LED_schakelingen

LED-schakelingen

Het doel is hier een overzicht te geven van de basistypen schakelingen die worden gebruikt om LED’s van stroom te voorzien. De schakelschema’s of schema’s die volgen, zijn getekend met gebruikmaking van elektronische symbolen volgens de industrienorm voor elke component. De definities van de symbolen zijn als volgt:

Het LED-symbool is het standaardsymbool voor een diode met toevoeging van twee kleine pijltjes die de emissie (van licht) aangeven. Vandaar de naam, lichtemitterende diode (LED). De “A” geeft de anode, of plus (+) aansluiting aan, en de “C” de kathode, of min (-) aansluiting. We hebben het al eerder gezegd, maar het moet nog eens herhaald worden: LED’s zijn strikt gelijkstroom apparaten en zullen niet werken met wisselstroom. Wanneer u een LED voedt, moet u een weerstand in serie met de LED gebruiken, tenzij de spanningsbron precies overeenkomt met de spanning van het LED-apparaat. Zonder deze weerstand zou de LED onmiddellijk doorbranden.

In onze onderstaande schakelingen gebruiken we het batterijsymbool om een stroombron aan te geven. De macht zou enkel gemakkelijk door een voeding, of wieloogsten van spoor op een modelbaan kunnen worden verstrekt. Wat de bron ook is, het belangrijkste is dat hij gelijkstroom moet hebben en goed geregeld moet zijn om te voorkomen dat overspanningsschommelingen schade aan de LED’s veroorzaken. Als de spanningsbron wordt gevoed door railpickups, moet een bruggelijkrichter worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de LED’s alleen gelijkstroom en onveranderlijke polariteit ontvangen.

De schakelaar symbolen zijn vrij eenvoudig. Een enkelpolige, enkel-draai (SPST) schakelaar is eenvoudig een aan-uit functie, terwijl de SPDT (dubbel-draai) schakelaar de routing tussen twee verschillende circuits mogelijk maakt. Hij kan als enkel-polige schakelaar worden gebruikt als één zijde nergens mee verbonden is. De drukknop is een momentschakelaar.

Het condensator symbool dat we hier gebruiken is voor het elektrolytische of gepolariseerde type van condensator. Dat wil zeggen dat hij in een gelijkstroomcircuit moet worden gebruikt en op de juiste manier moet worden aangesloten (plus-aansluiting op de plus-spanning), of hij zal worden beschadigd. Voor onze doeleinden wordt hij gebruikt voor kortstondige opslag, om schommelingen in het voedingsvoltage te helpen “gladstrijken” die worden veroorzaakt door kleine verliezen als wielen die stroom opnemen over vuile plekken in het spoor of openingen bij wissels rollen. Gepolariseerde condensatoren worden ingedeeld in verschillende maximale DC spanningswaarden. Gebruik altijd een condensator waarvan de rating veilig hoger is dan de maximale spanning die in uw toepassing wordt verwacht.

Het basiscircuit

Dit is zo eenvoudig als het maar kan. De enkele LED-schakeling is de bouwsteen waarop al onze andere voorbeelden zijn gebaseerd. Voor een goede werking moeten drie componentwaarden bekend zijn. De voedingsspanning (Vs), de bedrijfsspanning van de LED (Vd), en de bedrijfsstroom van de LED (I). Als deze bekend zijn, kan met behulp van een variant van de wet van Ohm de juiste grensweerstand (R) worden bepaald. De formule is:

Een voorbeeld van deze formule vindt u op onzeBridge bedradingstips pagina. Bekijk stap 7 voor details.

In het bovenstaande schema zijn zowel de begrenzingsweerstand als de schakelaar aan de positieve (+) kant van het circuit aangesloten. We hebben dit gedaan om consistent te zijn met “standaard elektrische praktijken” in het werken met de “hete” (plus) kant van de schakeling in plaats van de min (-), of “grond” kant. De schakeling zou in feite op beide manieren naar behoren functioneren, maar standaard veiligheidspraktijken bevelen de “loskoppeling” aan de “hete” kant aan om de kans op elektrische kortsluiting van draden naar andere “geaarde” schakelingen te minimaliseren.

