De belangrijkste parameter die de levensduur van de LED beïnvloedt, is de elektrische stroom, waarvan de waarde voor elk type LED-element strikt gereglementeerd is. Een veelgebruikte manier om de maximale stroom te begrenzen is het gebruik van een begrenzingsweerstand. De weerstand voor de LED kan worden berekend zonder ingewikkelde berekeningen op basis van de wet van Ohm, met behulp van de technische waarden van de diode en de circuitspanning.
Inhoud
Kenmerken van LED-aansluiting
De lichtgevende elementen werken volgens hetzelfde principe als gelijkrichterdioden, maar hebben toch bijzondere kenmerken. De belangrijkste daarvan zijn:
- Extreem negatieve gevoeligheid voor omgekeerde polariteitspanningen. Een LED in een schakeling die niet de juiste polariteit heeft, zal vrijwel onmiddellijk uitvallen.
- Smal bereik van toelaatbare bedrijfsstroom over de p-n junctie.
- De afhankelijkheid van de weerstand van de junctie van de temperatuur, die een kenmerk is van de meeste halfgeleiderelementen.
Op dit laatste punt moet nader worden ingegaan, omdat het het belangrijkste is voor de berekening van de dempingsweerstand. In de documentatie van de stralingselementen wordt het toelaatbare bereik van de nominale stroomsterkte gespecificeerd waarbij zij hun prestaties behouden en de gespecificeerde stralingseigenschappen leveren. Onderschatting van de waarde is niet fataal, maar zal resulteren in enige vermindering van de helderheid. Vanaf een bepaalde grenswaarde zal de stroom door de junctie stoppen en zal er geen luminescentie meer zijn.
Overschrijding van de stroom leidt aanvankelijk tot een toename van de lichtkracht, maar de levensduur wordt drastisch verkort. Een verdere toename leidt tot het falen van het element. De keuze van een weerstand voor een LED is dus gericht op het beperken van de maximaal toelaatbare stroom onder worst-case omstandigheden.
De spanning op de halfgeleiderverbinding wordt begrensd door de fysische processen op de verbinding en ligt in een smal bereik van ongeveer 1-2V. De 12 volt-lichtdioden die vaak in auto's worden gemonteerd, kunnen een keten van in serie geschakelde elementen of een begrenzingsschakeling in het ontwerp bevatten.
Waarom heb je een weerstand nodig voor een LED?
Het gebruik van een begrenzingsweerstand om de LED aan te zetten is niet de meest doeltreffende, maar wel de gemakkelijkste en goedkoopste oplossing om de stroom binnen de toelaatbare grenzen te houden. Schakelingen die de stroom in de emitterkring met grote nauwkeurigheid kunnen stabiliseren, zijn vrij moeilijk te repliceren en kant-en-klare oplossingen zijn zeer duur.
Het gebruik van weerstanden maakt het mogelijk om verlichting en belichting in eigen beheer te doen. De sleutel is weten hoe meetinstrumenten te gebruiken en minimale soldeervaardigheden. Een goed ontworpen begrenzer, die rekening houdt met mogelijke toleranties en temperatuurschommelingen, zal ervoor zorgen dat de LED's gedurende hun hele aangegeven levensduur goed zullen werken tegen minimale kosten.
Parallelle en serieschakeling van LED's
Om de parameters van stroomkringen en LED-prestaties te combineren worden verschillende elementen op grote schaal in serie en parallel geschakeld. Elk verbindingstype heeft voor- en nadelen.
Parallelle aansluiting
Het voordeel van dit type aansluiting is het gebruik van slechts één begrenzer per circuit. Er zij op gewezen dat dit het enige voordeel is, zodat parallelle aansluiting bijna niet voorkomt, behalve bij laagwaardige industriële produkten. De nadelen zijn de volgende:
- De vermogensdissipatie op het begrenzende element neemt toe naarmate het aantal parallel geschakelde leds toeneemt.
- De variatie in elementparameters leidt tot een ongelijkmatige stroomverdeling.
- Het doorbranden van een van de emittenten leidt tot een lawine-achtige uitval van alle anderen door de verhoogde spanningsval over de parallel geschakelde groep.
Een aansluiting waarbij de stroom door elk stralingselement door een afzonderlijke weerstand wordt begrensd, verhoogt de prestaties enigszins. Meer in het bijzonder gaat het om een parallelschakeling van afzonderlijke circuits bestaande uit LED's met begrenzende weerstanden. Het belangrijkste voordeel is de grotere betrouwbaarheid, aangezien het falen van een of meer elementen geen invloed heeft op de werking van de andere.
Het nadeel is dat de helderheid van de afzonderlijke elementen sterk kan variëren als gevolg van de variaties in de LED's en de technologische tolerantie van de weerstandswaarde. Een dergelijke schakeling bevat een groot aantal radio-elementen.
Parallelschakeling met afzonderlijke begrenzers wordt gebruikt in laagspanningscircuits uitgaande van een minimale spanningsval over de p-n-overgang.
