harraste E L E K T R O N I I K K A

SISÄLTÖ
MILJOONALAATIKKO
Sekalaista elektroniikkaharrastajan tarvitsemaa tietoa, taulukoita, laskukaavoja, yms.
KIRPPIS
Elektroniikkaharrastajan kauppapaikka.
PIIRROSMERKIT
Elektroniikan, sähkötekniikan ja rakenussähköpiirrustusten piirrosmerkkejä.
RAKENNUSOHJEET
Kytkikset, piirilevykuvat, ja muut rakenteluohjeet pariin elektroniikkaprojektiin.
ARTIKKELIT
Elektroniikasta ja sähköstä yleensäkin, kirjoittelemiani juttuja, asiasta ja asian vierestä.
U.K.K.
Usein Kysytyt Kysymykset.
KÄRY KÄVI
Enemmän tai vähemmän hauskoja tapahtumia elävästä elämästä.
SALAISET PAHEET
Elektroniikkaharrastajan salaiset paheet... sovellettavissa omalla vastuulla.
LINKIT
Linkkejä sinne ja tänne.
PALAUTE
Näihin sivuihin liittyvä palaute, sekä elektroniikkaan liittyvät kysymykset tänne.
ETUSIVULLE

 


Poistututtaako?
Muutakin löytyy
kuin vain
elektroniikkaa.
LEDIEN KYTKENNÄT

Superkirkkaiden ledien kasvaneet kandelamäärät ja pudonnut hintataso, ovat viime aikoina lisänneet ledien suosiota erilaisissa valaistussovelluksissa. Ehkäpä näkyvimmin superkirkkaat ledit ovat kasvattaneet osuuttaan avaimenperätaskulamppujen muodossa. Myös valaisinvalmistajat ovat superkirkkaista kiinnostuneita, ja opasvalaistuksen rintamalla näitä on ollut jo pari vuotta käytössäkin.

Suosion kasvu on näkynyt myös komponenttikauppojen tiskeillä. Kasvaneen kysynnän lisäksi ovat lisääntyneet myös ostotilanteessa asiakkaan esittämät kysymykset. Selvästi elektroniikkaharastajien lisäksi ovat asialla myös amatöörit, vai mitä voinee päätellä seuraavista, yleisimmin esiin nousevista kysymyksistä. Niin, voikos tämän sitten kytkeä suoraan 12 volttiin? Milläs jännitteellä nämä toimivat? Jaa, mikä ihmeen etuvastus?

Ei lamppu, vaan diodi
Eräs yleinen harhaluulo ledien käytössä tuntuu olevan siinä, että led rinnastetaan sähköiseltä toiminnaltaan hehkulamppuun. Led on kuitenkin diodi, kuten sen lontoonmurteisesta nimestäkin (light emitting diode) voi päätellä.

 
Ledin piirrosmerkkejä

Päästösuuntaan kytkettäessä ledin läpi alkaa kulkemaan virtaa vasta kun kynnysjännite on saavutettu. Mikäli jännitettä nostetaan tästä ylöspäin, kasvaa virran suuruus hyvin voimakkaasti, ja lopulta led tuhoutuu. Tämä jännitealue, jolla virran voimakas kasvu tapahtuu, on tyypillisesti hyvin pieni, joten käytännössä virran rajoittaminen on tehtävä muilla menetelmillä, kuin jännitteen tarkalla säädöllä.  
Päästösuuntainen kytkentä

Estosuuntaisesti kytkettynä ledin kautta ei kulje käytännössä ollenkaan virtaa. Ainoastaan hyvin pieni vuotovirta pääsee ledin kautta kulkemaan, mutta koska tämä on suuruudeltaan vain mikroampeereiden luokkaa, ei sitä yleensä tarvitse missään sovelluksissa huomioida. Ledin maksimi estosuuntaisen jännitteen kesto sensijaan tulee huomioida. Mikäli tämä jännite ylitetään, ledi yleensä tuhoutuu.

