|
|
Minimale led serieweerstand berekenenUit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Fred Eikelboom
InleidingOm de stroom door een led te beperken tot een veilige waarde kan een weerstand in serie met de led geschakeld worden. Dit artikel geeft aan hoe de minimale led serieweerstand te berekenen. Vroeger gebruikte men de term "voorschakelweerstand". Deze term zou tot verwarring kunnen leiden. Beter zou het zijn om van "serieweerstand" te spreken. Het is een weerstand die altijd in serie met een ander onderdeel geschakeld wordt. Ook zou men kunnen denken dat de voorschakelweerstand altijd vóór de led(s) moet worden gemonteerd. Het maakt echter elektrisch gezien totaal niet uit aan welke kant van de led(s) de weerstand zit. Het ligt er maar net aan wat gemakkelijker uitkomt in de locomotief of rijtuig. Zorg er alleen maar voor dat de led in de doorlaatrichting met de anode (lange aansluiting) aan de plus komt. Zie ook het artikel Het aansluiten van leds. Er bestaan leds met korte stugge draadjes die in een printplaat gestoken worden (zogenaamde "through-hole" technologie), er bestaan SMD-leds die rechtstreeks op de print gemonteerd worden en er zijn SMD-leds met draadjes er aan gesoldeerd. Een led werkt fundamenteel anders dan een gloeilamp. Bij een gloeilamp bepalen de spanning die er over staat en de weerstand van de gloeidraad hoeveel stroom er door de gloeilamp loopt. Een gloeilamp is spanninggestuurd. Hoe meer spanning er over de lamp staat, hoe meer licht deze geeft. Een led heeft geen gloeidraad, het is een speciale diode. De hoogte van de stroom bepaalt hoeveel licht de led geeft. De spanning over de diode blijft over een geleidende diode (nagenoeg) gelijk. Een led is dus stroomgestuurd. De fabrikant geeft daarom in de datasheet een maximale waarde voor de stroom (Imax). Bij die waarde is een redelijke levensduur van de led te verwachten. Soms wordt gewoon de maximaal toelaatbare spanning 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 stroom sterk toenemen en zit de led meteen in de gevarenzone en dan is het nagenoeg uitgesloten dat de led dit overleeft. Bij leds moet dus een weerstand worden gebruikt om de stroom door de led te beperken. Zonder weerstand (of een weerstand met een te lage waarde) of bij een te hoge voedingsspanning, dan brandt de led meteen door. WeerstandstypeEr zijn drie typen weerstanden in de handel verkrijgbaar; koolstoffilm, metaalfilm en draadgewonden. Voor toepassingen met leds voldoet een koolfilmweerstand uit de E12- of E24 reeks prima. De brandspanning van de led
Nodig voor het berekenenEr zijn steeds drie dingen die bekend moeten zijn om een juiste berekening te maken:
Minimale waarde van de serieweerstand
Om er voor te zorgen dat de stroom door de led niet te hoog kan worden, zal de serieweerstand een bepaalde minimale waarde moeten hebben. Het berekenen van de minimale waarde kan met de "Wet van Ohm". De formule voor het berekenen van de weerstandswaarde is: R = U / I, ofwel; weerstand is spanning gedeeld door stroom (ohm = volt / ampères). Door de brandspanning van de led(s) wordt de formule: R = (U - Uled) / Iled gebruikt. Hierbij is R de waarde van de weerstand in ohm, U de voedingsspanning in volt, Uled de brandspanning over de led in volt en Iledde stroom door de led in ampére;. De voedingsspanning U wordt verminderd met de spanning over de led Uled. RekenvoorbeeldTwee leds in serie, aan te sluiten op een locdecoder. Bij een locdecoder staat een gelijkspanning van 16 tot 18 volt op de blauwe draad. Dit rekenvoorbeeld gaat uit van 16 volt. De brandspanning van de led is volgens de datasheet 1,9 volt. Gegevens voor de berekening:
Deze waarden in de formule geeft: R = (Uvoeding - 2 x Uled) / Iled = (16 - 1,9 - 1,9) / 0,005 = 12,2 / 0,005 = 2440 ohm. De dichtstbijzijnde waarde in de E12-reeks is 2200 ohm (2k2, rood-rood-rood), maar de dichtstbijzijnde hogere waarde is 2700 ohm (2k7, rood-paars-rood). Bij gebruik van SMD-leds kunnen ook SMD-weerstanden worden gebruikt. Uit de voorbeeldberekening blijkt dat bij een voedingsspanning van 16 V een stroom van 5 mA en twee leds in serie, de praktische "minimale waarde" van de weerstand 2700 ohm is. Een maximale waarde voor de serieweerstand is niet te berekenen, dat is een kwestie van uitproberen. Wanneer de weerstandswaarde te hoog gekozen wordt, geeft de led gewoon geen licht meer. Het enige waar dus rekening mee gehouden moet worden, is de minimale waarde van de serieweerstand; alle waarden tussen de praktische 1200 ohm en de experimenteel vastgestelde maximumwaarde is te gebruiken.
