Lab-tips: LED's

(gepubliceerd op 18-01-2019)

In dit artikel worden vijftien kleine en nuttige schakelingen rond LED's besproken. U zult zien, u kunt veel meer met deze onderdelen dan u denkt!

Opmerking

Over de werking van een LED en de soorten LED's die bestaan is elders op dit blog een uitgebreid artikel verschenen, zie Componenten: Light Emitting Diodes.

Infrarode lichtsluis

Met een paar onderdeeltjes bouwt u een IR-lichtsluis, waarmee u bijvoorbeeld het passeren van een modeltrein kunt detecteren. De zender bestaat uit een infrarode LED die met een serieweerstand op een gelijkspanning van 5 V wordt aangesloten. De ontvanger bestaat uit een infrarode fotodiode BP104 die in sper staat ingesteld. Als het licht van de LED invalt op de diode gaat er een vrij grote stroom vloeien, waardoor over de weerstand R2 een goed meetbare spanning ontstaat. Als de lichtstraal wordt onderbroken vloeit door de diode alleen de lage donkerstroom en ontstaat er over de weerstand R2 een nauwelijks meetbare spanning.

Een eenvoudige infrarode lichtsluis voor kleine afstanden.
(© 2019 Jos Verstraten)

Eenvoudige knipperlicht schakeling

Met twee LED's en twee transistoren kunt u een zeer eenvoudige astabiele multivibrator maken, die de twee LED's afwisselend aan en uit stuurt. De frequentie wordt bepaald door de waarde van de twee elco's C1 en C2. Hoe groter, hoe lager de knipperfrequentie. Ook met de weerstanden R2 en R3 kunt u de frequentie regelen, zij het dat u deze weerstanden niet kleiner mag maken dan 4,7 kΩ.
De schakeling werkt doordat één van de transistoren, stel T1, iets meer geleidt dan de andere. Als u de schakeling onder spanning zet zal T1 zijn collectorspanning als eerste naar nul sturen. Deze negatieve spanningssprong wordt doorgekoppeld door de condensator C1 naar de basis van de tweede transistor T2. Deze komt in sper, zijn collector staat op de voedingsspanning. De negatieve spanning op de basis van T2 gaat nu langzaam afvloeien via de basisweerstand R2. Op een bepaald moment komt de basis van T2 op een positieve spanning van ongeveer 0,6 V te staan. Het gevolg is dat de transistor T2 gaat geleiden. Zijn collectorspanning gaat naar nul, deze negatieve spanningssprong wordt door condensator C2 doorgekoppeld naar de basis van de eerste transistor. De rollen zij dus omgewisseld, T1 spert en T2 geleidt. Het zal duidelijk zijn dat dit proces van wederzijdse beïnvloeding van beide transistoren zich blijft herhalen. Kortom, de LED'jes gaan knipperen met een door de onderdelen C1, C2, R2 en R3 bepaalde frequentie.

Een eenvoudige knipperlicht schakeling voor twee LED's. (© 2019 Jos Verstraten)

LED's voeden met een constante stroom

LED's voelen zich het fijnst als u ze voedt met een constante stroom. Dan zal hun intensiteit niet afhankelijk zijn van de voedingsspanning en zal de stroom door de LED niet fluctueren. Een eenvoudige manier om een constante stroom door één of meerdere in serie geschakelde LED's te sturen is getekend in onderstaande figuur. De transistor T1 is hierbij ingesteld als constante stroombron. Tussen de basis en de emitter staat een spanning van ongeveer 1,3 V, de spanning over de twee geleidende dioden D1 en D2. De basis/emitter-spanning van een geleidende transistor is ook 0,65 V. Het zal duidelijk zijn dat een en ander tot gevolg heeft dat over de weerstand R2 een constante spanning van 0,65 V staat. De stroom door deze weerstand is, volgens de wet van Ohm, ongeveer gelijk aan 10 mA. Dat is een mooie stroom om moderne LED's helder te laten branden. U kunt diverse LED's, ook met diverse kleuren, in serie schakelen. U moet er alleen voor zorgen dat over de constante stroombron een spanning van ongeveer 5,0 V blijft staan. Als u dus meer LED's in serie schakelt, dan moet u de voedingsspanning verhogen.

Een eenvoudige constante stroombron voor LED's.
(© 2019 Jos Verstraten)

Een alternatieve stroombron

U kunt een FET als stroombron gebruiken door simpelweg de gate rechtstreeks te verbinden met de source. Afhankelijk van de eigenschappen van de FET zal de stroom die door het onderdeel vloeit ergens tussen 10 mA en 20 mA liggen. Een ideale stroom voor het voeden van LED's, dus.

