Waarom een artikel over LED´s..
Op zich eenvoudig: een led geeft licht, werkt op gelijkspanning en gebruikt weinig stroom. Maar voor effectief gebruik van leds, komt eigenlijk eigenlijk wel wat kijken. Aangezien ik mijn huisjes en de perrons van ledverlichting voorzie en er graag lang mee wil doen, heb ik eens uitgezocht wat er allemaal mogelijk is om het goed te doen, met een zo hoog mogelijk rendement
Stroom
Een led werkt het beste bij de stroomopname zoals aangegeven door de fabrikant. Als gevolg van de opgenomen stroom, is ook de benodigde spanning te bepalen. De meeste LED´s ongeacht de kleuren, nemen 20mA op. Er zijn low current leds, die al genoegen nemen met 2mA en er zijn leds waar heeeel veel licht uitkomt (ik heb er op dit moment een waar 40.000 mcd uitkomt) die 100mA nemen. Stroom is essentieel voor een LED!!
Hoe een led aan te sluiten?
Principe is erg eenvoudig: een gelijkspanningsbron, bv een 9V batterij, een weerstand om de stroom in toom te houden en de led zelf. Behoeft nauwelijks een plaatje.
Hoeveel spanning neemt een led?
Dat is nog niet eens zo eenvoudig te beantwoorden, want de spanning is het gevolg van de stroom die er loopt, en nauwelijks andersom. In tegenstelling tot gloeilampen is bij de LED is niet de spanning maar de stroom belangrijk, het is namelijk heel belangrijk dat de stroom die door de LED vloeit begrensd wordt! De stroom bepaald de lichtopbrengst, terwijl de spanning bepaald wordt door de ?bandgap? van het halfgeleidermateriaal. Die bandgap is afhankelijk van de samenstelling (verontreiniging) van het halfgeleidermateriaal. Hoe groter deze bandgap, des te korter de golflengte. En des te hoger deze zogenoemde ?drempelspanning?. Die drempelspanning is belangrijk om te bereken hoeveel vermogen in de LED-chip ontwikkeld wordt, en hoeveel spanning er over de voorschakelweerstanden komt te staan. Dat laatste is weer belangrijk om de waarde van die weerstand te kunnen berekenen aan de hand van de LED stroom die je wilt laten lopen.
Die drempelspanning is verder ook nog eens afhankelijk van de temperatuur en van de LED stroom, maar beneden de drempelspanning neemt de stroom zo enorm af dat de LED nauwelijks of geen licht meer uitstraalt, afhankelijk van het lekstroompje dat er misschien nog loopt...
Maar om een indicatie te geven, hier een opsomming per kleur:
Diep rood: 1,8 Volt
Rood: 1,9 Volt
Oranje: 2,0 Volt
Amber: 2,0 Volt
Geel: 2,0 Volt
Geelgroen: 2,1 Volt
Groen:2,2 Volt
Turquoise: 3,0 Volt
Blauw: 3,3 tot 3,5 Volt
Violet : 3,2 Volt
Ultra Violet : 3,5 Volt
Wit : 3,3 tot 4,2 Volt
Let op: dit zomaar gemeten waardes, kijk voor details altijd naar de specificaties van de LED zelf.
Om nu te berekenen wat de benodigde weerstand zou zijn om de led goed en veilig te laten branden, neem je de formule: spanning batterij MINUS spanning van de LED GEDEELD door 20mA. Daar rolt een getal uit. Bij een 9 Volt batterij en een UV LED (3,5 Volt) levert dat een getal op van (9-3,5) / 0,02 = 275. Dat geeft de waarde van de benodigde weerstand.
Nou zijn er weerstanden in reeksen en de meest nabij gelegen waarde is dan 270 Ohm. Rekenen we even terug, dan zien we dat bij een weerstand van 270 Ohm en een stroom van 20mA (die ik eerder schreef als 0,02, want dat is de vertaling van milli Ampère naar Ampère) er 5,4 volt over de weerstand staat en er dus 9-5,4= 3,6 volt overblijft voor de LED. Iets meer dus dan de specs, maar dat kan nog goed.
