Merancang Lampu LED

Attention: open in a new window. Print

Article Index
Merancang Lampu LED
Menentukan C1
Menentukan C2
Hambatan Buang Muatan Rp
Hambatan Pembatas Arus Rs
Mengukur Hambatan Dinamik LED
All Pages

Pendahuluan

Anda boleh membuat lampu LED untuk berbagai keperluan. Misalnya Lampu petunjuk: OPEN, KASIR, TOILET, EXIT,lampu baca, nomor rumah, nama toko, rumah makan, hotel dan lainnya. Mari kita merancang lampu-lampu tersebut

Sebuah lampu LED, biasanya terdiri dari banyak LED. Misalnya lampu baca membutuhkan sekitar 40 buah LED. Rangkaian LED terdiri dari N buah LED dalam seri. Dan untaian seri dipararel M kali. Rangkaian selengkapnya dapat dilihat pada gambar

Cara kerja lampu ini telah kami jelaskan pada hasta-karya : Lampu LED

Sedapat mungkin anda membuat sebuah untaian seri atau M = 1. Tetapi banyaknya LED dalam seri ada batasnya, karena semakin banyak LED, kapasitor C1 akan semakin susah menghantar. Secara Teoritis C1 akan masih bisa menghantar dengan effisien apabila tegangan Total dari LED dalam seri tidak lebih besar 2/3 kali tegangan puncak ( = 0.9 kali tegangan efektif). Sehubungan tegangan jaringan kemungkinan naik-turun baiklah gunakan 0.7 tegangan efektif sebagai batas maksimum. Jadi bila tegangan efektif 220 Volt, maka tegangan total maksimum adalah 220 Volt x 0.7 = 150 Volt.

Pada tegangan 150 Volt anda dapat membuat rangkaian seri LED putih 3.1 Volt sebanyak N = 50 buah. Kalau anda ingin membuat nomor rumah dengan LED merah 1.9 Volt, Dapat dirangkai menjadi sampai 75 buah. Masih membutuhkan LED lebih banyak lagi? baiklah LED Dapat kita pararel sebanyak M kali. Tiap - tiap untaian LED yang akan dipararel harus mempunyai jenis dan jumlah yang sama

Jangan lupa apabila menggunakan M = 1. Kapasitor harus dilindungi beberapa dioda Zener seperti pada lampu tidur. Bila tidak, pastikan rating tegangan kapasitor mencukupi untuk tegangan puncak. Gunakan rating kapasitor C2= 400 volt untuk jaringan 220Volt. Untuk M lebih dari 1 ketentuan diatas tidak wajib dilaksanakan

Kapasitas C1 haruslah ditentukan sedemian rupa sehingga arus pada LED mencukupi. Umumnya arus 10mA sudah mencukupi. Arus yang terlalu besar membuat umur LED berkurang. Jadi jangan mengunakan kapasitor C1 jauh melebihi hasil perhitungan

Besarnya kapasitas C2 dapat dihitung apabila hambatan dinamik LED ΔV/Δi diketahui. Asumsikan hambatan dinamik = 20 Ω bila ΔV/Δi tidak diketahui. Nilai kapasitor C2 boleh lebih besar dari hasil perhitungan. Makin besar makin baik karena arus pada LED semakin rata. Cara menghitung hambatan dinamik nanti kami bahas nanti

Halaman-halaman selanjutnya adalah perhitungan untuk mencari besarnya komponen-komponen. Anda tidak perlu menghitung secara manual karena kami telah sediakan Form Perancangan


Menentukan C1

Untuk menyederhanakan masalah hambatan dinamik LED //impedansi kapasitor C2 diabaikan karena nilainya kecil dibandingkan dengan impedansi C1. Jadi LED // C2 merupakan hubung singkat bagi C1. Dengan demikian yang menentukan besarnya arus adalah C1.

Perhatikan kapasitor C1 mengisi muatan "charge" pada selang tegangan sumber minimum sampai maksimum. Arus kapasitor C1 berbalik arah (buang muatan "discharge") pada selang tegangan maksimum sampai minimum. Sekalipun arus pada kapasitor C1 bolak-balik, tetapi arus pada LED akan searah karena, disearahkan oleh jembatan dioda D1 - D4.

Menarik untuk diperhatikan arus pada kapasitor tidak selamanya mengalir tetapi ada selang dimana arus berhenti mengalir. Ketika tegangan sumber maksimum tegangan kapasitor C1 adalah : +Vm - vf. Setelah itu arus kapasitor terhenti sejenak sampai tegangan sumber lebih rendah sebesar Vf dibanding tegangan kapasitor, karena untuk mengalirkan arus perlu melawan tegangan maju Vf LED. Jadi ambang menghantar adalah :

ambang menghantar = tegangan kapasitor - Tegangan maju LED = (+Vm - Vf) - Vf = +Vm - 2.Vf.

Jadi arus mulai mengalir kembali setelah tegangan maksimum turun sebesar 2.Vf.

Osilogram arus C1

Arus rata-rata dapat kita hitung pada selang tegangan sumber minimum sampai tegangan sumber maksimum. Karena adanya tegangan maju Vf, maka pada LED saat tegangan sumber minimum tegangan C1 akan sebesar -Vm + Vf. Sedangkan pada saat tegangan sumber maksimum tegangan kapasitor +Vm - Vf. Selang waktu antara tegangan sumber minimum sampai tegangan sumber maksimum adalah 1/2 periode, atau 1/2.T. Arus rata-rata akan sebesar :

Dimana:
Q = Muatan Listrik (Coloumb); V = Tegangan Kapasitor (Volt)
Vm = Tegangan Puncak sumber (Volt); Vf = Tegangan maju total LED (Volt)
t = waktu (detik); T = Periode getaran listrik sumber (detik)
C = Kapasitas (Farad)

Kita ketahui terdapat hubungan antara tegangan puncak Vm dan tegagan efektif Vs dan antara periode T dan frekwensi sebagai berikut:

Vm = √2.Vs
T = 1/f

dimana :
Vs = tegangan efektif sumber (Volt)
f = frekwensi sumber

sekarang rumus diatas dapat ditulis :

i = 4.f.C.(√2.- Vf)

C = i/{4.f.(√2.Vs - Vf)}

Contoh:
Carilah C1 yang diperlukan untuk 8 LED "ultra bright" 3.1 volt dan tegangan efektif sumber 220 volt, frekwensi 50 Hz. Arus pada LED 10 mA

jawab:
Tegangan maju Vf akibat 8 LED a 3.1 Volt dan 2 dioda a 0.7 Volt adalah :

Vf = 8x3.1 + 2x0.7 = 26.2 Volt
sekarang C1 dapat dihitung :
C = 0.010/{4x50(1.41x220 - 26.2)}
C = 0.010/{200x284}
C = 176x10-9 = 176 nF
gunakan C1 = 180 nF.


Menentukan C2

Tegangan maju LED tidak boleh lebih besar Vm karena arus selamanya tidak akan mengalir. Bila tegangan maju LED mendekati Vm maka arus mengalir akan terlalu kecil. Karena itu kami memberi batas logis sebesar 2/3 Vm sebagai batas maksimum dari tegangan maju LED. Berikut ini adalah osilogram arus LED pada tegangan maju 2/3 Vm

Seadainya C2 dihilangkan arus akan seperti mengalir berbentuk pulsa-pulsa yaitu arus pada kapasitor C1 yang disearahkan. Dengan adanya kapasitor penyaring C2 arus yang mengalir akan diratakan asalkan kapasitas C2 cukup besar.

Seberapa besar C2 yang diperlukan? Kapasitor yang diperlukan akan dinyatakan dengan bilangan f.R.C. Semakin besar bilangan f.R.C akan semakin baik, arus LED akan semakin rata. Menurut simulasi komputer yang kami lakukan f.R.C = 1 sudah memadai.Bila bilangan f.R.C terlalu kecil arus pada LED berkerut. Jadi kita dapat menghitung kapasitor filter C2 melalui rumus berikut :

f.R.C = 1

C = 1/(f.R)

f = frekwensi (Hertz)
R = hambatan dinamik Led (ohm)
C = kapasitas penyaring

Contoh :
Carilah C2 yang diperlukan agar arus pada LED rata. LED 8 dan hambatan dinamik LED r = 50 Ω, Frekwensi 50 Hz

