Токоограничительный резистор для светодиода. Резисторы для светодиодов — правильный расчёт сопротивления. В каких случаях допускается подключение светодиода через резистор
Основным параметром, влияющим на долговечность светодиода, является электрический ток, величина которого строго нормируется для каждого типа LED-элемента. Одним из распространенных способов ограничения максимального тока является использование ограничительного резистора. Резистор для светодиода можно рассчитать без применения сложных вычислений на основании закона Ома, используя технические значения параметров диода и напряжение в цепи включения.
Особенности включения светодиода
Работая по одинаковому принципу с выпрямительными диодами, светоизлучающие элементы, тем не менее, имеют отличительные особенности. Наиболее важные из них:
- Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
- Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
- Зависимость сопротивления перехода от температуры, что свойственно большинству полупроводниковых элементов.
На последнем пункте следует остановиться подробнее, поскольку он является основным для расчета гасящего резистора. В документации на излучающие элементы указывается допустимый диапазон номинального тока, при котором они сохраняют работоспособность и обеспечивают заданные характеристики излучения. Занижение величины не является фатальным, но приводит к некоторому снижению яркости. Начиная с некоторого предельного значения, прохождение тока через переход прекращается, и свечение будет отсутствовать.
Превышение тока сначала приводит к увеличению яркости свечения, но срок службы при этом резко сокращается. Дальнейшее повышение приводит к выходу элемента из строя. Таким образом, подбор резистора для светодиода преследует цель ограничить максимально допустимый ток в наихудших условиях.
Напряжение на полупроводниковом переходе ограничено физическими процессами на нем и находится в узком диапазоне около 1-2 В. Светоизлучающие диоды на 12 Вольт, часто устанавливаемые на автомобили, могут содержать цепочку последовательно соединенных элементов или ограничительную схему, включенную в конструкцию.
Зачем нужен резистор для светодиода
Использование ограничительных резисторов при включении светодиодов является пусть и не самым эффективным, зато самым простым и дешевым решением ограничить ток в допустимых пределах. Схемные решения, которые позволяют с высокой точностью стабилизировать ток в цепи излучателей достаточно сложны для повторения, а готовые имеют высокую стоимость.
Применение резисторов позволяет выполнять освещение и подсветку своими силами. Главное при этом -- умение пользоваться измерительными приборами и минимальные навыки пайки. Грамотно рассчитанный ограничитель с учетом возможных допусков и колебаний температуры способен обеспечить нормальное функционирование светодиодов в течении всего заявленного срока службы при минимальных затратах.
Параллельное и последовательное включение светодиодов
С целью совмещения параметров цепей питания и характеристик светодиодов широко распространены последовательное и параллельное соединение нескольких элементов. У каждого типа соединений есть как достоинства, так и недостатки.
Параллельное включение
Достоинством такого соединения является использование всего одного ограничителя на всю цепь. Следует оговориться, что данное достоинство является единственным, поэтому параллельное соединение практически нигде не встречается, за исключением низкосортных промышленных изделий. Недостатки таковы:
- Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
- Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
- Перегорание одного из излучателей ведет к лавинообразному выходу из строя всех остальных ввиду увеличения падения напряжения на параллельно включенной группе.
Несколько увеличивает эксплуатационные свойства соединение, где ток через каждый излучающий элемент ограничивается отдельным резистором. Точнее, это является параллельным соединением отдельных цепей, состоящих из светодиодов с ограничительными резисторами. Основное достоинство -- большая надежность, поскольку выход из строя одного или нескольких элементов никаким образом не отражается на работе остальных.
Недостатком является тот факт, что из-за разброса параметров светодиодов и технологического допуска на номинал сопротивлений яркость свечения отдельных элементов может сильно различаться. Такая схема содержит большое количество радиоэлементов.
Параллельное соединение с индивидуальными ограничителями находит применение в цепях с низким напряжением, начиная с минимального, ограниченного падением напряжения на p-n переходе.
Последовательное включение
Последовательное включение излучающих элементов получило самое широкое распространение, поскольку несомненным достоинством последовательной цепи является абсолютное равенство тока, проходящего через каждый элемент. Поскольку ток через единственный ограничительный резистор и через диод одинаков, то и рассеиваемая мощность будет минимальной.
Существенный недостаток -- выход из строя хотя бы одного из элементов приведет к неработоспособности всей цепочки. Для последовательного соединения требуется повышенное напряжение, минимальное значение которого растет пропорционально количеству включенных элементов.
