|
Met deze eenvoudige schakeling kunt u de intensiteit van 12 V gelijkspanning LED-lampen traploos en over een groot bereik dimmen. U kunt er natuurlijk ook 12 V gelijkspanning motoren en 12 V halogeen spotjes mee regelen. |
Het principe van de schakeling
Pulsbreedte modulatie
Sommige 12 V LED-lampjes kunt u voeden met gelijkspanning. Deze worden aangeduid met de term 'AC/DC'. U kunt deze onderdelen echter niet dimmen door de voedingsspanning te regelen. Weliswaar kunt u op deze manier over een klein bereik de intensiteit van de LED's reduceren, maar op een bepaald moment doven de LED's opeens en is verdere regeling niet mogelijk.
In de beschreven schakeling wordt een ander principe toegepast, namelijk pulsbreedte modulatie. Dit is min of meer te vergelijken met het systeem dat wordt gebruikt bij wisselspanningsdimmers. De beschikbare voedingsspanning wordt omgezet in een puls met een instelbare aan/uit-verhouding en door middel van een elektronische schakelaar aan de LED-lampjes aangeboden.
Het gemiddelde vermogen dat in de lampjes wordt gedissipeerd is afhankelijk van de aan/uit-verhouding of duty-cycle van de puls op de uitgang van de elektronische schakelaar.
 |
| Vermogensregeling met pulsbreedte modulatie. (© 2020 Jos Verstraten) |
Weinig vermogensverlies
Omdat de regeltransistor nu alleen in verzadiging of sper werkt valt er nauwelijks vermogen over het onderdeel. In het eerste geval vloeit er immers wel een grote stroom door de halfgeleider, maar is de spanningsval uiterst klein. In het tweede geval is de stroom en dus het opgenomen vermogen gelijk aan nul.
Pulsbreedte modulatie
Het fundamentele principe van een vermogensregeling die werkt met pulsbreedte modulatie is getekend in de onderstaande figuur.
Een zaagtandgenerator wekt een zaagtand Uz op die oscilleert tussen de grenzen U1 en U2. De uitgangsspanning Uz wordt in een comparator vergeleken met een instelbare gelijkspanning Uref. De grenzen van deze gelijkspanning zijn zo gekozen dat de minimale waarde iets kleiner is dan U1 en de maximale waarde iets groter dan U2.
Als Uref kleiner is dan U1 zal de uitgang Ucomp van de comparator 'L' zijn. De schakeltrap wordt niet gestuurd, de LED-lamp ontvangt geen spanning.
Naarmate Uref groter wordt zal de breedte van de uitgangspuls van de comparator toenemen. De schakeltrap wordt gedurende een groter deel van de zaagtandperiode open gestuurd, de gemiddelde stroom door de LED-lamp stijgt. Als Uref groter wordt dan U2 levert de comparator continu een hoge spanning aan de schakeltrap. De LED-lamp wordt gevoed uit de volle 12 V voedingsspanning en brandt op maximale intensiteit.
 |
| Het principe van pulsbreedte modulatie. (© 2020 Jos Verstraten) |
Een eenvoudige zaagtandgenerator
De praktische bruikbaarheid van het pulsbreedte systeem valt of staat met de mogelijkheid een eenvoudige schakeling te ontwerpen die een zaagtandspanning met de in de vorige paragraaf beschreven eigenschappen kan genereren. Gelukkig is daar niet meer dan één IC’tje, één condensator en twee weerstanden voor nodig. Er wordt een oneigenlijk gebruik gemaakt van de bekende timer 555.
Het principeschema is getekend in de onderstaande figuur. De timer wordt geschakeld als astabiele multivibrator. De 555 is intern samengesteld uit twee comparatoren, een uit drie even grote weerstanden R samengestelde spanningsdeler, een flip-flop en een transistor. De twee comparatoren zijn ieder met één ingang verbonden op een knooppunt van de interne spanningsdeler. De twee vrije ingangen, beschikbaar op de pennen 2 en 6, worden gezamenlijk verbonden met externe condensator C1. Deze condensator wordt uit de voedingsspanning +Ub opgeladen via twee in serie geschakelde weerstanden R1 en R2. De collector van de interne ontlaadtransistor (pen 7) is verbonden met het knooppunt van beide externe weerstanden.
Bij het inschakelen van de voeding +Ub is de condensator C1 volledig ontladen. De uitgang van de onderste comparator is 'H', die van de bovenste comparator 'L'. De flip-flop wordt geset, de uitgang Q-niet is 'L'. De transistor T1 is gesperd. Condensator Cl gaat opladen via de twee weerstanden. Op het moment dat de condensatorspanning gelijk wordt aan 1/3 van +Ub slaat de onderste comparator om. Dit heeft geen gevolgen voor de status van de flip-flop.
 |
| Het principe van de zaagtandgenerator. (© 2020 Jos Verstraten) |
Even later wordt de condensatorspanning gelijk aan 2/3 van +Ub. De uitgang van de bovenste comparator wordt 'H', de flip-flop wordt gereset en de Q-niet uitgang wordt 'H'. De interne transistor T1 gaat geleiden en ontlaadt condensator Cl via de (kleine) weerstand R2. Als de spanning over de condensator gelijk wordt aan 1/3 van +Ub wordt de uitgang van de onderste comparator weer 'H'. De flip-flop set, Q-niet wordt 'L', de transistor spert en de condensator kan weer gaan opladen.