Tämä estosuuntaisen jännitteen kesto on tyypillisesti vain muutamia voltteja. Kytkennät on siis syytä suunnitella siten että ledin käyttöjännitettä ei pysty kytkemään väärin päin, tai väärinpäin kytketyn jännitteen pääseminen ledin navoille on estettävä.

 
Estosuuntainen kytkentä

Ledien sähköiset suureet
Ledejä sisältävien kytkentöjen suunnitelussa on syytä olla pohjana hieman teknistä tietoa ledien toiminnasta, sekä myös ulkoa muistettavia perusasioista ledien sähköisistä suureista. Näiden suureiden tarkemmat arvot selviävät toki ledien datalehdistä, mutta monet perusasiat pysyvät myös vakioina, ja nämä on hyvä pitää mielessä.

VäriKynnysjännite (V)
Punainen1,6 ... 1,7V
Vihreä2,1 ... 2,2V
Keltainen2,0 ... 2,1V
Oranssi1,75 ... 2,2V
Sininen3,6 ... 5V
Valkoinen3,6 ... 5V
Infrapuna1,2V
  Kynnysjännite, eli se jännite joka ledin navoilta on sen loistaessa mitattavissa, on pääsääntöisesti vakio, riippuen tosin ledin väristä. Oheinen taulukko kertoo ledien kynnysjännitteen värin mukaan. Nämä ovat suuntaa antavia arvoja, joilla pärjää useimmiten. Tarkemmat arvot sitten selviävät ledien datalehdistä. Karkeana muistisääntönä voidaan pitää sinisille ja valkoisille 4 volttia ja vakioväreille 2 volttia.

Toinen tärkeä suure on ledin maksimi päästösuuntainen virta, jota voidaan kutsua myös katodivirraksi. Lyhenteeltään tämä virta on useimmiten IF. Tälle maksimivirralle löytyy tarkat arvot ledien datalehdistä, mutta muutamia nyrkkisääntöjä, joilla useimmiten pärjää, on tähänkin olemassa.

Tavallisilla vakioledeinä myytävillä normaaleilla ledeillä, joita komponenttikaupoista saa suunnilleen markan kappalehintaan, ja joita yleensä käytetään merkkilampputarkoituksiin, on sopiva virta yleensä 5 ... 15 mA. Näinollen siis 10mA on hyvä nyrkkisääntö vakioledeille.

Superkirkkaat ledit puolestaan kestävät yleensä vähän suurempia virtoja. Yleensä 20 ... 50mA. Mikäli siis ledistä ei ole muita tietoja, kuin että se on superkirkas, on 20 mA yleensä sellainen varsin turvallinen mitoitusvirta. Mainittava tosin on että joistakin superkirkkaista ledeistä saadaan täysi valoteho jo alle 10mA:n virralla.

Yleensä superkirkkaista ledeistä kuitenkin halutaan irti mahdollisimman paljon valotehoa, joten jos mahdollista, kannattaa kyseisen ledin datatietoja kaivella esiin, ja varmistaa, minkälaista virtakestoa valmistaja ledilleen lupaa.

Harvemmin tarvittavia sähköisiä suureita ovat maksimi estosuuntaisen jännitteen kesto, sekä estosuuntainen vuotovirta. Estosuuntaisen jännitteen kesto jää ledeillä varsin vähäiseksi. Yleensä se kuitenkin on suurempi kuin kynnysjännite. Vuotovirta lasketaan mikroampeereissa. Nämä asiat selviävät datalehdistä, mutta helpommalla pääsee, suunnittelemalla kytkennän siten että estosuuntaista jännitettä ei ledin navoille tule, tai se jää enentään ledin kynnysjännitten suuruiseksi.

Loput ledien suureista sitten ovatkin sitten optisia ja mekaanisia. Ledien kirkkauden, eli valovoimakkuuden mittayksikkönä käytetään yleensä kandelaa (cd), sekä millikandelaa (mcd). Tuhat millikandelaa on siis yksi kandela. Mitä suurempi tämä lukema on, sitä enemmän valoa ledi antaa. Superkirkkaiden ledien arvot liikkuvat tätä kirjoittaessani 3 ... 10 kandelan paikkeilla.

