Remlicht met LM317 (met uitgebreide uitleg en bijbehorend rekenwerk)

Gecreëerd op 21 januari 2012 14:25

Categorieën: Verlichting, Veiligheid

LEDs dimmen met stroombron LM317

Vaak worden LEDs toegepast met een voorschakelweerstand om ze een bepaalde stroom te voorzien. Deze methode werkt vrij aardig maar het kan wat nauwkeuriger. LEDs hoor je eigenlijk aan te sluiten op een stroom bron en niet op een spanningsbron.

Een eenvoudige stroombron valt gemakkelijk en goedkoop te maken met slechts één onderdeel extra. Ik maak gebruik van een LM317. Deze laatste is eigenlijk een spanningsbron maar is ook als stroombron te gebruiken.

Het basisschema (met 2 getekende Luxeons maar dat kunnen er ook meer of minder zijn, meer daarover verderop in deze beschrijving):

Het rekenwerk:

Ik ga even uit van een 1W Luxeon.
Met een voorschakelweerstand moet je rekening houden met de aansluitspanning en met hoeveel Luxeons je wilt aansluiten. De dan berekende voorschakelweerstand is geen garantie dat de LEDs dan ook daadwerkelijk op de gewenste stroom gaan branden. Met een stroombron is dat niet het geval. Hiermee maakt het aantal LEDs en de aansluitspanning niet uit (binnen bepaalde grenzen).

Rekenvoorbeeld 1:

Maar goed, een Luxeon van 1W
Benodigde stroom op maximale brandsterkte: I = 350 mA = 0,35 A
Een vast gegeven voor het rekenwerk met de LM317 is de spanning: U = 1,25 V. Deze waarde zal je nog vaak tegenkomen in deze zelfbouwbeschrijving. Omdat deze waarde steeds hetzelfde is, is het rekenwerk betrekkelijk eenvoudig.

De benodigde weerstand is:
R = U / I
R = 1,25 / 0,35
R = 3,6 Ohm

Wil je een 1W Luxeon laten branden op volle sterkte dan heb je dus een weerstand van 3,6 Ohm nodig.
Verder zijn niet alle weerstanden verkrijgbaar. Neem dan de éérstvolgende weerstand met hogere waarde. Bijvoorbee.d 3,7 of 3,8 Ohm ofzo.

Hoe 'zwaar' moet deze weerstand zijn?

Stroom is dus: I = 0,35 A. De spanning over die weerstand is: U =1,25 V
Het vermogen:
P = U * I
P = 1,25 * 0,35
P = 0,44 W
Zelf kies ik liever voor een wat zwaardere weerstand dan de berekening aangeeft. Zelf zou ik nu kiezen voor een 1W weerstand ofzo.

Rekenvoorbeeld 2:

Voor een 3W Luxeon heb je 700 mA nodig voor volle brandsterkte dus I = 700 mA = 0,7 A
R = U / I
R = 1,25 / 0,7
R = 1,8 Ohm

Hoe 'zwaar' moet deze weerstand zijn?

Stroom is dus: I = 0,7 A. De spanning over die weerstand is: U =1,25 V
Het vermogen:
P = U * I
P = 1,25 * 0,7
P = 0,88 W

Zelf kies ik liever voor een wat zwaardere weerstand dan de berekening aangeeft. Zelf zou ik nu kiezen voor een 2W weerstand ofzo.

Rekenvoorbeeld 3:

Ook voor normale 5mm LEDs kan je dit toepassen Daarvoor kan je ook een lichtere LM317 nemen met de TO-92 behuizing (maar de TO-220 behuizing kan uiteraard ook gewoon):

Gewenste stroom: I = 20 mA = 0,02 A
Spanning U = 1,25 V
R = U / I
R = 1,25 / 0,02
R = 63 Ohm

Vermogen? Dat maakt hier niet echt uit; de stroom is hier zo klein dat elke normale weerstand genomen kan worden.

Hoe zit het dan met het aantal Luxeons, waarom maakt dat niet uit? Bij een voorschakelweerstand wel!

