Minimale led serieweerstand berekenen

Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu

Vorige | Volgende

---

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

---

Inleiding

Er bestaan LED's met (korte) draadjes er aan gemonteerd, welke in een print gestoken worden, en er bestaan SMD-LED's, 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.

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 LED's 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). 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 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 artikelHoe 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 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 - U^Led) / I^Led. Hierbij is R de waarde van de weerstand die we willen berekenen, U de voedingsspanning in Volt, U^Led de drempelspanning over de LED in Volt en I^Ledde stroom door de LED in Ampère;.
We verminderen de voedingsspaning U dus met de spanning over de LED('s) U^Led.

Hier een rekenvoorbeeld:
Stel, we hebben twee LED's en we sluiten die LED's 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 LED's is 12 milliAmpère = 0,012 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (16 - 1,9) / 0,012 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 koolfilmweerstand of een metaalfilmweerstand (E24-reeks) van 1200 Ohm (1k2). Bij gebruik van SMD-LED's 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 LED's in serie, de minimale waarde van de voorschakelweerstand 1175 Ohm moet zijn.

Een maximale waarde voor de LED-stroom 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

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 10 tot 12 milliAmpère door de LED's 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 milliAmpère meestal ruim voldoende. Bij de achterverlichting gaan we uit van 8 milliAmpère. Bij een dergelijke stroom geven de moderne LED's 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 = 16,8 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 = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (18 - 1,4) / 0,01 ofwel R = 16,8 / 0,01

De uitkomst is dan: 1680 Ohm.

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1800 Ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een koolfilmweerstand van 1800 Ohm (1k8) of een metaalfilmweerstand van 1690 Ohm (1k69).

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 = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (18 - 3,1) / 0,012 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 stoom 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 LED's in serie

Afbeelding: 02

Serieschakeling twee LED's

Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij twee LED's in serie voor de frontverlichting, moet u twee maal de drempelspanning nemen en gaat de berekening als volgt:

• Voedingsspanning is 18 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 1,4 Volt. Bij twee stuks in serie is dat 2,8 Volt.
• Spanning over de weerstand 18 - 2,8 = 15,2 Volt.
• Stroomsterkte door de LED is 10 milliAmpère = 0,01 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (18 - 2,8) / 0,012 ofwel R = 15,2 / 0,01

De uitkomst is dan: 1520 Ohm

De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E12-reeks is 1600 Ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een koolfilmweerstand van 1600 Ohm (1k6) of een metaalfilmweerstand van 1540 Ohm (1k54).

Voor de achterverlichting, met twee LED's in serie, komen we bij een stroom van 8 milliAmpère op een weerstandswaarde van 1900 Ohm. Dus we gebruiken in dit rekenvoorbeeld een metaalfilmweerstand van 1910 Ohm of 1960 Ohm (ofwel 1k91 of 1k96).

---

De High Efficiency/Low Current LED

Rekenvoorbeeld 1:

Een High Efficiency/Low Current LED geeft bij ongeveer 2 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 2 milliAmpère = 0,002 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (16 - 3,2) / 0,012 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 stoom 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 2:

We hebben een simpele voeding: een trafo met bruggelijkrichter en een elco. Op de elco meten we 17,5 Volt. Voor de LED's 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 LED's 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 LED's 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 = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (17,5 - 4) / 0,002 ofwel R = 13,2 / 0,002

De uitkomst is dan: 6750 Ohm.

Eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks en de E24-Reeks is 6800 Ohm. We nemen dus een weerstand van 6k8.

Drie LED's in serie.
Wanneer u drie LED's in serie wilt gaan gebruiken, zult u weerstand R1 opnieuw moeten berekenen. We hebben nu namelijk drie maal de drempelspanning over de LED's staan.

• Voedingsspanning is 17,5 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 2 Volt. Over de drie LED's in serie valt in totaal 6 Volt.
• Spanning over de weerstand is 17,5 - 6 = 11,5 Volt.
• Stroomsterkte door de LED is 2 milliAmpère = 0,002 Ampère.

Zetten we die waarden in de formule dan krijgen we:

R = (U - U^Led) / I^Led ofwel R = (17,5 - 6) / 0,002 ofwel R = 11,5 / 0,002

De uitkomst is dan: 5750 Ohm.

Eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks is 6800 Ohm en in de E24-Reeks is dat 6200 Ohm. We nemen dus bij drie LED's een weerstand van 6k8 of 6k2.

Rekenvoorbeeld 3:

Wanneer u een spanningstabilisatie IC toepast zoals de uA78L12 ziet de berekening er zo uit:
De uitgangsspanning van de 78L12 is 12 Volt.

