Расчет резистора для светодиода при различных соединениях. Резисторы для светодиодов — правильный расчёт сопротивления Расчет питания светодиодов от сети 220в онлайн
Для определения нужного сопротивления токоограничивающего резистора для одного или нескольких светодиодов потребуются следующие данные:
Напряжение источника питания;
- прямое напряжение светодиода и ток, на который он рассчитан;
- количество и схема подключения светодиодов.
При отсутствии справочных данных, прямое напряжение светодиода можно достаточно точно определить по цвету его свечения, воспользовавшись таблицей:
Большинство этих современных полупроводниковых приборов рассчитаны на ток 20 mA, однако существуют диоды, рассчитанные и на большие токи (150 mA и более). Поэтому, для точного определения номинального тока потребуются технические данные марки диода.
При полном отсутствии данных о марке и технических характеристик светодиода рекомендуем принять за значения номинального тока 10 mA и величину прямого напряжения 1,5-2 В.
От выбора схемы подключения полупроводниковых приборов зависит необходимое количество гасящих резисторов. Так, при их последовательном соединении вполне достаточно одного: во всех точках значения протекающего тока одинаковые.
При параллельном соединении диодов использование одного общего гасящего резистора недопустимо. Ввиду того, что не бывает совершенно одинаковых по своим характеристикам светодиодов; имея определенный разброс по сопротивлениям и, соответственно потребляемым токам, элемент с меньшим сопротивлением будет потреблять больший ток, что может стать причиной преждевременного выхода его из строя.
Таким образом, если сгорит один из нескольких параллельно соединенных светодиодов, на остальные из-за сопротивления резистора, рассчитанного на определенное количество диодов пойдет повышенное напряжение, на которое они не рассчитаны, что, в свою очередь вызовет выход их из строя.
Поэтому, при параллельном соединении светодиодов для каждого элемента рекомендуется предусматривать отдельное сопротивление. В предложенном калькуляторе данная рекомендация учтена.
Расчет производится по формуле:
R=Uгасящее/Iсветодиода;
Uгасящее=Uпитания–Uсветодиода.
Важно! Обязательно соблюдайте правильную полярность подключения светодиодов. К плюсу источника питания подключается анод (более длинный вывод), к минусу - катод (на колбе диода с его стороны имеется характерный срез).
Светодиодные элементы все чаще применяются в сферах деятельности человечества как осветительные приборы для помещений, в уличных фонарях, карманных фонариках, при освещении аквариума. В автомобильной индустрии группы светодиодов широко используются для подсветки габаритных огней, стоп сигналов и поворотов.
Внешний вид светодиодов
Отдельными элементами с различными цветами обеспечивают подсветку приборной панели, индикацию понижения уровня охлаждающей жидкости радиатора. Невозможно перечислить все направления их использования: от украшения новогодней елки, подсветки аквариума до приборов ракетно-космической техники.
Они постепенно вытесняют обычные лампы накаливания. Многочисленные Интернет магазины в режиме онлайн продают светодиодные ленты и другие осветительные приборы. Также можно найти калькулятор расчета схем драйверов для них, если появится необходимость их ремонта или изготовления своими руками. Такому бурному развитию есть целый ряд причин.
Основные преимущества
- малое потребление энергии;
- высокий КПД;
- низкие напряжения;
- почти отсутствует нагрев;
- высокая степень электрической и пожарной безопасности;
- крепкий корпус: отсутствие хрупких нитей накаливания и стеклянных колб делает их устойчивыми к механическим, вибрационным воздействиям;
- безынерционное срабатывание обеспечивает быстродействие, нет затрат времени на разогрев нити накаливания;
- прочность, малые габариты и долговечность;
- непрерывный ресурс работы не менее 5 лет;
- широкий выбор спектра (цвета) и возможность конструкции отдельного элемента делать рассеянное или направленное освещение.
Есть несколько существенных недостатков:
- Высокая стоимость.
- Интенсивность светового потока отдельного элемента мала.
- Чем выше напряжение требуемого источника питания, тем быстрее разрушается структура светодиодных элементов. Проблема перегрева решается установкой радиатора.
Параметры и особенности
Достоинств у светодиодов намного больше, чем недостатков, но по причине высокой стоимости народ не спешит приобретать осветительные приборы на основе светодиодов. Люди, обладающие необходимыми познаниями, покупают отдельные элементы и сами собирают светильники для аквариума, делают подключения на приборные панели автомобилей, стоповых сигналов и габаритов. Но для этого надо хорошо разобраться в принципах работы, параметрах и конструктивных особенностях светодиодов.
