Light Emitting Diode. Auteur: René Kok
Om zo compleet mogelijk te zijn met betrekking tot LED’s en hun toepassingen zou ik ook graag enkele simpele “elektrische” berekeningen, en enkele begrippen de revue willen laten passeren. Daarom zou ik deze uitleg willen indelen in de volgende onderwerpen: 1. 2. 3. 4.
Elektrische grootheden en hun eenheden, weerstanden algemeen. Diodes algemeen. LED’s specifiek. LED’s in de “lego” praktijk.
Elektrische grootheden en hun eenheden, weerstanden algemeen. In de elektrotechniek zijn de meest gebruikte grootheden: Spanning, of potentiaalverschil. Zoals de naam al een beetje doet vermoeden gaat het hier om verschil in potenties tussen 2 elektrische aansluitingen (in dit geval + en ) De exacte definitie zal ik je besparen, maar kort door de bocht zou je kunnen zeggen dat er aan de plus zijde meer elektronen beschikbaar zijn dan aan de minzijde. Komen + en – tegen elkaar aan te liggen, dan ontstaat er een oncontroleerbare stroom(sterkte) elektronen, die we kortsluiting noemen. Het symbool voor Spanning is de letter V, de eenheden zijn volt(V) en millivolt (mV). Waarbij 1V=1000mV. Zou je Spanning iets vatbaarder willen maken, met in dit geval water, zie Spanning dan als een water dat zich achter een stuw ophoopt. Komt er geen gat in de stuw dan zal er dus gewoon niets gebeuren. Wordt er op een spanningsbron niets aangesloten, gebeurd er ook niets!! Stroomsterkte. Om een stroom(sterkte) te kunnen laten vloeien, zal er eerst sprake moeten zijn van een gesloten kring, zoals de hierboven omschreven kortsluiting. Daar kortsluiting nogal een vernietigende werking heeft word de verbinding tussen + en – in de praktijk gemaakt via een component als bijvoorbeeld een lamp, verwarmingstoestel enz. (in deze gevallen ontstaat een gecontroleerde stroom(sterkte) elektronen) Eenvoudig omschreven is Stroomsterkte niets ander dan de “hoeveelheid” elektronen, die per seconde, door een draad vloeit (“stroomt”) Het symbool voor Stroomsterkte is de letter I, de eenheden zijn ampere (A) en milliampere (mA) waarbij 1A=1000mA. In het voorbeeldje met water. Zonder gat in de stuw gebeurd er niets. Er zou wat kunnen gebeuren als er een gat in de stuw zou komen waardoor het water weg kan stromen. Stroomsterkte zou je kunnen vergelijken met de hoeveelheid water die per seconde door een eventueel gat in de stuw ontsnapt. (m≥ per seconde) Wat er op je stopcontact “staat” als er niets op is aangesloten, noemen we dus spanning. Bij een huisinstallatie is dit 220V (wisselstroom). Pas als je op dat stopcontact iets aansluit, bijvoorbeeld een lamp (weerstand), gaat er een stroom(sterkte) vloeien. Hopelijk is nu duidelijk dat spanning en stroom(sterkte) dus 2 heel verschillende dingen zijn. Veel gezegd: er staat stroom op een stopcontact, is dus niet waar!!
Weerstand. Verdergaand met het watervoorbeeld komen we vanzelf op de volgende grootheid. Zit er een groot gat in de stuw, dan ondervindt het water weinig weerstand, waardoor per seconde grote hoeveelheden water door het gat zullen stromen. Bij een klein gaatje, ondervindt het water veel weerstand, waardoor er dus maar een kleine hoeveelheid water per seconde weg zal stromen. Draai je bijvoorbeeld een waterkraan steeds verder dicht (opening wordt kleiner) dan zal de hoeveelheid water per seconde uit de kraan steeds verder afnemen. Een Weerstand in een elektrisch systeem doet ook niks anders dan de stroom(sterkte) afknijpen (lees verkleinen) Des te groter de Weerstand des te kleiner de stroomsterkte, en andersom. Het symbool voor Weerstand is de letter R, en de eenheden zijn Ω (ohm), of kΩ (kilo-ohm) waarbij 1kΩ=1000Ω. Bij het voorbeeldje van het water, zou