Persoonlijke instellingen

Minimale led voorschakelweerstand berekenen

Uit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende

Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Fred Eikelboom


Inleiding

Er bestaan leds met (korte, stugge) draadjes er aan gemonteerd, die in een print gestoken worden (zogenaamde Through-hole technologie), en er bestaan SMD-leds, die rechtstreeks op de print gemonteerd worden.
Een led werkt fundamenteel anders dan een gloeilamp. Bij een gloeilamp bepalen de spanning die er over staat, én de weerstand van de gloeidraad, hoeveel stroom er door de gloeilamp loopt. Een gloeilamp is dus spanninggestuurd. Hoe meer spanning er over de lamp staat, hoe meer licht deze geeft.

Bij een led hebben we inwendig niet te maken met een gloeidraad, maar met een speciale diode. De hoogte van de stroom bepaalt hoeveel licht de led geeft. De spanning over de diode blijft echter (nagenoeg) gelijk. Een led is dus stroomgestuurd. De fabrikant geeft daarom een maximale waarde voor de led-stroom op (staat vermeld in de datasheet). Bij die waarde kunt u een redelijke levensduur van de led verwachten.

Soms wordt door iemand gewoon de maximaal toelaatbare stroom op een led gezet. Dat houdt echter een zeer groot risico in. Zodra de voedingsspanning ook maar even iets hoger wordt dan de normale spanningswaarde, zal de led-stroom sterk toenemen en zit u (of beter gezegd, de led) meteen in de gevarenzone! En dan is het nagenoeg uitgesloten dat de led dit overleeft!

Bij leds moet u dus een voorschakelweerstand toepassen, om de stroom door de led te beperken. Gebruikt u géén voorschakelweerstand (of een weerstand met een te lage waarde), dan gaat de led meteen naar de eeuwige elektronische jachtvelden, ofwel de led raakt gegarandeerd defect!!

De term 'voorschakelweerstand' zou tot verwarring kunnen leiden. Beter zou het zijn om van 'serieweerstand' te spreken. Het is namelijk een weerstand die altijd in serie met een ander onderdeel geschakeld wordt. U zou kunnen denken dat de voorschakelweerstand altijd vòòr de led(s) moet worden gemonteerd. Het maakt echter elektrisch gezien totaal niet uit aan welke kant van de led(s) u de voorschakelweerstand monteert. Het ligt er maar net aan wat gemakkelijker uitkomt in de locomotief/het rijtuig. U hoeft er alleen maar voor te zorgen dat u de led in de doorlaatrichting aansluit (met de anode aan de plus c.q. de blauwe draad van de decoder). Zie ook: De plaats van de voorschakelweerstand in het artikel Hoe sluit u leds aan.

Koolfilm of metaalfilm?

Er zijn twee typen weerstanden in de handel verkrijgbaar; koolfilm en metaalfilm. Voor toepassingen met leds voldoet een koolfilmweerstand uit de E12- of E24 reeks prima.

De drempelspanning van de led

De vuistregel is ongeveer 2 volt voor (normale) rode, gele, oranje en groene leds en 3 volt voor (warm) witte, blauwe en high efficiency groene leds. Wilt u het exact weten, dan kunt u deze waardes vinden via Google in de datasheet
Door het verschil in drempelspanning kunt u geen witte led (3 volt) met een rode led (2 volt) in serie zetten. Beide kleuren leds krijgen dan namelijk dezelfde stroomsterkte, en dat kon nog wel eens een heel uiteenlopende helderheid opleveren! Sluit dus rode en witte leds altijd via een eigen voorschakelweerstand aan.

Voor het berekenen

Er zijn drie dingen die u moet weten om een juiste berekening te maken.

