Home modelbouw

Inloggen voor leden



Modelbouw Tip 1 PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Saturday, 25 September 2010 01:03

 

Ben’s Modelbouw Tip – Deel 1: Eerst een beetje theorie…

Door: Ben Meijer

Ik ben zelf een modelbouwer. Niet eentje die van die ‘prefab’ setjes in elkaar lijmt, nee…ik bouw echt alles zoveel mogelijk zelf. Een basisvoorwaarde is dat creatief bent, je een redelijk technisch inzicht en natuurlijk geen twee linkerhanden hebt. Aangezien het alweer enige tijd geleden is dat ik een artikel van eigen hand voor de nieuwsbrief heb geschreven, heb ik maar weer even wat aan het papier toevertrouwd en ben zeker van plan hieraan een vervolg te geven zodra de tijd het weer even toelaat. Dus, hier volgt Deel 1: “Eerst een beetje theorie…”

Zoals ik al zei, ik maak alles zoveel mogelijk zelf en verzamel daarvoor allerlei bruikbare materialen (mijn vrouw noemt het gewoon ‘troep’) zodat het maken ook nog eens weinig materiaal kosten met zich mee brengt. Ideaal natuurlijk voor een modelbouwer die zijn kosten toch al snel uit de hand ziet lopen. Het tweede deel van dit artikel ga ik wijden aan het maken van top, alarm- of knipper-lichten met behulp van LED’s. Knipperlichten kunnen bijvoorbeeld dienst doen als alternatief voor zwaailichten, maar voor het zover is, eerst een stukje theorie zodat je wat meer inzicht hebt als je zelf aan de slag gaat.

De Basis voor alle lichten is een zogenaamde Light Emitting Diode, kortweg LED. Deze lichtgevende diode is in verschillende maten (gangbare maten: 3, 5 en 10mm) en kleuren (Rood, Groen, Geel, Oranje, Blauw, Wit) te verkrijgen. Er zijn ook LED’s die knipperen (knipperled) of die twee of meer kleuren in dezelfde behuizing hebben (Duo LED / Regenboog LED).

Ik zal een beetje uitleggen hoe een LED precies werkt, dat je even op moet letten dat je de LED correct aansluit en dat je op moet letten dat er niet teveel stroom door de LED gaat! Dan brandt deze door en is al je werk voor niets geweest.

Goed…een LED dus. Een LED bestaat uit een lichtdoorlatende kunststof behuizing met daarin een halfgeleider. Dit is een chemisch element dat normaal gesproken isoleert, maar onder de juiste omstandigheden geleidend gemaakt kan worden. In dat geval zend de halfgeleider licht uit omdat er een elektrische stroom in doorlaatrichting doorheen wordt gestuurd. (ter vergelijking, een diode laat ook maar in 1 richting stoom door, maar die geeft bij normaal gebruik geen licht af). De lichtkleur hangt af van het type halfgeleider dat is gebruikt en niet van de kleur van de behuizing. De behuizing is alleen maar een hulpmiddel en versterkt vaak alleen maar de lichtkleur. Bovendien is dit handig om snel te weten met wat voor kleur LED je te maken hebt zonder deze eerst aan te moeten sluiten (Bij ‘doorzichtige’ LED behuizingen moet je dit soms wel vooraf doen om de LED kleur teachterhalen, zeker wanneer je de gegevens van de LED niet meer voor handen hebt). Welk halfgeleider materiaal verantwoordelijke is voor een bepaalde (Licht-)kleur kun je zien in de tabel op de volgende bladzijde:

Gallium-aluminiumarsenide (AlGaAs)           infrarood, rood
Aluminiumindiumgalliumfosfide (AlInGaP2) diep rood, rood, rood/oranje, geel/oranje
Galliumarseenfosfide (GaAsP) rood, oranje, geel/oranje , geel
Galliumnitride (GaN)                         groen
Galliumfosfide (GaP)                        groen
Zinkselenide (ZnSe) blauw
Siliciumcarbide (SiC) blauw
Indiumgalliumnitride (InGaN) groen, blauw, ultraviolet
Diamant (C) ultraviolet