Circuits met twee of meer LED’s

Circuits met meerdere LED’s vallen in twee algemene categorieën; parallel geschakelde circuits, en in serie geschakelde circuits. Een derde type, bekend als een serie/parallelle schakeling, is een combinatie van de eerste twee en kan ook heel nuttig zijn bij modelleerprojecten.

De algemene regels voor parallelle en seriële LED-schakelingen kunnen als volgt worden verklaard:

1. In een parallelle schakeling is de spanning hetzelfde door alle componenten (LED’s), maar de stroom wordt door elk verdeeld.

2. In een serieschakeling is de stroom hetzelfde, maar de spanning wordt verdeeld.

3. In een serieschakeling mag de som van alle LED-spanningen niet meer dan 90% van de voedingsspanning bedragen om een stabiele LED-lichtopbrengst te garanderen.

4. In een serieschakeling moeten alle LED’s dezelfde spanning (Vd) en dezelfde stroom (I) hebben.

De parallel geschakelde LED-schakeling

Hierboven ziet u twee voorbeelden van dezelfde schakeling. Figuur 1, links, is een schematische voorstelling van drie parallel geschakelde LED’s met een batterij en een schakelaar om ze aan of uit te zetten. U zult opmerken dat in deze schakeling elke LED zijn eigen begrenzingsweerstand heeft en dat de voedingsspanningszijde van deze weerstanden met elkaar zijn verbonden en naar de pluspool van de batterij worden geleid (via een schakelaar). Merk ook op dat de kathodes van de drie LED’s met elkaar zijn verbonden en naar de minpool van de batterij worden geleid. Deze “parallelle” aansluiting van componenten is wat de schakeling definieert.

Als we de schakeling precies zo zouden bouwen als in figuur 1, met draden die de apparaten verbinden zoals in het schema is aangegeven (brugdraden tussen de weerstanden en brugdraden tussen de kathode-aansluitingen), moeten we rekening houden met de stroombelastbaarheid van de draad die we kiezen. Als de draad te klein is, kan oververhitting (of zelfs smelten) optreden.

In veel gevallen op deze website tonen wij voorbeelden van LED’s die met onze #38 gecoate magneetdraad zijn bedraad. Wij kozen deze grootte draad voor zeer specifieke redenen. Het is klein genoeg (,0045″ diameter met inbegrip van isolatiedeklaag) om prototypisch als draad of kabel in de meeste projecten, zelfs in Z-Schaal te lijken, en het is groot genoeg om stroom aan 20ma verlichtingsapparaten (zoals onze LEDs) met een extra 50% veiligheidsfactor te leveren. Zoals gespecificeerd, heeft #38 massief koperdraad een nominale rating van 31.4ma en een maximum rating van 35.9ma. Wij konden draad #39, met een nominale stroomwaarde van 24.9ma geselecteerd hebben, maar wij vonden dat dit geen veilig voor schommelingen in weerstandswaarden of individuele LEIDENE variaties zou toestaan. Plus, de iets kleinere diameter (.004″ in plaats van .0045″) zou waarschijnlijk geen merkbaar verschil maken in de modellering.

Terugkomend op figuur 1; je kunt in dit voorbeeld zien dat de stroombehoefte voor elk LED/weerstandspaar, optelt bij het volgende, en de parallelschakelingsregel (#1) hierboven volgt. We konden onze #38 magneetdraad niet veilig gebruiken voor dit hele circuit. Bijvoorbeeld, de jumper van de onderste LED-kathode naar de negatieve batterijpool zal 60ma transporteren. Onze draad zou snel oververhitten en mogelijk smelten veroorzakend een open kring. Om deze reden is figuur 1 slechts een eenvoudige manier om “schematisch” weer te geven hoe componenten moeten worden aangesloten voor een goede werking van de schakeling.