Toinen kiinnostava seikka on ledin valokeila, eli kuinka leveä tai kapea ledin valonsäde on. Ledeillähän tämä on varsin kapea, toisin kuin hehkulampulla, joka antaa valoa lähes joka suuntaan. Kulman yksikkönä on asteet, ja tyypilliset ledien valokeilat ovat luokkaa 10° ... 60°.

Etuvastus
Kuten aikaisemmin tuli todettua, ledi vaatii käytännössä aina jonkinlaisen virranrajoitinkytkennän, jolla ledin virtalähteestä ottamaa virtaa rajoitetaan. Yksinkertaisin ja ehdottomasti yleisin tapa on vastus. Muitakin konsteja on, mutta niiden harvinaisuuden vuoksi niihin ei tässä artikkelissa paneuduta.

Vastus siis rajoittaa virran kulkua, eli toimii vähän samaan tapaan, kuin puoliksi kiinni väännetty hana vesijohdossa. Oikein mitoitetulla vastuksella saadaan virta rajoitettua ledille sopivaksi.

Etuvastuksen mitoittamiseen tarvitsemme ledistä kaksi perustietoa, eli kynnysjännitteen, sekä virran, jolla haluamme lediä polttaa. Tämän lisäksi tarvitsee tietää jännite, jolla tätä kytkentää syötetään, eli vaikkapa autokäytössä 12 volttia.

Otetaanpa siis ensimmäiseksi esimerkiksi etuvastuksen mitoittaminen superkirkkaalle valkoista valoa antavalle ledille. Syöttöjännite on 12 volttia. Vastuksen resistanssi ja tarvittava tehonkesto siis pitäisi selvittää. Ledistä ei ole tarkkoja datatietoja saatavilla, joten mitoittakaamme kytkentä 30mA:n virralle.

Kyseessä on sarjaankytkentä, jolloin virta on saman suuruinen molemmissa komponenteissa. Jännite sensijaan jakaantuu molemmille komponenteille, eli toisinsanoen UR + UD = U. Valkoisesta ledistä puolestaan tiedämme sen kynnysjännitteen, joka on 4 volttia. Näinollen pystymme laskemaan vastuksen navoilla vaikuttavan jännitteen: U - UD = UR. Eli numeroina ilmaistuna 12V - 4V = 8V.

Vastuksen resistanssi saadaan laskettua ohmin lain avulla: U / I = R. Tässä esimerkissämme kaava tosin on muodossa UR / I = R. Resistanssi kun on laskettava nimenomaan vastuksessa hukattavan jännitteen mukaan, elikä kytkennän kokonaisjännitteen mukaan. Lisäksi virran on oltava perusyksikössään, kuten muidenkin suureiden, eli 30mA = 0,03A. Sitten lasketaan 8V / 0,03A = 267 ohmia.

Vastuksen häviöteho saadaan kaavasta U * I = P, joka tässä esimerkissämme on käännettävissä muotoon UR * I = PR. Sitten lasketaan 8V * 0,03A = 0,24W.

Nyt voimme valita sopivan vastuksen. Ensiksi arvo pyöristetään lähimpään vakioarvoon joka E-12 sarjassa on 270ohmia. Pyöristys on hyvä tehdä seuraavaan suurempaan vakioarvoon. Tällöin kytkennän virta putoaa, riski ledin ylivirtaan laskee. Tietysti, jos voimme olettaa ledin kestävän enemmänkin virtaa, voidaan vastuksen arvoa pyöristää myös alas päin.

Kytkennän lopullinen virta, valitulla vastuksella voidaan tarkastaa laskemalla: UR / R = I. Näinollen 270ohmin vastuksella tulisi virraksi 8V / 270ohm = 0,0296A. Lopullinen virta on siis 30mA:n sijasta 29,6mA.

Vastuksen tehohäviöksi saatiin 0,24W. Näinolen tarkoitukseen riittäisi tavallinen 0,25 watin tehonkestoinen hiilikalvovastus, mutta sen verran lähellä raja-arvoa ollaan, että lienee parempi valita metallikalvovastus, jossa tehonkestoa on 0,5W.

