, תוכלו להעזר בקירובים שמוצעים בטבלה הזו, מהאתר הזה. בהקשר של נגדים, חשוב לדעת אם אתם זקוקים לנגדים של 1/2W או שמספיק 1/4W. את זה תדעו שתתכננו את המעגל שלכם.
• במעגלי LED שכאלה, תמיד נשאף למקור מתח (מתח ישיר כמובן) גבוה ככל הניתן, כי כך נוכל לייצר מעגלים עם כמה שיותר LED-ים. שלא תחשבו שתוכלו למצוא בקלות ספק כוח שייתן לכם 60V (וזה גם די בעייתי כי במתח כזה אנחנו צריכים לחשוב טוב על עובי החוטים) אבל העדיפו ספק של 12V מאשר ספק של סמארטפון (5.6V בדרך כלל).
• דעו תמיד שייתכן ויהיו פערים בין מה שכתוב על הרכיבים שקניתם ומה שהם בפועל, ולרוב הדרך היחידה לבדוק אותם (במיוחד בפרוייקטים גדולים) זה פשוט לעבוד איתם. קחו בחשבון שתמיד יהיו כמה LED-ים שרופים, ושתמיד יש סיכוי שיהיה נגד אחד או שניים בכל חבילה שיהיו תקולים, כי ככה זה בייצור תעשייתי. קחו זאת בחשבון כשאתם מזמינים ואל תזמינו רכיבים במדוייק. תמיד הזמינו קצת ספייר, במיוחד אם הרכיב עצמו לא יקר.

מקורות נוספים

• רשימת ערכי נגדים סטנדרטיים
• אתר מעולה לחישוב מעגלים מרובי LED, ועוד הרבה מידע. את כל מה שעשינו כאן הוא יעשה בשבילכם, למרות שכדאי לבדוק אותו כי הוא קצת שמרן במספרים.
• הסבר נוסף באנגלית (די דומה למה שעשינו כאן)