Minimale led serieweerstand berekenen

Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu

Vorige | Volgende

---

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

---

Inleiding

Er bestaan LEDs met draadjes er aan gemonteerd, welke in een print gestoken worden, en er bestaan SMD-LEDs, welke 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 bepaald hoeveel licht de LED geeft. De spanning over de diode blijft echter (nagenoeg) gelijk.
Een LED is dus stroomgestuurd. De fabrikant geeft dan ook een maximale waarde voor de LED-stroom op (staat vermeldt in de datasheet). Bij die waarde kunt u een redelijke levensduur van de LED verwachten.

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. U hoeft er alleen maar voor te zorgen dat u de LED in de doorlaatrichting aansluit (met de Anode aan de plus). Zie ook: De plaats van de voorschakelweerstand in het artikel Hoe sluit u LED's aan?.

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

- Ten eerste;
De spanning. U zult de spanning moeten meten, om aan de hand daarvan de juiste weerstandwaarde te kunnen berekenen.
Bij een decoder: meet hoeveel spanning de decoder afgeeft op de verlichtingsaansluiting. Meet tussen de blauwe en de witte, of tussen de blauwe en de gele draad. De diverse merken decoders geven niet allemaal dezelfde spanning af (bij diverse decoders zijn spanningen gemeten tussen 14,8 Volt en 19,6 Volt). Dit is afhankelijk van de toegepaste centrale.
Bij interieurverlichting in rijtuigen: hier dient u, met een aan de rails verbonden gelijkrichter en daaraan verbonden elco, te meten hoe hoog de spanning op de elco is. Zie: het artikel 'Rijtuigverlichting (interieurverlichting)' bij 'Meer informatie'.

- Ten tweede; hoe hoog is de brandspanning ('drempelspanning' genoemd) over de LED? Die drempelspanning (V_f ofwel V_forward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden met Google op het 'WereldWijdeWeb'). Kunt u de drempelspanning niet op Internet vinden, dan kunt u de drempelspanning ook heel eenvoudig zelf opmeten.
Sluit een weerstand van 1K2 (1200 Ω) aan op de Anode van de LED en sluit de andere zijde van de weerstand aan op de plus van een voeding van 12 Volt. 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).
Hoe u LED's aan moet sluiten kunt u zien in het artikel 'Hoe sluit u LED's aan?' (zie: "Meer informatie').

- Ten derde; hoeveel stroom mag er maximaal door de LED lopen? Die maximale stroomsterkte (I_f ofwel I_forward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden met Google op het 'WereldWijdeWeb'). Let wel, dit is de maximale stroomsterkte. In de praktijk gaat u uit van de helft van die maximumwaarde.

Minimale waarde van de voorschakelweerstand

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 of LEDs niet wordt overschreden.
Voor het berekenen van die minimale waarde van de voorschakelweerstand passen we de Wet van Ohm toe. Dat gaat volgens de formule: Rx = (U - U^Led) / I^Led. Hierbij is U de voedingsspanning, U^Led de stapspanning over de LED en I^Ledde stroom door de LED.

Hier een rekenvoorbeeld:
Stel, we hebben een LED die, volgens de datasheet van de fabrikant, maximaal 20 mA mag hebben (kan verwerken) en we sluiten die LED 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 1,4 Volt.

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

We hebben nu een aantal gegevens voor de berekening:

• Voedingsspanning is 16 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 1,4 Volt.
• Spanning over de weerstand is 16 - 1,4 = 14,6 Volt.
• Stroomsterkte door de LED is max. 20 mA = 0,02 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = 14,6 / 0,02 (V/I = Ω)

De uitkomst is dan: 730 Ω (Ohm).

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 820 Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een koolfilmweerstand van 820 Ω of een metaalfilmweerstand van 750 Ω

We zien dus in bovenstaande voorbeeldberekening dat, bij een voedingsspanning van 16 Volt, en een maximale stoom van 20 mA, de minimale waarde van de voorschakelweerstand 730 Ω moet zijn.

Een maximale waarde 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 730 Ω, en de experimenteel vastgestelde maximumwaarde kunt u toepassen.

Het toepassen van de maximaal toelaatbare stroomsterkte houdt echter een groot risico in. Zodra de voedingsspanning ook maar even iets hoger wordt dan de gemeten waarde, zal de LED-stroom sterk toenemen en zit u (of beter gezegd, de LED) meteen in de gevarenzone!