Een alternatieve constante stroombron met een FET.
(© 2019 Jos Verstraten)

Een LED voeden uit de 230 V netspanning

Het is niet aan te raden, maar als u het om de een of andere reden tóch wilt doen adviseren wij u gebruik te maken van de onderstaande schakeling. De condensator C1 van 100 nF tot 450 nF moet een exemplaar zijn met een doorslagspanning van minstens 630 V. De wisselspanningsimpedantie van dit onderdeel zorgt ervoor dat er een wisselstroom van ongeveer 10 mA door de schakeling vloeit. De diode D1 sluit de negatieve halve perioden kort, zodat de LED D2 alleen gevoed wordt met de positieve halve perioden. De kleine weerstand R2 van 47 Ω zorgt voor een onderdrukking van de grote stroompiek die kan ontstaan als de ongeladen condensator opeens met de 230 V van het net wordt verbonden. De weerstand R1 zorgt ervoor dat er nooit spanning over de condensator kan blijven staan als u het geheel los koppelt van het net.

Een LED voeden uit de 230 V netspanning. (© 2019 Jos Verstraten)

Een LED voeden uit een knoopcel

Knoopcelletjes leveren een spanning van 1,5 V. Dat is te weinig om een LED te laten branden. Als u nog ergens een F29 ferrietstaafje hebt liggen kunt u met onderstaande schakeling een eenvoudige spanningsverhoger bouwen, waarmee u een LED uit een knoopcel kunt voeden. Voor wie het niet (meer) weet, F29 was een ferrietkerntje voor het zélf wikkelen van spoeltjes. Het ferrietstaafje heeft een diameter van 2,6 mm en een lengte van 6 mm. Op dit staafje wikkelt u een spoeltje met 60 windingen en een tweede spoeltje met 40 windingen. Beide spoeltjes kunnen over elkaar worden gewikkeld. Het geheel vormt een zogenaamde fly-back transformator. Deze trafo vormt samen met de transistor T1 en de condensator C1 een HF-oscillator, die werkt op een frequentie ergens tussen 50 kHz en 100 kHz. De schakeling verbruikt ongeveer 30 mA uit de 1,5 V knoopcel.
Let op de manier waarop beide wikkelingen in de schakeling worden opgenomen. De zwarte bolletjes geven de eerste winding van de wikkeling aan.

Een LED voeden uit een knoopcel van 1,5 V. (© 2019 Jos Verstraten)

Bedrading opsporen via een LED

Met de onderstaande schakeling kunt u onder spanning staande 230 V bedrading in uw muren opsporen. U begint met een stukje epoxy printplaat van ongeveer 10 cm lang en 2 cm breed. Dit wordt aangesloten op een super-darlington, samengesteld uit drie transistoren. De totale stroomversterking van deze schakeling is gelijk aan het product van de afzonderlijke stroomversterkingen van de drie transistoren en is dus extreem hoog. Het elektromagnetisch veld rond de in de muur verzonken 230 V draden wekt in het plaatje epoxy een spanning op die de eerste transistor iets doet geleiden. Vanwege de grote stroomversterking zal de derde transistor volledig in verzadiging worden gestuurd en de LED gaat dus branden. Om de gevoeligheid iets te verlagen kunt u de gestippeld getekende weerstand R2 opnemen. De waarde van deze weerstand moet u experimenteel bepalen, maar ligt in ieder geval in het MΩ-bereik.

Met deze schakeling kunt u elektromagnetische velden in uw huis opsporen. (© 2019 Jos Verstraten)

Flitsende LED op 230 V netspanning

Door een diac te gebruiken kunt u een LED in een door u te bepalen tempo laten flitsen en dit gevoed uit de netspanning. Het schema is getekend in onderstaande figuur. De 230 V netspanning wordt door middel van de diode D1 gelijkgericht. De pulserende gelijkspanning die daarvan het gevolg is zal via de weerstanden R1 en R2 de condensator C1 opladen. R2 is een stereo potentiometer van 2 x 1 MΩ waarvan beide delen in serie zijn geschakeld om de juiste weerstandswaarde te verkrijgen. Over de condensator ontstaat dus een langzaam stijgende gelijkspanning. De snelheid waarmee de spanning stijgt is uiteraard afhankelijk van de grootte van de weerstanden.



Na een bepaalde tijd is de spanning over de condensator gestegen tot de doorslagspanning van de diac D2. Dit onderdeel slaat door, de condensator wordt zeer snel met een vrij grote stroom ontladen. Deze stroom vloeit door een parallel-schakeling. Weerstand R4 is aanwezig om de condensator snel genoeg te ontladen, zodat écht een korte flits in de LED ontstaat. Weerstand R3 is aanwezig om de maximale stroom door de LED op een veilige waarde te begrenzen. Nadat de condensator is ontladen tot de houdspanning van de diac gaat dit onderdeel weer sperren. De stroom wordt nul en de condensator kan zich weer gaan opladen.