Dit heeft er dus puur mee te maken dat je een stroombron maakt met de LM317. Die zorgt ervoor dat de spanning over de Luxeons zodanig hoog wordt dat er alsnog de gewenste stroom gaat lopen.
Op 12V kan ik kiezen of ik 1, 2 of 3 rode LEDs in serie wil aansluiten op één LM317 met weerstand. De overtollige spanning wordt 'opgestookt' door de LM317. Als je 12V hebt en je sluit daar rode LEDs op aan dan zou je met 1 LED 2V opnemen en dus 12-2= 10V naar de LM317 laten gaan, die wordt dan knap warm. Zou je 4 rode LEDs in serie nemen dan zou je 2*4 = 8V met de LEDs nemen, ongeveer 2V voor de LM317 en dus nog 2V overhouden. Die 2 V wordt door de LM317 in warmte omgezet. Maar goed, bij een voorschakelweerstand gebeurt dat omzetten in warmte in de voorschakelweerstand dus veel verschil maakt het niet. Duidelijk is wel dat je dus beter méér LEDs in serie kan nemen voor zover de spanning dat toelaat.
op 12V kan je bijvoorbeeld 3 amberkleurige of rode Luxeons in serie nemen. Witte kan ook net 3 maar 2 is wat 'veiliger' mocht de accuspanning teveel zakken, dan kan je toch nog je Luxeons laten branden.

Voordelen van een stroombron boven een voorschakelweerstand

• De spanning waarop je de boel aansluit maakt niet (zo gek veel) uit
• Het aantal LEDs wat je in serie zet maakt ook niet uit
• Het rekenwerk voor één of voor 10 LEDs of voor een lage of hogere aansluitspanning is gelijk maar ook de onderdelen zijn gelijk!
• LEDs krijgen werkdelijk de stroom die jij ze wilt geven, daarmee branden ze bij verschillende spanningen ook op gelijke lichtintensiteit
• Omdat de stroom nauwkeurig geregeld kan worden, kan je LEDs zo op eenvoudige en goedkope wijze netjes dimmen.

Nadelen van deze stroombron in vergelijking met alleen een voorschakelweerstand:

• Iets meer soldeerwerk
• 1 onderdeel meer en daarmee iets meer kosten
• De LM317 snoept ook iets van 1,5 tot 2 Volt weg waardoor er dus minder overblijft voor LEDs. Soms kan dat betekenen dat je net 1 LED minder in serie kan nemen.

Maar hoe zit het dan met dimmen?

Zoals gezegd zal je een LED een stroom moeten 'voeren'. Veel stroom betekent veel licht, weinig stroom betekent weinig licht.

Als je 2 stroombronnen op een LED aansluit, zullen ze elk hun stroom aan de LED leveren. De stroom kan dan gewoon opgeteld worden.
Als ik bijvoorbeeld een 1W Luxeon gedimd wil gebruiken als achterlicht en op volle sterkte als remlicht dan kan kan ik achterlichtfunctie bijvoorbeeld met 50 mA kunnen aansturen en het remlicht met de rest. Gezien een 1W Luxeon 350 mA mag hebben, dan zou de remlichtfunctie dus 350 mA - 50 mA = 300 mA moeten geven.

Het schema:

Ik zou dan dus met 2 LM317's en met 2 weerstanden de 2 functies kunnen maken. Voor de zekerheid heb ik nog 2 diodes opgenomen. Wegens een tikkie gebrek aan kennis heb ik die voor de veiligheid opgenomen.
[toevoeging] Van iemand op de ligfietslijst heb ik vernomen dat de diodes achterwege gelaten kunnen worden.

De weerstanden die ik dan nodig heb:
Achterlicht:
R = U / I
R = 1,25 / 0,05
R = 25 Ohm

Remlicht:
R = U / I
R = 1,25 / 0,3
R = 4,2 Ohm

Het kiezen van geschikte weerstanden tussen wel/niet gedimd:

Als je 2 standen wil invoeren dan moet de 'hoge' stand een minimaal 2x zo hoge stroom hebben als de 'lage' stand om goed verschil te zien in helderheid. Wil je groot verschil in helderheid dan kan je ervoor kiezen om de 'lage' stand te laten werken met 1/5e of 1/6 van de maximale stroom.
Zo heb ik voor de achterlicht/remlichtfunctie gekozen voor ongeveer 1/6e - 5/6e van de stroom.

In ieder geval wil ik aanraden om de stroom in ieder geval te verdubbelen bij verschillende standen. Het normale achterlicht heb ik op 50 mA gezet. Om duidelijk verschil te zien tussen normaal achterlicht en remlicht, zou ik dus aanraden om minimaal 100 mA te kiezen voor het remlicht. Omgekeerd, het dimlicht zou ik dan dus minder dan de helft van 50 mA nemen dus 25 mA of lager. Ik kies voor 20 mA in het rekenvoorbeeld.

