Iluminación DCC mediante tiras de LEDs

Hola.

A propósito de unas charlas con otro forero, le he dado unas vueltas al tema tan frecuente de la iluminación de vehículos con tiras de LEDs, y pondré a continuación algunas conclusiones sobre posibles circuitos que saquen provecho del sistema. Sobre esta cuestión ya se ha escrito, y yo mismo recuerdo haber incluido comentarios.

Como siempre, serán bienvenidas todas las opiniones que aporten algo sobre el tema, añadiendo, modificando, corrigiendo...

Lo primero debe ser conocer las características de las tiras con las que se vaya a trabajar. Supondré que son de LEDs blancos; previstas para funcionar a 12 V, a pleno rendimiento, lo que genera una intensidad luminosa totalmente irreal para un modelo. Cada sección de estas tiras está formado por tres LEDs conectados en serie y con una resistencia de 150 ohmios.

Tiras-1.png (3.77 KiB) Visto 3012 veces

He utilizado una sola para estimar el nivel de iluminación adecuado y con una fuente de alimentación variable obtuve la siguiente gráfica:

Tiras-3.png (2.42 KiB) Visto 3012 veces

Si se utiliza un alimentador de corriente continua de 9 ó 12 V o una simple pila de 9 V, varias resistencias y un polímetro, con el circuito siguiente puede medirse la intensidad de la corriente para el nivel de iluminación preferido por cada uno:

Tiras-2.png (5.71 KiB) Visto 3012 veces

Para mi gusto particular esa intensidad es del orden de 1 mA. Puede medirse también la tensión en la tira, que este caso es de unos 8'2 V, coincidiendo con la gráfica anterior; unos 2'7 V en cada LED.

Adelanto ya el documento en pdf donde resumo lo que iré comentando aquí.

Saludos,

Germán

ILUMINACIÓN DCC MEDIANTE TIRAS DE LEDS.pdf

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...continúo con el tema...

El circuito al que se recurre habitualmente es: puente de diodos, condensador electrolítico de refuerzo y resistencia limitadora:

Opc-1.png (9.76 KiB) Visto 3004 veces

Y casi siempre será más que suficiente para el propósito de que se trata. Pero si damos un poco de juego al razonamiento, sin mucho esfuerzo podemos ver que:
- en primer lugar, con varios vehículos, la conexión de la central puede detectar cortocircuito debido a los condensadores descargados (esto es de sobra conocido)
- en segundo lugar, el condensador se carga a la tensión que suministre la central, y según norma, puede tener picos de hasta 22 V; luego la de trabajo debe ser de 25 V.
- otro detalle es la propia situación de los componentes que implicará cierto cableado.

Las dos primeras cuestiones las mejoramos simplemente cambiando de sitio el condensador y la resistencia:

Opc-1a.png (9.8 KiB) Visto 3004 veces

Ahora el condensador estará a la tensión que hayamos previsto para la tira; en el supuesto inicial, de menos de 9 V, lo que permite utilizar condensadores de mayor capacidad. El aspecto negativo es que al cargarse a una tensión próxima al mínimo de la tira, la persistencia de la iluminación en caso de mal contacto rueda-raíl podría ser breve.

El compromiso es descomponer la RLIM en dos en serie:

Opc-1b.png (9.8 KiB) Visto 3004 veces

Con este circuito el condensador se cargará a una tensión inferior a VDCC pero superior a la mínima necesaria para la tira de LEDs.

Ahora bien: Es muy importante tener en cuenta que esta solución exige tener asegurada por completo la conexión de la tira al condensador. De lo contrario, el condensador se vería conectado al VDDC a través de Rlim, y al ser VDCC superior a su tensión de trabajo, podría incluso explotar.

Una cuestión que tiene su importancia es el valor de VDCC que aplica la central a las vías. Después de consultar las normas NMRA y navegar un buen rato está claro que eso no está claro. En mi caso con el transformador del multiMaus de Roco tengo en la vía algo más de 18 V. Se puede medir de manera aproximada para cada caso con el polímetro:

Tiras-4.png (2.21 KiB) Visto 3004 veces

y ahora viene el hacer algún cálculo...

