Het aansluiten van ledsUit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Fred Eikelboom
Dit artikel geeft aan hoe leds aangesloten kunnen worden; een enkele led, meerdere leds parallel of in serie, of een combinatie daarvan. Wat is een led?
Een "Light Emitting Diode" of led heeft twee aansluitingen; de anode en de kathode (zie afbeelding 01). De anode is de plus aansluiting en de kathode is de min aansluiting. De aansluitdraad van de anode (+) is langer dan de aansluitdraad van de kathode (-). Tevens is op veel leds een extra markering aangebracht in de vorm van een plat vlakje. Dit platte vlakje geeft de kathode (-) aan. De drempelspanning van de ledDe drempelspanning is de minimale spanning waarbij de led licht gaat geven. De spanningsval is afhankelijk van de kleur van de led;
Parallelschakeling op de foute wijze
Parallel aansluiten is zo te doen (zie afbeelding 03), maar dat is minder goed...
Bijkomend nadeel is dat alle stroom die door de gezamenlijke leds loopt hier door één weerstand moet, die dan ook te heet kan worden. Parallelschakeling op de juiste wijze
Bij het parallel schakelen op de juiste manier worden de leds afzonderlijk via een weerstand op de voeding aangesloten (zie afbeelding 04). Stel; drie lantaarns met daarin leds parallel geschakeld. Door elke led loopt een stroom van bijvoorbeeld 10 mA, die ingesteld wordt door een geschikte waarde voor de drie serieweerstanden te nemen. Maar... nu loopt er een stroom van 30 mA van plus naar min. Dit is de minst efficiënte manier om leds aan te sluiten. Serieschakeling
Bij het in serie zetten worden de leds achter elkaar geschakeld, de anode van de ene led aan de kathode van de volgende led en via één weerstand op de voedingsspanning aangesloten (zie afbeelding 05). Door elke led loopt een stroom van bijvoorbeeld 8 mA vanaf de plus naar de min. De stroomsterkte wordt geregeld door een geschikte waarde voor serieweerstand Rx te nemen. De waarde van Rx hangt af van de nodige stroom door de leds en de hoogte van de voedingsspanning. Hoe we de waarde van Rx berekenen staat hieronder. Het beste is om zo veel mogelijk de leds in serie te zetten. Er zijn dan minder weerstanden nodig, er is minder ruimte nodig, de stroom is lager en het totale vermogensverlies in de weerstanden is minder. Dat laatste is een heel belangrijk punt: met een groot aantal lantaarns waarbij alle leds parallel staan, neemt het totale verbruik (vermogen) van de verlichting van de baan samen (dus het totale opgenomen vermogen), onnodig toe en dan is er misschien een zwaardere (en dus duurdere) transformator nodig (of er moet eerder een extra transformator komen en dat kost ook weer extra geld). Dus dan wordt in feite het parallel schakelen van leds al snel een dure aangelegenheid. De plaats van de serieweerstandVroeger gebruikte men de term "voorschakelweerstand". Deze benaming zou tot verwarring kunnen leiden. Veel beter is het om van "serieweerstand" te spreken. Het is namelijk een weerstand die altijd in serie met een ander onderdeel geschakeld wordt. Het "voor" in de term "voorschakelweerstand" suggereert dat de weerstand altijd vóór de led(s) moet worden gemonteerd. Het maakt echter elektrisch gezien totaal niet uit aan welke kant van de led de serieweerstand komt. Het ligt er maar net aan wat gemakkelijker uitkomt. Er moet alleen maar voor gezorgd te worden dat de led(s) in de doorlaatrichting aangesloten worden (met de anode aan de plus van de voeding of aan de "min" (kathode) van de volgende led).