Ledien sarjaankytkentä
Pidetäänpä edellisen esimerkin muut lähtötiedot samana, mutta nyt haluttaisiinkin polttaa kahta lediä. Edellisen esimerkin pohjalta lienisi helpointa ostaa kaksi lediä, ja kaksi 270 ohmin vastusta, ja käyttää molempia ledejä omalla etuvastuksella.

Nyt kytkentään on ilmestynyt kaksi uutta virtasuuretta, I1 ja I2. Edelleen kytkentää tutkittaessa voidaan todeta, että molemmat näistä osavirroista ovat nyt 29,6mA, joten näinollen kytkennän kokonaisvirta I on nyt I1 + I2 = I, eli 29,6mA + 29,6mA = 59,2mA. Virta on siis tuplaantunut edelliseen esimerkkiin nähden. Se nyt on ymmärrettävääkin, koska yhden ledin sijasta poltetaan nyt kahta lediä.

Homman voi kuitenkin toteuttaa toisellakin tavalla. Kytketään ledit sarjaan. Säästetään toinen etuvastus, ja lisäksi kytkennän virrankulutuskin putoaa taas suunnilleen samaksi, kuin se olisi yhdellä ledillä.

Ledejä voidaan samalla periaatteella kytkeä sarjaan kaksi tai useampiakin. Virta pysyy samana koko kytkennässä, mutta osajännitteitä tulee nyt enemmän. Se perussääntö tietysti tulee pitää mielessä että ledien yhteenlaskettujen kynnysjännitteiden tulee olla pienempi kuin syöttöjännite. Yhtälö siis ei saa muodostua sellaiseksi, jossa UR tulisi negatiiviseksi. Ledit eivät tällöin syty ollenkaan, koska ledin navoille jäävä jännite on pienempi kuin ledin kynnysjännite.

Kytkennän kokonaisvirta on siis se 30mA, jonka jo edellisessä esimerkissä määrittelimme käyttämämme ledin virraksi. Seuraavaksi voidaan kytkennän jännitteistä todeta seuraavaa: U = UR + UD1 + UD2. Ledien kynnysjännitehän on se 4V, ja koska syöttöjännitteen suuruus on 12V, voimme laskea UR:n seuraavasti. U - UD1 - UD2 = UR, eli 12V - 4V - 4V = 4V.

Nyt voimme mitoittaa vastuksen arvot samalla tavoin kuin edellisessäkin esimerkissä. UR / I = R eli 4V / 0,03A = 133ohm. Myös vastuksen tehohäviö selviää samaan tapaan. UR * I = P eli 4V * 0,03A = 0,12W. Vastukseksi voidaan siis valita 150ohm 0,25W hiilikalvovastus. Metallikalvo, teholtaan 0,5W käy toki myös. Ylimääräisestä tehonkestostahan ei ole mitään haittaa.

Sarjaankytkennän ongelmat
Sarjaankytkentä on useimmiten kätevin kytkentätapa, kun tarkoituksena on saada palamaan samanaikaisesti useampia ledejä. Eräs asia joka on huomioitava niin yksittäisen, kuin sarjaan kytkettyjenkin ledien mitoituksissa, on vastukseen hukattavan jännitteen suuruus, verrattuna ledin, tai ledien jännitteeseen. Seuraava esimerkki selventänee asiaa.

Käyttöpaikkana on ajoneuvo, eli jännite on 12 volttia. Tarkoituksena on saada palamaan kuusi kappaletta punaisia vakioledejä. Ledien kynnysjännite siis on 1,7 volttia, ja virta jolla mitoitus tehdään, on 0,01A. Kaikki kuusi lediä on kytketty sarjaan, joten näiden yhteenlaskettu kynnysjännite on 6 * 1,7V = 10,2V.