Параметры:
- рабочий ток;
- рабочее напряжение;
- цвет светового потока;
- угол рассеивания:
- тип корпуса.
Особенностью конструкций является диаметр, форма линзы, которая определяет направленность и степень рассеивания светового потока. Участок цветового спектра свечения определяют примеси добавляемые в полупроводниковый кристалл диода. Фосфор, индий, галлий, алюминий обеспечивают подсветку от красного до желтого диапазона.
Состав азота, галлия, индия сделает спектр в диапазоне синего и зеленого цветов, если к кристаллу синего (голубого) спектра добавить люминофор, можно получить белый свет. Углы направления и рассеивания потоков определяет состав кристалла, но в большей степени форма линзы светодиода.
Для поддержания живого мира аквариума необходим процесс фотосинтеза водорослей. Здесь требуется правильный спектр и определенный уровень освещения аквариума, с чем хорошо справляются светодиоды.
Расчет параметров и схем
Определившись с цветом, направлением потока освещения и напряжением источника питания можно покупать светодиоды. Но чтобы собрать нужную схему, надо сделать расчет резистора светодиода в цепи, который гасит повышенное напряжение питания. Рабочий ток и напряжение нам известно по номиналам.
Надо обязательно учитывать, что светодиод это полупроводник, который имеет полярности.
Если перепутать полярности, он не засветится и может вообще выйти из строя. Хорошим примером для расчета гасящего резистора в схемах подключения светодиодов являются светотехнические приборы автомобиля. В качестве индикации состояния определенного технического параметра используется один светодиодный элемент, как вариант берется пониженный уровень охлаждающей жидкости радиатора.
Схема подключения светодиода
R = Uак. – Uраб./ I раб.
R = 12В – 3В/00,2А = 450 Ом = 0,45 кОм.
Uак – напряжение источника питания, в нашем случае автомобильный аккумулятор 12В;
Uраб – рабочее напряжение светодиода;
I раб – рабочий ток светодиода.
Можно рассчитать сопротивление гасящего резистора в схеме с последовательным подключением некоторого количества светодиодов. Такой вариант может использоваться для подсветки приборов на передней панели или в качестве стоповых огней автомобиля.
Схема последовательного подключения светодиодов и гасящего сопротивления
Расчет сопротивления аналогичный:
R = Uак – Uраб*n / Iраб.
R = 12В – 3В * 3/ 0.02А = 150 Ом = 0,15 кОм.
n – количество светодиодов 3 шт.
Стоит рассмотреть случай с шестью светодиодами; в стопорных фонарях применяют и большее количество, но методика расчета сопротивления и построение схемы будут те же.
R = Uак – Uраб*n / Iраб
R = 12В – 18 В/ 002А – рабочее напряжение диодов превышает напряжение источника питания, в этом случае придется диоды разделить на 2 группы по три диода и подключить их по параллельной схеме . Расчеты делаем для каждой группы отдельно.
Предыдущий расчет с тремя светодиодами в схеме с последовательным подключением показывает, что для параллельного подключения в каждой группе величина сопротивления резистора должна быть по 0,15 кОм.
Несмотря на небольшой нагрев, светодиодные светильники не работают без радиатора. Например, для освещения аквариума сверху устанавливается крышка, на которой крепятся точечные источники света или светодиодная лента . Чтобы избежать ее перегрева, применяется алюминиевый профиль. Для изготовления радиатора начинают применять специальные пластмассы, рассеивающие тепло. Специалисты не рекомендуют самостоятельно заниматься их изготовлением, хотя никто не запрещает принимать меры по улучшению теплоотвода от мощных светильников. В качестве радиатора хорошо применять медь, обладающую высокой теплопроводностью.
На многих сайтах можно найти калькулятор, с помощью которого предоставляется возможность выбора схемы, внесения параметров диода и расчета в режиме онлайн резистора для одного светодиода или группы.
В специализированных магазинах можно купить диски с программным обеспечением и установить на домашний компьютер драйвера. Программа с драйверами легко скачивается бесплатно в режиме онлайн или покупается, если оплатить электронными деньгами на сайте.
