2013/04/26

鋼彈模型裝設LED學習筆記


當鋼彈模型製作完成後,除了靜態展示以外,有些人會選擇「加燈(或稱改燈)」來做半動態的展現,過去我也曾為模型加過燈,不論是加在模型裡、還是模型外都可以讓模型作品更栩栩如生。最近剛好有個製作中的模型,該委託者他也要加燈;其實在不使用「燈套件」的情況下,要我同時驅動一兩顆LED還不算難事,不過當LED數量大於等於三時,我就一個頭兩個大了!不料就是這麼剛好,他要加燈的數量就是三,而這已經超過我目前的能力所及(苦惱中),當然為了模型能有更好的展現,好吧!我就努力學習一下「如何加燈」了...

過去我為模型加燈的實例

在過去除了PG之外,其他鋼彈模型加燈並不是一件常見的事,但近年來已蔚為風潮,放眼望去似乎人人都可以輕易的在模型裡加入幾個燈,只有我不會不是太可憐了嗎!?為了解決這個模型加燈的問題,我上網找了些資料來看,同時先後請教了幾位有「電子背景相關」的朋友,當他們聽完我的問題之後,他們一開口如出一撤的說:「V = IR」;我說:「Speak Chinese. Can you?(握拳)」

V = IR 這是什米碗糕啊?

天啊~這是什米碗糕啊?對於我這個電子門外漢來說 V = IR(歐姆定律)簡直就是外星語;還好...還好...這些朋友還算有良心,他們有按奈著笑意用台灣國語跟我解釋這一且,雖然對於他們的說明內容我似懂非懂,不過…似乎、依稀、記得好像是「搞懂歐姆定律就能搞定LED」!

歐姆定律只是配角,等等再說,我想先來談談本文的主角LED燈;讓我先從「驅動一顆LED燈」開始說起。

輸出電壓太強、太弱都會影響LED的運作

上圖 LED 接線方式是我之前唯一會的作法,我認為這樣的作法沒什麼不好,它不需要複雜的零件或技巧就可以讓一顆LED發光,只不過「輸出電壓」與「工作電壓」有一點小小的差異而已;不過!不過!現在我已經了解「兩者只要有差異LED運作就容易出問題,而且差異的大小會決定問題的大小」。

所謂「輸出電壓(供給)」即是電池或變壓器可提供的最大電壓,而「工作電壓(需求)」即是LED正常運作所需的電壓,所以供給LED的電壓不能給太多、也不能給太少,供需之間必須能達到平衡,LED運作才會真的沒問題。以上圖而言:

  1. 「輸出電壓(供給 3V) < 工作電壓(需求 3.5V)」表示「電不夠」,此時LED雖然有亮,但因為輸出電壓供給不足所以LED會不夠亮,而輸出電壓越是不足,LED就會越暗淡甚至不亮;如果LED不發亮或不夠亮,那麼模型加燈就沒有意義了,不是嗎!?
  2. 「輸出電壓(供給 3V) > 工作電壓(需求 2.0V)」表示「電太強」,此時LED雖然夠亮,運作也看似正常,但因為輸出電壓供給太強,所以會縮短LED的使用壽命,兩者差異越大LED壽命就越短,甚至立即化作一陣白煙(燒毀)。我猜你應該不會想三不五時就要拆模型換燈泡吧?我就不想!

所以調節供需之間的差異是模型加燈作業中很重要的工作。
以下我同樣就「驅動一顆LED燈」來說明如何調整。

當發現「電不夠」時,這個比較容易解決,例如我們可以串接多顆電池(如下圖所示)或改用變壓器來「增加輸出電壓」,以確保LED能夠發亮而且可以夠亮。

改善輸出電壓不足


當發現「電太強」時,我們就需要降低輸出電壓或使用「電阻」來調節供需的平衡,以確保LED的使用壽命。如下圖所示,我使用電阻(130Ω)來改善輸出電壓(變成3.4V 供給),雖然調整後兩者只能達到近似值,但卻可以確定LED不會很快就掛點或是化作一陣煙。

改善輸出電壓太強

我知道你正在疑惑「該怎麼決定什麼時候配合什麼電阻?」其實當初我也有同樣的困擾;這就是那些外星人為何劈頭就說「V = IR」的緣故,所以我才說「搞懂歐姆定律就能搞定LED」的原因。

歐姆定律 V = IR,V 代表電壓、I 代表電流、R 代表電阻(詳細請見 Wiki:歐姆定律);假設輸出電壓與工作電壓我們已經知道,而LED的工作電流也很固定(20mA),不過我們迫切比較想知道的是如何選用電阻的大小(求R值)。我提供兩個方法來求 R 值...