 

NB. De kleur Wit wordt op dit moment verkregen door Blauw licht op Fosfor te laten weerkaatsen
Echt wit licht uitstralen is tot op heden (nog) niet mogelijk voor een toepassing op grote schaal. 
Dit verklaart ook waarom de meeste huidige witte LED’s een blauwe kleurzweem hebben. Alhoewel, 
er komen steeds meer ‘echt witte’ LED’s beschikbaar op de markt.Het is een kwestie van tijd. 
De meest bekende LED vorm is de cilinder vorm met een afgeronde top die tevens dienst doet als
Lens  om het licht enigszins te bundelen, maar er zijn vele vormen mogelijk. Ikzelf gebruik meestal de
standaard 5mm uitvoering. De langere pen van de diode is altijd de ‘Plus’ en dat verklaart meteen
waarom een LED aan gelijkspanning, bijvoorbeeld een (modelbouw) batterij moet worden aangesloten
In de meeste gevallen zal de (werk)spanning van de LED niet hoger of lager mag zijn dan ca. 2 tot 3 volt
gelijkspanning. Soms betekent dat, dat er een klein spanningsomvormertje moet worden gebruikt
(bij een spanningbron van > 24 Volt gelijkspanning (dc) ).

Een weerstand moet ervoor zorgen dat de stroom niet hoger wordt dan ca. 20 milliampère. Het klinkt allemaal vrij technisch, maar dat valt echt reuze mee. Er is een simpel rekensommetje (De wet van Ohm) en een weerstandstabel die je kan helpen om de benodigde (voorzet)weerstand te bepalen. Als je dat gebruikt in combinatie met de juiste gelijkspanningsbron (bijvoorbeeld een batterij of eventueel in combinatie met een kleine ‘spanningsomvormer’), dan kan het bijna niet fout.

Als je een LED koopt, dan staan er ook vaak gegevens bij over de maximale spanning en stroom. Als je die gegevens niet hebt, dan kun je in de meeste gevallen uitgaan van standaard waarden. Voor een standaard led is dat meestal een werkspanning van 3 volt en een maximale stoom van 20mA continu (de meeste leds kunnen 10-30mA aan, sommige speciale typen kunnen minder dan 3 mA of meer dan 200 mA verwerken).
Met de wet van Ohm kun je daarna de grootte van de (voorschakel)weerstand als volgt berekenen:
De wet van Ohm (het rekensommetje) is als volgt:

Spanning (U in Volt ) = Stroom (I in Ampere) X Weerstand (R in Ohm)

Voor de berekening gaan we uit van de volgende gegevens:

1x Rode LED met een werkspanning van 3 Volt (Uwerkspanning) en een maximale stroom van 20 mA (I)
(Beiden volgens opgave van de fabrikant)
1x een (Modelbouw)batterij met een Spanning van 7,2 Volt gelijkspanning (Uvoeding)

De Spanning (U) kunnen we bepalen door de Spanning die de LED nodig heeft om goed te werken (werkspanning) af te trekken van de aangeboden voedingsspanning, dus : U = Uvoeding – UWerkspanning.
In dit voorbeeld is de voeding een (Modelbouw)batterij van 7,2 Volt, de LED heeft 3 Volt nodig om goed te werken. De waarde van Spanning (U) voor in de rekensom is dan: 7,2 Volt – 3 Volt, oftewel 4,2 Volt.

De Maximale stroom (I) die door de LED mag stromen, die weten we ook al. Volgens de opgave van de fabrikant is die namelijk 20mA. Ik ga de wet van Ohm (Spanning (U) = Stroom (I) X Weerstand (R)) nu even iets anders opschrijven, zo meteen wordt duidelijk waarom:



Hiermee kunnen we eenvoudig alle waarden berekenen als twee van de drie waarden bekend zijn door
te schuiven met het ‘Spanning (U)’ blok en de ‘onbekende waarde’ (die willen we weten) ‘ Vrij’ te maken. Bijvoorbeeld:

Omdat wij Spanning (U) en Stroom (I) weten, gebruiken we de 2e situatie:

4,2 Volt
-------------------- = Weerstand (R) = Hieruit volgt een waarde van 210 Ohm
0,020 Ampere

Om dit verhaal compleet te maken, volt nu ook nog een stukje over (voorschakel)weerstanden. Uit de eerdere berekening komt een weerstandswaarde van 210 Ohm. Nu moeten we nog kijken of deze waarde terug te vinden is in een weerstanden reeks. De meest gebruikte reeks is de E12-reeks en die bestaat uit de volgende waarden (die elk maximaal 10% mogen afwijken) en elk getal uit deze reeks mag met iedere macht van tien vermenigvuldigd worden :… 0.01, 0.1, …, 1, 10, 100, 1000 ….



E12-reeks (afwijking 10%):

210 Ohm ligt tussen waarde 18 (x10) en 22 (x10) in. De weerstandswaarde ronden we nu naar boven af en de weerstand die we gaan gebruiken is dus een weerstand van 220 Ohm. Het maakt daarbij niet uit in welke richting of
aan welk pootje van de LED je de weerstand vast soldeert, dus dat is een zorg minder…

Nu we dit weten volgen nog twee kleine stappen. Hoe weten we nou dat een weerstand 220 Ohm is?
Daarvoor is een klein ezelsbruggetje: Zij Brengt Rozen Op Gerrits Graf Bij Vies Grijs Weer. Elk woord staat voor een kleur en een getal volgens onderstaande tabel:

   Z    BR    Ro    O     Ge    Gr    B     Vi    Gr    W   Tolerantie
 Zwart Bruin Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet Grijs Wit  Zilver Goud
   0     1     2    3     4     5     6      7     8    9     10%    5%

De bovengenoemde kleuren zijn terug te vinden op weerstanden. Meestal zijn dat vier ringen waarvan de eerste twee de waarde aangeven: cijfer, cijfer, de derde het aantal ‘nullen’ achter de waarde (de ‘multiplier’). De laatste ring is de maximale afwijking (de ‘Tolerance’ )van de opgegeven waarde, dit is meestal Goud (5%) of Zilver (10%).

NB: Als de multiplier een gouden ring is, dan geldt de waarde x 0.1 en als deze zilver is x 0.01

Een 220 Ohm weerstand met een tolerantie van 5% zal dan de volgende kleuren hebben:
Rood (2) Rood (2) Bruin (1) Goud (5%) 220 Ohm ± 5% -




Om electronica schema's overzichtelijk te houden wordt vaak een ingekorte notatie voor de weerstandwaardes gebruikt. Daarbij wordt de komma vervangen door de beginletter van de grootheid K = Kilo Ohm, M = Mega Ohm. Ook een ‘K’ of ‘R’ na de waarde en een Ohm-teken () bij gebruik van weerstanden < 10 Ohm kun je tegenkomen.
Dit houdt het volgende in:

Als voorbeeld:

Grijs  (8)   Rood    (2) Goud  (x0.1) Goud (5%)         8,2 Ohm ± 5%        82  ± 5%
Groen  (5)   Blauw   (6) Zwart (0)    Goud (5%)          56 Ohm ± 5%       56   ± 5%
Geel   (4)   Violet  (7) Rood  (2)    Goud (5%)       4.700 Ohm ± 5%      4K7   ± 5%
Bruin  (1)   Grijs   (8) Groen (5)    Goud (5%)   1.800.000 Ohm ± 5%      1M8   ± 5%

In een weerstand wordt warmte ontwikkeld, maar deze warmte mag de belastbaarheidsgrens van de weer-stand niet overschrijden. Gangbare waarden voor de belastbaarheid zijn: 1/16 W, 1/8 W, 1/4 W,1/2 W, 1 W, 2 W, ... enzovoort. Hoe kun je nou berekenen of de gebruikte weerstand niet een verwarmingselement wordt, flink gaat stinken en in het ergste geval je model in brand laat vliegen? Ook daar is een kleine reken-som voor (de laatste in dit stukje versnelde theorie):

Vermogen (P in Watt) = Spanning (U in Volt) x Stroom (I in Ampere) verkort: P = U x I

De waarde voor het vermogen, ‘P’ mag de opgegeven waarde voor de gebruikte weerstand niet overschrijden.