Het schema:

In dit schema ben ik iets voorzichtiger te werk gegaan; de maximale stroom is in dit geval 300 mA.

Het onderste gedeelte (voor de rem) heeft een weerstand van 5 Ohm. Dat komt overeen met een stroom van
I = U / R
I = 1,25 / 5
I = 0,25 A = 250 mA

Het bovenste gedeelte is voor de achterlichtfunctie met dimfunctie
Omdat de weerstanden in serie staan zal de gedimde functie actief zijn als S2 in onderbroken toestand staat (zoals in het schema getekend). De weerstand is dan:
R1 + R2 = 25 + 37,5 = 62,5 Ohm
De stroom die er in gedimde toestand zal lopen is dan:
I = U / R
I = 1,25 / 62,5
I = 0,02 A = 20 mA

Zodra ik R2 kortsluit door S2 te sluiten dan zal in het bovenste schema alleen nog maar R1 de stroom bepalen. Deze R1 heeft een weerstandswaarde van 25 Ohm. De stroom wordt dan dus: :
I = U / R
I = 1,25 / 25
I = 0,05 A = 50 mA

Hoe zwaar moeten de weerstanden zijn? Hoe het rekenwerk voor R3 gedaan moet worden zal inmiddels hopelijk duidelijk zijn.
Door R1 zal een stroom gaan van maximaal 20 mA dus kan je daarmee rekenen.
Door R2 zal een stroom gaan van maximaal 50 mA dus kan je daarmee rekenen.
Het zal snel duidelijk worden dat je aan normale 1/4e W weerstandjes genoeg hebt.

Nog groter en mooier

Laten we het nu helemaal 'bruut' aanpakken en er nog een functie aan toevoegen: mistlichtfunctie.

Het eerdere schema valt vrij eenvoudig verder uit te breiden. Hiervoor moet één weerstand vervangen worden door 2 weerstanden en moet er nog een schakelaar bij komen.

We hadden gedimd achterlicht van 20 mA, normaal achterlicht van 50 mA en een remlicht van 300 mA.
De overgang van achterlicht naar remlicht is met een factor 6 enorm groot en daarmee hebben we nog wat ruimte om daartussen te bouwen: een mistlichtfunctie.

Ik ga nu uit van een dimlichtfunctie die weer 2x zo grote stroom moet hebben als de achterlichtfunctie. Dat wil dus zeggen: 100 mA voor het mistlicht. Daarvoor is dan een weerstand nodig van:
R = U / I
R = 1,25 / 0,1
R = 12,5 Ohm
Het minimale vermogen moet dan zijn:
P = U * I
P = 1,25 * 0,1
P = 0,125 W

De weerstand van 25 Ohm (die van het achterlicht) gaan we opsplitsen in 2 weerstanden van 12,5 Ohm.
Omdat het mistlicht nu 100 mA zal trekken, mag het remlicht nu dus nog maar 350 - 100 = 250 mA trekken.
Dat was de waarde waar we in het vorige schema al mee werkten dus daar hoeft de weerstand van het remlicht niet veranderd te worden.
Het schema komt er vervolgens zo uit te zien:

Ik heb voor mezelf het laatste schema in elkaar gezet. Hieronder staat een foto van de print.

Bij de bovenste LM317 zitten 3 weerstanden op een rij. Als je de mistlichtfunctie laat vervallen, worden het 2 LEDs. Laat je ook de dimstand achterwege dan blijft van die 3 nog maar één weerstand over.
De grote weerstand is voor de remlichtfunctie. Daar rechts van zitten de 2 diodes.

Om te wisselen tussen gedimd, normaal of mistlicht heb je een schakelaar nodig. Ook als je alleen gedimd en normaallicht wil hebben, heb je een schakelaar nodig. In mijn geval heb ik een dubbele wisselschakelaar met 0-stand genomen, voor dim/normaal heb je alleen een enkelvoudige wisselschakelaar nodig.

De dubbele schakelaar met aan-uit-aan moet op de volgende manier worden aangesloten:

Bestellijst

Onderstaande bestellijst (voor Conrad)is voor het achterlicht met 2 Luxeons met alleen achterlichtfunctie en remlichtfunctie.
Ik ga er verder vanuit dat soldeertin, soldeerapparaat en wat draad aanwezig is.