Over de condensator C1 ontstaat dus een zaagtand die oscilleert tussen de grenzen 1/3 van +Ub en 2/3 van +Ub. Precies het soort signaal dat nodig is voor de pulsbreedte regeling!
Het oneigenlijke gebruik van de 555 zit hierin dat de normale uitgang op pen 3 van het IC niet wordt gebruikt, maar dat de spanning over de condensator wordt bevorderd tot uitgangssignaal.
De bouw van de schakeling
Het volledig schema
Het volledig schema van de LED-lamp dimmer is getekend in de onderstaande figuur. Timer IC2 en comparator IC3 worden gevoed uit een gestabiliseerde spanning van +8 V, afgeleid uit een spanningsstabilisator IC1 van het type 7808. Die hebben wij gekozen omdat die voorradig was. U kunt net zo goed een 78L08 toepassen.
De spanning Uref wordt opgewekt door middel van de potentiometer R4, opgenomen in een spanningsdeler R3, R4 en R5. De waarde van de voorschakelweerstanden (8,2 kΩ) is zo gekozen ten opzichte van de waarde van de potentiometer (10 kΩ) dat op de loper een spanning tussen iets minder dan 1/3 van Ub en iets meer dan 2/3 van +Ub ter beschikking staat. Net zoals het volgens het blokschema moet wezen, dus!
De schakeltrap is samengesteld uit een PNP-vermogentransistor T2 van het type BD242 en een BC140 (Tl), die de basis van T2 naar de massa trekt als de uitgang van de comparator positief wordt. Transistor T2 wordt dan via de grote basisstroom volledig in verzadiging gestuurd.
 |
| Het volledig schema van de 12 V LED-lamp dimmer. (© 2020 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De dimmer wordt gebouwd op het printje dat in de twee volgende figuren is voorgesteld.
 |
| Het printje voor de schakeling. (© 2020 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2020 Jos Verstraten) |
De serietransistor T2 wordt ondergebracht op een klein U-vormig koelplaatje met koelribben en is dan in staat ongeveer 35 W vermogen te regelen.
Weerstand R4 is uitgevoerd als lineaire stereo-potentiometer. Dit hoeft niet, maar zo’n onderdeel zit nu eenmaal veel steviger en stabieler op de print dan een enkelvoudige soortgenoot die gemakkelijk naar voor en naar achter gaat wiebelen.
Er valt niets af te regelen, de schakeling moet het meteen doen.
De dimmer in de praktijk
Denk er wel aan dat geen kortsluitbeveiliging is ingebouwd en dat het printje zich dus niet leent voor gebruik als snelheidsregelaar bij modeltreintjes! Bij inductieve belastingen, zoals miniatuur 12 Vdc motortjes, moet u parallel over de motor een 1N4004 diode opnemen (kathode aan de +Ub) om de inductieve tegenspanningen kort te sluiten die ontstaan bij het uitschakelen van de stroom.
U sluit de ingang aan op een 12 Vdc netstekkervoeding of 12 Vdc adapter. De uitgang kunt u rechtstreeks gebruiken voor het voeden van 12 Vdc LED-lampen, zoals de bekende steeklampjes met een GU5.3 of MR16 steekvoet.
 |
| De schakeling in de praktijk. (© 2020 Jos Verstraten) |
Voeden van losse LED's
U kunt ook losse LED's met deze schakeling dimmen, maar dan moet u ALTIJD een serieweerstand met de LED of LED's opnemen. De bekende power-LED's hebben een brandspanning van ongeveer 4,0 Vdc. U moet dan een weerstand in serie schakelen waarover bij de gewenste LED-stroom 8 V valt. De waarde van deze weerstand is uiteraard te berekenen met de wet van ohm:
Rserie = [12 V - LED-spanning] / LED-stroom
Stel dat u twee van die power-LED's in serie schakelt en voedt met een stroom van 100 mA. Over de twee LED's valt dan 8,0 V, zodat de serieweerstand gelijk wordt aan:
Rserie = [12 V - 8 V] / 0,1 A
Rserie = 4 V / 0,1 A = 40 Ω
U kunt dit uiteraard afronden naar de standaard-waarde van 39 Ω.
Als u de kleine 5 mm LED's wilt voeden moet u op identieke manier de voorschakelweerstand berekenen.
Lees ook het artikel op dit blog Componenten: Light Emitting Diodes als u meer wilt weten over het aansluiten van LED's op een voedingsspanning.
Denk er aan dat LED's een plus en een min aansluiting hebben en dat u daarop moet letten bij het in serie schakelen van de LED's en bij het aansluiten op de dimmer.
Bouwpakket digitale oscilloscoop en frequentiemeter
