10. Diodes en LED’s

10. Diodes en LED’s

Doel van deze Experience

Na deze Experience begrijp je wat een diode is, hoe het werkt en wat de verschillende soorten zijn.

Wat heb je nodig?

  • Experimenteerbord
  • Multimeter met meetsnoeren
  • LED
  • Weerstanden van 220Ω, 10kΩ en 100kΩ
  • Potentiometer

Theorie

Een Diode is een belangrijke component in de elektronica. Je komt hem elke dag tegen terwijl je tot nu toe niet wist wat het was. De standaard LED die je kent van verlichting is namelijk ook een diode. Een diode is een component die veel wordt gebruikt en die de specifieke eigenschap heeft dat het de stroom maar op één manier doorlaat, namelijk wanneer de plus en de min van de diode goed zijn aangesloten. De diode heeft het volgende symbool. Hij heeft een Kathode en een Anode. De Kathode moet worden aangesloten op de MIN en de Anode op de PLUS. Je kunt dit onthouden met met het ezelsbruggetje KNAP  -> Kathode Negatief Anode Positief.

diode

Diodes worden vaak gebruikt in voedingen zoals je die misschien wel kent bij allerlei apparatuur. Deze gaan in het stopcontact en krijgen hier 230 Volt wisselspanning. De uitgang voor bijvoorbeeld je telefoon of computer is altijd gelijkspanning. In deze adapter zitten dus een aantal diodes om van wisselspanning gelijkspanning te maken. Dit wordt ook wel een brugcel genoemd. Een brugcel is een component waar 4 diodes inzitten, geschakeld zoals is in deze tekening. De wisselspanning aan de ingang wordt door de brugcel gelijkgericht en hierna door de condensator afgevlakt.

Een brugcel ziet er als volgt uit;

brugcel

Schematische opbouw van een brugcel om van een wisselspanning gelijkspanning te maken.

diodebrug

Zo ziet de spanning eruit na de brugcel (alleen nog positieve spanning) en na de Elco (afgevlakt door de bufferwerking van de Elco)

werking brugcel

LED

In onze basiskist zit een bijzondere diode, namelijk een LED. LED is de afkorting voor Light Emitting Diode, ofwel een Diode die licht uitstraalt. Deze LED’s zijn er in diverse kleuren en maten. ook in de basis set zijn verschillende kleuren aanwezig. Deze LED’s ziet er als volgt uit:

led kleuren
Het is je misschien al opgevallen dat de twee pootjes van de LED niet even groot zijn. Dit is gedaan om goed te kunnen herkennen van de plus en wat de min zijde is. Het lange pootje dient dus aan de + spanning te worden aangesloten, het korte pootje aan de – spanning.

 

led aansluitingen

Het symbool van een LED is een normale LED met twee of drie pijltjes die naar buiten gericht zijn;

ledsymbool2

De LED’s worden gebruikt als indicator bij een telefoon, computer of monitor,  maar tegenwoordig ook als verlichting. Alhoewel de LED al heel lang bestaat zijn de toepassingen pas de laatste 10 jaar toegenomen door betere en goedkopere productie middelen. Hierdoor  kunnen we lampen maken met een groot aantal LED’s maar ook lichtslangen van LED’s bijvoorbeeld.

ledslang

Bijzondere LED’s

7-segment-led-display
In de basiskist  zie je een bijzondere uitvoeringen van een LED.  Op bovenstaand plaatje zie je een 1-digit 7-segment LED, een achttal LED’s  in een speciale behuizing. Alle LED’s zijn onafhankelijk van elkaar aan te sturen. Naast alle getallen kun je ook de punt aansturen (DP staat voor Decimal Point, decimale punt). Met dit soort LED’s kunnen we informatie aan een gebruiker laten zien om bijvoorbeeld bepaalde waardes af te lezen.

Gebruik weerstand
Als je een LED rechtstreeks op een spanningsbron aansluit kan de stroom heel groot worden. Als de stroom te groot wordt gaat de LED heel fel branden maar ook heel snel kapot. Daarom zetten we een LED altijd in serie met een weerstand. Zodra de LED gaat geleiden en stroom doorlaat, zal de weerstand ervoor zorgen dat de stroom beperkt wordt.
De sperspanning van alle types Diodes is niet gelijk, we zullen dit in de Experience nog gaan meten. Voor de berekeningen gaan we uit van 1,5 V voor een LED.


