Een LED aansluiten

afbeelding van Frank

Een led is een lichtgevende diode. LED staat dan ook voor Light Emitting Diode. Een diode kunnen we vergelijken met een terugslagklep in een waterleiding, die zorgt er voor dat water slechts in één richting kan stromen. Een diode zal slechts stroom doorlaten in één richting, van de + naar de -.

Sysmbolen van diode en LED
200px-Diode_symbol.svg_.png
Diode

200px-LED_symbol.svg__0.png

LED

De twee zijden van een diode(led) noemt men de anode en de kathode. De anode is de + en de kathode de - om dit the onthouden kan je een ezelsbrugje gebruiken KNAP Kathode Negatief, Anode Positief als dat niet knap gevonden is ;-)

De theoretische diode werkt als een terugslagklep en laat stroom door van + naar - (zoals de pijl in het symbool aangeeft) en verbruikt zelf geen energie, het spanningsverlies zou dus 0V moeten zijn. Maar in praktijk verbruikt de diode wel energie en verlies je hierdoor spanning over een diode. Een gewone diode zorgt voor een verlies van 0,6V. De stroom die een diode kan verwerken is ook beperkt en kan je in de datasheet van de diode opzoeken.

Wanneer de stroom uit de andere richting komt dan wordt die geblokkeerd door de diode. De spanning die de diode in omgekeerde richting kan tegenhouden noemen we de sperspanning. Wanneer we de maximale sperspanning overschrijden brand de diode door.

Een veel voorkomende diode is de 1N4148 bij conrad te bestellen onder 162280-89 3€/100st. De 1N4148 kan een maximale stroom van 150mA verdragen en de maximale sperspanning is 75V, dit kan je lezen in de datasheet. We lezen dat spanningsverlies in doorlaatrichting over de diode varieert in functie van de stroomsterkte van 0,6V tot 1V. Verder lezen we ook de de diode lekt als deze in sper staat. De lekstroom hangt af van de sperspanning bij 20V bedraagt deze minder dan 25nA. nA Staat voor nano ampére, dat is dus minder dan 25 miljardste van een ampére. Hoe hoger de sperspanning hoe meer de lekstroom toeneemt.

aansluitingen LED
Tekening van Widimedia.org

Een LED werkt op dezelfde wijze manier maar er zijn toch enkele punten die onze aandacht vragen. Een led heeft meestal een stroom van 20mA nodig om te kunnen functioneren. De spanning die je dan verliest over de LED hangt af van de herlderheid kleur en diameter van de LED en varieert tussen de 2V en de 5V. De sperspanning van de meeste LED's schommelt tussen de 4V en de 5V. Zonder voorzorgsmaatregelen kan je dus geen LED aansluiten op een wisselspanning boven de 3,5V. Hoe je in praktijk de + en - pool van een led herkent zie je op nevenstaande tekening van wikimedia.org. Ik heb de grote versie afgedrukt en aan mijn werktafel opgehangen, dan hoef ik niet na te denken wanneer ik met LED's werk.

 

Een LED aansluiten op gelijkspanning.

Om een LED op gelijkspanning aan te sluiten hebben we een voorschakelweerstand nodig die de spanning verkleint die over de LED terecht komt. Om de waarde van de voorschakelweerstand te berekenen vertrekken we vanuit we weten over de LED.

led-voorschakelweerstand.jpg

Wanneer je een LED aansluit moeten we eerst weten wat de eigenschappen van de led zijn. In dit voorbeeld gerbuik ik een rode led van 5mm Conrad bestelnr: 184543-89. De led heeft een stroom van 20mA nodig ( If in de datasheet) en heeft daarbij een spanningsverlies van 2,25V (Uf in de datasheet).

Wanneer we de LED willen aansluiten op 15V dan moet de weerstand 15V - 2,25V = 12,75V op zich nemen.
De stroom door de weerstand is 20mA, want dat is de stroom die de led nodig heeft. De weerstand kunnen we dan bereken met de wet van Ohm R= U / I = 12.75 /0.02A = 637.5Ω. Die weerstand kunnen we niet kopen de kortst bijgelegen waarde in de E24 tabel is 620Ω, maar we zouden ook kunnen kiezen voor 680Ω, dan zal de led iets minder fel oplichten. Het vermogen van de weerstand berekenen we met de formule P = U x I =12,75 x 0.02 = 0.255W dus kom je toe met een weerstand van 1/4W.