je het idee kunnen krijgen, dat deze drie grootheden op een of andere manier aan elkaar gerelateerd zijn. Dat klopt! Spanning = Stroomsterkte x Weerstand. U = I x R (wet van Ohm) Met eenheden: 1. U (in volt) = I (in ampere) x R ( in Ω) 2. U (in millivolt) = I (in milli-ampere) x R (in Ω) 3. U (in volt) = I (in milli-ampere) x R (in kΩ) Vermogen. De laatste grootheid die vooral bij weerstanden van belang is, is het Vermogen. Als een elektrische stroomsterkte door een weerstand wordt “afgeknepen” ontstaat warmte. Warmte is een van de vorm van Vermogen. Het symbool voor Vermogen is P, en de eenheden zijn watt (W) en kilo-watt (kW). Bij de aanduidingen van weerstanden staat altijd een vermogen aangegeven wat de weerstand maximaal aankan zonder oververhit te raken. (1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, enz.). Let daar goed op want anders gaan de weerstanden als lampjes fungeren (doorbranden). In bovenstaande verhaaltje worden naast Vermogen, 2 andere grootheden genoemd, wat doet vermoeden dat stroomsterkte en weerstand, bij het bepalen van de hoeveelheid vermogen (lees warmte) die wordt opgewekt, van belang zijn. Dat klopt (ook)! Vermogen = Stroomsterkte in het kwadraat x Weerstand. P = I″ x R (vermogensformule) Met eenheden: 1. P (in watt) = I″ (in ampere) x R (in Ω) De waarde van een weerstand is op de weerstand zelf aangegeven middels kleurringen (4 of 5) Hierover is echter zoveel informatie beschikbaar (Conrad catalogus, Internet) dat ik daar hier, geen aandacht aan besteed. De laatste (meest rechtse) kleurring geeft de tolerantie (lees afwijking) aan die een weerstand kan hebben (±20%, ±10%, ±5%, enz.) Het moge duidelijk zijn, de lager de tolerantie, de hoger de prijs (en omgekeerd). Weerstanden van ±20% voldoen, echter gebruik ikzelf altijd weerstanden met een tolerantie van ±10%. De weerstandswaarde van een weerstand van 1000Ω met een tolerantie van ± 10% zal ergens liggen tussen de 900Ω en de 1100Ω Bespaar nooit geld weerstanden,
door de “goedkoopste” te nemen, die het allemaal (qua vermogen) maar net aankunnen. Neem dus qua vermogen, altijd een ruim bemeten waarde…..dit mede dankzij de bovengenoemde afwijkingen die kunnen voorkomen.
Rekenvoorbeeld 1:
Figuur 1. Op een treinregelaar (http://www.bricklink.com/catalogItem.asp?P=2868b) (maximale spanning 9V) word een weerstand R aangesloten. Door het aansluiten van de weerstand tussen de + en de – van de treinregelaar, ontstaat er een stroomsterkte van 30mA door de weerstand. Gevraagd: Welke weerstandswaarde heeft de weerstand R? Denk aan de eenheden!! Als je in dit geval spanning invult in volt, en stroomsterkte in mA, krijg je een antwoord in kΩ. In dit geval is het verstandiger om de stroomsterkte I om te zetten in de eenheid ampere. 1mA = 0,001A. 30mA is dus 30 x 0,001A = 0,03A. Deze waarden in de formule (wet van Ohm) ingevuld: U = I x R (U) 9V = (I) 0,03A x R R = 9V = 300Ω 0,03A Hoeveel vermogen (lees warmte) wordt er in de weerstand opgewekt? Uit voorgaande berekeningen blijkt dus dat door bovenstaande weerstand R (van 300Ω) een stroomsterkte vloeit van 30mA (= 0,03A) Deze waarden in de vermogensformule ingevuld: P = I″ x R P = (0,03A)″ x 300Ω P = 0,0009 x 300 = 0,27W Uit welke vermogensrage kies je de weerstand? Weerstanden die we voor het aansluiten van LED’s gaan gebruiken liggen in de vermogensrage tot 1W, in de volgende stappen: 1/8W = 0,125 W 1/4W = 0,25W 1/2W = 0,5W 1W
Een weerstand van 1/4W zal de warmteontwikkeling amper aankunnen. Er hoeft niet te veel afwijking te zijn, en de warmteontwikkeling laat de weerstand doorbranden (of lego smelten) In dit geval kun je dus beter voor een weerstand van 1/2W kiezen.