Op welke spanning en stroom werken de diode en LED?

drempelspanning

Deze grafiek ziet er misschien moeilijk uit maar deze geeft aan hoeveel stroom en gaat lopen bij een bepaalde spanning. Als de diode verkeerd om is aangesloten staat hij in “sper” en zal geen stroom doorlaten, dat kun je zien aan de grafiek, de stroomwaarde is hier 0. Aan de rechterzijde, als de diode in de “doorlaatrichting” staat,nu is hij dus correct aangesloten gaat er stroom lopen wanneer de spanning over de diode hoog genoeg is. We noemen dit de drempelspanning. Zodra er dus een spanning op de diode komt die hoger is dan de drempelspanning gaat er stroom lopen. Bij een stroom van 10mA brandt de LED al voldoende.

Video waarin we deze spanning/stroom curve gaan meten;

In de volgende video bewerken we de data in Google docs om er een grafiek van te maken.

 

Rekenen aan de LED

diode en weerstand

Op basis van deze aanname kunnen we nu uitrekenen met de wet van Ohm, zoals we die in Experience 5 hebben geleerd, wat voor weerstand we nodig hebben.
In het schema zie je een spanningsbron van 5 Volt zoals we gebruiken bij de Arduino. De spanning over de Diode zal 1,5 V zijn waardoor we uit kunnen rekenen dat er 5 – 1,5 = 3,5 V over de weerstand komt te staan.  Met de wet van Ohm kunnen we nu uitrekenen:
De stroom door de LED moet ongeveer 10 mA zijn. 10 mA = 0,01 A
R = U / I = 3,5 V / 0,01 = 350 Ω
Nu hebben we deze weerstand niet in de Experimenteer doos zitten, we kunnen kiezen uit 220 Ω en 470 Ω.
Als we 220 Ω gebruiken zal de stroom hoger zijn dan 10 mA, als we 470 Ω gebruiken zal de stroom lager zijn. Hoe lager de stroom, hoe minder licht de LED zal geven. De LED blijft het wel langer doen en kan dus vele jaren langer mee wanneer je hem op een lagere stroom gebruikt.

Opdrachten

Opdracht 1

Bouw een schakeling met een weerstand van 220Ω in serie met een LED conform deze tekening;

LED met 1 weerstand

Meet met de multimeter de spanning over de weerstand en de spanning over de LED.
We meten nu een totaal spanning van 5,1 V, een spanning van 3,16 V over de weerstand en 1,94 V over de LED. Je dient ook de stroom in het circuit te meten.
Herhaal dit met een weerstand van 10kΩ en nogmaals met een weerstand van 100kΩ

We maken de volgende tabel en vullen de gemeten waardes in;

Spanning over LED     Stroom door LED

R = 220Ω                    …… V                             …… mA
R = 10kΩ                     …… V                             …… mA
R = 100kΩ                   …… V                             …… mA

Komen de waardes die je meet overeen met de waardes in de video ?

Opdracht 2

Kijk goed naar de aansluitingen. Als laatste plaatsen we de potentiometer in het circuit. We behouden altijd één weerstand van 220 Ω in serie met de potentiometer, als de potentiometer namelijk op 0 Ω komt te staan zal de stroom zo groot worden dat de LED kapot gaat.
We bouwen onderstaande schakeling.

LED met 1 weerstand en potentiometer

Als we nu aan de potentiometer draaien komen we uit op een LED spanning tussen de 1,96 V en 1,66 V. De potentiometer heeft een maximale waarde van 10 kΩ.
Zelfs als we twee weerstanden van 10 kΩ in serie zetten met de potentiometer en dus totaal 30 kΩ hebben blijft de LED heel licht branden. De stroom is nu 0,16 mA en de spanning over de LED nog 1,62 V. Als we dit met de wet van Ohm uitrekenen komen we uit op een stroom van:
I = U / R => I = 5 V / 30.000 Ω = 0,000166 A ofwel 0,16 mA, precies wat we hebben gemeten.
We kunnen dus wel concluderen dat de diode een heel bijzonder component is en bijna onafhankelijk van de stroom dezelfde spanning over zich heen krijgt en zelfs bij een hele lage stroom nog licht geeft.

Wat heb je geleerd?

  • Je weet nu wat een LED en een diode zijn en begrijpt diverse toepassingen.
  • Je begrijpt waarom de spanning over een weerstand niet linear is met de stroom
TestenStatus

Een reactie plaatsen