De praktijkIn de praktijk zal voor de locomotiefverlichting 4 tot 8 mA door de leds lopen. Als frontverlichting hoeft de loc geen verstralers 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 6 mA meestal ruim voldoende. Bij de achterverlichting kan worden uitgegaan van 4 mA. Bij een dergelijke stroom geven de moderne "high efficiency" leds al een zee van licht. Ook bij interieurverlichting van rijtuigen moet altijd in gedachten worden houden dat het meestal niet fraai is om de maximaal toegelaten stroom door de binnenverlichting of om het even welke led te nemen. Rekenvoorbeeld 1Hier een rekenvoorbeeld er van uitgaande dat de decoder een spanning geeft van 18 V en de witte led een stroom vraagt van 4 mA.
Twee van de drie waarden zijn nu bekend en de weerstand is uit te rekenen met de formule: R = (Uvoeding - Uled) / Iled = (18 - 3,6) / 0,004 = 14,4 / 0,004 = 3600 De uitkomst is dan 3600 ohm. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E24-reeks is 3600 ohm, in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 3k6. Rekenvoorbeeld 2Stel voedingsspanning is 18 volt, warmwitte led met een brandspanning van 3,1 V, stroomsterkte van 6 mA. Ggevens voor de berekening:
Deze waarden in de formule geeft: R = (Uvoeding - Uled) / Iled = (18 - 3,1) / 0,006 = 14,9 / 0,006 = 2483 De uitkomst is dan 2483 ohm. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 2700 ohm, in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 2k7. Twee (of meer) leds in serie
Bij twee (of meer) leds in serie voor de frontverlichting is de totale spanningsval over de leds het aantal leds maal de brandspanning van één led. De berekening gaat dan als volgt:
Deze waarden in de formule geeft: R = (Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled = (18 - 2 x 2,9 / 0,004A = 12,2 / 0,004 =3050 De uitkomst is dan: 3050 ohm De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12- en E24-reeks is 3300 ohm (3k3). Rekenvoorbeeld 1Een "High Efficiency/Low Current" led geeft bij ongeveer 2 mA al een zee van licht. Stel; voedingsspanning van 16 volt, brandspanning over de led (volgens de datasheet) ongeveer 3,2 V. Gegevens voor de berekening:
Deze waarden in de formule geeft: R = ((Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled = (16 - 3,2) / 0,012 = 12,8 / 0,002 = 6400 De uitkomst is dan: 6400 ohm. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 6800 ohm (6k8). Rekenvoorbeeld 2Een simpele voeding: een trafo met een bruggelijkrichter en een elco van 470 µF. Op de elco staat 17,5 volt. Voor "Low Current" leds types een maximale stroomsterkte van 2 mA ofwel 0,002 A. De brandspanning over één "Low Current" led is ongeveer 2 V. Bij 2 leds in serie dus 4 V. Gegevens voor de berekening:
In de formule geeft dit: R = (Uvoeding - aantal leds x Uled) / Iled = (17,5 - 4) / 0,002 = 13,5 / 0,002 = 6750 De uitkomst is dan 6750 Ohm, eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks is 6800 Ohm (6k8). Opgenomen vermogen in de serieweerstandRekenvoorbeeld"Low Current" led;
P = U × I, dus P = 12,8 × 0,002 = 0,0256 watt. Een weerstand met een belastbaarheid van ⅛ (1/8) watt is in dit rekenvoorbeeld dus meer dan voldoende. Opgenomen vermogen serieweerstand bij een hogere spanningRekenvoorbeeld
P = U × I, dus P = 15,1 × 0,010 = 0,151 watt (afgerond 0,15 watt) In dit rekenvoorbeeld dus een weerstand met een belastbaarheid van ¼ (0,25) watt. De elektronicus gebruikt voor de belastbaarheid van een weerstand ook wel de term "zwaarte". Met "een zwaardere weerstand" wordt dan een weerstand bedoeld 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 OK, maar de weerstand is dan in afmetingen wel groter. Zoals hierboven aangegeven wordt altijd naar de eerstvolgende hogere waarde in de E-reeks verwezen. De reden hiervoor in de elektronica is dat weerstanden altijd een bepaalde tolerantie bezitten (bijv. ±10% in de E-12 Reeks en 5% 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, kan altijd een hogere weerstandswaarde gebruikt worden. Meer informatie
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