Особенности, которые надо учитывать:
- Не рекомендуется подключать светодиоды в параллельной схеме через одно сопротивление. При неисправности одного диода на остальные будет подаваться слишком мощное напряжение, что приведет все диоды к выходу из строя. Если попадется такая схема, можно через онлайн-калькулятор рассчитать и переделать ее, добавив отдельные сопротивления на светодиоды.
Схема параллельного подключения
- В расчетах могут получиться значения резистора, которые не совпадают со стандартными номиналами, тогда выбирается сопротивление немного большее. Здесь удобно использовать калькулятор в онлайн режиме.
- При совпадении рабочего напряжения светодиодов и источника питания в бытовых схемах для фонариков, елочных гирлянд иногда резистор не используют. При этом отдельные светодиоды светятся с разной яркостью, это вызвано разбросом их параметров. Рекомендуется в этих случаях применять конверторы для повышения напряжений.
Ниже изображена одна из простейших схем драйвера светодиодной лампы.
Схема и фото драйвера лампы MR-16
Схема собрана с применением вместо трансформатора конденсатора C1 и резистора R1. Напряжение подается на диодный мост. Ограничение тока обеспечивается за счет конденсатора С1, который создает сопротивление, но не рассеивает тепло, а уменьшает напряжение при последовательном подключении к цепи питания.
Выпрямленное напряжение сглаживается с помощью электролитического конденсатора С2. Сопротивление R1 предназначено для разрядки конденсатора С1 при отключении питания. R1 и R2 в работе схемы не участвуют. Резистор R2 предназначен для защиты конденсатора С2 от пробоя, если происходит обрыв в цепи питания лампы.
На фото представлен вид драйвера с двух сторон. Красный цилиндр – это изображение конденсатора С1, черный – С2.
Резистор. Видео
На вопрос, что такое резистор, и как он работает, ответит это видео. Простота изложения дает возможность усвоить материал даже новичку.
Учитывая все вышесказанное, можно сделать правильный самостоятельный расчет резистора для светодиода и приобрести в специализированном магазине то, что по-настоящему пригодится в хозяйстве.
Работа светодиода основана на излучении квантов света, возникающих при протекании по нему тока. В зависимости от этого меняется и яркость свечения элемента. При малом токе он светит тускло, а при большом - вспыхивает и сгорает. Для ограничения протекающего через него тока проще всего использовать сопротивление. Выполнить правильный расчёт резистора несложно, но при этом следует помнить, что он только ограничивает, но не стабилизирует ток.
Принцип работы и свойства
Светодиод - это прибор , обладающий способностью излучать свет. На печатных платах и схемах он обозначается латинскими буквами LED (Light Emitting Diode), что в переводе обозначает «светоизлучающий диод». Физически он представляет собой кристалл, помещённый в корпус. Классически им считается цилиндр, одна сторона которого имеет выпуклую округлую форму, являющуюся линзой-полусферой, а другая - плоское основание, и на ней располагаются выводы.
С развитием твердотельных технологий и уменьшения технологического процесса промышленность стала производить SMD-диоды, предназначенные для установки поверхностным монтажом. Несмотря на это, физический принцип работы светодиода не изменился и одинаков как для любого вида, так и для цвета устройства.
Процесс изготовления прибора излучения можно описать следующим образом. На первом этапе выращивают кристалл. Происходит это путём помещения искусственно изготовленного сапфира в заполненную газообразной смесью камеру. В состав этого газа входят легирующие добавки и полупроводник. При нагреве камеры происходит осаждение образующегося вещества на пластину, при этом толщина такого слоя не превышает нескольких микрон. После окончания процесса осаждения методом напыления формируются контактные площадки и вся эта конструкция помещается в корпус.
Из-за особенностей производства одинаковых по параметрам и характеристикам светодиодов не бывает. Поэтому хотя производители и стараются отсортировывать близкие по значениям устройства, нередко в одной партии попадаются изделия, отличающиеся по цветовой температуре и рабочему току.
Устройство радиоэлемента
Светодиод или LED-диод представляет собой полупроводниковый радиоэлемент, в основе работы которого лежат свойства электронно-дырочного перехода. При прохождении через него тока в прямом направлении на границе соприкосновения двух материалов возникают процессы рекомбинации, сопровождающиеся излучением в видимом спектре.
Очень долго промышленность не могла изготовить синий светодиод, из-за чего нельзя было получить и излучатель белого свечения. Лишь только в 1990 году исследователи японской корпорации Nichia Chemical Industries изобрели технологию получения кристалла, излучающего свет в синем спектре. Это автоматически позволило путём смешения зелёного, красного и синего цвета получить белый.
