Probleemstelling
In een zelfgemaakte plaasteren (soort gips) kerstboom zijn
neplampjes gemaakt die dit "binnenlicht" naar buiten kunnen brengen.
Er wordt gekozen voor een binnenverlichting met rode en
groene LED’s (voeding door
opamp’s) die samen 4 kleuren kunnen vormen.
De binnenkant van de onderkant van de steunvoet van de
kerstboom heeft een diameter van 9 cm. Dit is groot genoeg om 9 rode en 9 groene
hoge lichtsterkte
LED’s aan te sturen.
Sterk vereenvoudigde benadering
- Download:
De printbare witte versie van dit schema
-
- Opamp U1 is geschakeld als oscillator, al de andere opamps als versterker
(x1).
- Vx = spanning aan pen 3 van U1
- Vy = uitgangspanning (pen 1) van U1
- Vc = condensatorspanning
- De rode
LED’s zijn geschakeld tussen een opamp uitgang en de positieve
voedingsspanning.
- De groene
LED’s zijn geschakeld tussen een opamp uitgang en de massa.
Hoge lichtsterkte
LED's
- De spanningsval over een enkele
LED is spanningsafhankelijk en ongeveer
gelijk aan 1,6 V.
- Een goede lichtintensiteit vereist een
LEDstroom van 15 à 25 mA.
- Er worden 3
LED’s in serie geschakeld. De spanning over deze
LED’s
moet dus minimaal 4,8 volt zijn voordat ze kunnen oplichten.
- Groene en rode
LED’s kunnen
4 kleuren en hun variaties vormen:
- Rood:
groene LED’s uit
- Groen:
rode LED’s uit
- Oranje:
roodstroom = 2 x de groenstroom
- Geel:
groenstroom = 2 x de roodstroom
-
- De voedingsspanning is 12V
- De uitgangsspanning (Vy) van U1 - geschakeld als oscillator - is
afwisselend 2 V of 10 V (dit
zijn sterk
afgeronde waarden in verband met het vergemakkelijken van de berekeningen)
-
- Als R1 = R2 = R3 = 100 K
en Vy = 2V dan
is Vx = 4,7 V
-
en Vy = 7 V
dan is Vx
= 7,3 V
- Als de oscillator U1 omslaat is Vx = Vc.
- Daarom zullen de uitgangen van U2, U3 en U4 langzaam (instelbaar met
potentiometer R5) variëren tussen 4,7 en 7,3 V.
Berekening van
Vx
(Vc)
 |
- Vy = 10V
- Vx /R2 = (12 - Vx)/R1 + (10 - Vx)/R3
-
- Vy = 2V
-
(12
- Vx)/R1
= Vx/R2
+ (Vx
– 2 )/R3
-
|
|
R1 |
R2 |
R3 |
Vy=2V |
Vy=10V |
GEM |
|
|
Vcmin |
Vcmax |
|
|
|
|
|
|
|
|
| 100K |
100K |
500K |
5V6 |
6V4 |
6V |
| 100K |
100K |
200K |
5V2 |
6V8 |
6V |
| 100K |
100K |
100K |
4V6 |
7V3 |
6V |
| 100K |
100K |
50K |
4V |
8V |
6V |
| 100K |
100K |
25K |
3V3 |
8V7 |
6V |
| 100K |
100K |
10K |
2V6 |
9V4 |
6V |
| 100K |
150K |
100K |
5V2 |
8V2 |
6V7 |
| 100K |
150K |
75K |
4V9 |
8V4 |
6V7 |
| 100K |
150K |
50K |
4V4 |
8V7 |
6V6 |
| 100K |
120K |
100K |
4V9 |
7V7 |
6V3 |
| 100K |
120K |
50K |
4V2 |
8V3 |
6V3 |
| 75K |
100K |
100K |
5V4 |
7V8 |
6V6 |
| 150K |
200K |
100K |
4V6 |
8V3 |
6V5 |
| 200K |
100K |
100K |
3V1 |
6V4 |
4V8 |
-
- Schematisch voorgesteld:
- 4,7
V
↔
7,3 V : Spanningsvariatie aan de uitgang van U2, U3 en U4
- 4,8
V
→
7,3 V : Spanningsvariatie voor langzaam aan (en uit) groene
LED’s
-
4,8V = spanningsval over 3
LED’s
- 4,7
V
←
7,2 V : Spanningsvariatie voor langzaam aan ( en uit ) rode
LED’s
-
7,2V = 12V – spanningsval over 3
LED’s
-
-
-
- Grens1 = Spanning waarboven de
rode LED’s niet meer branden (7V2)
- Grens2 = Spanning waaronder de
groene LED’s niet meer branden (4V8)
De maximale
spanning over de
LED’s + weerstand =
7,3 V.
De spanning
over de LED’s = 4,8 V
De spanning
over de serieweerstand is dus 2,5 V
Met een
weerstand van 0,1K is de maximale
LEDstroom dus 25mA.
De OPAMP (1458) mag maximaal
400mW dissiperen. Het constant gedissipeerd vermogen
= 12 V x 25 mA = 300 mW
Nauwkeurige uitwerking
-
Helderheid
LED’s
Met een gelijke doorgangsstroom hebben
LED’s met verschillende kleur ongelijke lichtsterkten
(rood brandt ongeveer 10 maal
heviger dan groen).
