6. LEDs....workshop

LEDs achtergrond informatie

1. Inleiding:
Zonder theoretische kennis maak je jezelf moeilijk om met LED's te willen werken.
Al je tijd en moeite om een mooi project te maken met LED's gaat dan verloren door je gebrek aan kennis. Slechts een kwartiertje vrijmaken om je te verdiepen met theoretische achtergrondkennis kan veel frustratie en tijdverlies voorkomen.
 
2. Eerst enige definities:
 
Spanning: 
 
Stroom: Elektrische stroom wordt weergegeven met de letter I (Intensiteit) en kan worden beschreven als "verplaatsing van elektrische lading" per tijdseenheid, in formulevorm: lading (Q) = stroom (I) x tijd (t), Q=I.t
 
Elektrische weerstand en de vergelijking met water:
'Elektrische stroom' en 'elektrische spanning' kun je vergelijken met het gedrag van water. Bijvoorbeeld: Een groter drukverschil tussen waterbronnen  zal een sterkere waterstroom veroorzaken. Een tuinslang die wordt dichtgeknepen veroorzaakt een sterkere waterstraal omdat de druk groter wordt. Waterdruk kan met vergelijken met elektrische spanning.
Elektrische weerstand kan dan worden vergeleken met een vernauwing in een waterleiding. Over de vernauwing ontstaat een drukverschil, net zoals over elektrische weerstand een spanning ontstaat. Een weerstand werkt dus de stroom tegen. Een waterkraan is bijvoorbeeld te vergelijken met een variabele weerstand of een potmeter: Als de kraan dicht staat is de weerstand te hoog en loopt er geen stroom.
Elektrische weerstand is de verhouding tussen spanning en de stroom, uitgedrukt in de wet van Ohm (U = I * R ) waarbij de weerstand R (van Resistance, weerstand) de constante factor is in de verhouding U / I. Dmv weerstanden kan men in elektrische circuits de hoeveelheid stroom regelen. 
 
  • Een hoeveelheid water is te vergelijken met een hoeveelheid elektrische lading.
  • Waterdruk is te vergelijken met elektrische spanning.
  • Waterstroom is te vergelijken met elektrische stroom.
  • Een rivier of kanaal of een buis waar het water doorheen stroomt, is te vergelijken met een elektrische geleider.
  • Een waterstroom die hoog uit de bergen komt is te vergelijken met een elektrische stroombron.
  • Een groot waterbekken is te vergelijken met een elektrische spanningsbron zoals een batterij of accu.
  • Een watermolen is te vergelijken met een elektrische motor.
3. Wat is een Led?
De meesten zullen zeggen dat en Led een 'lampje' is. Dat is waar. Maar het is wel een zeer speciaal soort lampje. Behalve dat iedere led een lampje is met een speciale lichtfrequentie (zie figuur 4), werkt een ledlampje tevens als diode. De afkorting is Light Emitting Diode.Een diode laat alleen maar vanaf 1 kant stroom door namelijk van + naar -, de andere kant op, van - naar + houdt een diode de stroom tegen.
 
4.Eigenschappen van een led.
De eigenschap van een diode - dus ook die van een led - maakt dat het ledlampje alleen stroom doorlaat die loopt van de + pool naar de - pool maar niet van de - naar de + pool. Dus alleen stroom die loopt van + naar - kan de led doen laten branden. Het gevolg van deze eigenschap maakt dat een omgepoolde led niet brandt. De plus en minrichting van een led kun je eenvoudig bepalen door de kenmerken die door fabrikanten zijn aangebracht te herkennen:
 
  • Lange poot is de plus en de korte de min (zie figuur 1).
  • Het min pootje zit aan de platte kant van de behuizing (zie figuur 1 en 2). 
Hieronder zie je tevens het schemasymbool van een led (figuur 2). De richting van de pijl wijst in de richting van de doorlaatstroom: +  --> - . De - pool is aangebracht aan de kant van het streepje. Denkbeeldig houdt het dwarsstreepje na de pijl de stroom tegen die van -  naar + wil lopen.  
 
 
 
 
   
           figuur 1                                                                                              figuur 2
 
 
5. Oplettten
Leds zijn erg gevoelig voor een te grote stroom. De gewenste stroom is ca. 20mA, dat is 20/1000-ste Ampere. Indien er een stroom (I) door een component zoals een weerstand stroomt ontstaat er een spanning (U). Ook bij ledstroom ontstaat een bepaalde spanning (U). Er loopt dus niet alleen een elektrische stroom door de led van ongeveer 20mA maar er komt dan ook gelijktijdig een elektrische spanning over de led te staan.   
 
Bijvoorbeeld:
20 mA stroom door een rode led komt overeen met 1,9 V spanning over de rode led.
20 mA stroom door een groene led komt overeen met 2,1 V spanning over de groene led.
 