В основе процесса излучение лежит освобождение энергии при рекомбинации зарядов в зоне электронно-дырочного перехода. Образовывается он путём контакта двух полупроводниковых материалов с разной проводимостью. В результате инжекции, перехода неосновных носителей заряда, образуется запирающий слой.
На стороне материала с n-проводимостью возникает барьер из дырок, а на стороне с p-проводимостью - из электронов. Наступает равновесие. При подаче напряжения в прямом смещении происходит массовое перемещение зарядов в запрещённую зону с обеих сторон. В результате они сталкиваются и выделяется энергия в виде излучения света.
Этот свет может быть как видимым человеческому глазу, так и нет. Зависит это от состава полупроводника, количества примесей, ширины запрещённой зоны. Поэтому видимый спектр достигается путём изготовления многослойных полупроводниковых структур.
Характеристики светодиодов
Цвет свечения зависит от типа полупроводника и степени его легирования, что определяет ширину запрещённой зоны p-n перехода. Срок службы светодиодов в первую очередь зависит от температурных режимов его работы. Чем выше нагрев прибора, тем быстрее наступает его старение. А температура, в свою очередь, связана с проходящей через светодиод силой тока. Чем меньшей мощности источник света, тем дольше его срок службы. Старение выражается в виде уменьшения яркости прибора света. Поэтому так важно правильно подобрать сопротивление для светодиода.
К основным характеристикам LED-диодов относят:
Способы подключения
Для беспроблемной работы светодиода очень важно значение рабочего тока. Неверное подключение источников излучения или существенный разброс их параметров при совместной работе приведёт к превышению протекающего через них тока и дальнейшему перегоранию приборов. Связано это с увеличением температуры, из-за которой кристалл светодиода просто деформируется, а p-n переход пробьётся. Поэтому так важно ограничить подающуюся на источник света величину тока, то есть ограничить питающее напряжение.
Проще всего это выполнить, используя сопротивление, включённое последовательно в цепь излучателя. В этом качестве применяется обыкновенный резистор, но он должен иметь определённую величину. Его большое значение не сможет обеспечить нужную разность потенциалов для возникновения процесса рекомбинации, а меньшее - спалит. При этом нужно не только знать, как рассчитать сопротивление для светодиода, но и понимать, как правильно его поставить, особенно если схема насыщена радиоэлементами.
В электрической цепи может использоваться как один светодиод, так и несколько. При этом существует три схемы их включения:
- одиночная;
- последовательная;
- параллельная.
Одиночный элемент
Когда в электрической цепи используется только один светодиод, то последовательно с ним ставится одни резистор. В результате такого подключения общее напряжение, приложенное к этому контуру, будет равно сумме падений разности потенциалов на каждом элементе цепи. Если обозначить эти потери на резисторе как Ur, а на светодиоде Us, то общее напряжение источника ЭДС будет равно: Uo = Ur + Us.
Перефразируя закон Ома для участка сети I = U / R, получается формула: U = I * R. Подставив полученное выражение в формулу для нахождения общего напряжения, получим:
Uo = IrRr + IsRs, где
- Ir - ток, протекающий через резистор, А.
- Rr - расчётное сопротивление резистора, Ом.
- Is - ток, проходящий через светодиод, А.
- Rs - внутренний импеданс светодиода, Ом.
Значение Rs изменяется в зависимости от условий работы источника излучения и его величина зависит от силы тока и разности потенциалов. Эту зависимость можно увидеть изучая вольт-амперную характеристику диода. На начальном этапе происходит плавное увеличение тока, а Rs имеет высокое значение. После импеданс резко падает и ток стремительно возрастает даже при незначительном росте напряжения.
Если соединить формулы, получится следующее выражение:
Rr = (Uo - Us) / Io, Ом
При этом учитывается, что сила тока, протекающего в последовательном контуре участка цепи, одинакова в любой его точке, то есть Io = Ir = Is. Это выражение подходит и для последовательного соединения светодиодов, ведь при нём для всей цепи используется также лишь один резистор.
Таким образом, для нахождения нужного сопротивления остаётся узнать величину Us. Значение падения напряжения на светодиоде является справочной величиной и для каждого радиоэлемента она своя. Для получения данных понадобится воспользоваться даташитом на устройство. Даташит - это набор информационных листов, которые содержат исчерпывающие сведения о параметрах, режимах эксплуатации, а также схемы включения радиоэлемента. Выпускает его производитель изделия.