Näillä lähtötiedoilla UR:n arvoksi saadaan 12V - 10,2V = 1,8V. Vastuksen resistanssiksi saadaan tällöin 1,8V / 0,01A = 180 ohmia. Tehonkestoa vastukseen tarvitaan vähintään 1,8V * 0,01A = 0,018W.

Homma toimii hyvin paperilla, sekä 12 voltin teholähteellä työpöydällä testattuna. Ongelmia alkoi ilmetä vasta kun kytkentä siirrettiin lopilliseen käyttökohteeseensa, autoon. Pakkasaamuina ledit eivät syttyneetkään heti, vaan valoa alkoi irrota vasta moottorin käynnistämisen jälkeen.

Tarkempi tutkimus osoittikin, että akun jännite putoaa pahimmillaan 10 voltin paikkeille, ja 10,2 volttiahan oli se ledien yhteinen kynnysjännite, jotta edes vähän alkaa kulkemaan virtaa. Tutkitaanpa asiaa laskennallisesti jos akusta saatava jännite laskee pakkasaamuna 10,5 volttiin, saamme tällöin UR:n arvoksi 10,5V - 10,2V = 0,3V. Nyt voimme laskea, kuinka suuren virran ledit tällöin saavat: 0,3V / 180ohm = 0,0017A. Tavoitteena olleen 10mA:n sijaan ledit siis saavat virtaa vain 1,6mA, joten valontuotto jää hyvin minimaaliseksi.

Viikon kuluttua törmättiin toiseen ongelmaan. Ledit, tai ainakin joku niistä kärvähti. Koko ketju siis sammui lopullisesti. Tarkempi mittaus paljasti, että laturi antaa auton sähköjärjestelmään suurimmillaan 15 voltin jännitettä. Tästä voimme laskeskella UR:n arvoksi 15V - 10,2V = 4,8V. Ja edelleen voimme laskea kuinka suuri virta tässä tapauksessa menee ledien läpi. 4,8V / 180ohm = 0,027A. Alkuperäinen mitoitus siis oli 10mA, mutta nyt virta onkin kohonnut 27mA:ksi. Ledit eivät näin suurta virtaa kestäneet, joten sanoivat työsopimuksensa irti.

Tämän esimerkin kaltaisessa tapauksessa korjausvaihtoehtoja on parikin. Mikäli ledien määrän tulee pysyä kuutena, kannattaa nämä kuusi lediä jakaa kahteen, kolmen ledin ryhmään. Molemmille ryhmille tulee tällöin omat etuvastuksensa. Tällöin 10mA:n mitoitusvirralla vastuksen arvoksi saataisiin 690ohm. Näin saadaan syöttöjännitteen vaihteluiden osalta huomattavasti enemmän pelivaraa. Vielä 10 voltin jännitteelläkin virraksi jää 7,1mA. 15 voltin jännitteellä virta on 14mA.

Toinen vaihtoehto olisi pudottaa ledien määrä viiteen. Tällöin vastusarvoksi saadaan 350ohm. Virta on 10 voltin jännitteellä 4,3mA ja 15 voltin jännitteellä 19mA.

Useammalle ledille tehtävää mitoitusta siis kannattaa hetken aikaa harkita, ja käyttöjännitteen vaihtelut huomioon ottaen etsiä edukkain kytkentäratkaisu.

Epävarma rinnankytkentä
Seuraavassa esimerkissä käyttöjännite on 6 volttia, ja tarkoitus olisi saada palamaan kolme kappaletta sinisiä superkirkkaita ledejä. Virrankestoa näille luvataan 50mA, mutta kannattaa pelata varman päälle, joten tehdään mitoitus 40mA:n virralla. Kynnysjännitekin löytyi valmistajan spekseistä, ja se on 3,8 volttia.

Yksi mahdollinen kytkentätapa on laittaa ledit rinnan, ja mitoittaa näille kaikille yhteinen etuvastus. Kytkennän etuina on lähinnä se että sillä säästetään vastuksia, ja saadaan kytkennän fyysistä kokoakin hieman pienennettyä. Kytkennässä on myös omat ongelmansa.