Bij het in serie zetten, waarbij de leds achter elkaar aangesloten worden, maakt de plaats van de weerstand dus niets uit. Die weerstand kan geplaatst worden waar het, afhankelijk van de beschikbare ruimte op de print of in de loc, het beste uitkomt (zie afbeelding 06). Serie-parallelschakeling
Bij het serie-parallel zetten, worden de leds achter elkaar geschakeld en via één weerstand op de voeding aangesloten. Er kunnen nu meerdere van die serieschakelingen parallel geschakeld worden (zie afbeelding 07). Op deze manier zijn met het minste vermogensverlies grotere aantallen leds aan te sluiten. Houd rekening met de minimaal vereiste grootte (waarde) van een serieweerstand. Is deze waarde te laag dan bestaat het risico dat bij een zeer lage voedingsspanning ten opzichte van de led-drempelspanning, dat wanneer de voedingsspanning ook maar iets verhoogd wordt (en dat hoeft maar een paar tiende V te zijn), de leds defect raken. Meet de spanning over de serieweerstand, of maak even een berekening van de spanningsval over de serieweerstand. Indien die spanning onder de 2,5 V komt, wordt het zeer riskant. Voor de zekerheid rekenen met minimale spanning van 3 V over de serieweerstand. Houd rekening met de warmteontwikkeling in de weerstandBij het aansluiten van leds moet rekening worden gehouden met de warmteontwikkeling in de serieweerstand. Bij het aansluiten volgens schema 02 wordt de weerstand erg heet, omdat alle stroom die door de gezamenlijke leds loopt, hier door die ene weerstand moet en dat is een groot risico wanneer die weerstand bijvoorbeeld vlak bij kunststof delen van een locomotief zit, want dan kon het wel eens zijn dat het kunststof ter plaatse van de weerstand gaat smelten. Bij het aansluiten volgens schema 04 is de zaak al een stuk gunstiger. Hier wordt de warmte verdeeld over drie serieweerstanden. Deze zullen, mits ze niet te dicht op elkaar gemonteerd worden, lauwwarm worden. Het verdient ook hier verreweg de voorkeur zoveel mogelijk leds in serie te zetten en de stroom via één weerstand toe te voeren, zoals aangegeven in schema 05. Hierbij treedt het minste vermogensverlies op in de vorm van warmteontwikkeling in de weerstand. Gemeenschappelijke anode of gemeenschappelijke kathode
Wanneer bij leds de anodes met elkaar verbonden zijn en samen (via één serieweerstand) op een spanning aangesloten zijn, spreken we van een gemeenschappelijke anode (zie schema links, in afbeelding 08). Wanneer bij leds de kathodes met elkaar verbonden zijn en samen (via één serieweerstand) op een spanning aangesloten zijn, spreken we van een gemeenschappelijke kathode (zie schema rechts, in afbeelding 08). Deze manier van schakelen wordt vaak toegepast bij seinen voor de modeltreinbaan. Op deze manier geschakeld, spaart men een weerstand en een draad uit hoewel de leds dan met verschillende helderheid zullen branden omdat rode en groene leds bij dezelfde voedingsspanning een verschillende weerstandswaarde nodig hebben. Wanneer in het linker schema de linker - met de min van de voedingsspanning wordt verbonden, brandt de rode led. Met de rechter - op de min van de voedingsspanning, dan brandt de groene led. Wanneer in het rechter schema de linker + met de plus van de voedingsspanning wordt verbonden, brandt de rode led. Met de rechter + op de plus van de voedingsspanning aan, dan brandt de groene led. De serieweerstand berekenenBij leds moet dus een serieweerstand worden gebruikt om de stroom door de led(s) te beperken. Zonder weerstand raakt de led defect. Zie voor meer informatie het artikel Minimale led serieweerstand berekenen. Voeding voor led-schakelingen
Voor de voeding van de schakeling kan een kant-en-klare stekker-netvoeding (zie afbeelding 09) worden gebruikt, maar ook een al aanwezige 12 V voeding is te gebruiken, of er kan zelf een voeding gebouwd worden, b.v. met een 7812. Geschikte voedingen voor de schakelingen zijn o.a.:
Een andere optie is om een stekker-netvoeding aan te schaffen bij de plaatselijke kringloopwinkel. Die zijn vaak voor 1 euro al te koop. Let er wel op dat er gelijkspanning uit de voeding komt. Dit is op het typeplaatje aangegeven met "=" (twee liggende streepjes boven elkaar) en/of "DC". Aansluitvoorbeeld