In het echt zou ons werkelijke bedradingsproject er meer uitzien als in figuur 2. In dit geval kunnen we veilig onze #38 draad gebruiken voor alles behalve de verbinding tussen de pluspool van de batterij en de schakelaar. Hier zouden we minstens #34 draad (79.5ma nom.) nodig hebben, maar we zouden waarschijnlijk iets als Radio Shack’s #30 geïsoleerde wikkeldraad gebruiken. Het is goedkoop, gemakkelijk beschikbaar, en zal 200ma (nominale spec.) dragen. Genoeg groot genoeg voor onze toepassing. Ook, zouden wij waarschijnlijk niet eigenlijk de drie weerstanden aan één eind samen solderen zoals wij hebben getoond, zouden wij enkel een ander stuk van dat #30 gebruiken om hun gemeenschappelijke einden samen en aan de schakelaar te verbinden.

Model spoorweglay-outs kunnen elektrisch complex worden implicerend allerlei bedradingseisen voor dingen zoals spoormacht, het schakelen, verlichting, signalering, DCC, enz. Om u te helpen bij het plannen van dergelijke zaken, is hier een tabel beschikbaar met gangbare draadmaten (massief koper, enkelstrengs) en hun stroomvoercapaciteiten.

De in serie geschakelde LED-schakeling

Deze schakeling is een eenvoudige serieschakeling om drie LED’s van stroom te voorzien. Er zijn twee belangrijke verschillen met de parallelle schakeling. Alle LED’s delen een enkele grensweerstand, en de LED’s zijn anode-kathode geschakeld in “serieschakeling”. Volgens regel 2 hierboven is de formule die we zullen gebruiken om onze grensweerstand te bepalen een verdere variatie op de formule die we hierboven hebben gebruikt. De serieformule voor de bovenstaande schakeling zou als volgt worden geschreven:

Het enige echte verschil is dat we eerst de apparaatspanningen voor het aantal LED’s dat we gebruiken bij elkaar optellen en die waarde vervolgens aftrekken van onze voedingsspanning. Dat resultaat wordt dan gedeeld door de stroom van onze apparaten (meestal 20ma of .020). Simpel, toch? Vergeet niet om ook regel #3 in aanmerking te nemen. Dat wil zeggen, vermenigvuldig uw voedingsspanning met 90% (0,9), en zorg ervoor dat de som van de spanningen van alle apparaten (LED’s) niet hoger is dan die waarde. Dat is alles, bijna…

We moeten weten wat voor soort draad we gaan gebruiken, dus wat voor stroomafname kunnen we verwachten van dit soort schakeling? Nou, in de parallelschakeling hierboven, voor drie LED’s met elk 20ma, zouden we 60ma verbruiken aan de batterij. Dus… 60ma? Nee. Eigenlijk iets minder dan 20ma voor alle drie de LED’s! We noemen het gemakshalve 20.

Een andere manier om bovenstaande regels 1 en 2 uit te drukken zou zijn:

1. In een parallelle schakeling is de spanning van de apparaten constant, maar de benodigde stroom voor elk apparaat wordt bij elkaar opgeteld voor de totale stroom.

2. In een serieschakeling is de stroom van de apparaten constant, maar de benodigde spanning is de som van alle apparaatspanningen (bij elkaar opgeteld).

Laten we enkele voorbeelden doornemen met behulp van een 9 volt batterij (of voeding):

Voorbeeld #1

We willen twee van onze 2×3 superwitte LED’s in serie aansluiten.

1. Eerst bepalen we de spanning van het apparaat, die 3,6 volt is en tellen die bij elkaar op voor twee LED’s (3,6 + 3,6 = 7,2).

2. Nu we dit bedrag hebben, laten we ervoor zorgen dat het niet in strijd is met regel #3. 80% van 9 volt is 7,2 volt (,8 x 9 = 7,2). De hoeveelheden zijn gelijk. We zitten niet boven de 90%, dus we kunnen verder.