Rekenvoorbeeld 2:
Figuur 2. De 3 batterijen in een batterijbox veroorzaken een spanning tussen de pluspool en de minpool van 4,5V (batterijbox-http://www.bricklink.com/catalogItem.asp?P=bb45c01) Op deze spanning van 4,5V word een weerstand van 15000Ω aangesloten. Door het aansluiten van de weerstand tussen de + en de – van de batterij-box, ontstaat er een stroom(sterkte) I door de weerstand. Gevraagd: Hoe groot is die stroomsterkte I, in mA (milli-ampere)? Denk aan de eenheden!! Deze waarden domweg in de formule (wet van Ohm) ingevuld geeft: U = I x R (U) 4,5V = I x (R) 15000Ω I = 4,5V = 0,0003A 15000Ω Stroomsterkte (in ampere) x 1000 = Stroomsterkte in mA, ofwel: 0,0003A = (0,0003 x 1000) = 0,3 mA. Hoeveel vermogen (lees warmte) wordt er in de weerstand opgewekt? Uit voorgaande berekeningen blijkt dus dat door bovenstaande weerstand R (van 15000Ω) een stroomsterkte vloeit van 0,3mA (= 0,0003A) Deze waarden in de vermogensformule ingevuld: P = I″ x R P = (0,0003A)″ x 15000Ω P = 0,00000009 x 15000 = 0,00135W Uit welke vermogensrage kies je de weerstand? Weerstanden die we voor het aansluiten van LED’s gaan gebruiken liggen in de vermogensrage tot 1W, in de volgende stappen: 1/8W = 0,125 W 1/4W = 0,25W
1/2W = 0,5W 1W Een weerstand van 1/8W (0,125W) zal de warmteontwikkeling royaal aankunnen.
Diodes algemeen.
Diodes zijn in feite niks anders dan weerstanden die in geleiding een minimale weerstandswaarde hebben. In geleiding bedraagt de weerstand van een diode, bijna 0Ω. Onthoudt dit even, ondanks dat je misschien niet weet wat geleiding nou precies inhoud (later meer) In een diode zit echter een handigheidje, in de vorm van een isolerende laag, in de tekeningen hierboven aangegeven als een blauw gearceerd vlak. Door deze laag kan geen stroom vloeien. Sluiten we nu de diode aan op een spanning, dan gebeurd er het volgende: Bij het oplopen van de spanning (er loopt nog geen stroom) wordt de isolerende laag in de diode steeds smaller. Zie figuur 3 t/m 5. Heeft de spanning een waarde bereikt van, in dit geval 1,8V, dan is de hele isolerende laag verdwenen, en vloeit er een stroomsterkte. Omdat deze stroomsterkte geen weerstand ondervindt, zal deze erg groot zijn. Zo groot dat we spreken van een kortsluiting. De spanning (in dit geval 1,8V) waarbij de hele isolatielaag is verdwenen, en er een stroom gaat vloeien noemen we de drempelspanning van de diode. Drempelspanningen varieren per diode en diodesoort. Als er een stroom gaat vloeien na het bereiken van de drempelspanning, dan zeggen we de diode is in geleiding. Een diode heeft 2 aansluitingen, namelijk de anode en de kathode. Deze benamingen stammen nog uit het tijdperk van de buizenradio’s. Om anode en kathode uit elkaar te houden is er een ezelsbruggetje: KNAP. Kathode Negatief – Anode Positief. Om de diode te laten geleiden moet de anode op de plus worden aangesloten, en de kathode op de min.
Doe je het andersom (figuur 7), anode op de min en kathode op de plus, dan verdikt zich de isolerende laag, en kan er nooit en te nimmer een stroom gaan vloeien. Dit noemen we het sperren van de diode. Om een diode “heel” te houden dient men echter de stroomsterkte door de diode te beperken. In geleiding heeft een diode immers geen weerstand, en ontstaat er een kortsluiting. Misschien dat nu duidelijk is waarom dit verhaal begon met een uitgebreide beschrijving van rekenen aan weerstanden. We gebruiken namelijk weerstanden om de stroomsterkten door diodes te beperken. Wat heeft het diodeverhaal nou allemaal met LED’s te maken zul je, je afvragen? Nou een LED is een soort diode. De isolerende laag waar we het over hebben gehad noemt men de PN-overgang van een diode. Indien een LED in geleiding gaat, geeft de PN-overgang licht. Door een LED in een transparante behuizing te plaatsen, is dit licht te zien (en te gebruiken) LED – Light Emitting Diode – licht uitzendende diode. LED’s specifiek. Even een weetje: het is niet de transparante behuizing die de kleur van een LED bepaald, maar de materialen waaruit de PN overgang is opgebouwd. Je kan dus LED’s in een trans clear behuizing tegenkomen, die bijvoorbeeld rood licht “uitzenden”
Figuur 8 is het symbool van een diode, figuur 9 van de LED. Maar hoe nu in de praktijk, hoor ik Saskia al zeggen. Hoe zit dit hele verhaal in de praktijk nou in elkaar. Eerst even het fysieke, daarna nog even enkele berekeningen.
Als de waarde van de weestand juist is berekend kan er eigenlijk niets meer mis gaan. Verkeerd aansluiten (+ en – verkeerd) heeft geen gevolgen, daar de LED’s dan gewoon sperren. Om nog even een aanvulling te geven op het verhaal “diodes algemeen”: de drempelspanning varieert met de kleur. Drempelspanningen van LED’s liggen in de range van 1,5V tot 2,5V.