Een te grote stroom door componenten noemen we overbelasting. Leds kunnen slechts gedurende korte tijd enigszins overbelast worden door te grote stroom, maar niet te lang! Onderstaande grafiek laat zien hoe snel de stroom toeneemt als je de led ook maar enigszins overbelast. Als we de rode led als voorbeeld nemen kun je uit de grafiek opmaken dat een kleine verhoging van de spanning (horizontale as) van een spanning van slechts enkele tienden Volt een dubbele stroomopname door de led geeft (verticale as). Hierdoor gaat de led al snel kapot. De ideale ledstroom komt dus erg nauw.
 
Een te lage spanning is ook nadelig. Een te lage spanning zorgt ervoor dat de led niet eens kan branden. Bijvoorbeeld een te lage spanning van ca 1,6 a 1,7 Volt over een rode led zorgt ervoor dat deze led niet- of amper brandt.
 
Leds zijn verkrijgbaar in allerlei verschillende kleuren. De verschillende kleuren worden veroorzaakt door het gebruik van verschillende halfgeleidermaterialen. Deze worden in leds verwerkt en veroorzaken hun eigen specifieke lichtfrequentie bij de leds. (Zie figuur 4). Buiten dat krijgen de leds daardoor ook een eigen specifieke spanning bij een stroom van 20 mA.
 
6. Spanningen over leds bij een stroom van 20 mA:
 
infra rood : 1,2 V
diep rood : 1,8 V
rood         : 1,9 V
oranje      : 1,9V
geel         : 2,1 V 
groen       : 2,2 V
wit            : 3,5V
 
 
figuur 3: verhouding gewenste stroom 20 mA en doorlaatspanning over de led
 
 
 
figuur 4: lichtfrequenties
 
7.  instellen van de juiste hoeveelheid stroom door een led:

 
 
 
 
figuur 5
 
 
 
Bovenstaand schema uit figuur 5 maakt duidelijk dat we te maken hebben met 3 verschillende spanningen:
  • de batterijspanning,
  • de spanning over de voorschakelweerstand VR
  • en de spanning over de led VD.
  • de batterijspanning Vbat is gelijk aan de optelsom van de spanning over de componenten VR en VD
Voor diegenen die nog steeds niet weten wat spanning en stroom inhoudt (zie definitie bij 2):
 
batterijspanningen:
Iedereens kent hoogstwaarschijnlijk wel de batterijen van het type AA of AAA.
Maar ook de platte 4,5V of 9,0 V batterijblokken zijn wel bekend. De spanning van een AA of AAA batterij bedraagt 1,5V.
 
  • 2 AA batterijen (of AAA) achter elkaar geplaatst bedraagt 3,0 V.
  • 3 AA (A) batterijen leveren 3x 1,5 V = 4,5V
  • 4 AA(A) = 4 x 1,5V = 6,0 V 
  • 6 AA(A) = 6 x 1,5 V = 9,0V en tenslotte
  • 8 AA(A) = 8 x 1,5 V = 12,0 V.
  • Dan zijn er daarbuiten ook nog de batterijblokken 4,5V en 9,0 V.    
8. Plan van aanpak:
Doel:
de juiste hoeveelheid stroom ter grote van 20 mA door een led laten lopen:
 
Aanpak:
1. Gaan we deze leds in een serie- of parallelopstelling gebruiken, of een combinatie hiervan?
2. Hoeveel leds gaan we gebruiken?
 
3. Aan de hand van 1 en 2 bepalen we de benodigde batterijspanning.
4. De hoogte van de batterijspanning bepaalt of we een voorschakelweerstand nodig hebben.
5. Indien nodig bereken we de grootte van de voorschakelweerstand.
 
9. achtergrond serie en parallelschakelingen:
 
Misschien vraag je je nu af: wat is eigenlijk een serie of een parallelschakeling? Daarover is op internet veel te vinden. Het algemene principe vind je hieronder in figuur   Bijvoorbeeld:  Berekenen van LEDs en het maken van schema's: http://led.linear1.org/led.wiz
 
 
 
 
 
figuur 6. Algemeen principe van serie en parallelschakeling bij lampjes.

 
   
Hier enkele praktische schematische voorbeelden, allereerst een voorbeeld:
 
figuur 7
 
 
Figuur 7 als voorbeeld:
hoe spanningen in een serieschakeling zich verdelen
onder leds en voorschakelweerstand.
 
 
We zien:
dat de batterijspanning  9 V bedraagt.
We zien:
dat de spanning over de leds en voorschakelweerstand samen ook 9 V bedraagt =>
 
Vtotaal batterijen = Vtotaal schakeling.
 
Dus:
spanning rode + groene led (zie punt 6) = 2,2 + 1,9 = 4,1 V. =>
 
 
Vbatterijen = Vschakeling =>
 
9V  = 4,1V  + Vvoorschakelweerstand =>
 
Vvoorschakelweerstand = 9 - 4,1 V = 4,9 V.
 
 
Stroom die door een led stroomt bedraagt 20 mA.
 