3. Daarna trekken we deze 7,2 af van onze voedingsspanning (9 volt) en krijgen als resultaat 1,8 (dit is het Vs-Vd gedeelte).

4. Daarna delen we 1,8 door onze apparaatstroom die 20ma is, oftewel .02. Ons antwoord is 90. Omdat een weerstand van 90 ohm niet standaard is, kiezen we de op één na hoogste waarde (100 ohm). Deze iets hogere weerstand maakt geen verschil voor de helderheid van de LED’s.

5. Tot slot, omdat onze stroomafname slechts 20ma totaal is, kunnen we onze #38 draad voor alles gebruiken, als we dat zouden willen.

Voorbeeld #2

We willen vier van onze Micro rode LED’s in serie schakelen. Welke weerstand moeten we gebruiken?

1. We vinden dat de spanning van het apparaat 1,7 volt is. Voor vier LED’s zou dat 6,8 volt zijn (4 x 1,7 = 6,8).

2. Nu we deze hoeveelheid hebben, moeten we ervoor zorgen dat die niet in strijd is met regel #3. 90% van 9 volt is 7,2 volt (,8 x 9 = 7,2). En, 6.8 is minder dan 7.2. Yep, we zijn OK.

3. Volgende, we trekken dit bedrag van 6,8 af van onze voedingsspanning (9 volt) en krijgen het resultaat dat 2,2 is (dit is het Vs-Vd deel).

4. Tot slot, we delen 2,2 door onze apparaatstroom die 20ma is, of .02. Ons antwoord is 110. Het blijkt dat 110 Ohm een standaard weerstandswaarde is, dus we hoeven niet de dichtstbijzijnde hogere waarde te kiezen (kies nooit een lagere waarde!). We gebruiken een 110 Ohm 1/8 watt 1% weerstand.

Voorbeeld #3

We willen drie van onze Micro Super-witte LEDs in serie schakelen.

1. De spanning van het apparaat is 3,5 volt. Dus voor drie LED’s wordt dat 10,5 volt, en… we hebben een probleem. Deze hoeveelheid is niet alleen in strijd met regel #3 hierboven, maar overschrijdt ook onze voedingsspanning. In dit geval zullen onze LED’s niet eens oplichten. Als we drie van deze LED’s nodig hebben, hebben we dus ofwel een voedingsbron nodig die minstens 11,67 volt levert (dat is 90% van 10,5 volt), ofwel moeten we er twee in serie schakelen en de derde apart, met een eigen weerstand (een serie/parallel-schakeling, maar daarover zo dadelijk meer). In dit geval hebben we twee schakelingen die samen zijn aangesloten op een gemeenschappelijke stroombron. Het schema ziet er dan als volgt uit:

Hier kunnen we weer onze #38 draad gebruiken voor alles behalve de verbinding tussen de voedingsbron en de schakelaar. Om te bepalen welke weerstanden hier nodig zijn, berekenen we gewoon elk segment van de schakeling apart. Het maakt niet uit welk segment het eerst wordt bepaald, maar we doen de enkele LED/weerstand. Hiervoor gebruiken we onze oorspronkelijke formule:

We weten dat Vs (voor deze voorbeelden) 9 volt is. En we weten dat Vd 3,5 volt is en I 20ma is. Dus, (9 – 3.5) = 5.5 ÷ .020 = 275. Dat is geen standaard weerstandswaarde, dus gebruiken we hier een weerstand van 300 ohm.

Nu gaan we het serie-paar LED’s berekenen. De formule voor slechts twee LED’s zou zijn:

Opnieuw, Vs is 9 volt, dus 9 – (3,5 + 3,5) = 2 ÷ .020 = 100, en dat is een standaard weerstandswaarde. We zijn klaar. We kunnen nu de bedrading van dit voorbeeld aanleggen en alles zal naar behoren werken.