Para solventar esta dificultad de conocer la tensión DCC en la vía, se puede añadir una protección al condensador: un diodo zéner que limite el valor de la tensión entre los terminales del condensador:

Opc-1c.png (9.97 KiB) Visto 2995 veces

Así vamos a hacer un supuesto para clacular las resistencias adecuadas:
- suponemos VDCC = 16 V, que puede ser el mínimo que suministre la central (en H0).
- utilizamos un zéner de Vz = 10 V 400 mW
- la longitud de la tira a emplear es de cinco tramos, que en las condiciones comentadas consumiría 5 mA con una tensión VT = 8'2 V

Ahora aplicando la ley de Ohm para calcular R2: R2 = (VZ – VT) / IT = (10 -8’2) / 5 = 0’36 KΩ (330 ó 390 Ω)

Igualmente, para clacular R1: R1 = (VDCC – VZ) / IDCC = (16 – 10) / 5 = 1’2 KΩ

Si ahora cambiamos de central o visitamos otra maqueta con nuestro material, cuya VDCC pueda ser superior; por ejemplo VDCC = 20 V, por R1 circularía:

IDCC = (VDCC - VZ) / R1 = (20 – 10) / 1’2 = 8’33 mA

de los cuales 5 mA circulan por los LEDs, y los otros 3'33 restantes a través del diodo zéner, que tendría que disipar una potencia de solamente VZ x IZ = 10 x 3’3 = 33 mW.

Así se puede calcular cualquier otra condición particular.

...

SEGUNDA OPCIÓN

Ahora, todavía se puede mejorar un poco el tema de la instalación física del circuito: si se trata de vehículos largos de bogies, con tomas de corriente de un carril en uno de los bogies y del otro carril en el otro bogie, se puede construir el mismo circuito anterior pero empleando dos "medio puente" de diodos...

Opc-2.png (24.66 KiB) Visto 2990 veces

...que se presentan como D1-D4 por la izquierda y D2-D3 por la derecha. El cableado se simplifica porque los dos polos de la tensión rectificada ya son los mismos de la tira. El esquema de la parte inferior es el mismo pero mostrando más claramente (espero) cómo está configurado el puente de diodos.

Los dobles diodos se presentan en formato smd, ahorrando espacio, y son muy económicos para las corrientes manejadas. Por ejemplo:

Doble diodo.png (14 KiB) Visto 2990 veces

Además se ve perfectamente cómo se pueden emplear dos condensadores (en su sitio habitual: los aseos). La resistencia limitadora RLIM se sitúa en cualquier parte del cableado siempre que quede en serie con la alimentación global. Y puede estimarse experimentalmente (entre 1 KΩ y 2K2...).

Y por las mismas razones que ya se comentaron anteriormente, será preferible descomponerla en dos:

Opc-2a.png (25.29 KiB) Visto 2990 veces

Y si no se quieren hacer cálculos, se podrá sustiruir RL por la mitad de su valor con el mismo para R1 y R2 también, siempre que los condensadores tengan una tensión de trabajo de, al menos, 16 V, por seguridad (además de asegurarse de que el circuito está perfectamente conectado siempre antes de aplicar la tensión de la central, como ya se dijo.

Podrían conectarse diodos zéner como en el circuito anterior.

Olvidé mencionar una particularidad del circuito y es que cada condensador se carga principalmente en uno de los semiciclos; por ejemplo, cuando Vía J es positiva respecto a Vía K (conducen D1 y D3) se carga directamente C1 (y C2 a través de R1+R2) y en el semiciclo contrario (conducen D2 y D4) se carga directamente C2 (y C1 a través de R1+R2). Y en los fallos de contacto se descargan simultáneamente, cada uno a través de su resistencia R1 o R2.