Het feitelijke aansluiten van een LED, figuur 10A en 10B, stelt dus in principe niet veel voor, als je solderen kunt. Als je trouwens LED’s gaat kopen bij de electronica winkel vraag dan naar de drempelspanning en de maximale stroomsterkte. Zij kunnen dat zo voor je opzoeken, en dat voorkomt een hoop gezoek in (vaak engelse) technische specificatie’s. Belangrijk is het dus om de juiste waarde van de (voorschakel)weerstand te berekenen. Daarom een rekenvoorbeeld voor de situatie in figuur 10A, en één voor de situatie in figuur 10B. Even een aanname: in figuur 10A betreft het een gele low current (lage stroomsterkte) LED op 4,5V, in figuur 10B 3 rode “normale” LED’s op 9V. Volgens de technische specificatie’s heeft: de gele low current LED (10A), een drempelspanning van 2,4V (forward voltage typical) bij een maximale stroomsterkte (forward current typical) van 2mA. - de rode “normale” LED (10B), heeft een drempelspanning van 1,9V bij een stroomsterkte van 20mA. PAS OP!! Deze waarden zijn slechts voor deze soort LED, die ik hier slechts even als voorbeeld gebruik!! Rekenvoorbeeld situatie figuur 10A.
Gevraagd: Welke waarde moet de voorschakelweerstand hebben? Om de LED te laten geleiden (licht laten geven) is een drempelspanning nodig van 2,4V. Of wel deze 2,4V moet continue over de LED staan om deze in geleiding te houden. We zeggen de spanningsval over de LED bedraagt 2,4V. De totale spanning U(=4,5V) is gelijk aan de som van de spanningsval over de LED (2,4V), en de spanningsval over de weerstand. Hierdoor kunnen we de spanningsval over de weerstand berekenen, namelijk: 4,5V – 2,4V = 2,1V De spanningsval over de weerstand bedraagt dus 2,1V. Vanwege de serieschakeling is de stroomsterkte door de LED even groot als de stroomsterkte door de weerstand. De stroomsterkte door de LED mag maximaal 2 mA bedragen. Dit is dus ook de stroomsterkte door de weerstand. Met de wet van Ohm is nu makkelijk te berekenen wat de weerstandswaarde moet zijn, namelijk: U = I x R (U) 2,1V = (I) 2mA x R R = 2,1V = 1,05kΩ 2mA
Uit welke vermogensrage kies je de voorschakelweerstand? P = I″ x R P = (0,002A)″ x 1050Ω P = 0,000004 x 1050 = 0.0042W In dit geval voldoet een 1/8 watt weerstand, ruim voldoende.
Rekenvoorbeeld situatie figuur 10B.
Gevraagd: Welke waarde moet de voorschakelweerstand hebben? Om de 3 LED’s te laten geleiden is een totale drempelspanning nodig van 3 x 1,9V = 5.7V Deze 5,7V moet continue over de LED’s staan om ze in geleiding te houden. De totale spanning U(=9V) is gelijk aan de som van de spanningsvallen over de LED’s (5,7V), en de spanningsval over de weerstand. Hierdoor kunnen we de spanningsval over de weerstand berekenen, namelijk: 9V – 5,7V = 3,3V De spanningsval over de weerstand bedraagt dus 3,3V. Vanwege de serieschakeling is de stroomsterkte door de LED’s even groot als de stroomsterkte door de weerstand. De stroomsterkte door de LED’s mag maximaal 20 mA bedragen. Dit is
dus ook de stroomsterkte door de weerstand. Met de wet van Ohm is nu makkelijk te berekenen wat de weerstandswaarde moet zijn, namelijk: U = I x R (U) 3,3V = (I) 0,02A x R R = 3,3V = 165Ω 0,02A Uit welke vermogensrage kies je de voorschakelweerstand? P = I″ x R P = (0,02A)″ x 165Ω P = 0,0004 x 165 = 0.066W Ook in dit geval voldoet een 1/8 watt weerstand, ruim voldoende. LED’s in de “lego” praktijk. Ik zag in het topic-je over LED’s al een heleboel suggesties over hoe je LED’s in Lego elementen kan freubelen, dus daar waag ik mij niet meer aan. Nog een kleinigheidje: LED’s bezitten een stralingshoek. Let daar op als je ze bijvoorbeeld wilt gebruiken als koplampen. Bij de linkse LED in figuur 11 bedraagt de stralingshoek 25°, bij de rechtse 75°. Als laatste: als men het bij LED’s heeft over diffuus stralend, wil dat niks anders zeggen, dat het materiaal van de behuizing iets troebel is waardoor de LED egaler schijnt.
Veel succes! René Kok.
© René Kok, Lowlug 2005