Смешанное включение
Использование большого количества излучателей возможно при выполнении смешанного соединения, когда используют несколько параллельно включенных цепочек, и последовательного соединения одного ограничительного резистора и нескольких светодиодов.
Перегорание одного из элементов приведет к неработоспособности только одной цепи, в которой установлен данный элемент. Остальные будут функционировать исправно.
Формулы расчета резистора
Расчет сопротивления резистора для светодиодов базируется на законе Ома. Исходными параметрами для того, как рассчитать резистор для светодиода, являются:
- напряжение цепи;
- рабочий ток светодиода;
- падение напряжения на излучающем диоде (напряжение питания светодиода).
Величина сопротивления определяется из выражения:
где U -- падение напряжения на резисторе, а I -- прямой ток через светодиод.
Падение напряжения светодиода определяют из выражения:
U = Uпит -- Uсв,
где Uпит -- напряжение цепи, а Uсв -- паспортное падение напряжения на излучающем диоде.
Расчет светодиода для резистора дает значение сопротивления, которое не будет находиться в стандартном ряду значений. Брать нужно резистор с сопротивлением, ближайшим к вычисленному значению с большей стороны. Таким образом учитывается возможное увеличение напряжения. Лучше взять значение, следующее в ряду сопротивлений. Это несколько уменьшит ток через диод и снизит яркость свечения, но при этом нивелируется любое изменение величины питающего напряжения и сопротивления диода (например, при изменении температуры).
Перед тем как выбрать значение сопротивления, следует оценить возможное снижение тока и яркости по сравнению с заданным по формуле:
(R -- Rст)R 100%
Если полученное значение составляет менее 5%, то нужно взять большее сопротивление, если от 5 до 10%, то можно ограничиться меньшим.
Не менее важный параметр, сказывающийся на надежности работы -- рассеиваемая мощность токоограничительного элемента. Ток, проходящий через участок с сопротивлением, вызывает его нагрев. Для определения мощности, которая будет рассеиваться, используют формулу:
Используют ограничивающий резистор, чья допустимая мощность рассеивания будет превосходить расчетную величину.
Имеется светодиод с падением напряжения на нем 1.7 В с номинальным током 20 мА. Необходимо включить его в цепь с напряжением 12 В.
Падение напряжения на ограничительном резисторе составляет:
U = 12 -- 1.7 = 10.3 В
Сопротивление резистора:
R = 10.3/0.02 = 515 Ом.
Ближайшее большее значение в стандартном ряду составляет 560 Ом. При таком значении уменьшение тока по сравнению с заданным составляет чуть менее 10%, поэтому большее значение брать нет необходимости.
Рассеиваемая мощность в ваттах:
P = 10.3 10.3/560 = 0.19 Вт
Таким образом, для данной цепи можно использовать элемент с допустимой мощностью рассеивания 0.25 Вт.
Подключение светодиодной ленты
Светодиодные ленты выпускаются на различное напряжение питания. На ленте располагается цепь из последовательно включенных диодов. Количество диодов и сопротивление ограничительных резисторов зависят от напряжения питания ленты.
Наиболее распространенные типы светодиодных лент предназначены для подключения в цепь с напряжением 12 В. Использование для работы большего значения напряжения здесь также возможно. Для правильного расчета резисторов необходимо знать ток, идущий через единичный участок ленты.
Увеличение длины ленты вызывает пропорциональное увеличение тока, поскольку минимальные участки технологически соединены параллельно. Например, если минимальная длина отрезка составляет 50 см, то на ленту 5м из 10 таких отрезков придется возросший в 10 раз ток потребления.
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.
Светодиоды в наши дни нашли применение практически во всех областях деятельности человека. Но, несмотря на это, для большинства обычных потребителей совершенно неясно, благодаря чему и какие законы действуют при работе светодиодов. Если такой человек захочет устроить освещение посредством таких устройств, то множества вопросов и поиска решения проблем не избежать. И главным вопросом будет - «Что это за штука такая – резисторы, и для чего они требуются светодиодам?»
Что такое резистор и его предназначение?
Главное предназначение устройств - способность энергично сопротивляться электрическому току. Благодаря этому качеству, резисторы нашли широкое применение при необходимости устройства искусственного освещения, в том числе и с использованием светодиодов.
Для чего необходимо использование резисторов в случае устройства светодиодного освещения?