TERCERA OPCIÓN

Otra modificación del circuito básico que tiene su interés: cortando una de las pistas de la tira por un punto intermedio se separa en dos partes, cada una de las cuales estará reforzada por su condensador:

Opc-3.png (14.54 KiB) Visto 2979 veces

La particularidad de este circuito es que sólo una parte está alimentada en cada semiciclo. Cuando Via J sea positiva frente a Vía K, la corriente circulará a través del diodo D1, la sección izquierda y el diodo D3, mientras que en el semiciclo contrario la corriente circula a través del diodo D2, la sección derecha y D4. Esta particularidad hace que la corriente consumida en los dos semiciclos sea menor que en las opciones anteriores.

Ahora bien, si el número de secciones de tres LEDs no es el mismo en cada parte, la resistencia limitadora única haría que una de ellas luciera algo más que la otra. Más que un inconveniente, puede ser interesante para algunos casos, como, por ejemplo, coches mixtos cafetería-departamentos donde la cafetería pueda tener un nivel de iluminación superior. O bien pueden emplearse dos resistencias limitadoras: una en la rama del diodo D1 y otra en la del opuesto D2, calculadas cada una de ellas en función de la corriente necesaria:

Opc-3a.png (15.22 KiB) Visto 2979 veces

...o bien tanteando hasta dar con la combinación deseada (que a estas alturas ya será fácil de controlar).

OTRAS OPCIONES

Finalmente aún puede mejorarse el rendimiento con una instalación sencilla y simplificada, si se emplea un solo diodo rectificador en lugar del puente de diodos supuesto hasta ahora:

Opc-4.png (9.49 KiB) Visto 2974 veces

La característica es que sólo se consume corriente durante el semiciclo en que el diodo D1 esté polarizado en directo, reduciendo el consumo de la instalación y el número de componentes. Para los bajos consumos manejados es adecuado el diodo 1N4148.

Y ya podemos suponer que el formato preferible para el circuito incluye otra resistencia R para posibilitar el empleo de un condensador de tensión de trabajo reducida que permite una mayor capacidad para el volumen de espacio disponible.

Opc-4a.png (10 KiB) Visto 2974 veces

Esta resistencia R puede calcularse matemáticamente o experimentalmente. El voltaje rectificado VDCC de este modo tiene un valor algo inferior al del caso del puente de diodos. En caso de optar por estas modificaciones los voltajes podrían medirse con el polímetro (esto tan nuestro de esquivar los cálculos siempre que sea posible...) y no sólo es válido, sino que nos da la garantía de que no cometemos errores. Aunque igualmente puede conectarse un diodo zéner en paralelo con el condensador, etc...

Como he procurado no extenderme demasiado (!) alguna cuestión puede quedar confusa; atenderé encantado a cuantas consultas queráis realizar. Y como he dicho al principio son bienvenidas todas las aportaciones que puedan mejorar o simplificar, o corregir algún error que se me pueda haber escapado.

Gracias y saludos a todos.

Germán

Hola Germán, yo el tema de bajar la tensión lo he solucionado de otra manera, puente rectificador de un amperio, condensador electrolitico de 1000 microfaradios y 25 voltios, estabilizador de tensión a 8 voltios 7808, y así tengo 8 voltios constantes a la tira de Leds, es la tensión más adecuada que he encontrado después de hacer varios pruebas, concretamente lo he instalado en coches 9000 de Roco
Saludos
Jaume

Hola Germán.

Lo de alimentar cada polo por medio de un bogie distinto no me gusta. Si usamos instalaciones con más de un booster, en el momento que alimentamos cada uno de los polos por medio de un booter distinto podemos provocar un cortocircuito.
En encuentro modulares, que es donde tengo más experiencia, nos dan muchísimos problemas de cortocircuitos aquellos vehículos que tienen la alimentación de los dos polos en tomas de corriente separadas (antiguas locomotoras Lima o casi todas las locomotora de vapor artesanales con las tomas de un polo en la locomotora y el otro en el ténder) cuando pasan en las transiciones entre dos boosteres.

