Oświetlenie modeli samochodów RC

Przydatne narzędzia

• Lutownica
• Multimetr z opcją amperomierza
• Małe cęgi boczne
• Szczypce do ściągania izolacji z przewodów lub nóż (ostrożnie, możliwość skaleczenia!)
• Pistolet do kleju na gorąco.

Skąd wziąć zasilanie dla naszych świateł? Pierwszym zagadnieniem, z którym musimy się zmierzyć jest wybór zasilania dla naszego oświetlenia.
Mamy dwie możliwości:

• zasilanie z pakietu głównego modelu,
• zasilanie z niezależnego akumulatora.

Źródło światła (żarówka, LED)

Żarówka

Obecnie produkowane jest duże spektrum miniaturowych żarówek. Możemy je spotkać w wykonaniu tradycyjnym, „kryptonowe” i halogenowe. Szczególnie te 2 ostatnie rodzaje mogą być interesujące do zastosowań modelarskich. Zalet stosowania żarówek jest wbrew pozorom sporo. Po pierwsze dają one naturalną ciepłą barwę światła. Kolejną zaletą jest możliwość kupienia żarówki z napięciem znamionowym odpowiadającym napięciu naszego akumulatora zasilającego, co eliminuje konieczność stosowania jakiejkolwiek elektroniki sterującej ich pracą. Można po prostu kupić żarówkę 7,2V lub połączyć szeregowo dwie 3,6V. To najprostsze rozwiązania. Niebagatelną zaletą w porównaniu z diodami LED dużej mocy jest też fakt, że żarówka może pracować rozgrzana do wysokiej temp nie uszkadzając się (diody trzeba chłodzić). Ostatnią

Żarówka bezcokołowa 3,6V, 0,3A

zaletą żarówki jest jej kąt świecenia. Przez zastosowanie odpowiednich odbłyśników lub soczewek możemy ukształtować strumień światła w dogodny dla nas sposób. Wadą żarówek jest ich stosunkowo mała wydajność (w porównaniu z diodami LED potrzebują więcej energii). W porównaniu z LED są też zazwyczaj zdecydowanie większe (nie dotyczy wersji bezcokołowych). Dostępność odpowiednich żarówek dla potrzeb oświetlenia modelu 1/10 też należy zaliczyć do wad. Pomimo istnienia wielu ich typów, większość z nich dostępna jest tylko w wybranych sklepach internetowych (część tylko poza granicami Polski).

Diody LED

Od wielu lat niezwykle modnym źródłem światła niewielkiej mocy są diody elektroluminescencyjne. Maja one wiele zalet, ale nie są pozbawione wad. Na początku należy obalić kilka mitów marketingowych dotyczących LED’ów. Sprzedawcy często prześcigają się w podawaniu coraz bardziej atrakcyjnych parametrów. Nie dajmy się oszukać – cudów nie ma! Możemy śmiało przyjąć, że wydajność dostępnych na rynku LED’ów jest podobna dla każdego z ich grup (o grupach za chwilę), tzn, że przy dostarczeniu prądu typowego (najczęściej 20 mA) każda z diod „odda” nam podobny strumień świetlny mierzony w Lumenach [lm]. Skąd więc się biorą tak różne wartości podawane przez sprzedawców w mili Kandelach? [mcd]? Otóż Kandela, to jednostka natężenia źródła światła, czyli diody z soczewką skupiającą strumień światła do 15 stopni będą miały ten parametr wyraźnie wyższy od diody z soczewką skupiającą do 60 stopni. Tak więc obie diody będą tak samo wydajne, pytanie tylko, czego od nich oczekujemy, czy chcemy mieć światła „dalekosiężne”, czy oświetlające szeroko, ale dość blisko drogę przed modelem. Diody LED możemy podzielić ze względu na ich moc pobieraną na 3 grupy. Pierwsza z nich, to LED’y standardowe, czyli o poborze prądu 20 mA. To zdecydowanie największa grupa diod w sprzedaży. Są one wykonywane w bardzo wielu obudowach: walcowych 3,5,8,10 mm średnicy, z soczewkami o bardzo różnym kącie skupienia (od 10 do ok. 100 stopni) lub nawet bez soczewki. Są także dostępne w obudowach prostokątnych i kwadratowych z soczewką szerokokątną (Flux, Piranha). Te ostatnie mają zazwyczaj kąt świecenia od 100 do 140 stopni, co jest bardzo przydatne do oświetlania obiektów znajdujących się blisko. Drugą grupą są diody o zwiększonej mocy. Zazwyczaj jest to 60, 80 lub 100 mA, co uzyskiwane jest przez umieszczenie 3, 4 lub 5 struktur w jednej obudowie. Diody te są wyraźnie „jaśniejsze” od opisywanych powyżej, ale nie wymagają jeszcze zewnętrznych elementów odprowadzających ciepło. Oferta tych LED’ów jest bardzo uboga w porównaniu z grupą 20 mA. Najczęściej można je spotkać w obudowach typu Flux (kwadratowe).