方法一、將 V = IR 外星語逐步翻譯成中文,然後將數值帶入,利用國小學會的算數或計算機就能算出所需電阻的大小(如下圖所示)。

歐姆定律外星語逐步翻譯成中文的過程

方法二、利用「LED限流電阻值-線上計算器(點此連結)」輸入數值,然後按下計算,這樣也能得知所需電阻的大小(如下圖所示)。

LED限流電阻值-線上計算器指引

當取得所需電阻的大小之後,就可以前往電子材料行,然後直接告訴店員「我要多少 Ω(歐姆)的電阻?幾顆?」,然後回家做焊工即可。不過有時天不從人願,你要的歐姆數剛好沒有,建議出發購買前先上網查一查地球上有沒有賣這種型號的電阻(按此連結),如果地球上有,那麼台灣的各大電子材料行一定有。

最後我提供常見的「LED工作電壓與電流表」以方便大家計算電阻使用。

LED工作電壓與電流表

以上就是我此次學習驅動LED最精華的部分,雖然我已經竭盡所能來理解,而且也毫不掩蓋的全盤托出,不過畢竟我不是本科、也非專門,所以文中還是可能會出現可笑的謬誤,如有錯誤還望先進指教。
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12 則留言:
  1. 精彩,容易理解,對我受用不小。

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    1. 你也是「加燈苦手」嗎?
      很高興對你有幫助!

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  2. dannyfish14/5/13 22:47

    嗚嗚嗚,我是電子科畢業,當年就是學V=IR 外星語的,20年沒用過,全還給老師了,感謝引導入門,最近想弄燈買了一堆素材才發現忘光了

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    1. 不是吧!?
      還望你有空時多回憶一下,好讓我這個門外漢多個請益的對象。

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  3. 如果只是在模型上加灯,建议使用贴片式的LED,然后使用合适直径的包漆铜线作为导线,比较不影响结构,且贴片LED可以有各种类型和大小供选择,直接用胶水粘上改造位置就OK了。

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  4. 這篇寫得很淺顯易懂,不過有些地方有點怪怪的
    但...除了火星話以外我不知道怎樣去表達

    關於工作電壓的描述部分大體上是正確的,
    但是改善輸出「電壓」太強這點可能有點問題;

    (火星話ing)LED中文是發光二極體,也就是說它仍然擁有二極體的特性
    (理想上)順向導通時有極小的電阻;逆相時有無限大的電阻(詳請參閱維基百科)
    逆向不是我們要的,這邊不討論。

    順向時因為擁有極小的電阻,也就是相當於短路(秀斗、阿斯),根據歐姆定律來算就會有極大的電流
    我們都知道拿一條線接在插座或電池兩端會發生什麼事...
    也就是說(理想上)不接上限流電阻的話,相當於拿一條線接在電池兩端...hmm

    再來二極體有另一個特性是,導通後(超過工作電壓後),兩端電壓會維持固定
    如果用你的圖例(改善輸出電壓太強)來說明的話,此時LED兩端仍然是3.5V而不是3.4V,電阻兩端則會是2.5V
    根據歐姆定律,電阻處的電流會是19.2mA,又因為串聯電壓相同
    所以最後LED會得到3.5V,19.2mA

    以上是普遍上會將電阻稱為「限流電阻」,而不是降低輸出電壓
    (呃,好啦對一般人來說這都差不多XD)



    恩...接下來這點對模型玩家可能比較有影響

    從LED工作電壓電流表可以看到,每顆LED要的電不同,其實也就是說LED內部電阻不同;
    這會造成說,如果不同顏色的LED並聯接在一起,可能會有某幾顆特別亮(甚至燒掉),而某幾顆怎樣都不亮
    那就是因為上面提到的,順向時會有極小的電阻,但這個電阻每個顏色都不一樣
    因此電流就吃軟飯,選擇電阻比較小的那個迴路走;

    而如果我們每顆LED後面都接上一顆限流電阻,也就是說每個極小的值後面都接一個相對大的值,計算的時候就近似於那些相對大的電阻並聯


    用地球話來說就是,因為電流吃軟飯,電阻1跟0.5他一定選0.5
    所以我們每條路都給個很重的work(100)
    讓電流選A跟選B的差異變得不大(101跟100.5),來避免說電流吃軟飯XD


    以上是路過的火星人的碎碎念...

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    1. 你說你是火星人!?如此精闢的回覆來看,我認為你應該離我更遠才是,至少不在太陽系裡。
      雖然我不是很懂...但你的回覆可以補充我的不足,謝謝你的指教。

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    2. 嘛...我自己想想覺得,就最後面那段有用而已

      簡言之就是,如果要多顆並聯,每顆LED都接電阻的話可以避免亮度不均XD
      (一開始這麼說不就好了XD)

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    3. 謝謝你。高低、深淺各取所需,所以你的留言都有用!

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  5. 樓上火星兄寫了那麼用心。代表除了懂外也用心看了文章而給予指導,但對非本科的真的有看沒有懂,基於快樂作模型的前提下,我比較懶,選擇只放固定接法一顆(反正開的時間也不長,開完爽過後也不會再去開..,哈

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    1. 哈~只開一次!我也是(苦笑)~

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  6. 好實用的分享~
    真想按個讚~

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