Параллельная цепь
При параллельном соединение радиоэлементы контактируют между собой в двух точках - узлах. Для такого типа цепи справедливы два правила: сила тока, входящая в узел, равна сумме сил токов, исходящих из узла, и разность потенциалов во всех точках узлов одинакова. Исходя из этих определений, можно сделать заключение, что в случае параллельного соединения светодиодов искомый резистор, располагающийся в начале узла, находится по формуле: Rr = Uo / Is1+In, Ом, где:
- Uo - приложенная к узлам разность потенциалов.
- Is1 - сила тока, протекающая через первый светодиод.
- In - ток, проходящий через n-й светодиод.
Но такая схема с общим сопротивлением, располагающимся перед параллельным соединением светодиодов, - не используется. Связанно это с тем, что в случае перегорания одного излучателя, согласно закону, сила тока, входящая в узел, останется неизменной. А это значит, она распределится между оставшимися рабочими элементами и при этом через них пойдёт больший ток. В результате возникнет цепная реакция и все полупроводниковые излучатели в конечном счёте сгорят.
Поэтому правильно будет использовать собственный резистор для каждой параллельной ветки со своим светодиодом и выполнить расчёт резистора для светодиода отдельно для каждого плеча. Такой подход ещё выгоден тем, что в схеме можно использовать радиоэлементы с разными характеристиками.
Расчёт сопротивления каждого плеча происходит аналогично одиночному включению: Rn = (Uo - Us) / In, Ом, где:
- Rn - искомое сопротивление n -ой ветки.
- Uo - Us - разность падений напряжений.
- In - сила тока через n-й светодиод.
Пример расчёта
Пускай на электрическую схему поступает питание от источника постоянного напряжения, равного 32 вольтам. В этой схеме стоят два параллельно включённых друг другу светодиода марки: Cree C503B-RAS и Cree XM-L T6. Для расчёта требуемого импеданса понадобится узнать из даташита типовое значение падения напряжения на этих светодиодах. Так, для первого оно составляет 2.1 В при токе 0,2, а второго - 2,9 В при той же величине силы тока.
Подставив данные значения в формулу для последовательной цепи, получится следующий результат:
- R1 =(U0-Us1)/ I=(32−2,1)/0,2 = 21,5 Ом.
- R2 = (U0-Us2)/ I=(32−2,9)/0,2 = 17,5 Ом.
Из стандартного ряда подбирают ближайшие значения. Ими будут: R1 = 22 Ома и R2 = 18 Ом. При желании можно рассчитать и мощность, рассеиваемую на резисторах по формуле: P = I*I*U. Для найденных резисторов она составит P= 0,001 Вт.
Браузерные онлайн-калькуляторы
При большом количестве светодиодов в схеме рассчитывать для каждого сопротивление - процесс довольно утомительный, тем более что при этом можно допустить ошибку. Поэтому проще всего для расчётов использовать онлайн-калькуляторы.
Представляют они собой программу, написанную для работы в браузере. В интернете можно встретить много таких калькуляторов для светодиодов , но принцип работы у них одинаков. Понадобится ввести справочные данные в предложенных формах, выбрать схему подключения и нажать кнопку «Результат» или «Расчёт». После чего останется только дождаться ответа.
Пересчитав вручную, его можно проверить, но особого смысла в этом не будет, так как при вычислении программы используют аналогичные формулы.
Необходимость подключить светодиод к сети – частая ситуация. Это и индикатор включения приборов, и выключатель с подсветкой, и даже диодная лампа.
Существует множество схем подключения маломощных индикаторных LED через резисторный ограничитель тока, но такая схема подключения имеет определённые недостатки. При необходимости подключить диод, с номинальным током 100-150мА, потребуется очень мощный резистор, размеры которого будут значительно больше самого диода.
Вот так бы выглядела схема подключения настольной светодиодной лампы. А мощные десяти ваттные резисторы при низкой температуре в помещении можно было бы использовать в качестве дополнительного источника отопления.
Применение в качестве ограничителя тока конде-ров позволяет значительно уменьшить габариты такой схемы. Так выглядит блок питания диодной лампы мощностью 10-15 Вт.
Принцип работы схем на балластном конденсаторе
В этой схеме конде-р является фильтром тока. Напряжение на нагрузку поступает только до момента полного заряда конде-ра, время которого зависит от его ёмкости. При этом никакого тепловыделения не происходит, что снимает ограничения с мощности нагрузки.