Wanneer twee leds gelijktijdig moeten oplichten zullen we die in serie plaatsen, dan blijft de stroom 20mA, de spanning die over beide leds komt te staan verdubbeld en de spanning die over de weerstand komt te staan verkleint. Maar dat lukt natuurlijk alleen met LED die dezelfde hoeveelheid stroom gebruiken. Let wel op dat je LED's in serie plaatst die een zelfde stroom nodig hebben om te werken, de spanning is onbelangrijk, die tellen we gewoon op.

twee led met voorschakelweerstand.jpg

De stroom blijft 20mA, maar de spanning over beide leds wordt 2,25V+2,25V = 4,5V. Hierdoor wordt de spanning over de weerstand 10,5V. De waarde van de weerstand R= U / I = 10,5 / 0.02 = 525Ω. We kunnen nu kiezen uit 510Ω of 560Ω Hoe groter de weerstand hoe minder fel de LED's zullen oplichten. Kiezen we een te veel kleine weerstand dan zullen ze waarschijnlijk slechts éénmalig oplichten.

De meeste leds werken op een stroon van 10 tot 20 mA, sommige 10 tot 30mA hiervoor raadpleeg je steeds de datasheet. De spanning die over de leds komt te staan bij 20mA hangt af van de afmeting van de led, of het een gewone of zéér felle led is en de kleur. Voor led van een gewone helderheid kunnen uitgaan van volgende tabel:

Spanning bij een forward stroom If van 20mA
 kleur                                 Uf min            Uf max      
 rood 2,1V 2,4V
 geel 2,1V 2,4V
 groen  3,4V 3,8V
 blauw 3,4V 3,8V
 wit 3,4V 3,8V
 warm-wit      3,4V 3,8V

Wil je dit niet zelf berekenen dan kan je op internet terecht om de voorschakelweerstand te bereken.

Wanneer je beschikt over een Android smartphone of een Android tablet kan je ook een app gebruiken

Een LED op wisselspanning

Je kan een LED op wisselspanning aansluiten maar dan mag de wisselspanning niet groter zijn dan de sperspanning!

Je vraagt je waarschijnlijk af waarom, want we hebben toch de voorschakelweerstand.
We gaan even terug naar de LED op 15V maar nu wisselspanning.  Je moet weten dat de 15V de gemiddelde spanning is van de sinusvormige golf, de piek ligt √ 2  hoger dan het gemiddelde dus 15 x 1,414 = 21,21V. Dit is de spanning waartegen onze LED in sper moet bestand zijn. Wanneer de led niet zou lekken loopt er 0A door de voorschakelweerstand, uit de wet van Ohm leren we dat er dan OV over de weerstand staat U = RxI = 620Ω x 0A = 0V. Dus komt er 21,21V over de LED in sper te staan.
De meeste LED kunnen slechts 4V tot 5V in sper verdragen. De LED brand dus door!
De spanning waarbij een led doorslaat (doorbrandt) noemt men de breakdown spanning.
Op stackexchange vinden we hier een duidelijke tekening van terug.
 

Met dank aan staxechange : http://electronics.stackexchange.com/questions/177386/how-can-voltage-burn-out-an-led
http://electronics.stackexchange.com/questions/177386/how-can-voltage-bu...

Om dit probleem op te lossen plaatsen we een gewone diode in anti-parallel over de LED te plaatsen.

led_op_wisselspanning.jpg

Wanneer de + zich aan de zijde van de weerstand bevindt, loopt de stroom door de led, de sperspanning over de gewone diode (bv een 1N4148) is dan 2,25V dat is ruim onder de 75V die een 1N4148 aan kan in sper.

Wanneer de + zich aan de zijde van de led bevindt, loopt de stroom door de 1N4148, de sperspanning over de LED is nu 0.6V - 1V en dat is ruim onder de 4V a 5V die een LED verdraagt. De stroom door de weerstand wordt wat groter omdat onze diode slechts 0.6V op zich neemt. Er staat dus nu 14.4 Volt over de weerstand van 620Ω. Met de wet van Ohm kunnen we de stroom door de weerstand berekenen, I = U / R = 14,4V / 620Ω =  23mA. De 23mA is ruim onder de 150mA die de 1N4148 aan kan. De weerstand verbruikt nu het volgende vermogen: P = U x I = 14,4V x 23mA = 0.33W wat toch een stuk boven de 0.25W is wat de weerstand aan kan. Dit laat mij besluiten dat je beter een weerstand van 1/2W neemt als voorschakelweerstand in deze schakeling.

 

Disclaimer van Aansprakelijkheid:
Het gebruik van alle schema's formules en alle installatie instructies, berekeningen die kunnen worden gevonden op deze site volg je op eigen risico. Alle formules, tabellen, berekeningen werden gecontroleerd, maar er is geen garantie dat ze foutvrij zijn. Alles is gemaakt voor eigen gebruik, en ik vind ze zeer nuttig. Daarom wil ik ze hierbij delen met andere modelspoorweg hobbyisten. Al de items en procedures zijn getest op mijn eigen modelbaan, zonder dat deze enige schade heeft veroorzaakt. Maar dit wil natuurlijk niet noodzakelijk zeggen dat alle schema's in elke omgeving of op elk systeem zal werken. Ik kan natuurlijk geen aansprakelijkheid aanvaarden voor wat ik niet zelf heb gebouwd of heb berekend. Gebruik dus altijd je eigen oordeel en gezond verstand!