LET OP

Neem nooit een lagere waarde dan u berekend heeft, want dan is de stroom door de LED te hoog en zal deze gegarandeerd defect raken!!

De praktijk

In de praktijk zullen we voor de locomotiefverlichting geen 20 mA 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 10 mA al ruim voldoende. Bij de achterverlichting gaan we uit van 8 mA. 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.

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 mA.

• 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 mA = 0,01 Ampère.

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

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = 16,6 / 0,01

De uitkomst is dan: 1660 Ω

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1800 Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een koolfilmweerstand van 1800 Ω (1K8) of een metaalfilmweerstand van 1690 Ω (1K69).

Rekenvoorbeeld 2:
Stel, we hebben een voedingsspanning van 18 Volt. We gebruiken een warmwitte LED met een stapspanning van 3,1 Volt. We willen een stroomsterkte van 10 mA.

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 mA = 0,01 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = 14,9 / 0,01

De uitkomst is dan: 1490Ω

We zien in bovenstaande berekening dat, bij een voedingsspanning van 18 Volt, en een maximale stoom van 10 mA, de waarde van de voorschakelweerstand 1490Ω is. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 1500Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 1K5.

Twee LEDs in serie

Afbeelding: 02

Serieschakeling twee LEDs

Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij twee LEDs in serie voor de frontverlichting, moet u twee maal de stapspanning nemen en gaat de berekening als volgt:

• Voedingsspanning is 18 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 1,4 Volt.
• Spanning over de weerstand 18 - (2 x 1,4) = 15,2 Volt.
• Stroomsterkte door de LED is 10 mA = 0,01 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = 15,2 / 0,01

De uitkomst is dan: 1520 Ω

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1600 Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een koolfilmweerstand van 1600 Ω (1K6) of een metaalfilmweerstand van 1540 Ω (1K54).

Voor de achterverlichting, met twee LEDs in serie, komen we bij een stroom van 8 mA op een weerstandswaarde van 1900 Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een metaalfilmweerstand van 1910 Ω of 1960 Ω (ofwel 1K91 of 1K96).

De High Efficiency/Low Current LED

Een High Efficiency/Low Current LED geeft bij ongeveer 2 mA al een zee van licht. Stel, we hebben een voedingsspanning van 16 Volt. In het volgende rekenvoorbeeld is de stapspanning 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 max. 2 mA = 0,002 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = 12,8 / 0,002

De uitkomst is dan: 6400 Ω

We zien in bovenstaande voorbeeldberekening, dat bij een voedingsspanning van 16 Volt, en een maximale stoom van 2 mA, de waarde van de voorschakelweerstand 6400 Ω is. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 6800 Ω. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 6K8.

Rekenvoorbeeld 2:
Bij een analoge baan wordt gebruik gemaakt van een trafo met een gelijkspanning van 14 Volt op de railuitgang. Over de bruggelijkrichter valt 1,4 Volt. Voor de LED's gaan we uit van 'Low Current' types, dus we gaan uit van een maximale stroomsterkte van 2 mA ofwel 0,002 A. De stapspanning over een 'Low Current' LED is ongeveer 2 Volt. De waarde van R1 berekenen we als volgt:
We moeten eerst de stapspanning over de gelijkrichter van de voedingsspanning aftrekken: 14 - 1,4 = 12,6 Volt. Over beide LED's valt in totaal 4 Volt. We moeten dus 12,6 - 4 = 8,6 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we dan tot: R = 8,6 / 0,002. R1 = 4300Ω. Eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 4.700Ω. We nemen in dit rekenvoorbeeld dus een weerstand van 4K7.

Wanneer u drie LEDs in serie wilt gaan gebruiken, zult u weerstand R1 opnieuw moeten berekenen. We hebben nu namelijk een spanningsverschil van drie maal de drempelspanning over de LED's staan. Over de LEDs valt nu 3 x 2 = 6 Volt. We moeten dus 12,6 - 6 = 6,6 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we nu tot: R = 6,6 / 0,002. R1 = 3300Ω. De eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 3900Ω. We nemen dus bij de drie LEDs in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 3K9.