Чтобы понять, как работает эта схема и принцип подбора балластного элемента для LED, напомню, что напряжение – скорость движения электронов по проводнику, сила тока – плотность электронов.
Для диода абсолютно безразлично, с какой скоростью через него будут «пролетать» электроны. Расчет конде-ра основан на ограничении тока в цепи. Мы можем подать хоть десять киловольт, но если сила тока составит несколько микр оампер, количества электронов, проходящих через светоизлучающий кристалл, хватит для возбуждения лишь крохотной части светоизлучателя и свечения мы не увидим.
В то же время при напряжении несколько вольт и силе тока десятки ампер плотность потока электронов значительно превысит пропускную способность матрицы диода, преобразовав излишки в тепловую энергию, и наш LED элемент попросту испарится в облачке дыма.
Расчет гасящего конденсатора для светодиода
Разберем подробный расчет, ниже сможете найти форму онлайн калькулятора.
Расчет емкости конденсатора для светодиода:
С(мкФ) = 3200 * Iсд) / √(Uвх² — Uвых²)
С мкФ
– ёмкость конде-ра. Он должен быть рассчитан на 400-500В;
Iсд
– номинальный ток диода (смотрим в паспортных данных);
Uвх
– амплитудное напряжение сети — 320В;
Uвых
– номинальное напряжение питания LED.
Можно встретить еще такую формулу:
C = (4,45 * I) / (U — Uд)
Она используется для маломощных нагрузок до 100 мА и до 5В.
Расчет конденсатора для светодиода (калькулятор онлайн):
Для наглядности проведём расчёт нескольких схем подключения.
Для расчета емкости конде-ра нам понадобится:
- Максимальный ток диода – 0,15А;
- напряжение питания диода – 3,5В;
- амплитудное напряжение сети — 320В.
Для таких условий параметры конде-ра: 1,5мкФ, 400В.
При расчете конденсатора для светодиодной лампы необходимо учитывать, что диоды в ней соединены группами.
- Напряжение питания для последовательной цепочки – Uсд * количество LED в цепи;
- сила тока – Iсд * количество параллельных цепочек.
Для примера возьмём модель с шестью параллельными линиями из четырёх последовательных диодов.
Напряжение питания – 4 * 3,5В = 14В;
Сила тока цепи – 0,15А * 6 = 0,9А;
Для этой схемы параметры конде-ра: 9мкФ, 400В.
Простая схема блока питания светодиодов с конденсатором
Разберём устройство без трансформаторного блока питания для светодиодов на примере фабричного драйвера LED ламы.
- R1 – резистор на 1Вт, который уменьшает значимость перепадов напряжения в сети;
- R2,C2 – конде-р служит в качестве токоограничителя, а резистор для его разрядки после отключения от сети;
- C3 – сглаживающий конде-р, для уменьшения пульсации света;
- R3 – служит для ограничения перепадов напряжения после преобразования, но более целесообразно вместо него установить стабилитрон.
Какой конденсатор можно использовать для балласта?
В качестве гасящих конденсаторов для светодиодов используются керамические элементы рассчитанные на 400-500В. Использование электролитических (полярных) конденсаторов недопустимо.
Меры предосторожности
Безтрансформаторные схемы не имеют гальванической развязки. Сила тока цепи при появлении дополнительного сопротивления, например прикосновение рукой с оголённому контакту в цепи, может значительно увеличится, став причиной электротравмы.
Сегодня мы начнем с изучения нового элемента, а именно светодиода. Основные сведения о светодиоде собраны в отдельной статье .
Светодиод, в основном, имеет 2 вывода: длинный вывод (анод) соединяется с плюсом питания, более короткий вывод (катод) с минусом. Светодиод, подключенный наоборот не будет светиться, и кроме того, при превышении определенного напряжения может даже сгореть.
С чего следует начать при работе со светодиодом? С просмотра технических параметров на конкретный светодиод! Иногда необходимые нам сведения можно также получить при покупке в магазине. Что же нам нужно знать? То, что мы ищем – это прямой ток (forward current) и прямое напряжение (forward voltage).
Для светодиода главное — это правильно подобранный ток, так как он напрямую влияет на срок службы светодиода. Поэтому мы говорим, что светодиод — это элемент, питаемый током (не напряжением!).
При изучении datasheet для одноцветных светодиодов размером 5мм вот что было обнаружено:
- красный светодиод: 20 мА / 2,1 В
- зеленый светодиод: 20 мА / 2,2 В
- желтый светодиод: 20 мА / 2,2 В
- оранжевый светодиод: 25 мА / 2,1 В
- синий светодиодный индикатор: 20 мА / 3,2 В
- светодиод белый: 25 мА / 3,4 В
(параметры светодиодов могут незначительно отличаться в зависимости от экземпляра и производителя светодиодов)
Нашим источником питания, как и в предыдущих упражнениях, является кассета из 4 батареек, дающие напряжение около 6 вольт. Теперь встает вопрос: как подобрать резистор для ограничения тока красного светодиода, подключенного согласно следующей схеме:
Наша батарея обеспечивает напряжение порядка 6 вольт. Красному светодиоду необходим ток около 20мА. Плюс ко всему нужно учесть падение напряжения на этом светодиоде, т. е. 2,1 вольт:
U R1 = U B1 – U D1
U R1 = 6В – 2,1В
Теперь достаточно подставить наши данные в формулу:
R1 = 3,9В / 20мА
R1 = 3,9В / 0,02А
Таким вот простым способом мы рассчитали сопротивление резистора R1 для красного светодиода, который должен иметь сопротивление минимум 195 Ом. Но вы не сможете найти такого номинала! Что же делать в таком случае? Надо взять из резистор большей величины, но с максимально близким сопротивлением.
Ближайший в номинальном ряду резисторов находится резистор с сопротивлением 200 Ом, и именно такой мы должны использовать в нашей схеме. Почему? Конечно, ничто не мешает нам использовать резистор большего сопротивления, например, 470 Ом, 2,2 кОм… Но как это повлияет на свечение нашего светодиода? Давайте проверим!
На фото этого конечно не заметно, но светодиод светит очень ярко с резистором 200 Ом. Но что случится, если мы заменим резистор на другой, с большим сопротивлением, например, 470 Ом? Светодиод по-прежнему горит. Дальше будем последовательно увеличивать сопротивление: 2,2кОм, 3,9кОм, 4,7кОм… Обратите внимание, что светодиод с увеличением сопротивления резистора светит все слабее и слабее пока, наконец, вообще не перестает светиться.
Еще одно замечание по существу — необходимо использовать резисторы немного больше, чем это следует из расчетов (например, 210 Ом вместо 200 Ом). Почему? Наверно вы обратили внимание, что для расчетов мы взяли номинальное напряжение нашей батареи, в реальности свежие батарейки могут давать более высокое напряжение и поэтому сопротивление резистора может быть недостаточным. Ток на светодиоде будет выше необходимого, что в конечном счете скажется на сроке его службы.
Еще один пример, из жизни (вернее из частых вопросов). Как подобрать резистор для схемы (в автомобиль) , в которой последовательно соединены два красных светодиода (прямой ток 20 мА, прямое напряжение 2,1 В)?
Величину сопротивления резистора R1 рассчитываем аналогично, как в примере выше, с той лишь разницей, что от напряжения бортовой сети автомобиля (14В), необходимо вычесть падение напряжения на обоих диодах D1 и D2:
U R1 = U E1 – U D1 – U D2
U R1 = 14В – 2,1В – 2,1В
Теперь подставим данные в формулу:
R1 = 9,8В / 20мА
R1 = 9,8В / 0,02А
Резистор R1, к которому подключены последовательно два красных светодиода, должен иметь сопротивление минимум 490 Ом. Ближайший в ряду является резистор номиналом 510 Ом. Если у вас нет резистора номиналом 510 Ом, помните, что вы можете соединить последовательно несколько резисторов, например, 5 резисторов по 100 Ом.
А можем ли мы в этой схеме последовательно подключить еще 5 светодиодов? Нет! На каждом из подключенных светодиодов возникает некоторое падение напряжения, другими словами каждый из них потребляет некоторое количество напряжения, например, каждому красному светодиоду нужно 2,1 вольт. Легко подсчитать, что наша батарея не в состоянии обеспечить такое напряжение:
14В < 2,1В + 2,1В + 2,1В + 2,1В + 2,1В+ 2,1В + 2,1В
14В < 14,7В
Приведенный выше пример касается схемы, установленной в автомобиле, где источник напряжения 14В.