De rode
LED licht
al zeer goed op bij 5mA. Andere
kleuren hebben minstens 15 mA nodig en daarna veranderde de lichtsterkte niet
meer in verhouding met de stroomsterkte (het
verschil tussen 15 en 50 mA
was wel duidelijk merkbaar). Als je kijkt naar de maximale stroom die een opamp
kan leveren is gekozen voor 9
rode en 18 groene
LED’s. Twee serieschakelingen van drie groene
LED’s
worden parallel geschakeld. In principe kan de voorschakelweerstand
ontdubbeld worden maar dit geeft geen beter resultaat.
Om gelijke lichtsterkten te
bekomen moest er wat geëxperimenteerd worden met als resultaat:
R voor de
rode LED’s = 500 Ohm
R voor de
groene LED’s = 150 Ohm
Vermindering van Rgroen tot 100 Ohm heeft voor gevolg dat de opamp zijn
uitgangsspanning vermindert met als gevolg dat de rode
LED’s niet volledig
meer doven.
-
Spanningsval
over de LED’s
Indien je met kleine spanningen werkt kunnen afrondingen
te veel afwijking geven. Metingen hebben de volgende resultaten gegeven:
Spanning waarbij 3 rode
LED’s juist oplichten = 4V3 (grens1 = 7V7)
Spanning waarbij 3 groene
LED’s juist oplichten = 5V1 = grens2
Om deze nieuwe grensspanningen aan de condensator te
ontvangen zullen de weerstanden 1 tot 3 aangepast worden.
-
Uitgangsspanning
van de oscillator
Ook hier hebben de afrondingen te veel effect aangezien
voor de gebruikte OPAMP, een 1458, de uitgangsspanningen van de oscillator
respectievelijk 1V6 en 11V2 bedragen. Om uitgebalanceerde lichtvariaties te
ontvangen moet ook hier rekening mee gehouden worden.
Bepaling van de weerstanden R1, R2 en R3
Uit de tabel van de figuur “ Berekening van Vc “ kunnen
enkele opmerkingen, conclusies en
regels afgeleid worden:
- De
berekeningen zijn gemaakt met 2V en 10V als uitgangsspanningen van de
oscillator. Vc ( voor Vy = 10V
) vermeerderen met 0V4 geeft een goede realistische benadering.
- GEM
= gemiddelde van Vc voor Vy =
2V en Vy = 10V. GEM vermeerderen met 0V2 geeft een goede realistische
benadering.
- Verkleinen
van R3 verhoogt Vcmax en verlaagt Vcmin met ongeveer hetzelfde GEM.
- Verhogen
van R3 verlaagt Vcmax en verhoogt Vcmin met ongeveer hetzelfde GEM
- Verhogen
van R2 verhoogt Vmax en Vcmin ( stijging Vcmax > stijging Vcmin )
- Verhogen
van R1 vermindert Vcmax en Vcmin ( daling Vcmin > daling Vmax
)
De grenswaarden 7V7 en 5V1 hebben 6V4 als GEM
Rekening houdend met de correctie 0V2 voor GEM geeft de
tabel de volgende waarden:
R1 = 100K
R2 = 120K
R3 is groter dan 100K en wordt het liefst als potentiometer
uitgevoerd waarmee dan de uittijd van de
LED’s ingesteld kan worden.
De weerstanden kunnen ook theoretisch berekend worden. Indien we stellen dat R1 = 100K (in principe kan even goed voor R2 of R3
een vaste waarde genomen worden) dan kunnen R2 en R3 exact berekend worden met
de 2 formules uit de figuur “Berekening van Vc”:
7,7 / R2 = (12 – 7,7) / 100 + (11,2 – 7,7) / R3
(12 – 5,1) / 100 = 5,1 / R2 + (5,1 – 1,6) / R3
Resultaat na wat rekenwerk: R1 = 100K
R2 =114K R3 = 143K
Realisatie:
Download:
printplaat zonder componenten (bovenstaand figuur is verkleind)
Download:
printplaat
met componenten (bovenstaand figuur is verkleind)
Op de print is er plaats voorzien voor een
afvlakcondensator.
Er zijn 3 draadbruggen.
Opmerkingen
- Pin 2 van U1
verbinden met pin 7 van U2 (zie schema: Dit is toch dezelfde spanning en C1
wordt minder belast in verband met gelijke
stijg- en daaltijden van de lichtsterkte) heeft voor gevolg dat U1 niet meer
oscilleert (waarschijnlijk worden er spanningspieken rechtstreeks
overgebracht op C1)
- De voedingsspanning is vrij kritisch:
- Boven de 13 V blijven de led’s
branden met een minimum aan variaties
- Onder de 10 V branden de
LED’s niet meer
- Gezien de zeer kleine lichtsterkte van de groene
LED’s bij geringe stroomsterktes bleek, bij het testen, dat het geen
probleem is als Vcmin iets hoger is dan grens2
- In principe zou men ook 4 rode
LED’s in serie
kunnen schakelen, maar gezien de symmetrische plaatsing van de
LED’s op een cirkelomtrek werd dit niet uitgevoerd.
- De symmetrie van de schakeling wordt bemoeilijkt
door de asymmetrische uitgang van de opamp, namelijk 1,6 en 11,2 Volt
- Het resultaat
vertoonde volgende gebreken:
- De boomverlichting komt alleen
tot zijn volle recht in een donkere omgeving
- Met daglicht is het groen licht
moeilijk zichtbaar
- Men moet echt goed kijken om de
kleurschakeringen, geel en oranje, waar te nemen
Met dank aan E. Demuys
|
