Minimale led serieweerstand berekenen

Hoofdpagina  Categorie-index  Index

Vorige | Volgende

---

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

---

Inleiding

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. Bij die waarde kunt u een redelijke levensduur van de LED verwachten.

Bij LEDs moeten we 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. U zou kunnen denken dat de weerstand altijd vòòr de LED(s) moet worden gemonteert. 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).

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

- Ten eerste; hoeveel spanning de decoder afgeeft op de verlichtingsaansluiting. (gemeten tussen de blauwe en de witte, of tussen de blauwe en de gele draad. De diverse merken decoders geven (afhankelijk van de toegepaste centrale) niet allemaal dezelfde spanning af (bij diverse decoders zijn spanningen gemeten tussen 14,8 Volt en 19,6 Volt).
Die spanning zult u dus moeten meten, en aan de hand van de gemeten spanning de juiste weerstandwaarde gaan berekenen.

- Ten tweede; hoe hoog is de brandspanning ('stapspanning' genoemd) over de LED? Die stapspanning (V_f ofwel Vforward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden met Google op het 'WereldWijdeWeb'). Kunnen we de stapspanning niet op Internet vinden, dan kunnen we de stapspanning 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 universeelmeter hoeveel spanning er over de LED staat (rode draad van de meter aan de plus-zijde 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 Iforward) staat in de datasheet van de fabrikant (te vinden met Google op het 'WereldWijdeWeb').

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. 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 voorbeeld even uit van een voedingsspanning van 16 Volt. Over de LED valt, volgens de datasheet, een (stap)spanning 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
• Stapspanning 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 hier een koolfilmweerstand van 820 Ω of een metaalfilmweerstand van 750 Ω

We zien dus in bovenstaande berekening, dat bij een voedingsspanning van 16 Volt, en een maximale stoom van 20 mA, de minimale waarde van de voorschakelweerstand 730 Ω is. 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 zitten we meteen in de gevarenzone!

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.

Hier een rekenvoorbeeld, waarbij we ervan uitgaan dat de decoder meer spanning afgeeft, namelijk 18 Volt. We berekenen nu een voorschakelweerstand voor een LED-stroom van 10 mA.

• Voedingsspanning is 18 Volt
• Stapspanning 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 hier een koolfilmweerstand van 1800 Ω (1K8) of een metaalfilmweerstand van 1690 Ω (1K69).

Twee LEDs in serie

Afbeelding: 02

Serie-schakeling 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
• Stapspanning 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 hier 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 hier een metaalfilmweerstand van 1910 Ω of 1960 Ω (ofwel 1K91 0f 1K96).

De High Efficency/Low Current-LED

Een High Efficency/Low Current-LED geeft bij ongeveer 2 mA al een zee van licht. Stel, we hebben een voedingsspanning van 16 Volt. Over de LED is (volgens de datasheet) de stapspanning ongeveer 3,2 Volt.

We hebben nu weer een aantal gegevens voor de berekening:

• Voedingsspanning is 16 Volt
• Stapspanning 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 berekening, dat bij een voedingsspanning van 16 Volt, en een maximale stoom van 2 mA, de minimale waarde van de voorschakelweerstand 6400 Ω is. De dichtstbijzijnde hogere waarde in de E-reeks is 6800 Ω. Dus we gebruiken hier een weerstand van 6K8.

LET OP

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

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.

(voorbeeld 1, standaard LED)

• Voedingsspanning is 16 Volt
• Stapspanning 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 hier voldoende.

(voorbeeld 2, LowCurrent-LED)

• Voedingsspanning is 16 Volt
• Stapspanning 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 hier dus meer dan voldoende.

Berekening van de belastbaarheid van de voorschakelweerstand bij een hogere spanning

• Voedingsspanning is 18 Volt
• Stapspanning over de LED 2,9 Volt
• Spanning over de weerstand is 18 - 2,9 = 15,1 Volt
• Stroom door de LED is 20 milliAmpère

P = U × I, dus P = 15,1 × 0,02 = 0,302 Watt (afgerond 0,3 Watt)

We gebruiken hier dus géén weerstand van ¼ Watt, want die is net te licht, en wordt dus veel te warm. We nemen dus een weerstand met een belastbaarheid van ½ 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 met een groter belastbaar vermogen. De zwaarte van een weerstand heeft dus totaal niets met de weerstandwaarde, of met het gewicht ervan, te maken.

---

Meer informatie

Encyclopedie:
Artikel Cursus basis-elektronica	(zie: Cursussen)
Artikel Wat is een LED?
Artikel Hoe sluit u LED's aan?

Sjabloon:Link externSjabloon:Link externSjabloon:Link extern

Externe websites:

---

Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu

Vorige | Volgende

Contact met de redactie:

---