Een uit de netspanning gevoede flitsende LED. (© 2019 Jos Verstraten)

Een knipperende LED met een schmitt-trigger poort

Schmitt-trigger poorten bestaan in iedere technologie, zowel in TTL als in CMOS. Typische voorbeelden zijn de SN7413, de SN74132, de CD4093 en de CD40106BE. Met dergelijke poorten kunt u op een eenvoudige manier een LED aan het knipperen brengen. Een voorbeeld is getekend in onderstaande figuur. De condensator C1 wordt opgeladen en ontladen uit de hoge en lage spanningen op de uitgang. Deze spanningen ontstaan als de spanning over de condensator gestegen of gedaald is tot de bovenste of onderste drempel van de hysteresis van de poort. De tijdsduur van die laad- en ontlaadprocessen wordt bepaald door de waarde van de weerstanden R1 en R2. Hoe groter deze weerstanden, hoe trager de LED knippert.

Een knipperende LED gestuurd uit een schmitt-trigger poort.
(© 2019 Jos Verstraten)

Het dimmen van LED's door middel van PWM

U kunt de intensiteit van een LED maar in een geringe mate regelen door het verlagen van de voedingsspanning. De LED gaat wel iets dimmen, maar dan gaat hij opeens helemaal uit. Dat komt doordat een LED een stroomgestuurd onderdeel is met een vrij constante spanning over het onderdeel. U kunt de voedingsspanning over een vrij groot gebied variëren, de stroom door de LED zal toch vrij constant blijven. Maar op een bepaald moment laat u de voedingsspanning dalen tot onder de brandspanning van de LED en dan dooft het onderdeel volledig.
Om de intensiteit van een LED goed te regelen moet u gebruik maken van pulsbreedte modulatie, PWM. De LED wordt gevoed met een spanning met een constante grootte, maar die spanning wordt heel snel in stukjes gehakt en die stukjes worden aan de LED aangeboden. Hoe breder die stukjes zijn, hoe groter de gemiddelde stroom zal zijn die door de LED vloeit en hoe hoger de intensiteit. Omdat dit proces heel snel plaats vindt ziet u daar niets van. Uw ogen zijn veel te traag en zien alleen de gemiddelde LED-intensiteit toenemen of afnemen.

Het principe van PWM voor het dimmen van een LED. (© 2019 Jos Verstraten)

PWM-besturing van power-LED's met een NE555 timer

In het onderstaande schema wordt een timer van het type 555 toegepast met als doel de intensiteit van een aantal power-LED's traploos te regelen. De timer is geschakeld als astabiele multivibrator met een instelbare duty-cycle. Met de potentiometer R6 kunt u de aan/uit-verhouding van de uitgangspulsen op pen 3 over een groot bereik regelen. Dat uitgangssignaal stuurt via R4 een medium-power transistor T1 in sper of in geleiding. In de collector staan de te sturen LED's. Uiteraard moet u de voorschakelweerstanden R1 tot en met R3 aanpassen aan de maximale stroom die de door u toegepaste LED's kunnen verdragen.

PWM-besturing met een 555 timer voor het dimmen van LED's. (© 2019 Jos Verstraten)

Een bi-color LED sturen uit één signaal

Als u de status van een signaal wilt aangegeven met twee kleuren, bijvoorbeeld 'L' is groen en 'H' is rood, dan kunt u de onderstaande schakeling gebruiken. Als de ingang 'L' is zal transistor T1 basisstroom trekken via weerstand R1. De transistor gaat geleiden en stuurt via de weerstand R3 een stroom door de groene LED. Als de ingangsspanning gelijk is aan +12 V zal de transistor sperren, maar vloeit er via R2 een stroom door de rode LED. De waarden van R2 en R3 zijn experimenteel zó te kiezen dat de intensiteit van de rode en groene LED's op het oog identiek zijn.

Besturing van een bi-color LED uit één signaal. (© 2019 Jos Verstraten)

Een nachtlampje met vijf LED's

U kunt nachtlampjes met LED's weliswaar voor een habbekrats kopen, maar wellicht voelt u toch de behoefte om zo'n ding zélf te bouwen. Welnu, aan de hand van onderstaand schema is dat zó gebeurd. De netspanning wordt weer vrij verliesvrij gereduceerd door gebruik te maken van de impedantie van de condensator C1. De weerstand R1 zorgt voor het snel ontladen van dit onderdeel als u het nachtlampje uit het stopcontact haalt. Zijn soortgenoot R2 reduceert de inschakelstroom door de LED's als u de nachtlamp toevallig bij de 315 V piekwaarde van de netspanning inplugt. De LED's worden gevoed via de bruggelijkrichter D6 ~ D9. U moet dus geen voorzieningen treffen om de LED's te behoeden voor een grote sperspanning, want die is er in dit schema niet. Sommige ontwerpers zetten over de serieschakeling van de LED's nog een elcootje van 100 μF, maar dat is een overbodige luxe.