Aantal
Omschrijving
Artikelnummer
Prijs per stuk
Prijs totaal
Extra informatie

2
IC LM317T=TDB 0117 TO 220
176001 - 8A
€ 1,07
€ 2,14
 

2
LUXEON LED 1W STAR HEX. LB. RO
176003 - 89
€ 5,22
€ 10,44
voor 6V aansluitingen hoef je maar één te bestellen want meer in serie lukt niet. Bij 12V kan je ook kiezen voor 3 stuks maar dat wordt wel krap met de spanning; 2 is veiliger

1
WID.1W 1% 27R
419370 - 89
€ 0,15
€ 0,15
 

1
Weerstand 4W 4R7
401854 - 8A
€ 0,49
€ 0,49
Dit is een stuk zwaarder dan nodig maar zo zie je wel snel het verschil tussen de 2 weerstanden

2
Diode 1N4001=1N4002
162213 - 89
€ 0,08
€ 0,16
 

1
MICRO SCHAKELAAR 250V/15A
704091 - 89
€ 2,07
€ 2,07
Deze is niet geschikt voor de Versatile; de schakelaar heeft dan een langer lipje nodig!

1
BEHUIZING 69X58
521523 - 89
€ 2,45
€ 2,45
Wellicht past ook wel een kleinere behuizing maar dit moet zeker passen

1
LAB.KAART
540423 - 89
€ 9,17
€ 9,17
Uit deze plaat kunnen meerdere printjes gehaald worden

 
 
 
Totaalprijs
€ 27,07
 

Voor de behuizing zou je ook kunnen denken aan kleinere doosjes, tenminste, als je qua ruimte een beetje 'economisch' kan solderen. Hieronder staan wat in een schema iets kleinere doosjes dan het doosje op de foto hieronder. Het doosje op de foto is 5cm bij 5cm. Daar past de basisprint met achterlicht- en remlichtfunctie gemakkelijk in:

Omschrijving
Artikelnummer
Prijs per stuk

MODULE BEHUIZING
522244 - 89
€ 1,73

MINI MODULE BEHUIZING
522074 - 89
€ 1,73

KLEINE MODULE BEHUIZING
521671 - 89
€ 1,02

Het achterlicht voorzien van Luxeons

Het achterlicht moet worden voorzien van de twee Luxeons. Op m'n Versatile heb ik bewust gekozen voor hetzelfde achterlicht als voor Quest en Mango gebruikt wordt omdat die makkelijk open te krijgen is en vanbinnen gemakkelijk aan te passen is.

De inhoud heb ik uit het achterlicht verwijderd. Ik had al eens een nieuw achterlicht gemaakt voor de Versatile met 8 LEDs op een printplaatje. Zie daarvoor dit zelfbouwproject
Nu heb ik dus dat printplaatje verwijderd en er een nieuw binnenwerkje ingedrukt met daarop de 2 Luxeons.

Dit binnenwerkje bestaat uit een stukje aluminium hoekprofiel van 1,5cm bij 1,5cm waarop ik de 2 Luxeons geschroefd heb (ik heb bovenop de Luxeons wel gebruik gemaakt van kunststof ringetjes om te voorkomen dat de schroefkop kortsluiting gaat maken met de soldeercontactpunten van de Luxeons). Gezien de Luxeons een straalhoek van 140 graden hebben, is onder elke hoek mijn achterlicht goed zichtbaar. Recht naar achteren zie je het licht van beide Luxeons.

Omdat de Luxeons vrij fel zijn, zelfs op 20 mA, heb ik besloten om het achterlicht wat diffuser te maken. Hans van Schoot heeft dat gedaan door de binnenkant van het doorzichtige glaasje met schuurpapier te bewerken waardoor het ruw en dof geworden is.
Ik heb het diffuus gemaakt door de binnenkant van het glaasje van het achterlicht vol te spuiten met smeltlijm.
De Luxeons heb ik er niet in de smeltlijm gedaan. Om toch een ruimte tussen smeltlijm en Luxeons vrij te houden heb ik een leeg potje van Dremel slijpschijfjes bewerkt en om het stukje aluminium profiel met Luxeons geschoven. Vervolgens heb ik het glaasje vol laten lopen met smeltlijm en daarna snel het aluminium met Luxeons met daar omheen het Dremelpotje in het achterlicht gedrukt.