[bakertalgo]

Fantito escribió:

Hola Germán.

Lo de alimentar cada polo por medio de un bogie distinto no me gusta. Si usamos instalaciones con más de un booster, en el momento que alimentamos cada uno de los polos por medio de un booter distinto podemos provocar un cortocircuito.
En encuentro modulares, que es donde tengo más experiencia, nos dan muchísimos problemas de cortocircuitos aquellos vehículos que tienen la alimentación de los dos polos en tomas de corriente separadas (antiguas locomotoras Lima o casi todas las locomotora de vapor artesanales con las tomas de un polo en la locomotora y el otro en el ténder) cuando pasan en las transiciones entre dos boosteres.

Buenas, tomo nota, no es un tema para tomar a la ligera, además a la hora de montar locomotoras de latón o sistemas de iluminación es más fácil instalar las tomas "pareadas" que modificarlo a posteriori (doble trabajo).

Saludos.

Muchas gracias por tu aportación, me viene muy bien, porque quiero poner luz a unos coches de pasajeros, aunque tengo que leerlo tranquilamente y ya preguntaré las dudas que surjan.

Saludos desde Granada!

Hola mabi. Comparto tu solución, que es una de las más directas y eficaces. El condensador de 1000 µF/25V cabe normalmente en un coche largo y es el de mayor reserva en tensión, claro. Yo hice casi lo mismo, pero a 12 V, para el primer Talgo que iluminé. Ahora, sólo como curiosidad: el regulador puede estar consumiendo en su funcionamiento tanta corriente o algo más que los LEDs... Claro que son valores tan bajos que no tienen importancia.

El documento quiere ser una especie de estudio para tener información de qué tenemos entre manos cuando realizamos un circuito de iluminación con tiras, que son muy cómodas; aunque para los departamentos sin decodificador, prefiero poner tiras pcb, para situar los LEDs directamente sobre cada uno y hacer la conexión con cinco o seis en serie en cada semiciclo: supone una corriente del orden de 1 mA por coche. O sea ¡puedes tener 50 coches iluminados con un consumo total inferior al de un solo coche comercial!

Hay que ver las cosas que se pueden hacer con diodos, resistencias y condensadores.

Fantito, las tomas por los bogies es el sistema más empleado hoy por hoy en los casos que conozco. Incluso Mabar que tiene muchos coches con pletinas laterales, luego monta ejes con una rueda aislada. Yo ahí no tengo nada que opinar ni objetar; para la iluminación constante el sistema evita llevar un cable de un extremo a otro y esa es la simplificación del montaje.

Desconozco el caso que comentas, pero en principio no tendría que dar problema (aunque en estas cosas de la electrónica...). Sí he visto lo endiablado que resulta resolver los cortes de las centrales cuando un vehículo con tomas de corriente pone en contacto los dos boosters por el mismo raíl (una rueda en una sección y otra en la siguiente) aunque estén en fase y todo aparentemente bien...

vulcanogr esto hay que hacerlo para divertirse y aprender; pregunta cuanto necesites.

Saludos,

Germán

Rfe7747 escribió:

OTRAS OPCIONES

Finalmente aún puede mejorarse el rendimiento con una instalación sencilla y simplificada, si se emplea un solo diodo rectificador en lugar del puente de diodos supuesto hasta ahora:

Opc-4.png

Ésta, ésta es la opción más sencilla y que tiene las ventajas que más me atraen: sencillez, mínimos componentes, mucha menos tensión eficaz de trabajo porque sólo se usa media parte de la onda DCC, y un condensador grande en consecuencia, que no ocupará demasiado. El sistema de iluminación será tan bueno cuanta menos intensidad absorba (1 mA por coche será el tope máximo, sin duda), y cuanta mayor capacidad tenga el condensador también.