LED 5mm walcowa biała z soczewką LED Flux biała z soczewką 5 mm

Ostatnią grupą są tzw Power LED’y. Zasilane są prądem od 350 do 1000 mA (1W, 3W). Te najmocniejsze (5W, 10W) wymagają znacznie wyższego napięcia zasilana niż wszystkie słabsze diody. LED’y te wymagają intensywnego odprowadzania ciepła poprzez stosowanie radiatorów lub przytwierdzania ich do elementów metalowych. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości należy stosować do nich odpowiednie soczewki kształtujące strumień światła. Diody te są kilkanaście a nawet kilkadziesiąt razy droższe od swoich mniejszych odpowiedników, nawet nie wliczając kosztów optyki i obudów. Moc ich światła potrafi jednak zadziwić.

Diody LED występują oczywiście w bardzo wielu kolorach. Są również dostępne diody RGB, z których możemy uzyskać praktycznie dowolny kolor świecenia przy zastosowaniu odpowiedniego sterownika.

Porównanie wielkości elementów. Od lewej: LED Flux, żarówka bezcokołowa, LED walcowa 5mm, scalony regulator napięcia w obudowie TO220

Jak zasilać żarówkę?

Tu sprawa jest bardzo prosta. Musimy tylko dobrać żarówkę z odpowiednim napięciem lub 2 żarówki, z których każda będzie miała napięcie znamionowe o połowę mniejsze od naszego pakietu akumulatorów i podłączyć je poprzez wyłącznik do zasilania. W przypadku dwóch żarówek z mniejszym napięciem łączymy je ze sobą szeregowo (nie równolegle!).
W miarę rozładowywania pakietu i w momencie zwiększonego poboru mocy, w wypadku korzystania z zasilania przez akumulator główny modelu, żarówki nieco zmniejszą intensywność świecenia, ale wszystko odbędzie się w zakresie, który nie powinien przeszkadzać użytkownikowi.

Jak zasilać LED?

Tu sprawa jest o wiele bardziej skomplikowana. Po pierwsze należy zdać sobie sprawę, że charakterystyka napięciowo - prądową diody jest bardzo niekorzystna i nawet niewielka (procentowo) zmiana napięcia zasilania może spowodować nawet kilkukrotne przekroczenie dopuszczalnego prądu pracy diody. Dlatego do sterowania pracą diod należy używać regulatorów prądu. Używanie wyłącznie rezystorów ograniczających prąd nie sprawdza się, szczególnie w modelarstwie, gdzie mamy do czynienia z zasilaniem bateryjnym (zmienne napięcie) i zmiennymi temperaturami pracy. W praktyce modelarze stosują często ten sposób ograniczania prądu płynącego przez diody, ale w tym artykule skupimy się wyłącznie na sposobach bardziej poprawnych.
Napięcie zasilania diody podawane jest w przybliżeniu. Kluczowym parametrem, którym powinniśmy sterować jest prąd. Jak najprościej zrobić regulator prądu? Najprościej oczywiście jest kupić jednoelementowy regulator typu np. AMC7135. Ma on jednak swoje ograniczenia typu max. napięcie na wejściu, czy stały prąd o wartości 350 mA (w praktyce 280 do 320mA). Co wiec mamy zrobić, jeśli nasze diody potrzebują w sumie np. 180mA?
Najprościej jest wykonać źródło prądowe z liniowego scalonego regulatora napięcia i jednego rezystora. Kupujemy więc regulator, np. LM317 w obudowie TO220 (max. prąd 1500 mA) i dobieramy rezystor, który będzie ustalał nam prąd na wartość pożądaną.
Najpierw musimy określić tą wartość prądu. Robimy to w prosty sposób – sumując znamionowe wartości prądu (podawane przez producenta LED’a) wszystkich diod połączonych równolegle do naszego regulatora. WAŻNE- równolegle do jednego regulatora możemy podłączać tylko diody identycznego typu.
Powiedzmy, że mamy z przodu 6 jednakowych diod po 80 mA każda, co daje nam 480 mA – tyle chcemy uzyskać z naszego źródła prądowego. Wartość rezystora obliczamy z następującego ilorazu:

1,25/0,48= ~2,6

Gdzie 1,25 to wartość stała dla układu LM317, a 0,48 to obliczona przez nas powyżej wartość prądu wszystkich LED’ów (480 mAh= 0,48 A). Wynik otrzymujemy w Ohmach (?). Najbliższa wartość dostępnego rezystora, to 2,7 ? i taki należy w tym wypadku zastosować.
Koszt całej tej „elektroniki” to ok. 2 - 3 PLN

UWAGA- kolejność wyprowadzeń scalonego stabilizatora napięcia należy sprawdzić w nocie katalogowej układu!

Po podłączeniu należy monitorować temperaturę układu LM317. Jeżeli przekroczy ona 60 stopni Celsjusza należy użyć radiatora. W innym wypadku element może nas poparzyć lub stopić elementy go mocujące, a po przekroczeniu granicznej dla niego temperatury pracy po prostu nasze światła przestaną świecić do momentu ochłodzenia regulatora.
Tak podłączone diody nie będą narażone na wahania napięcia, a co za tym idzie prądu przez nie płynącego. Nie będą przygasały w zmiennych warunkach – zawsze będą świeciły jednakowo i co najważniejsze bezawaryjnie.
Zamiast regulatora liniowego można użyć przetwornicy PWM, ale jej budowa jest bardzo skomplikowana. Jedynym wyjściem jest zakup gotowej, ale tu pojawia się problem mocy, której zazwyczaj nie można regulować w szerokim zakresie. Przetwornica taka jest też o wiele większa i cięższa od układu opisanego powyżej. Ma jednak tę zaletę, że jej sprawność jest bardzo wysoka przez co najczęściej nie wymaga żadnego chłodzenia, a z naszego pakietu pobiera mniej energii.
A co zrobić jak mam 3 rodzaje diod (np. inne do świateł mijani, inne do drogowych i inne do pozycyjnych) i nie chcę robić 3 źródeł prądowych? Rozwiązanie nie do końca poprawne technicznie, ale jeszcze akceptowalne J.
Należy użyć scalonego regulatora napięcia, np. LM7805, ale zdecydowanie lepszy będzie tu tzw. low drop’owy regulator z niskim spadkiem napięcia, np. L4941BV lub powszechnie stosowany jako BEC w naszych regulatorach obrotów LM1084-5.0
Układ ten posłuży nam do otrzymania stałego napięcia o wartości 5,0V, które nie będzie podlegało wahaniom w momencie przyspieszania modelu, czy w miarę rozładowywania się akumulatora. Mając do dyspozycji stałe napięcie podłączamy poszczególne diody przez rezystory. Wartość rezystorów należy dobrać empirycznie tak, żeby nasz multimetr ustawiony na amperomierz wskazał nam wartość najbliższą znamionowej. W praktyce w grę wchodzą rezystory o wartościach ok. 20 – 100 ? dla jednej diody 20-100 mA. Empiryczne ustalanie tej wartości jest wskazane ze względu na różne i nie znane dokładnie wartości napięcia dla poszczególnych typów i kolorów LED’ów.

UWAGA- kolejność wyprowadzeń scalonego stabilizatora napięcia należy sprawdzić w nocie katalogowej układu!

Montaż i doprowadzenie zasilania do karoserii

Jeżeli wykonaliśmy już naszą instalację należy ją w przemyślany sposób umieścić w samochodzie. Po pierwsze musimy zastanowić się, czy elektronikę sterującą (w przypadku diod) umieścimy na podwoziu, czy w karoserii. Przy dokonywaniu wyboru proponuję sugerować się stopniem skomplikowania instalacji. Jeżeli mamy kilka rodzajów LED’ów i kilka źródeł prądowych, to wszystko warto umieścić pod karoserią, a doprowadzić tylko do niej zasilanie (dwa przewody: + i -). Jeżeli używamy wszystkich diod jednakowych możemy elektronikę umieścić na podwoziu, a do diod doprowadzić również tylko 2 przewody będące wyjściem z naszego regulatora prądu. Należy pamiętać (szczególnie w przypadku montażu do leksanowej karoserii), że nasz regulator prądu będzie się grzał. Trzeba więc zadbać o jego chłodzenie i izolację termiczną od leksanu. W przypadku stosowania dodatkowego akumulatora należy go solidnie przytwierdzić, aby nie wypadł z modelu podczas np. uderzenia. Wszystkie przewody powinny być miękkie, szczególnie te montowane do karoserii w okolicach jej przedniej części – tak aby mogły pracować razem z leksanem przy uderzeniach. Przewody najlepiej mocować do karoserii klejem na gorąco (przy użyciu klejarki pistoletowej). Klej ten da nam również powłokę wodoodporną, więc można nim pokryć również wyprowadzenia LED’ów, jeśli nie założyliśmy tam wcześniej koszulek termokurczliwych. Należy pamiętać, żeby przewody doprowadzające zasilanie do karoserii można było w łatwy sposób odłączać (żeby szybko móc zdjąć karoserię do