Een paar dingen nog
Rendement
Er wordt gezegd dat LED´s erg efficiënt zijn. En dat is ook zo. Maar? In ons voorbeeld gaat een deel van de stroom in de led zitten, maar een veel groter deel in de weerstand. En die wordt warm. Zeker als we kostbare digitale stroom gebruiken, dan is het zonde om daar de omgeving mee op te warmen. Enne? groen als we zijn: we willen toch allemaal zuinig zijn op ons kleine H0 wereldje. Even berekenen hoeveel vermogen er nu ´verloren´ gaat. Het vermogen wordt uitgerekend door het stroomverbruik met de spanning te vermenigvuldigen. Dus de waarde spanning over de weerstand was 5,4 volt en de stoom 0,02 A. Dat levert een vermogen van 108mW (milliwatt op). Nee, daar kan je geen potje thee op koken, maar het is toch een beetje zonde, want alleen al op mijn baan heb ik nu al meer dan 100 leds in gebruik. Dat zou toch al weer goed zijn voor ruim 10 Watt.
Oplossing 1
Meer leds in serie zetten. Werkt al heel goed. Hebben we bijvoorbeeld 2 witte leds van 3,8 volt in serie op de eerder genoemde batterij, dan berekenen we de weerstand door 2 x 3,8 te doen (ze staan immers in serie), dat van de 9 Volt af te trekken (=1,4 Volt) en te delen door de 20mA. Dat levert 70 Ohm op, afgerond op de reeks: 68 Ohm. Met dezelfde formule kost dat nog maar 28 mW aan ´verlies´ op.
Oplossing 2
Gebruik een constante stroombron. Eenvoudig weg is dit een ´ding´ dat wat er ook gebeurt, altijd een constante stroom aflevert. Dat heeft een veel beter rendement en houdt de zaak ook constant. Later hierover meer..
Een LED is een diode, geen ohmse weerstand?
Als je een LED aansluit op een lage spanningsbron die net iets lager dan de drempelspanning ligt, dan loopt er nagenoeg geen stroom en geeft de LED nauwelijks licht. Bij een rode LED is dat bijvoorbeeld bij 1,6 Volt. Gaan we de spanning verhogen, dan loopt bij 1,75 volt bijvoorbeeld 5 mA, bij 1,8 volt 20 mA en bij 2,0 Volt is de stroom al over de 100 mA. En dat houdt een LED die op maximaal 30 mA gespecificeerd is maar kort vol... Doordat hij flink warm wordt gaat ook nog de drempelspanning dalen, waardoor er een nog grotere stroom gaat lopen en hij nog heter wordt! Oppassen dus, want vooral hiermee bepaal je de levensduur van een LED. Gebruik ALTIJD een voorschakelweerstand, ook al kom je als je de ledspanningen optelt precies op je voedingspanning uit.
En verder?
Veel van mijn verlichting is opgebouwd met witte LED´. Ik gebruik hiervoor een constante stroombron een zgn. LED driver. Nou is dat misschien wel wat te hoog gegrepen om hier uit te leggen, maar laat maar even weten of daar behoefte aan is. Om alvast wat lekker te maken over ´rendement´: 4 witte leds in serie bij 16 Volt met een weerstand, gebruikt dan 235mW, terwijl die met de stroombron slechts 22 mW gebruikt, ruim 10 keer beter, terwijl er echt nooit meer dan 20 mA door loopt. Een IC´tje ter grote van een speldenknop met 4 pootjes. Constante verlichting en geen zorg dat als de voedingspanning even een keer te hoog wordt, omdat er iets zwaars in- of uitschakelt een of meer LEDs naar de eeuwige jachtvelden zijn. Laat maar weten dus..
Groet,
Leendert