Verlichte Kato Amtrak Superliner met EOT-lampen

Hier volgt het schema van een passagierswagon die is bedraad voor verlichting met behulp van een bruggelijkrichter en 600μf aan capaciteit om ervoor te zorgen dat flikkervrije polariteit-stabiele gelijkstroom wordt geleverd aan alle LED’s. Een superwitte LED verlicht het auto-interieur en twee Micro-rode LED’s zorgen voor de eind-treinverlichting. Een schakelaar is toegevoegd zodat de EOT-functie kan worden uitgeschakeld, indien gewenst. Een lopend voorbeeld van deze auto (met 800μf flikkercontrole) is hier te zien.

De serie/parallel geschakelde LED-schakeling

Hierboven hebben we ons voorbeeld #3 een beetje uitgebreid. We hebben drie groepen van serie-paren van LED’s. Elk van deze groepen wordt voor de berekening als een afzonderlijk circuit behandeld, maar ze zijn wel met elkaar verbonden voor een gemeenschappelijke stroombron. Als dit allemaal onze Micro Super-witte LEDs zouden zijn, weten we al alles wat nodig is om deze schakeling te bouwen. Bovendien weten we dat elk in serie geschakeld paar 20ma stroom zal trekken, zodat het totaal bij de stroombron 60ma zal zijn.

Het interessante van serie/parallelle LED-schakelingen is hoe gemakkelijk je het aantal lampjes op een gegeven stroombron kunt uitbreiden. Neem bijvoorbeeld onze N3500 schakelende voeding. Deze levert 1 Amp (1000ma) stroom bij 9 volt.

Gebruik makend van onze parallelle schakeling eerder, zouden we 50 van onze 2×3, of Micro, of Nano Super-witte LED’s (of elke combinatie gelijk aan 50) kunnen aansluiten, elk met hun eigen begrenzingsweerstand, en deze kleine voeding zou het aankunnen. Dat zou waarschijnlijk voldoende zijn voor een behoorlijke stad. Als we wat slimmer zijn, kunnen we een aantal serie/parallelle schakelingen gebruiken en deze hoeveelheid gemakkelijk uitbreiden, nog steeds met slechts één voeding. Als ze allemaal in serie/parallel geschakeld zijn, kunnen we 100 lampen laten branden. Stel dat we een project zouden doen met onze N1012 Micro rode LED’s (1,7 volt spanning), dan zouden we 400 LED’s kunnen laten branden met onze kleine voeding. Dat is echter een vrij bizarre gedachte. Iemand een donkere bril?

Voor meer details over het gebruik van onze schakelende voeding voor uw modelbaan of diorama projecten, klik hier.

Vergeet regel #4 niet. Als u seriegroepen maakt, zorg er dan voor dat de apparaatspanningen en stroomvereisten dicht bij elkaar liggen. Het volstaat te zeggen dat het mengen van LED’s met grote verschillen in apparaatspanning of stroomvereisten in dezelfde seriegroep geen bevredigende resultaten zal opleveren.

Finitief, wees vindingrijk. U kunt mix-en-match. Serieschakelingen, parallelschakelingen, enkelvoudig bedrade LED’s, serie/parallelschakelingen, witte groepen, rode groepen, gele, groene, wat dan ook. Zolang u elk geval berekent voor de juiste grensweerstand en uw bedradingsschema’s in de gaten houdt voor de juiste draadgrootte, zullen uw verlichtingsprojecten werken met zeer bevredigende resultaten.

Eén ander ding, voor degenen onder u die zich ongemakkelijk voelen bij het werken “met de lange hand” met de bovenstaande formules, hebben we verschillende rekenmachines gemaakt om de berekeningen voor u te doen. Het enige wat u hoeft te doen is de waarden in te voeren en op de knop “berekenen” te klikken. Ze zijn te vinden door hier te klikken.

… LAAT ER LICHT ZIJN …