serwisowania modelu). Można też pokusić się o jakieś rozwiązania eliminujące konieczność łączenia karoserii z podwoziem za pomocą przewodów, jak np. doprowadzenie zasilania do słupków mocujących karoserią, a w samej karoserii montaż punktów „odbierających” zasilanie w okolicach otworów na słupki. Przykładowe rozwiązanie przedstawiono na zdjęciu.

Włącznik

Niezbędnym elementem naszej instalacji jest wyłącznik oświetlenia. Dobierając wyłącznik należy pamiętać, aby był on bistabilny (może pozostać włączony lub wyłączony). Musi też wytrzymać prąd, jaki będzie pobierało nasze oświetlenie. Gdyby jeszcze był wodoodporny, byłaby pełnia szczęścia.
Wyłącznik najlepiej jest umieścić w miejscu łatwo dostępnym, ale jednocześnie tak, żeby nie doszło do samoczynnego wyłączenia np. po kontakcie z przeszkodą. Wyłącznik należy umieścić jak najbliżej akumulatora zasilającego oświetlenie, zawsze przed elementami stabilizującymi prąd.
Modelarzom pragnącym mieć możliwość włączania oświetlenia zdalnie, tj przy pomocy aparatury (nawet dwukanałowej) polecam lekturę forum Los Desperados (www.rajdyRC.pl)

Moc oświetlenia/zużycie energii

Przy podejmowaniu decyzji o sposobie zasilania ważne jest, żeby mieć pewność, że energii wystarczy nam na całe zawody. Aby się o tym przekonać najlepiej wykonać prosty pomiar prądu multimetrem elektronicznym ustawionym na opcję amperomierza (pamiętaj, aby ustawić odpowiedni zakres!). Pomiaru dokonujemy dla podłączonych wszystkich świateł podpinając się przewodami amperomierza np. do wyprowadzeń włącznika ustawionego w pozycji OFF (wyłączony). Jeśli znamy już wartość prądu, mnożymy ją przez czas, w jakim planujemy korzystać z oświetlenia i otrzymujemy wartość w amperogodzinach Ah.

Np. 480 mA x 30 minut = 240 mAh

Wiemy już, o ile uszczuplimy zasób energii naszego głównego pakietu lub jaką minimalną pojemność musi mieć dodatkowy akumulator.
Dla żarówek i dużych LED’ów podaje się ich moc wyrażoną w Watach (W). Jeśli chcesz poznać moc swojego oświetlenia zmierz multimetrem (ustawionym na Woltomierz) napięcie na wyprowadzeniach diody (nie na pakiecie) i przemnóż tą wartość przez prąd, jaki pobiera dioda (ten parametr już znasz). Następnie zsumuj otrzymany wynik wszystkich diod (jak są jednakowe wystarczy zmierzyć napięcie na jednej z nich).

Przykład:

3,5V x 80 mA = 0,28W Dla 8 diod będzie wiec 8 x 0,28 = 2,24W

Dobrze wykonane oświetlenie (przy użyciu dobrze dobranych źródeł światła) na pewno da Ci sporo satysfakcji i pozwoli bezpiecznie podróżować modelem np. po OS’ach rozgrywanego we wrześniu Rajdu Nocnego – jednej z rund Rajdowej Ligi Mazowsza modeli RC.

Jeżeli masz jakieś pytania pisz na forum Los Desperados – www.rajdyRC.pl

Wszystkie części elektroniczne, o których była mowa możesz zakupić w sklepach z częściami elektronicznymi lub w serwisach aukcyjnych, np.

• http://www.tme.pl/
• http://www.semiconductors.com.pl/
• http://www.allegro.pl

Tekst i zdjęcia: Michał Kleszewski
LOS DESPERADOS RC Racing & Rally Team