Vermogen (P) = 4,2 volt x 0,020 Ampere Hieruit volgt een waarde van 0.084 Watt.

De meest gangbare weerstanden zijn 1/8 Watt (0.125 Watt) en dit geldt ook voor weerstanden die je kunt vinden op een printplaat (Troep, weet je nog) van afgedankte electronica zoals bijvoorbeeld een oude versterker of iets dergelijks. De berekende waarde, 0.084 Watt, ligt hier ruim onder en zal daarom zal de weerstand nauwelijks warm worden en/of de batterij teveel belasten en ‘leeg’ trekken.

Iets verwarmen kost de nodige energie! Energie die we in de modelbouw ergens anders beter kunnen benutten! Kleine berekeningen zoals hierboven zijn dus zeker de moeite waard.

Goed, tot zover een stukje theorie. Er is veel meer over te vertellen en de ‘echte’ berekeningen gaan veel verder dan hierboven beschreven staat. Met spanningsverliezen over de gebruike stroomdraden, weerstand en weerstandsovergangen (soldeerpunten) is bijvoorbeeld geen rekening gehouden.

Voor de Modelbouwer echter gaat dat veel te diep in op de materie en zijn de bovenstaande berekeningen prima te gebruiken bij eenvoudige schakelingen tot maximaal 24V gelijkspanning. De reden van deze boven-grens is dat boven de 24 volt gelijkspanning hele andere ontwerpregels gaan gelden, de voorschakelweerstand het vermogen dan niet meer goed kwijt kan en veel en veel te warm wordt. Bovendien wordt alles boven de 24V gezien als ‘onveilig’ en dan moeten aanvullende veiligheidsmaatregelen worden genomen, dus…Wees verstandig, houdt het veilig!

Misschien zijn er al een aantal lezers afgehaakt, maar voor de doorzetters: als je ermee aan de slag gaat, zul je zien dat het allemaal best wel mee valt. Zo moeilijk is het op dit niveau echt niet… Gewoon doen!
Bij het combineren van meerdere LED’s (in serie of parallel) gelden weer andere (ontwerp)regels en dit ga ik in deel twee behandelen.

Mocht iemand een fout in dit artikel ontdekken (is vooral een oproep aan de electrotechnici onder ons), het is alweer een behoorlijke tijd geleden dat ik dit soort (eenvoudige) berekeningen heb moeten doen, dus ik ben een beetje ‘roestig’. Schroom niet, schrijf dan een corrigerend artikel voor de nieuwsbrief.

Nu je wat meer weet over de LED, zou je alvast wat kunnen experimenteren met LED’s en welke invloed een batterij en weerstand hebben op de helderheid van een LED. Voor de mensen die niet willen rekenen, op het internet is een handige rekentool te vinden: http://faq.tweakers.net/cme/ledweerstand.html
Zelf berekenen is natuurlijk veel leuker, de bovengenoemde tool kun je dan als controlemiddel gebruiken.

Na het tweede deel zal ik een aantal voorbeelden geven en laten zien wat je met een LED zou kunnen doen in de modelbouw. Je eigen creativiteit en wat eenvoudige hulpmiddelen (oude antenne’s, gekleurde balpennen, verfroerstokken, (lichtdoorlatende)dopjes etc) kunnen na een schilderbeurt de mooiste creaties opleveren waarvan je niet had gedacht dat je dat zelf had kunnen maken, maar die je (hovercraft)model net ‘dat beetje extra’ geven zodat je kunt zeggen…mijn model is nu ‘echt’ af!

Succes met het experimenteren met LED’s…

 

Last Updated on Sunday, 20 March 2011 18:13
 
Copyright © 2017 Nederlandse Hovercraft Club. All Rights Reserved.
Joomla! is Free Software released under the GNU/GPL License.