Rekenvoorbeeld 3:
We hebben een simpele voeding: een trafo met bruggelijkrichter en een elco. Op de elco meten we 17,5 Volt. Voor de LEDs gaan we weer uit van 'Low Current' types, dus de maximale stroomsterkte is 2 mA ofwel 0,002 A. De drempelspanning over een 2 mA LED is ongeveer 2 Volt. De waarde van R1 berekenen we als volgt:
Voedingspanning is 17,5 Volt. Over beide LEDs valt bijv. 4 Volt. We moeten dus 17,5 Volt - 4 = 13,5 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we dan tot: R = 13,5 / 0,002. R1 = 6750Ω. Eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 6680Ω. We nemen dus een weerstand van 6K68.

Wanneer u drie LEDs in serie wilt gaan gebruiken, zult u weerstand R1 opnieuw moeten berekenen. We hebben nu namelijk drie maal de drempelspanning over de LEDs staan. Over de LEDs valt nu bijv. 3 x 2 = 6 Volt. We moeten dus 17,5 - 6 = 11,5 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we nu tot: R = 11,5 / 0,002. R1 = 5750Ω. De eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 5760Ω. We nemen dus bij drie LEDs een weerstand van 5K76.

Rekenvoorbeeld 4: Wanneer u een spanningstabilisatie IC toepast zoals de uA78L12 ziet de berekening er zo uit:
De uitgangsspanning van de 78L12 is 12 Volt. Over beide LEDs valt bijv. 4 Volt. We moeten dus 12 - 4 = 8 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we dan tot: R = 8 / 0,002. R1 = 4000Ω. Eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 4020Ω. We nemen dus een weerstand van 4K02.

Wanneer u drie LEDs in serie wilt gaan gebruiken, zult u weerstand R1 opnieuw moeten berekenen. We hebben nu namelijk drie maal de drempelspanning over de LEDs staan. Over de LEDs valt nu bijv. 3 x 2 = 6 Volt. We moeten dus 12 - 6 = 6 Volt 'wegwerken' met R1. Volgens de formule R = U / I komen we nu tot: R = 6 / 0,002. R1 = 3000Ω. De eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 3010Ω. We nemen dus bij de drie LEDs in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 3K01.

Berekening van de belastbaarheid van de voorschakelweerstand

De belastbaarheid ofwel 'het vermogen' van de voorschakelweerstand berekent u met de volgende formule:

P = U x I. Hierbij is P het vermogen, U de voedingsspanning en I de stroomsterkte.

(rekenvoorbeeld 1, standaard LED)

• Voedingsspanning is 16 Volt
• Drempelspanning over de LED is 1,4 Volt
• Spanning over de weerstand is 16 - 1,4 = 14,6 Volt
• Stroomsterkte door de LED is 10 milliAmpère.

P = U × I, dus P = 14,6 × 0,01 = 0,146 Watt. (afgerond 0,15 Watt)

Een weerstand met een belastbaar vermogen van ¼ Watt (éénvierde) Watt is in dit rekenvoorbeeld voldoende.

(rekenvoorbeeld 2, 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 twee milliAmpère.

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

Een weerstand met een belastbaar vermogen van ⅛ (éénachtste) Watt is in dit rekenvoorbeeld dus meer dan voldoende.

Berekening van de belastbaarheid van de voorschakelweerstand bij een hogere spanning

Rekenvoorbeeld:

• 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.

Koolfilm of metaalfilm?

Er zijn twee typen weerstanden in de handel verkrijgbaar; koolfilm en metaalfilm. Voor toepassingen met LEDs voldoet een koolfilmweerstand prima. Probleem is alleen dat de weerstandwaarden in de E12 en E24-reeksen nogal ver uit elkaar liggen. Bij de (iets duurdere) metaalfilmweerstanden zijn in de E48, E96 en E192-reeksen vaak weerstandwaarden te vinden die dichter in de buurt van de berekende waarden liggen.

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', bedoeld 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.

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 5 procent in de E24-Reeks). Door nu de eerstvolgende hogere waarde te nemen voorkomt men 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 LED(s), maar dat is geen enkel probleem. De moderne LEDs geven zoveel licht dat het effect van die iets lagere stroomsterkte verwaarloosbaar is.

---

Meer informatie

Encyclopedie:
Artikel Cursus basiselektronica	(zie: Cursussen)
Artikel Wat is een LED?
Artikel Hoe sluit u LED's aan?
Artikel Rijtuigverlichting (interieurverlichting)

Sjabloon:Link externSjabloon:Link externSjabloon:Link extern

Externe websites:

---

Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu

Vorige | Volgende

Contact met de redactie:

---