Hierboven een aansluitvoorbeeld voor de verlichting van bijv. huisjes. De plusdraad van de stekkernetvoeding gaat naar een Fleischmann lichtschakelaar. Van de schakelaar gaat de plus naar de led-schakeling. Vanaf de led-schakeling gaat de min-draad terug naar de netvoeding. Houd rekening met de sperspanning
Bij leds moet er, net als bij iedere andere diode, op gelet worden dat ze maar een beperkte tegenspanning (de zogenoemde sperspanning) kunnen verdragen. De maximale sperspanning hangt af van het type led. In de meeste gevallen mag de maximale sperspanning 5 tot 6 V bedragen, zie "reverse voltage" (ook wel aangegeven als VR) in de datasheet van de fabrikant. Indien de sperspanning de maximale waarde overstijgt, brandt de led door en is onherstelbaar defect. In fig. A in schema 13 is de aansluiting van een witte led op een voedingsspanning van 12 V weergegeven. De weerstand beperkt de stroom door de led tot een waarde van 8,9 mA. Over de weerstand valt een spanning van 9,15 V. Over de led staat daardoor een spanning van 2,85 V. Dit noemt men de drempelspanning. In fig. B in schema 13 is de led verkeerd-om aangesloten. Nu staat er 12 V over de led, omdat door de weerstand geen stroom loopt. De spanningval over de weerstand is, omdat de led in sperrichting staat, 0 V. Exact dezelfde situatie ontstaat wanneer in fig. A in schema 12 de voedingsspanning wordt omgekeerd.
Speciale maatregelen bij AC-voeding.Leds zijn speciale diodes, ontworpen voor gelijkspanning en mogen dan ook niet zonder voorzorgsmaatregelen aangesloten worden op een wisselspanning (AC). Tijdens de negatieve fase van de wisselspanning (zie fig. B in schema 14) zal namelijk de maximale sperspanning van de led overschreden worden, met als gevolg dat de led een zeer korte levensduur heeft. Leds nooit op wisselspanning aansluiten
Indien er geen gelijkspanning aanwezig is voor het voeden van leds, pas dan deze schakeling toe voor de voeding van de leds. De trafospanning (6-12V~ wordt gelijkgericht met 4 diodes en afgevlakt met een elco van 100uF. Hiermee wordt voorkomen dat de leds gaan knipperen. Als een led toch op wisselspanning moet, dan moet er een diode (bijvoorbeeld een 1N4148) antiparallel over de led (zie fig. A in schema 15) worden geplaatst. De tegenspanning over de led wordt dan begrensd op circa 0,7 V. Gevolg is dan wel dat de weerstand nu aanmerkelijk warmer wordt, omdat tijdens de negatieve fase van de wisselspanning bijna de volle voedingsspanning over de weerstand staat (zie fig. B in schema 15). Nog beter is het om in plaats van een antiparalleldiode in serie met de weerstand en led een diode te plaatsen (zie afbeelding 16). Nu is de led optimaal beschermd, daar tijdens de tegengestelde fase van de voedingsspanning (zie fig. B in schema 16), er geen tegenspanning meer over de led staat. Die tegenspanning staat nu wel over de 1N4148 en die kan 100 V sperspanning aan. Omdat er nu tijdens de positieve fase van de voedingsspanning 0,75 V over de 1N4148 valt (fig. A in schema 16), zal er ook iets minder spanning over de weerstand staan. Ook over de led staat nu iets minder spanning. Voor de helderheid maakt dat echter nagenoeg niets uit. Knippereffect.Daar de led, bij aansluiten op een wisselspanning, alleen maar licht geeft tijdens de positieve fase van de wisselspanning, kan er een hinderlijk 50 Hz knippereffect ontstaan. Het is dus zeker het overwegen waard om een (SMD)gelijkrichter op de AC-spanning aan te sluiten (via de ~ aansluitingen) en de led, via een serieweerstand, op de + en - van de gelijkrichter aan te sluiten. Dan loopt er bij beide fasen van de wisselspanning stroom door de led en is er geen hinderlijk knippereffect meer aanwezig. De 1N4148 in bovenstaande schema's vervalt dan. Nog een overweging om een gelijkrichter te gebruiken is dat het veel minder werk is dan bij alle leds een extra diode te plaatsen. Een ander knippereffect (onregelmatig) treedt op bij rijtuigen met verlichting. Voor oplossingen hiervoor zie Maatregelen tegen knipperende verlichting. Meer informatie
|