Creo que en este montaje el condensador podrá ser de 16 V y no de 25 V. Esto no lo he probado y, si te parece, podemos elucubrar acerca de cómo influye la menor tensión eficaz sobre la posible perforación del condensador, sabiendo que la tensión instantánea seguirá llegando a 18 ó 20 V.

Muy buen hilo!

Norber escribió:

Rfe7747 escribió:

OTRAS OPCIONES

Finalmente aún puede mejorarse el rendimiento con una instalación sencilla y simplificada, si se emplea un solo diodo rectificador en lugar del puente de diodos supuesto hasta ahora:

Opc-4.png

Ésta, ésta es la opción más sencilla y que tiene las ventajas que más me atraen: sencillez, mínimos componentes, mucha menos tensión eficaz de trabajo porque sólo se usa media parte de la onda DCC, y un condensador grande en consecuencia, que no ocupará demasiado. El sistema de iluminación será tan bueno cuanta menos intensidad absorba (1 mA por coche será el tope máximo, sin duda), y cuanta mayor capacidad tenga el condensador también.

Creo que en este montaje el condensador podrá ser de 16 V y no de 25 V. Esto no lo he probado y, si te parece, podemos elucubrar acerca de cómo influye la menor tensión eficaz sobre la posible perforación del condensador, sabiendo que la tensión instantánea seguirá llegando a 18 ó 20 V.

Muy buen hilo!

Estoy con ambos en cuanto a la sencillez sobre todo. Ya le he comentado a Germán que llevo bastante tiempo con un circuito muy similar y con condensandor de 16V, y de momento nada a pasado....de momento.....


Saludos

Hola Norber,

...podemos elucubrar acerca de cómo influye la menor tensión eficaz sobre la posible perforación del condensador...

precisamente el documento nace en buena medida de lo que comentaba con 7700 sobre el riesgo de los 16 V.

Con los componentes electrónicos respeto siempre los límites que indica el fabricante: cuando indica una tensión de trabajo es porque garantiza que hasta esa tensión el dispositivo se va a comportar como está previsto. Es posible que aunque se supere en algún margen, el dispositivo lo tolere, pero no es seguro.

Una máquina o dispositivo eléctrico tiene otra inercia y tolerancia; un profesor de Electrotecnia decía que los motores pueden soportar hasta el doble de la tensión nominal, los relés especifican en su hoja de datos que la tensión a aplicar en la bobina puede exceder el valor nominal en un 50%, etc. Pero los dispositivos electrónicos son más críticos y dependiendo del tipo de que se trate, el superar un determinado límite puede suponer su destrucción o deterioro (estructura de semiconductores) afectando a su funcionamiento de por vida.

En el supuesto que planteas hay que tener en cuenta que el diodo posibilita la carga del condensador con su mínima resistencia interna y aunque sea pulsos breves de DCC el condensador llega a cargarse a la tensión que aplique el pulso (es su funcionamiento esencial). Así un condensador de 16 V cargado desde la fuente a 20 V corre el peligro de destruirse. Y con pulsos de relación 50%, suministrando una corriente tan baja como 1 mA, su tensión se mantiene cercana al pico del pulso. Puedes comprobarlo visualizándolo en el osciloscopio.

En el caso de la figura Opc-4a, RL y R con la tira, forman un divisor de tensión y así ya pueden calcularse/tantearse los valores adecuados para la iluminación deseada con la tensión resultante entre los terminales del condensador para no sobrepasar su tensión de trabajo. En el de la figura Opc-4 yo pongo siempre un condensador de 25 V.

Por otra parte, según he visto en internet, cada central suministra una tensión, y las normas NMRA sólo mencionan los valores extremos de 22 V. Así puede suceder que el valor de la tensión en la vía pueda estar a partir de 14 V. Si a este voltaje le restamos la caída en los dos diodos que están en serie en un puente aunque la corriente sea muy baja, tenemos que un condensador de 16 V puede estar trabajando seguro aunque la central ponga en las vías algo más de 17 V, como puede ser el caso que plantea 7700.