Serie aansluiting
Serieschakeling van stralingselementen is het meest gebruikt omdat het duidelijke voordeel van een serieschakeling de absolute gelijkheid is van de stroom die door elk element loopt. Aangezien de stroom door de enkele afsluitweerstand en door de diode gelijk is, zal de vermogensdissipatie minimaal zijn.
Een belangrijk nadeel - als ook maar één element uitvalt, wordt de hele keten onbruikbaar. De serieschakeling vereist een hogere spanning, waarvan de minimumwaarde toeneemt naarmate het aantal aangesloten elementen toeneemt.
Gemengde modus
Het gebruik van een groot aantal emitters is mogelijk door een gemengde aansluiting te maken, gebruik te maken van verscheidene parallelle ketens, en een begrenzingsweerstand en verscheidene LED's in serie te schakelen.
Het doorbranden van een van de elementen zal tot gevolg hebben dat slechts één circuit waarin het element is geïnstalleerd, niet werkt. De anderen zullen naar behoren functioneren.
Weerstand berekeningsformules
De berekening van de weerstand voor LED's is gebaseerd op de wet van Ohm. De invoerparameters voor het berekenen van de weerstand voor een LED zijn:
- circuit spanning;
- de bedrijfsstroom van de LED;
- is de spanningsval over de emitterende diode (voedingsspanning voor de LED).
De weerstandswaarde wordt bepaald uit de uitdrukking:
R = U/I,
waarbij U de spanningsval over de weerstand is en I de gelijkstroom door de LED.
De spanningsval van de LED wordt bepaald uit de uitdrukking:
U = Upit - Usv,
waarbij Upit de circuitspanning is en Uc de nominale spanningsval over de emitterende diode.
Berekening van de LED voor een weerstand geeft een weerstandswaarde die niet in het standaardbereik van waarden zal liggen. Neem de weerstand met de weerstand die het dichtst bij de berekende waarde aan de grootste kant ligt. Op deze manier wordt rekening gehouden met een mogelijke spanningsverhoging. Het is beter om de volgende waarde in de weerstandsreeks te nemen. Hierdoor zal de stroom door de diode iets afnemen en de helderheid van de gloed verminderen, maar elke verandering in de voedingsspanning en de diodeweerstand (bv. door temperatuursverandering) zal teniet worden gedaan.
Alvorens de weerstandswaarde te kiezen, moet de mogelijke vermindering van stroom en lichtsterkte ten opzichte van de ingestelde waarde worden geschat met behulp van de formule:
(R - Rst)R-100%.
Indien de resulterende waarde minder dan 5% bedraagt, moet u een hogere weerstand nemen, indien van 5 tot 10%, kunt u zich beperken tot een kleinere.
Een even belangrijke parameter die de bedrijfszekerheid beïnvloedt, is de vermogensdissipatie van het stroombegrenzende element. De stroom die door een weerstandssectie loopt, zorgt ervoor dat deze verhit raakt. De formule voor het bepalen van het te dissiperen vermogen wordt gebruikt:
P = U-U/R
Er wordt een grensweerstand gebruikt waarvan de toegestane vermogensdissipatie de berekende waarde overschrijdt.
Voorbeeld:
Een LED heeft een spanningsval van 1,7 V en een nominale stroom van 20 mA. Hij moet worden aangesloten op een 12 V stroomkring.
De spanningsval over de begrenzingsweerstand is:
U = 12 - 1,7 = 10,3 V
Weerstand van de weerstand:
R = 10,3/0,02 = 515 ohm.
De dichtstbijzijnde hogere waarde in het standaardbereik is 560 Ohm. Bij deze waarde is de stroomdaling ten opzichte van de referentie iets minder dan 10%, zodat het niet nodig is een hogere waarde te nemen.
Vermogensdissipatie in watt:
P = 10.3-10.3/560 = 0.19 W
Voor deze schakeling kan dus een element met een toelaatbare vermogensdissipatie van 0,25 W worden gebruikt.
Bedrading van LED strips
LED-strips zijn verkrijgbaar in verschillende voedingsspanningen. De strip heeft een circuit van diodes in serie. Het aantal diodes en de weerstand van de afsluitweerstanden hangen af van de voedingsspanning van de strip.
De meest gangbare typen LED-strips zijn ontworpen voor aansluiting op een stroomkring met een spanning van 12 V. Het gebruik van een hogere spanning voor de werking is ook hier mogelijk. Om de weerstanden correct te kunnen berekenen, moet men de stroom kennen die door een enkele sectie van het lint loopt.
Als de lengte van de band toeneemt, neemt de stroom evenredig toe, omdat de minimale secties technologisch parallel zijn geschakeld. Indien bijvoorbeeld de minimumlengte van een sectie 50 cm is, dan zal een strook van 5 m van 10 dergelijke secties een 10 maal hoger stroomverbruik hebben.
Verwante artikelen:
