Waarom een LED altijd een voorschakelweerstand nodig heeft

Door Francesco Zinghinì

Het is een van de eerste dingen die je leert in de elektronica, en toch wordt het vaak verkeerd begrepen: waarom heeft een LED een weerstand in serie nodig? Het antwoord ligt in het fundamentele verschil tussen een gewone weerstand en een halfgeleider. Onze voorschakelweerstand-calculator doet het rekenwerk, maar het waarom is minstens zo belangrijk.

De doorlaatspanning Vf

Een LED is een diode die licht geeft. Net als elke diode heeft hij een doorlaatspanning (forward voltage, Vf): de spanning die ongeveer over de LED staat zodra hij geleidt. Die spanning hangt af van de kleur en het halfgeleidermateriaal:

• rood: ongeveer 1,8 tot 2,2 V,
• geel/oranje: ongeveer 2,0 tot 2,2 V,
• groen: ongeveer 2,0 tot 3,2 V,
• blauw en wit: ongeveer 3,0 tot 3,4 V.

De volledige set richtwaarden staat in onze tabel met LED-doorlaatspanningen. Het cruciale inzicht: deze spanning is vrijwel constant, ongeacht hoeveel stroom er loopt. Dat maakt de LED zo lastig om rechtstreeks op een spanningsbron aan te sluiten.

Waarom je een LED nooit zonder weerstand aansluit

Stel je sluit een rode LED met Vf ≈ 2 V rechtstreeks aan op 5 V. De stroom-spanningskarakteristiek van een diode is exponentieel: net boven de doorlaatspanning schiet de stroom omhoog bij de minste spanningsverhoging. De LED "wil" op 2 V blijven, maar de bron levert 5 V. Het verschil moet ergens overheen vallen, en zonder weerstand is er niets om dat verschil op te nemen. Het gevolg is een stroom die alleen wordt begrensd door de interne weerstand van de LED en de bron — meestal veel te hoog. De LED wordt te heet en sterft binnen seconden, of meteen.

De wet van Ohm geeft hier geen direct uitsluitsel, want de LED is geen ohms component; je kunt de stroom niet uitrekenen met U = I·R op de LED zelf. Lees hierover meer in onze gids de wet van Ohm in de praktijk. De oplossing is een ohms component ervoor te zetten dat de stroom wél voorspelbaar begrenst: de voorschakelweerstand.

De formule: R = (Vin − Vf) / I

De weerstand neemt precies de spanning op die de LED "overlaat". Staat de voeding op Vin en de LED op Vf, dan valt er Vin − Vf over de weerstand. Door die overgebleven spanning te delen door de gewenste stroom krijg je de benodigde weerstandswaarde:

R = (Vin − Vf) / I

Een rekenvoorbeeld: een rode LED (Vf = 2 V) op een voeding van 5 V, gewenste stroom 20 mA (0,02 A).

R = (5 − 2) / 0,02 = 3 / 0,02 = 150 Ω

Je kiest dan de dichtstbijzijnde standaardwaarde uit de E-reeks, bijvoorbeeld 150 Ω of 180 Ω (iets meer weerstand betekent iets minder stroom, wat veilig is). De voorschakelweerstand-calculator doet dit automatisch en stelt meteen een standaardwaarde voor.

Het vermogen van de weerstand

Vergeet niet te controleren hoeveel vermogen de weerstand verstookt:

P = (Vin − Vf) · I

In het voorbeeld: P = 3 · 0,02 = 0,06 W. Een gewone 0,25 W-weerstand kan dat ruim aan. Maar bij een hogere voedingsspanning of meerdere LED's kan dit oplopen. Sluit je dezelfde LED aan op 24 V, dan valt er 22 V over de weerstand en wordt het vermogen 22 · 0,02 = 0,44 W — dan heb je al een 1 W-type nodig. Reken het altijd na, zoals beschreven in de gids over de wet van Ohm.

Meerdere LED's: serie versus parallel

Wil je meer dan één LED voeden, dan heb je twee opties, elk met eigen consequenties.

LED's in serie

Zet je LED's achter elkaar, dan tellen hun doorlaatspanningen op. Drie rode LED's (3 × 2 V = 6 V) op 12 V laten 6 V over voor de weerstand. Door alle LED's loopt automatisch dezelfde stroom, wat een groot voordeel is: ze lichten gelijkmatig op. De formule wordt:

R = (Vin − n · Vf) / I

De beperking is dat de som van de doorlaatspanningen onder de voedingsspanning moet blijven, met genoeg marge voor de weerstand. Met 12 V kun je zo'n drie tot vier LED's in serie zetten.

LED's parallel

LED's parallel zetten op één weerstand is af te raden. Door kleine onderlinge verschillen in doorlaatspanning "trekt" de LED met de laagste Vf de meeste stroom — die wordt het felst en het heetst, terwijl de andere achterblijven. Dit is een toepassing van het stroomdeler-principe (zie de stroomdeler). De juiste aanpak is om elke LED zijn eigen voorschakelweerstand te geven. Dan is elke tak onafhankelijk en verdeelt de stroom zich gelijkmatig.

Hoeveel stroom kiezen?

De gewenste stroom I in de formule kies je zelf, en die keuze bepaalt de helderheid en de levensduur. De meeste standaard 3 mm- en 5 mm-LED's zijn gespecificeerd voor een maximale stroom van 20 mA, maar dat is een bovengrens, geen streefwaarde. In de praktijk zijn moderne LED's al ruim helder bij 5 tot 10 mA. Door bewust onder het maximum te blijven, bijvoorbeeld op 10 mA, win je op meerdere fronten: de LED leeft langer, wordt minder warm, en je weerstand verstookt minder vermogen. Voor een eenvoudig indicatielampje is feller zelden beter — een verblindende statusled is eerder hinderlijk.

Let ook op het datablad: de absolute maximale stroom is een piekwaarde die je niet continu mag benaderen. Reken met een veilige werkstroom en gebruik de voorschakelweerstand-calculator om te zien hoe de weerstandswaarde verandert als je de stroom aanpast. Halveer je de stroom, dan verdubbelt grofweg de benodigde weerstand.

De rol van de voedingsspanning

Een subtiel maar belangrijk punt: hoe dichter de voedingsspanning bij de doorlaatspanning ligt, hoe gevoeliger de stroom wordt voor schommelingen. Voed je een blauwe LED (Vf ≈ 3,2 V) vanaf 3,3 V, dan blijft er maar 0,1 V over voor de weerstand. Een kleine variatie in de voeding of in Vf — bijvoorbeeld door temperatuur — verandert die 0,1 V relatief sterk, en daarmee de stroom enorm. Bij een ruime marge (zoals 12 V voor diezelfde LED) valt het grootste deel over de weerstand en is de stroom veel stabieler. Vandaar de vuistregel: laat het liefst minstens enkele volt over de voorschakelweerstand vallen. Is dat niet mogelijk, overweeg dan een constante-stroombron.

Constante stroom als alternatief

De voorschakelweerstand is eenvoudig en betrouwbaar, maar niet de enige oplossing. Bij vermogens-LED's en LED-strips gebruikt men vaak een constante-stroombron (een driver). Die levert een vaste stroom ongeacht de spanning, wat efficiënter is en de LED beter beschermt tegen spanningsschommelingen. Voor losse indicatie-LED's en hobbyprojecten blijft de weerstand echter de norm: goedkoop, eenvoudig en goed genoeg.

Veelgemaakte fouten

• Te weinig weerstand kiezen. Een net iets te lage weerstand geeft een te hoge stroom; de LED leeft korter en wordt onnodig heet.
• De Vf van de verkeerde kleur gebruiken. Blauw en wit hebben een veel hogere Vf dan rood. Reken altijd met de juiste waarde uit de doorlaatspanningstabel.
• Parallelle LED's op één weerstand. Geef elke LED zijn eigen weerstand om ongelijke stroomverdeling te voorkomen.
• Vermogen vergeten. Bij hoge voedingsspanningen kan de weerstand veel warmte verstoken; controleer P.

Begrijp je waarom de voorschakelweerstand nodig is, dan begrijp je meteen het verschil tussen ohmse en niet-ohmse componenten — de kern van veel praktische elektronica.