Een zelfbouw nachtlampje met vijf LED's. (© 2019 Jos Verstraten)

Een automatische schemerlamp

Een lamp die automatisch gaat branden als de schemering invalt kan in uw huis een handig attribuut zijn, bijvoorbeeld voor het verlichten van de voordeur, uw deel van de brandgang of uw garagepoort. Zo'n lamp brandt de volledige nacht en het is dus van belang dat deze lichtbron zo weinig mogelijk verbruikt. Wat ligt er dan meer voor de hand dan gebruik te maken van een aantal LED's die gevoed worden uit een zuinige geschakelde 15 V netstekker voeding? In het onderstaande schema ziet u hoe een en ander werkt. De intensiteit van het omgevingslicht wordt uiteraard gemeten met de LDR R3. Als er veel licht is, dan is de weerstand van deze sensor laag. De basis van transistor T2 staat op een zo lage spanning dat deze halfgeleider spert.


Het gevolg is dat ook transistor T1 geen basisstroom kan trekken en spert. De LED's zijn gedoofd. Bij een bepaalde schemering, mede afhankelijk van de instelling van potentiometer R2, gaat T2 basisstroom trekken en geleiden. Via R4 wordt ook T1 in geleiding gestuurd. Het LED-array komt onder spanning te staan en gaat branden. In dit voorbeeld worden twintig witte LED's gebruikt die een brandspanning van 2,9 V bleken te hebben. De totale spanning over de serieschakeling van vijf LED's bedraagt dus 12,5 V. Over de serieweerstanden R5 ~ R8 valt slechts 0,5 V. De LED-stroom bedraagt met de gekozen waarde 10 mA. De totale stroomopname van de schakeling bedraagt slechts iets minder dan 50 mA.
De elco C1 is absoluut noodzakelijk. Hij vlakt de basisspanning van T2 af, zodat de LED's niet gaan doven als er even een lichtflits op de LDR valt, bijvoorbeeld veroorzaakt door de koplampen van een voorbij rijdende auto.

Deze LED's schakelen automatisch in als de schemering invalt. (© 2019 Jos Verstraten)

Automatische noodverlichting

Een schakeling die volledig automatisch twee LED'jes laat branden als de netspanning wegvalt is getekend in onderstaande figuur. De 230 V van het net wordt naar 12 V getransformeerd (Tr1), gelijkgericht (D1 ~ D4) en afgevlakt (C1). Deze spanning laadt via de diode D5 en de weerstand R1 vijf Nicad accu'tjes van 1,2 V en 750 mAh op met een zeer lage laadstroom, zodat van druppellading kan worden gesproken. De totale beschikbare spanning bedraagt dus 6,0 V. De transistor T1 spert als de netspanning aanwezig is, omdat de basis via diode D6 op een hogere spanning wordt gehouden dan de emitter. Valt de netspanning echter weg, dan gaat de elco C1 ontladen en kan de transistor basisstroom trekken uit de accu's via de weerstanden R2 en R4. De halfgeleider wordt volledig in verzadiging gestuurd. De spanning over de accu's wordt via de geleidende transistor en de weerstand R3 aan twee ultra-felle witte LED's aangeboden. Met de gegeven waarden bedraagt de LED-stroom ongeveer 15 mA.

Een kleine automatische noodverlichting die in werking treedt als de 230 V wegvalt. (© 2019 Jos Verstraten)

Indicator voor een defecte zekering

In sommige gevallen is het handig om een indicatie te krijgen als een zekering doorslaat. U ziet dan onmiddellijk waar de fout zit in een apparaat. Met onderstaande eenvoudige schakeling laat u een LED oplichten op het moment dat de netzekering het begeeft. De werking is eenvoudig. Als de zekering goed is staat er over het onderdeel nauwelijks spanning en de LED krijgt geen voeding. Slaat de zekering door, dan staat de volledige 230 V van het net over de zekering en dan krijgt de LED voeding via de condensator C1. De diode D2 sluit de negatieve halve perioden van het net kort, zodat deze de LED niet doen doorslaan. De weerstand R1 is, zoals reeds een paar keer in dit artikel beschreven, nodig om de spanning over de condensator C1 af te bouwen als de netstekker van het apparaat uit het stopcontact wordt getrokken.

Deze schakeling laat een LED branden als een zekering doorslaat. (© 2019 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
Koop uw multimeter bij Banggood