Berekening nu de waarde van de voorschakelweerstand:
 
oplossing:
wet van ohm: U = I * R.
invullen: 4,9 V  = 0,020 A  * R => R = 4,9/ 0,020 =  470 ohm.

 
9 A Serieschakelingen, voorbeelden:
 
Vergeet niet:
De waarde van de voorschakelweerstanden is afhankelijk van de gebuikte (batterij)spanning.
 
situatie 1 (zie onder)
batterij: 9V
1 groene led
schakelaar.
 
vragen:
a). Wat is de gewenste stroom?
b). Hoeveel spanning staat normaal gesproken over de groene led?
c). Wat is de batterijspanning?
d). Welke waarde krijgt dan de voorschakelweerstand?
 
oplossing:
a). Normaal gesproken is de stroom 20 mA.
b). In onderdeel 6 kunnen we aflezen dat er over een groene led een spanning behoort te staan van 2,2 V.
c). De batterijspanning bedraagt 9 V
d). Over de voorschakelweerstand staat dus een spanning van 9 V - 2,2 V = 6,8 V
De stroom door de led is 20 mA en die is even groot als de stroom door de weerstand, dus 20 mA.
We passen de wet van Ohm toe, Uvoorschakelweerstand  = I x R dus:  6,8 V  = 0,020 A  * R  => R = 6,8 / 0,020 = 340 ohm 
 
 
 
situatie 2:
batterij: 9V
3 leds, namelijk, 1 rode led + 1 gele led + 1 groene led. Deze staan nu in serie.
schakelaar.
 
Oplossing:
Weer de 3 bekende vragen:.
a). Wat is de gewenste stroom?
b). Hoeveel spanning staat normaal gesproken over de groene, gele en rode led?
c). Wat is de batterijspanning?
d). Welke waarde krijgt dan de voorschakelweerstand?
 

a). De stroom door de 3 leds die in serie staan is 20 mA en die is even groot als de stroom door de weerstand, dus 20 mA.
b). In onderdeel 6 kunnen we aflezen dat er over een groene led een spanning behoort te staan van 2,2 V over de gele led 2,1 V  en over de rode led 1,9V. Omdat ze nu in serie staan worden de spanningen bij elkaar opgeteld: 2,2 + 2,1 + 1,9 V = 6,2 V.
c). De batterijspanning bedraagt 9 V
d). Over de voorschakelweerstand staat dus een spanning van 9 V - 6,2 V = 2,8 V
We passen weer de wet van Ohm weer toe, Uvoorschakelweerstand  = I x R

dus: 
 
2,8 V  = 0,020 A  * R  => R = 2,8 / 0,020 = 140 ohm   

 
situatie 1                                                                        situatie 2
 
9 B Parallel geschakelde LEDs.
 
Bij  parallel geschakelde leds wordt de berekening anders. Bij meerdere leds worden de spanning nu niet opgeteld zoals bij een serieschakeling. De spanning over de leds +  voorschakelweerstand blijft nu hetzelfde als de batterijspanning. Dus als in onderstaande parallelschakeling van figuur 7 een spanning staat van 3,0 V (oftewel 2 AA batterijen) dan is de spanning over 1 led + voorschakelweerstand ook 3,0 V (zie figuur 8). Het verschil met de serieschakeling is echter dat er door het hele stroomcircuit geen 20 mA loopt, maar 2x 20 mA, zie figuur 9.
 
De berekening van de voorschakelweerstand verloopt weer volgens hetzelfde principe en structuur:
 
 
 
Gegeven:
Spanning van de batterij: 3V
2 leds, namelijk, 2 gele leds. Deze staan nu parallel.
Bereken voorschakelweerstand.
 
 
Weer de 3 bekende vragen:.
a). Wat is de gewenste stroom?
b). Hoeveel spanning staat normaal gesproken over de gele leds?
c). Wat is de batterijspanning?
d). Welke waarde krijgt dan de voorschakelweerstand?
 
Oplossing:  
a). 20 mA per led.
b). 2,1 V
c). 3,0 V
d). wet van Ohm: U = I * R. Er staat 3,0 V over de voorschakelweerstand en de led. De spanning over de led bedraagt 2,1 V. De spanning over de weerstand bedraagt dan 3,0 - 2,1 = 0,9 V.
De stroom door de led en door de weerstand bedraagt 20 mA. De spanning over de weerstand was 0,9 V. Nu kunnen we de weerstand berekenen: Uvoorschakelweerstand = I * Rvoorschakelweerstand. => 0,9 V = 0,020 mA * Rvoorschakelweerstand. => 0,9 / 0,020 = Rvoorschakelweerstand => Rvoorschakelweerstand = 45 ohm
 
Conclusie:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
figuur 8
 
 
figuur 9
 
 
 
figuur 10
 
 
 
 
 

figuur 11
 




 RGB LEDs aansluitingen:

 
figuur 12