Este es mi enfoque. Saludos,

Germán

Resumiendo, Germán: a nuestro querido 7700 le funciona pero podría estar en el límite . Pues me quedaré con la Opc-4a.png por lo sencilla y versátil que es, pero poniendo condensador de 16 V y, a ser posible, tomando corriente desde un solo eje. Si el condensador es gordo, eso no debe ser un problema. Ah! Y los de 1mA por coche es ya sagrado para mí .

Con estas premisas, y para un solo tramo de 1mA y unos 5 ó 6 LEDs iguales en serie, me sale que R ha de ser unas 5 veces más grande que RL y ambas del orden de los kΩ, digamos R = 12kΩ y RL = 2,2kΩ. ¿Cómo andaría con eso?

Mil gracias!!

Y acabo de descubrir cómo generar (mal hecho) dos mensajes iguales sin querer: doble click en el botón "Enviar" al escribirlos.
Edito para borrar pero debo dejar esta disculpa en su lugar. Lo siento

Hola Norber.

Según lo planteas, entiendo que el circuito sería:

Opc-4a-r.png (13.32 KiB) Visto 2637 veces

y aplicando la ley de Ohm me salen los valores que pongo en azul. Suponiendo cinco LEDs y VDCC de 18 V (despreciando la caída en el diodo rectificador). Así podría emplearse el condensador para 16 V sin riesgo. Si VDCC fuera menor, las resistencias lo serían en la misma proporción respecto a lo planteado.

Este es el circuito que utilizo en los coches con iluminación constante, sin decodificador; en realidad es el que propuse en el hilo con que me presenté en el foro. Y para coches largos, el mismo esquema en sentido opuesto, para iluminar en los dos semiciclos, con el consumo de uno solo.

Lo que, en mi opinión, no podemos pedirle a estos circuitos es que hagan más de lo que pueden; es decir, las vías tienen que estar limpias, las ruedas también, etc. porque un condensador cargado no lo reemplaza. Así que pon tomas de corriente en dos ejes por cada raíl, al menos, que esto no hace milagros y ya sabes que el sistema de enrollar el hilo de cobre alrededor del eje funciona de maravilla.

Saludos,

Germán

P.D. Edito para aclarar que tuve un despiste: he supuesto los 18 V DCC como si provinieran de un puente rectificador, pero en el circuito de media onda la tensión es menor; por ejemplo donde supuse los 18 V DCC habría unos 13 V o menos. El cálculo es similar.

Rfe7747 escribió:

Hola Norber.
Según lo planteas, entiendo que el circuito sería:

Opc-4a-r.png

y aplicando la ley de Ohm me salen los valores que pongo en azul.

En efecto! Dibujé en una esquina el circuito y puse un solo led en lugar de 5, y como vi la simetría de los dos diodos los desprecié finalmente y... bueno, fatal, suspenso!

Veo que la RL sale unos 2.2kΩ y la R un poquito mayor si se ponen 5 leds iguales, y si se ponen 6 leds pues la R no hace falta. ¿Ahora sí? (¡qué paciencia te obligamos a tener!).

Hola de nuevo, Norber.

Si pones seis LEDs, la caída de tensión en ellos (con 1 mA) será de unos 6 x 2'7 = 16'2 V. Tienes que asegurarte de que en el condensador tienes una tensión superior a ese valor; por seguridad, como ya he comentado, yo pondría un condensador de 25 V. Con el transformador del multiMaus veo en mi instalación cerca de 18 V en la vía. Para que se aprecie el refuerzo del condensador ante la pérdida de contacto, su carga debe corresponder a un voltaje superior al mínimo necesario para los LEDs.

De esas consideraciones deduzco que convendría usar para RL un valor mínimo (100 Ω) con el diodo 1N4148 y para R lo que resulte de la ley de Ohm según el número de diodos LED y la tensión real en el condensador.

Y ya sabes que estos temas me gustan; no hace falta paciencia: es el hobby.

Saludos,

Germán