Jawab :
Hambatan dinamik total dari LED r = 8x50 = 400 Ω
C = 1/(f.R) = 1/(50x400)
C = 50.10-6 = 50 µF
gunakan C2 = 47 µF atau lebih besar


Hambatan buang muatan Rp

Gunakan hambatan yang nilainya jauh lebih besar dari impedansi C1

Xc = 1/(2.π.f.C)

Misalya dengan Rp lebih besar α kali, maka

Rp =α.Xc

Daya pada hambatan (kira-kira) sebesar apabila hambatan ini dikenakan tegangan sumber Vs

P = v2/Rp = v2/(α.Xc)

Gunakan α cukup besar misalnya α = 20

Contoh:

Hitung Rp untuk C1 = 180 nF, gunakan α = 20

Jawab :
Impedansi C1
Xc = 1/(2x3.14x50x180x10-9)
Xc = 17.693x103 = 17700 Ω = 17.7 KΩ

Rp = 20x17.7 KΩ = 354 kΩ

P = 2202/(17700x20) = 0.137 = 137 mWatt

Gunakan hambatan 470 KΩ, 500mWatt


Hambatan Pembatas Arus Rs

Gunakan hambatan yang nilainya jauh lebih kecil dari impedansi C1

Misalya dengan Rp lebih kecil β kali, maka

Rs = Xc/β

Daya pada hambatan (kira-kira) dihitung dengan menganggap arus pada hambatan ini ditentukan oleh impedansi C1

P = i2.Rs = (Vs/Xc)2.Rs = Vs2/(β.Xc)

Gunakan β cukup besar misalnya β = 50

Contoh:
Hitung Rs dengan kondisi sebelumnya, gunakan β = 50

Jawab:
Rs = 17700/50 = 354 Ω

P = 2202/(17700x50) = 0.055 = 55 mWatt

Untuk hambatan pembatas arus gunakan daya yang jauh lebih besar. Misalnya gunakan 2 buah 680 Ω, 500mWatt dalam pararel. Setara dengan 340 Ω, 1Watt


Hambatan Dinamik LED

Untuk memastikan hambatan dinamik LED kita perlu mengukurnya. Alat-alat yang diperlukan :

  1. Baterai 9 Volt
  2. Hambatan metal film, 820 Ω, 2200 Ω
  3. Volt meter digital

Buatlah rangkaian seperti tergambar :

Hambatan yang anda gunakan untuk mengukur boleh tak sama dengan hambatan diatas. Gunakanlah sebuah hambatan sedemikian sehingga arus yang mengalir sama dengan arus kerja yang anda inginkan dan sebuah lagi lebih kecil dari arus kerja. Ukurlah Tegangan maju LED dan tegangan hambatan. Berikut ini hasil pengukuran untuk LED merah terang.

Hambatan(Ω) Vf LED (Volt) VR (Volt) i (Ampere)
820 1.95 6.97 0.00850
2200 1.87 7.07 0.00321

Arus i yang mengalir dihitung dari hukum Ohm. Misalnya untuk R = 820 Ω

i = VR/R

i = 6.97/820 = 0.00850 Ampere

Ulangi Perhitungan diatas untuk R = 2200 Ω Sekarang Hambatan dinamik dapat dihitung :

R = ΔVf/Δi

R = (1.95 - 1.87)/(0.00850 - 0.00321) = 0.08/0.00529 = 15 Ω

Apabila kita ingin mendapatkan harga yang teliti dapat diambil beberapa sampel kemudian diambil harga rata-ratanya.

Harga hambatan dinamik tergantung dari ukutan, jenis LED dan pabrik pembuatnya. Hambatan dinamik juga tegantung arus kerja yang mengalir padanya, karena karakteristik LED berupa kurva. Berikut ini contoh hambatan dinamik LED 5mm yang diukur dengan metode diatas :

Jenis Led Tegangan(Volt) Hambatan(Ω)
Merah 2.1 26
Hijau 2.1 23
Merah terang 1.9 15
Hijau terang 2.9 40
Biru terang 2.9 30
Oranye sangat terang 2.0 19
Putih sangat terang 3.1 50