Следующий пример будет касаться параллельного соединения светодиодов, так как показано на следующем рисунке:
На этот раз предположим, что светодиод — D1 красный (прямой ток 20 мА, прямое напряжение около 2,1 В), а светодиод D2 имеет белый цвет (прямой ток 25 мА, прямое напряжение 3,4 В).
Из первого закона Кирхгофа мы знаем, что:
I = 20мА + 25мА
Подключая светодиоды параллельно к источнику питания, следует помнить, что каждый светодиод должен иметь свой резистор! Теперь давайте посчитаем падение напряжения на каждом из резисторов:
U R 1 = U B 1 – U D 1
U R1 = 6В – 2,1В
U R 2 = U B 1 – U D 2
U R2 = 6В – 3,4В
Мы знаем, силу тока и напряжение, давайте посчитаем сопротивление:
R1 = U R 1 / I 1
R1 = 3,9В / 20мА
R1 = 3,9В / 0,02А
R2 = 2,6В / 25мА
R2 = 2,6В / 0,025А
Резистор R1 должен иметь сопротивление как минимум 195 Ом (ближайший в номинальном ряду резистор на 200 Ом), а резистор R2 должен иметь сопротивление не менее 104 Ом (ближайший в ряду будет на 120 Ом).
Как лучше соединять светодиоды: последовательно или параллельно? Ответ не простой, потому что оба варианта имеют свои плюсы и минусы:
|
Вид соединения светодиодов |
|
|
последовательное |
параллельное |
| для всех светодиодов достаточно одного резистор |
каждый светодиод должен иметь свой собственный резистор |
| повреждение одного светодиода приводит к отключению всей цепочки светодиодов |
при повреждении одного или несколько светодиодов, остальные светодиоды будут светятся |
| низкое значение тока | ток в цепи увеличивается с каждым последующим светодиодом (ток каждой ветви суммируется) |
| требуется более высокое напряжение источника питания с учетом падения напряжения на каждый из светодиодов |
напряжение питания в схеме может быть низким |
Под конец урока рассмотрим еще один популярный вид – мощные светодиоды. Благодаря им, мы можем получить яркий свет. Мощные светодиоды используются, например, в автомобилях, поэтому следующий пример будет касаться именно проблемы установки мощных светодиодов в автомобиле.
Напряжение в сети автомобиля 14 вольт. Мощный светодиод имеет прямой ток 350 мА и падение напряжения 3,3 вольт. Рассчитаем сопротивление для мощного светодиода так, как мы это делали выше:
U R1 = U E1 – U D1
U R1 = 14В – 3,3В
R1 = U R1 / I
R1 = 10,7В / 350мА
R1 = 31 Ом
Для нашего примера надо подобрать резистор минимум 31 Ом. Проблема в том, что мощный светодиод, как указывает само название, имеет большую мощность и здесь обычный резистор не достаточен. Помимо соответствующего сопротивления наш резистор должен иметь соответствующую номинальную мощность, т. е. допустимую мощность, которая выделяется на резисторе при его работе.
Помните, что основная задача резистора — это сопротивление току. При сопротивлении всегда будет выделяться тепло в той или иной степени. Слишком большая мощность может повредить резистор.
Мощность вычисляем по следующей формуле:
P = 10,7В x 350мА
Номинальная мощность нашего резистора — это минимум 3,7 Вт. В связи с этим, наши стандартные резисторы мощностью 0,25 Вт быстро сгорят. В приведенном выше примере необходимо применить резистор на 5 Вт, но лучшим решением использование нескольких резисторов по 5 Вт, соединенных последовательно или параллельно. Почему? Причина в том, что резисторы плохо отводят тепло (хотя бы из-за их формы), а использование нескольких резисторов сразу увеличит общую площадь поверхности, через которую происходит отдача тепла.
При подборе резистора для мощного светодиода необходимо дополнительно учитывать значительное повышение температуры самого светодиода, что вызывает изменение прямого тока. Поэтому лучше взять резистор большего сопротивления, что обеспечит стабильную работу светодиода при увеличении прямого тока из-за его нагрева во время работы.
Но на практике для питания мощных светодиодов применяют стабилизаторы тока, которые будут обсуждаться в последующих уроках.
Общее правило при подборе резистора (резисторов) для светодиодов является использование чуть большего сопротивления, чем это следует из расчетов. Прямой ток и падение напряжения, протекающие через светодиод лучше измерить мультиметром, чтобы в расчетах учитывать реальные параметры конкретного светодиода.