Lähtökohtana kytkennässä on se, että kaikien ledien tulee olla sähköisiltä arvoiltaan samanlaisia. Jos kytkemme rinnan vaikkapa punaisen ja valkoisen ledin, on kynnysjänniteiden ero niin suuri, että kaikki etuvastuksen kautta ledeille tuleva virta kulkee punaisen ledin kautta. UD:n arvoksi siis tulee tällöin punaisen ledin 1,7 volttia, ja valkoinenhan vaatii pari volttia enemmän, joten se ei lähde johtamaan.

Esimerkkimme ledit ovat kuitenkin samanlaiset, joten homman pitäisi toimia. UD:n arvoksi siis tulee 3,8 volttia, koska ledit ovat rinnan, ja kaikilla on sama kynnysjännite. UR:n arvoksi saadaan tällöin 6V - 3,8V = 2,2V. Kunkin rinnankytketyn ledin kautta tulee kulkemaan virtaa 40mA, joten vastuksen kautta kulkeva kokonaisvirta on tällöin 3 * 40mA = 120mA.

Nyt voimme mitoittaa vastuksen. 2,2V / 0,12A = 18,3ohm. Lähimmät vakioarvot ovat 18 ja 22 ohmia. Päädymme arvoon 18 ohmia, vaikka se tietääkin virran nousemista hieman lähemmäksi maksimiarvoaan. Tämän voimme todeta myös laskennallisesti, eli 2,2V / 18ohm = 0,122A. Tämä siis tekee ledikohtaiseksi virraksi 40,7mA. Ei siis mitään ongelmia. Sitten vielä vastuksen tehonkesto. 2,2V * 0,122A = 0,27W. Valitaan siis 0,5 watin vastus.

Nyt voimme kasata kytkennän, ja testata sen toiminnan käytännössä. Toimii, joskin ledien kirkkauksissa saattaa olla huomattavissa eroja. Vaikka ledit ovatkin samanlaisia, ja jopa samaa tuotantoerää, saattaa niiden kynnysjännitteissä olla pieniä heittoja. Kynnysjännitteiden heitot taas aiheuttavat kokonaisvirran epätasaisen jakaantumisen ledien kasken, ja tämä näkyy ledien palokirkkaudessa.

Samaa tuotantoerää olevat ledit ovat yleensä niin identtisiä, että niitä voidaan rinnankytkettynäkin käyttää. Eri tuotantoerää, tai eri sarjaa olevien ledien rinankytkentää sensijaan kannattaa välttää. Mikäli siis tämän esimerkkimme ledien ei voida todeta olevan samasta pakasta repäistyjä, kannattaa kytkentä toteuttaa siten että jokaiselle ledille tulee oma etuvastuksensa.

Mutta onko se etuvastus sittenkään aivan välttämätön?
Tyhmä kysymys! Johan se tuossa edellä tuli todettua, että on se ... tai sitten ledin virranrajoitus on järjestettävä jollakin muulla konstilla. Tätä asiaa kuitenkin aina kysellään ja ihmetellään, joten paneudutaanpa asiaan vähän syvällisemmin.

Tiedätte varmaan nämä perinteiset, hehkulampuilla toteutetut jouluvalosarjat. Niissähän on lamput kytkettynä sarjaan. Tämän asian tuntee myös tarinamme kotikolvaaja, kuten varmaan jokainen muukin, joka on noista lamppusarjoista joskus kärähtänyttä polttimoa haeskellut. Oletetaan että lamppusarja toimii 230 voltin seinäsähköllä, ja siinä on 20 lamppua. Yhden lampun yli jääväksi jännitteeksi jää tällöin: 230V / 20kpl = 11,5V Jännite siis jakautuu tasan kullekin lampulle.

Kun lamppusarja on viimein saatu kuntoon (tai sarja on "toivottomana tapauksena" lentänyt roskikseen;-), onkin kotikolvaajamme aika siirtyä seuraavan projektin pariin. Ledien avulla pitäisi viritellä koristevaloja kotiin tai autoon, tai kuten monilla viimeaikaisilla kyselijöillä, mopediin.