Het resultaat vind ik bevredigend, ik heb nu een net achterlicht met een wat diffuser licht.

Strak vanaf de zijkant zie je dit (achterlicht ligt op tafel dus uiteindelijk zal het achterlicht wel rechtop gemonteerd worden ;-) )

Remschakelaar voor de Versatile

Gelukkig heb ik mijn remmen nog gekoppeld met de koppelschijf onder de fiets. Dat maakt dat ik op een redelijk beschutte plek een schakelaar kan plaatsen om de remfunctie van het achterlicht in te schakelen.

De schijf onder de fiets die de remkabels koppelt, heeft één uitstekend schroeftonnetje. Een mooi aangrijpingspunt voor een schakelaar.
Ik heb een industriële microswitch gehaald (4,5 euro).

Deze schakelaar past ook heel mooi aan het stuur van Quest en Mango.

Deze microswitch moet bij m'n Versatile 1 centimeter van de bodem geplaatst worden om de hoogte te bereiken zodat het uitstekende lipje boven de schijf uit komt. Eerst wilde ik er een blokje messing onder plaatsen maar echt elegant vond ik het niet. Bovendien wil ik op de één of andere manier de remschakelaar kunnen verdraaien mochten de remkabels versteld of vervangen moeten worden.

Een bezoekje aan de metaalhandel heeft geholpen. Terplekke ben ik gewoon wat aluminiumprofielen gaan bekijken en opmeten. Uiteindelijk ben ik met 2 soorten profiel naar huis gegaan. Van deze 2 profielen is een U-profiel van 2,2cm bij 2,2cm de winnaar geworden.

In plaats van een blokje tussen de schakelaar en de bodem van m'n fiets te plaatsen, heb ik nu het schakelaartje ín het U-profiel gehangen.
De schakelaar heeft 2 bevestigingspunten waar een boutje doorheen kan. In het U-profiel heb ik op één plek een gaatje gemaakt waar het ene bevestigingspunt van de schakelaar vast komt te zitten. Voor het andere bevestigingspunt van de schakelaar heb ik een sleuf gemaakt in het aluminium zodat ik de schakelaar wat kan verdraaien en dus in verschillende posities vast kan zetten.

Ook heb ik nog een redelijk grote uitsparing gemaakt in het 'onderste gedeelte van de U-vorm' zodat de schakelaar meer ruimte heeft om te draaien.

Op de foto's heb ik nog te lange boutjes gebruikt. Eenmaal onder de fiets geplaatst zal dat te lang zijn dus zullen daar kortere boutjes voor in de plaats komen.

Om de schakelaar te monteren moet ik 2 gaten boren in de bodem. Daarna kan ik het aluminium hoekprofiel met popnagels vastpoppen.

Het hele gebeuren heb ik ingebouwd. Hiervoor moet de +draad naar het achterlicht worden onderbroken.
Het afgeknipte uiteinde wat naar het achterlicht loopt, moet aan de 'uitgang' van de print gesoldeerd worden. Dit is de plek waar de 2 diodes samen komen.
In het achterlicht komt/komen de Luxeon(s).
Het andere uiteinde van de doorgeknipte draad gaat naar de schakelaar voor het achterlicht. Dus deze draad komt aan pootje 3 van de LM317 die voor de achterlichtfunctie is.
Het remlicht is een beetje ander verhaal. Hiervoor moet de + (of een draad die ernaartoe leidt) gezocht worden. Aan de + hang je één draad die naar de remschakelaar gaat. De andere draad van de remschakelaar gaat naar pootje 3 van de LM317 die voor remlichtfunctie dient.
Als dit is aangesloten moet alles werken.
In mijn Versatile heb ik het een beetje anders aangepakt. Ik heb niet de +12V van de accu genomen voor het remlicht omdat de Versatile altijd met licht aan rijdt. Bij een Quest is dat niet het geval. Zou je de + aan de schakelaar van het achterlicht nemen, dan zou je geen remlicht hebben als je je achterlicht niet hebt branden. Het is wel een mogelijkheid overigens maar het is maar wat je wil.

Maar het project is klaar en dat met een fraai resultaat. Hieronder staan twee animated gifjes. De eerste heeft oplopende lichtsterkte, de tweede heeft oplopende functies met telkens de bijbehorende remfunctie tussendoor:

De smeltlijm doet ook goed z'n werk. Vanaf de zijkant en zelfs van schuinvoor is het achterlicht goed te zien:

Redactie