Ten eerste; de spanning.
U zult de spanning moeten weten, om aan de hand daarvan de juiste weerstandwaarde te kunnen berekenen. Zoals het spreekwoord al zegt: 'Meten is weten', aangezien dit verschilt tussen verschillende trafo’s en centrales. Bij gebruik van een decoder kunt u de spanning tussen een functieaansluiting en de gemeenschappelijke (blauwe) draad meten (met de functie ingeschakeld). Als er geen decoder toegepast wordt, dient een gelijkrichter tussen de rails en meter aangesloten te worden. Deze gelijkrichter is ook nodig om de leds aan te sluiten. Meet bij analoog gebruik, bij de maximaal gebruikte stand van de trafo. Zie: ’Rijtuigverlichting’ bij 'Meer informatie'.
Rijdt u op meerdere banen (bijvoorbeeld clubbaan of bij vrienden) of wilt u niet meten, is uitgaan van 20V bij digitale aansturing en 16V bij analoge aansturing een veilig uitgangspunt.
Ten tweede; de drempelspanning.
Hoe hoog is de spanning (drempelspanning genoemd) over de led? Die drempelspanning (Vf ofwel Vforward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden op de pagina van de webwinkel of met Google). Kunt u de drempelspanning niet op internet vinden, dan kunt u de drempelspanning ook heel eenvoudig zelf opmeten;
Sluit een weerstand van 1k2 aan op de anode van de led en sluit de andere zijde van de weerstand aan op de plus van een voeding van ongeveer 12 Volt gelijkspanning. Sluit de kathode van de led aan op de min van de voeding, en meet nu met een multimeter hoeveel spanning er over de led staat (rode draad van de meter aan de pluszijde van de led).
Wilt u ook dit niet meten, dan is de vuistregel ongeveer 2 volt voor (normale) rode, gele, oranje en groene leds en 3 volt voor (warm) witte, blauwe en High Efficiency groene leds. Ook deze standaard waardes zijn te vinden via Google.
Hoe u leds aan moet sluiten, kunt u zien in het artikel Hoe sluit u leds aan bij 'Meer informatie'.
Ten derde; de led-stroom
Hoeveel stroom mag er maximaal door de led lopen? Die maximale stroomsterkte (If ofwel Iforward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden met Google op het 'WereldWijdeWeb'). Let wel, dit is zoals vermeld de maximale stroomsterkte. Minder stroom mag altijd. Voor een veilige marge kunt u uitgaan van de helft hiervan.
Normale leds (geen High Power of Low Current) hebben een maximale stroom van 20mA. Kunt u geen maximale stroom voor uw led vinden, dan is dit een veilige maximale waarde om vanuit te gaan.

Minimale waarde van de voorschakelweerstand

LED vsw01.gif
Afbeelding: 01
Led met voorschakelweerstand
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Om er voor te zorgen dat de stroom door de led niet te hoog kan worden, zal de voorschakelweerstand een bepaalde minimale waarde moeten hebben. Die minimale weerstandwaarde dient er voor dat de maximale stroom door de led(s)niet wordt overschreden.
Voor het berekenen van die minimale waarde van de voorschakelweerstand passen we de Wet van ohm toe.

De gewone formule voor het berekenen van de weerstandwaarde is: R = U / I, ofwel; weerstand is spanning gedeeld door stroom (volt / ampères = ohm).

Omdat we hier echter ook te maken hebben met de drempelspanning van de led(s) gebruiken we de formule: R = (U - Uled) / Iled. Hierbij is R de waarde van de weerstand die we willen berekenen, U de voedingsspanning in volt, ULed de drempelspanning over de led in volt en Iledde stroom door de led in ampère;.
We verminderen de voedingsspaning U dus met de spanning over de leds Uled.

Hier een rekenvoorbeeld:
Stel, we hebben twee leds en we sluiten die leds aan op een locdecoder. Een locdecoder geeft een gelijkspanning van 16 tot 18 volt af op de blauwe (plus)draad. We gaan in dit rekenvoorbeeld even uit van een voedingsspanning van 16 volt. Over de led valt, volgens de datasheet, een drempelspanning van ongeveer 1,9 volt.

We hebben nu een aantal gegevens voor de berekening:

  • Voedingsspanning is 16 volt.
  • Drempelspanning over de led is 1,9 volt.
  • Spanning over de weerstand is 16 - 1,9 = 14,1 volt.
  • Stroomsterkte door de leds is 12 milliampère = 0,012 ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (Uvoeding - Uled) / Iled ofwel R = (16V - 1,9V) / 0,012A ofwel R = 14,1 / 0,012.

De uitkomst is dan: 1175 ohm.

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1200 ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 1200 ohm (1k2). Bij gebruik van SMD-leds gebruikt u natuurlijk SMD-weerstanden.

We zien dus in bovenstaande voorbeeldberekening dat, bij een voedingsspanning van 16 volt, een stroom van 12 milliampère, en twee leds in serie, de minimale waarde van de voorschakelweerstand 1175 ohm moet zijn.