Oletetaan että käyttöjännite on vaikkapa 12 volttia, ledejä satuttaisiin tarvitsemaan kuusi kappaletta, ja ledien kynnysjännite sattuu olemaan 2 volttia. Kotikolvaajamme mieleen pätkähtää jouluvalosarjassa käytetty kytkentä. 12V jaettuna kuudelle ledille tekee juuri tuon 2 volttia. Etuvastuksen tarve kyseenalaistuu äkkiä. Joku asiaa käsitellyt nettisivu tosin kehotti etuvastusta aina ledikytkennöissä käyttämään, joten kotikolvaajamme aprikoi vielä hetken. Varmemmaksi vakuudeksi päätti vielä laittaa hiljattain simahtaneen avaimenperätaskulampun päreiksi, ja katsoa sen sisuskaluista mallia.

Avaimenperälampun sisältä löytyi kolikon mallinen lithiumparisto, ledi ja kytkin, mutta ei minkäänlaista etuvastusta! Puhuiko se nettisivu sittenkin palturia? Voisiko ledin sittenkin kytkeä ilman etuvastusta? Näköjään voi, ja niinpä kotikolvaajamme rakenteli autoonsa oheisen kuvan mukaisen ledikytkennän. Siis kuusi lediä sarjaan, ilman etuvastusta, ja sähköt auton sähköistä.

Kytkentä toimikin hienosti, ja ledit loistivat kirkkaina kunnes sitten muutaman minuutin, tunnin, päivän, tai ehkä vasta viikon kuluttua sammuivat, eivätkä enää uudelleen syttyneet. Jotain siis oli sittenkin mennyt pieleen. Miksi avaimenperätaskulamppu toimii ilman etuvastusta, mutta kotikolvaajamme ledikytkentä kärähti?

Kuten jo sivun alussa on mainittu, led ei ole lamppu, vaan se on diodi. Jos kytkemme nimellisjännitteeltään 2 voltin hehkulampun säädettävään jännitelähteeseen, ja alamme hitaasti nostamaan jännitettä, lamppu kirkastuu sitä mukaa kun jännitettä kasvatetaan. Yhden voltin jännitteellä lamppu jo hehkuu selvästi. 1,5 voltilla lamppu palaa jo melko kirkkaasti, ja 2 voltilla saavutetaan normaali kirkkaus.

Jos teemme saman kytkennän, ilman etuvastusta, ledille, jonka kynnysjännite on 2 volttia, saamme aivan erilaisia tuloksia. Voimme nostaa jännitettä, ilman että ledi alkaa loistamaan tai ottamaan virtaa. Vasta kahden voltin paikkeilla alkaa tapahtua. Ledi kirkastuu täyteen kirkkauteensa hyvin pienellä jännitteen nostolla, ja yhtä nopeasti virtakin kasvaa ledin nimellisvirran tasolle. Ja jos jännitettä tästä vielä nostetaan, virtakin kasvaa hyvin voimakkaasti, hyvin pienellä jännitteen nostamisella. Ledikin toki kirkastuu, mutta ei rajattomasti. Ja kun virta on kasvanut tarpeeksi suureksi, ledi tuhoutuu.

Teoriassa, jos tämä ledi olisi ideaalinen komponentti, ledin virta pysyisi nollana niin kauan, kunnes kynnysjännite saavutetaan. Kun kynnysjännite saavutetaan, virta kasvaisi välittömästi niin suureksi, kuin mitä virtalähde pystyy virtaa antamaan.

Käytännössä raja ei kuitenkaan ole aivan näin jyrkkä. Ledillä on jonkin verran sisäistä resistanssia, joka tasoittaa tuon rajan jyrkkyyttä. Yleensä tuo ledin sisäinen resistanssi on kuitenkin siinä määrin vähäinen, että sitä ei ole tarpeellista huomioida ledikytkentöjen mitoituksessa.

Mutta miksi avaimenperälamppu sitten toimii ilman etuvastusta? Onko pariston jännite niin tarkkaan mitoitettu, että ledin virta pysyy sallituissa rajoissa? Ei varsinaisesti, mutta käytännössä kyllä. Juu, poliitikon vastaukseltahan tuo kuulostaa.