• Voedingsspanning is 12 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 2 Volt. Over beide LED's in serie valt in totaal 4 Volt.
• Spanning over de weerstand is 12 - 4 = 8 Volt. We moeten dus 8 Volt 'wegwerken' met weerstand R.
• Stroomsterkte door de LED is 2 milliAmpère.

Zetten we die waarden in de formule, dan krijgen we:

R = (U - U^Led's) / I^Led's ofwel R = (12 - 4) / 0,002 ofwel R = 8 / 0,002

De uitkomst is dan 4000 Ohm. Eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks is 4k2 en in de E24-Reeks is dat 4020 Ohm. We nemen in dit rekenvoorbeeld dus een weerstand van 4k2 of 4k02.

Drie LED's in serie.
Wanneer u drie LED's in serie wilt gaan gebruiken, zult u weerstand R1 opnieuw moeten berekenen. We hebben nu namelijk drie maal de drempelspanning over de LED's staan. Over de drie LED's in serie valt nu bijv. 3 x 2 = 6 Volt. We moeten dus 12 - 6 = 6 Volt 'wegwerken' met weerstand R.

• Voedingsspanning is 12 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 2 Volt. Over de drie LED's in serie valt in totaal 6 Volt.
• Spanning over de weerstand is 12 - 6 = 6 Volt. We moeten dus 6 Volt 'wegwerken' met weerstand R.
• Stroomsterkte door de LED is 2 milliAmpère.

Zetten we die waarden in de formule, dan krijgen we:

R = (U - U^Led's) / I^Led's ofwel R = (12 - 6) / 0,002 ofwel R = 6 / 0,002

De uitkomst is dan 3000 Ohm. Eerstvolgende hogere waarde in de E12-Reeks is 3k3 en in de E24-Reeks is dat 3010 Ohm. We nemen in dit rekenvoorbeeld dus een weerstand van 3k3 of 3k1.

Rekenvoorbeeld 4:

Hier geven we een voorbeeld dat eigenlijk onrealistisch is, want bij een analoge baan brandt de verlichting alleen op volle sterkte wanneer de regelaar helemaal open staat. Zodra u de snelheid van de locomotief terugnemen, zal ook de verlichting minder fel gaan branden.

Bij een analoge baan wordt gebruik gemaakt van een trafo met een gelijkspanning van 14 Volt op de railuitgang. We gebruiken een bruggelijkrichter en daaraan gekoppeld een elco. Over de bruggelijkrichter valt 1,4 Volt. Over de elco staat dan een spanning van 14 - 1,4 = 12,6 Volt. Voor de LED's gaan we uit van 'Low Current' types, dus we gaan uit van een maximale stroomsterkte van 2 milliAmpère ofwel 0,002 A. De drempelspanning over een 'Low Current' LED is ongeveer 2 Volt. De waarde van R berekenen we als volgt:

• Voedingsspanning is 12,6 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 2 Volt. Over beide LED's in serie valt in totaal 4 Volt.
• Spanning over de weerstand is 12,6 - 4 = 8,6 Volt. We moeten dus 8,6 Volt 'wegwerken' met weerstand R.
• Stroomsterkte door de LED is 2 milliAmpère.

Zetten we die waarden in de formule, dan krijgen we:

R = (U - U^Led's) / I^Led's ofwel R = (12,6 - 4) / 0,002 ofwel R = 8,6 / 0,002

De uitkomst is dan 4300 Ohm. Eerstvolgende hogere waarde in de E-Reeks is 4700 Ohm. We nemen in dit rekenvoorbeeld dus een weerstand van 4k7.

Drie LED's in serie.
Wanneer u drie LED's 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.

• Voedingsspanning is 12,6 Volt.
• Drempelspanning over de LED is 2 Volt. Over de drie LED's in serie valt in totaal 6 Volt.
• Spanning over de weerstand is 12,6 - 6 = 6,6 Volt. We moeten dus 6,6 Volt 'wegwerken' met weerstand R.
• Stroomsterkte door de LED is 2 milliAmpère.

Zetten we die waarden in de formule, dan krijgen we:

R = (U - U^Led's) / I^Led's ofwel R = (12,6 - 6) / 0,002 ofwel R = 6,6 / 0,002

De uitkomst is dan 3300 Ohm.

De eerstvolgende hogere waarde in de E24-Reeks en E-24-Reeks is 3300 Ohm. We nemen dus bij de drie LED's in dit rekenvoorbeeld een weerstand van 3k3.

---

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 2 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 LED's 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 vijf 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 LED's 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:

---