Een maximale waarde voor de weerstand is niet te berekenen, want dat is een kwestie van gewoon uitproberen. Wanneer de weerstandswaarde te hoog gekozen wordt, geeft de led gewoon geen licht meer. Het enige waar u dus rekening mee moet houden, is de minimale waarde van de voorschakelweerstand. Dus alle waarden tussen de berekende 1175 ohm, en de experimenteel vastgestelde maximumwaarde kunt u toepassen.

Let-op.jpg
  LET OP
Neem nooit een lagere weerstandswaarde dan u berekend heeft, want dan is de stroom door de led(s) te hoog en zal deze gegarandeerd defect raken!!

De praktijk

In de praktijk zult u voor de locomotiefverlichting ongeveer 6 tot 8 milliampère door de leds sturen. We hoeven namelijk als frontverlichting van de loc geen vérstralers te hebben en aan de achterzijde hoeft de verlichting ook niet zo sterk te branden als aan de voorzijde. Voor de frontverlichting is een stroom van 8 milliampère meestal ruim voldoende. Bij de achterverlichting gaan we uit van 6 milliampère. Bij een dergelijke stroom geven de moderne leds een zee van licht. Ook bij interieurverlichting van rijtuigen moet u altijd in gedachten houden dat het meestal helemaal niet fraai is om de maximaal toegelaten stroom op de binnenverlichting of om het even welke led te zetten.

Rekenvoorbeeld 1:
Hier een rekenvoorbeeld, waarbij we ervan uitgaan dat de decoder een spanning afgeeft van 18 volt. We berekenen nu een voorschakelweerstand voor een led-stroom van 10 milliampère.

  • Voedingsspanning is 18 volt.
  • Drempelspanning over de led is 1,4 volt.
  • Spanning over de weerstand 18 - 1,4 = 16,6 volt.
  • Stroomsterkte door de led is 10 milliampère = 0,01 ampère.

We hebben nu weer twee waarden voor de formule. Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (Uvoeding - Uled) / Iled ofwel R = (18V - 1,4V) / 0,01A ofwel R = 16,6 / 0,01

De uitkomst is dan: 1660 ohm.

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1800 ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 1k8.

Rekenvoorbeeld 2:
Stel, we hebben een voedingsspanning van 18 volt. We gebruiken een warmwitte led met een drempelspanning van 3,1 volt. We willen een stroomsterkte van 10 milliampère.

We hebben nu weer een aantal gegevens voor de berekening:

  • Voedingsspanning is 18 volt.
  • Drempelspanning over de led is 3,1 volt.
  • Spanning over de weerstand is 18 - 3,1 = 14,9 volt.
  • Stroomsterkte door de led is max. 10 milliampère = 0,01 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (Uvoeding - Uled) / Iled ofwel R = (18V - 3,1V) / 0,012A ofwel R = 14,9 / 0,01

De uitkomst is dan: 1490 ohm.

We zien in bovenstaande berekening dat, bij een voedingsspanning van 18 volt, en een maximale stroom van 10 milliampère, de waarde van de voorschakelweerstand 1490 ohm is. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 1500 ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 1k5.


Twee (of meer) leds in serie

Twee LEDs ser02.gif
Afbeelding: 02
Serieschakeling twee leds
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij twee (of meer) leds in serie voor de frontverlichting, moet u het aantal leds maal de drempelspanning nemen en gaat de berekening als volgt:

  • Voedingsspanning is 18 volt.
  • Drempelspanning over de led is 2,9 volt. Bij twee stuks in serie is dat 5,8 volt.
  • Spanning over de weerstand 18 - 5,8 = 15,2 volt.
  • Stroomsterkte door de led is 10 milliampère = 0,01 ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled ofwel R = (18V - 2 x 2,9V / 0,01A ofwel R = 12,2 / 0,01

De uitkomst is dan: 1220 ohm

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1400 ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 1400 ohm (1k4).


De High Efficiency/Low Current led

Rekenvoorbeeld 3:

Een High Efficiency/Low Current led geeft bij ongeveer twee milliampère al een zee van licht. Stel, we hebben een voedingsspanning van 16 volt. In het volgende rekenvoorbeeld is de drempelspanning over de led (volgens de datasheet) ongeveer 3,2 volt.

We hebben nu weer een aantal gegevens voor de berekening:

  • Voedingsspanning is 16 volt.
  • Drempelspanning over de led is 3,2 volt.
  • Spanning over de weerstand is 16 - 3,2 = 12,8 volt.
  • Stroomsterkte door de led is twee milliampère = 0,002 ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = ((Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled ofwel R = (16V - 3,2V) / 0,012A ofwel R = 12,8 / 0,002

De uitkomst is dan: 6400 ohm.