Jokaisella virtalähteellä, oli se sitten paristo, auton akku tai generaattori, on aina oma sisäinen resistanssinsa. Joillakin virtalähteillä tuo sisäinen resistanssi on hyvin pieni, toisilla taas suurempi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä että virtalähteen lähtöjännite yleensä aina "notkahtaa" eli alenee, kun siihen laitetaan kuormitus kiinni. Mitä suurempi kuorma kytketään, sitä suurempi on notkahdus.

Avaimenperälampussa olevalle pienelle nappiparistolle superkirkas ledi on jo varsin suuri kuorma, jolloin pariston jännite notkahtaa. Pariston sisäinen resistanssi siis toimii tällöin ledin etuvastuksena. Käytännössä tämä näkyy siten että pariston napajännite notkahtaa ledin kynnysjännitteen tasolle, kun ledi kytketään paristoon.

Jos vaikkapa oletetaan että ledin kynnysjännite on 2V ja tuollaisen avaimenperälampussa käytettävän lithiumpariston jännite 3V. Pariston sisäiseen resistanssiin häviää tuolloin 3V - 2V = 1V suuruinen jännite. Ja jos ledin virta tuossa kytkennässä on vaikkapa 30mA saadaan pariston sisäiseksi resistanssiksi tällöin 1V / 0,03A = 33,3ohmia.

Onko tuo sitten kaikkein optimaalisin mitoitus ledin etuvastukseksi? Ehkä ei, mutta ainakin tyhjää parempi. Avaimenperälampun tapauksessa tilannetta pelastaa sekin, että ledin polttoajat jäävät käytännössä varsin lyhyiksi. Jos ledin käyttöikä vähäisen ylivirran takia lyheneekin, kestänee se todennäköisesti kuitenkin kauemmin kuin paristo (jota noihin kaikkiin ei edes pysty vaihtamaan). Ja jos se ledi sitten sattuukin kärähtäämään, niin saapahan valmistaja lisää pätäkkää, kun kuluttaja ostaa uuden tilalle.

Miksi sitten kotikolvaajamme, yllä esitetty kytkentä kärähti? Kyllähän auton akullakin toki on sisäistä resistanssia. Akun jännitehän notkahtaa varsin alas, esimerkiksi silloin kun autoa startataan. Jos oletetaan että akun jännite putoaa 9 volttiin starttaushetkellä, ja starttimoottori ottaa virtaa vaikkapa 200A, saadaan akun sisäisen resistanssin jännitehäviöksi tällöin 12V - 9V = 3V ja sisäinen resistanssi on tällöin 3V / 200A = 0,015 ohmia. Siis aivan eri luokkaa, kuin pienellä nappiparistolla.

Ledien vähäinen sisäinen resistanssi jääkin siis käytännössä ainoaksi tekijäksi, joka kotikolvaajan ledikytkennässä rajoittaa ledien kautta kulkevaa virtaa. Ominaista tälle kytkennälle on myös se, että ledien kautta kulkeva virta vaihtelee hyvin voimakkaasti, käyttöjännitteen vaihteluiden mukaan.

Esimerkiksi auton ollessa sammutettuna, akun jännite voisi olla hyvinkin lähellä 12 volttia, ja tällöin saattaa ledien virta jäädä sopivalle tasolle. Kun auto käynnistetään, alkaa laturi pukkaamaan virtaa akkuun. Akun jännite kohoaa ehkä 14 volttiin, ja ledien kautta kulkeva virta saattaa hetkessä moninkertaistua. Ledit voivat jonkin aikaa tällaista käyttöä kestää, mutta pitkää käyttöikää ei saavuteta, jos ledien virranrajoituksesta ei huolehdita.

Siis laitetaan kuitenkin ne etuvastukset mukaan niihin ledikytkentöihin.

Tulostuskelpoinen sivu

harraste ELEKTRONIIKKA - ©Kari Huhtama, Iittala