We zien in bovenstaande voorbeeldberekening, dat bij een voedingsspanning van 16 volt, en een maximale stroom van 2 milliampère, de waarde van de voorschakelweerstand 6400 ohm is. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 6800 ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 6k8.

Rekenvoorbeeld 4:

We hebben een simpele voeding: een trafo met een bruggelijkrichter en een elco van 470 µF. Op de elco meten we 17,5 volt. Voor de leds gaan we weer uit van 'Low Current' types, dus de maximale stroomsterkte is twee milliampère ofwel 0,002 A. De drempelspanning over een 'Low Current'-led is ongeveer 2 volt. We passen twee leds toe. We hebben nu weer een aantal gegevens voor de berekening:

  • Voedingsspanning is 17,5 volt.
  • Drempelspanning over de led is 2 volt. Over beide leds in serie valt in totaal 4 volt.
  • Spanning over de weerstand is 17,5 - 4 = 13,2 volt.
  • Stroomsterkte door de led is 2 milliampère = 0,002 ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled ofwel R = (17,5V - 4V) / 0,002A ofwel R = 13,5 / 0,002

De uitkomst is dan: 6750 Ohm.

Eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks is 6800 Ohm. We nemen dus een weerstand van 6k8.

Berekening van de belastbaarheid van de voorschakelweerstand

Rekenvoorbeeld 1, 'Low Current'-led

  • Voedingsspanning is 16 volt.
  • Drempelspanning over de diode is 3,2 volt.
  • Spanning over de weerstand is 16 - 3,2 = 12,8 volt.
  • Stroomsterkte door de led is 2 milliampère.

P = U × I, dus P = 12,8 × 0,002 = 0,0256 watt.

Een weerstand met een belastbaarheid van (éénachtste) watt is in dit rekenvoorbeeld dus meer dan voldoende.

Berekening van de belastbaarheid van de voorschakelweerstand bij een hogere spanning

Rekenvoorbeeld 2:

  • Voedingsspanning is 18 volt.
  • Drempelspanning over de led 2,9 volt.
  • Spanning over de weerstand is 18 - 2,9 = 15,1 volt.
  • Stroom door de led is 10 milliampère

P = U × I, dus P = 15,1 × 0,01 = 0,151 watt (afgerond 0,16 watt)

We gebruiken in dit rekenvoorbeeld dus een weerstand met een belastbaarheid van ¼ (0,25) watt.


Als laatste nog even dit:
De elektronicus gebruikt voor de belastbaarheid van een weerstand ook wel de term 'zwaarte'. Wanneer hij het heeft over een 'zwaardere weerstand', bedoelt hij een weerstand die met een groter vermogen kan worden belast. De 'zwaarte' van een weerstand heeft dus totaal niets met de weerstandwaarde, of met het gewicht ervan, te maken.
De weerstand moet een vermogen moet hebben van minimaal het berekende en dat alles wat groter is gewoon prima is. Hetzij dat de weerstand dan in afmetingen wel groter wordt.

Zoals u ziet wordt hierboven altijd naar de eerstvolgende hogere waarde in de E-reeks verwezen. De reden waarom in de elektronica altijd de eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks gekozen wordt, is dat weerstanden altijd een bepaalde tolerantie bezitten (bijv. 10 procent in de E-12 Reeks en vijf procent in de E24-Reeks). Door nu de eerstvolgende hogere waarde te nemen wordt voorkomen dat de stroom door een component (zoals een led) te hoog kan worden. Bij deze hogere weerstandswaarde loopt er weliswaar iets minder stroom door de leds, maar dat is geen enkel probleem. De moderne leds geven zoveel licht dat het effect van die iets lagere stroomsterkte verwaarloosbaar is.


De hier vermelde weerstandswaarden zijn richtwaarden. Wanneer de verlichting te fel is, kunt u altijd een hogere weerstandswaarde toepassen.


Meer informatie

Encyclopedie:
(zie: Cursussen).
Beneluxspoor.net:
over het gebruik van een stroombron bij leds.
Externe websites:
Weerstanden.
Hulpmiddel voor het berekenen van de waarde van de voorschakelweerstand.
Overzicht E-reeksen.



Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende
Contact met de redactie: Contact met de redactie 

Laatste wijziging: 20 okt 2017 11:53 (CEST)