Большинству потребителей известно, что обыкновенная лампочка накаливания даёт свет при её прямом подключении к какому-либо источнику питания. Лампочка может работать на протяжении длительного времени и перегорает лишь тогда, когда по причине подачи слишком высокого напряжения чрезмерно нагревается накаливающая нить. В таком случае лампочка, некоторым образом, реализует функцию резистора, потому как прохождение электротока через неё затруднительно, но чем выше подаваемое напряжение, тем легче току удаётся преодолеть сопротивление лампочки. Конечно же, ставить в один ряд такую сложную полупроводниковую деталь, как светодиод и обыкновенную лампочку накаливания нельзя.
Важно знать, что светодиод – это такой электрический прибор
, для функционирования которого предпочтительнее не сама сила тока, а напряжение, имеющееся в сети. Например, если таким устройством выбрано напряжение 1,8 В, а к нему приходит 2 В, то, вероятнее всего, он перегорит – если вовремя не снизить напряжение до требующегося приспособлению уровня. Вот именно с этой целью и требуется резистор, посредством которого осуществляется стабилизация использующегося источника питания, чтобы подаваемое им напряжение не вывело устройство из строя.
В связи с этим крайне важно:
- определиться, какого типа резистор требуется;
- определить необходимость использования для конкретного прибора индивидуального резистора, для чего требуется расчёт;
- учесть вид соединения источников света;
- планируемое число светодиодов в осветительной системе.
Видео: Зачем нужны резисторы
Схемы соединения
При последовательной схеме расстановки светодиодов, когда они располагаются один за одним, обычно хватает одного резистора, если получится правильно рассчитать его сопротивление. Это объясняется тем, что в электрической цепи имеется один и тот же ток
, в каждом месте установки электрических приборов.
Но в случае параллельного соединения, для каждого светодиода требуется свой резистор. Если пренебречь этим требованием, то все напряжение придётся тянуть одному, так называемому «ограничивающему» светодиоду, то есть тому, которому необходимо наименьшее напряжение. Он слишком быстро выйдет из строя , при этом напряжение будет подано на следующий в цепи прибор, который точно так же скоропостижно перегорит. Такой поворот событий недопустим, следовательно, в случае параллельного подключения какого-либо числа светодиодов требуется использование такого же количества резисторов, характеристики которых подбираются расчётом.
Видео: Параллельное подключение светодиодов
Расчёт резисторов для светодиодов
При правильном понимании физики процесса, расчёт сопротивления и мощности данных устройств нельзя назвать невыполнимой задачей, с которой не под силу справиться обычному человеку. Для расчёта требующегося сопротивления резисторов, нужно обязательно учесть следующие моменты:
Видео: Подбор резистора для светодиода
Расчёт резисторов при помощи специального калькулятора
Обычно, расчёт сопротивления таких приспособлений, требующихся для какого-либо светодиода, производится посредством специально предназначенного для этих целей калькуляторов. Такие калькуляторы, удобные и высокоэффективные, не нужно откуда-то скачивать и устанавливать – рассчитать резистор вполне можно и в онлайн-режиме.
Калькулятор расчёта резисторов позволяет с высокой точностью определить требуемую мощность и показатель сопротивления резистора, устанавливающегося в светодиодную цепь.
Для расчёта требующегося сопротивления необходимо в соответствующие строки онлайн-калькулятора внести:
- напряжение питания светодиода;
- номинальное напряжение светодиода;
- номинальный ток.
Далее, требуется выбрать использующуюся схему соединения, а также необходимое число светодиодов.
После нажатия соответствующей кнопки выполняется расчёт и на экран монитора выводятся полученные расчётные данные , при помощи которых можно в дальнейшем без особого труда организовать искусственное светодиодное освещение.
Также в онлайн-калькуляторах имеется некоторая база, содержащая данные о светодиодах и их параметрах. Представлена возможность расчёта:
- номинала приспособления;
- цветовой маркировки;
- потребляемого цепью тока;
- рассеиваемой мощности.
Человек, не сильно разбирающийся в электрике и физике, в большинстве случаев не сможет самостоятельно рассчитать устройства для светодиодов. По этой причине, проведение расчётов при помощи функционального и удобного онлайн-калькулятора – неоценимая помощь для обычных людей
, не владеющих методикой расчётов с применением физических формул.
Большинство известных производителей светодиодов и созданных на их основе лент, на своих официальных сайтах выкладывают и собственный онлайн-калькулятор , с помощью которого можно не только подобрать требующиеся резисторы и светодиоды, но и вычислить параметры использующихся токовых приборов в различных режимах эксплуатации при переменных значениях тока, температуры, подаваемого напряжения и пр.
При подключении светодиодов небольшой мощности чаще всего используется гасящий резистор. Это наиболее простая схема подключения, которая позволяет получить требуемую яркость без использования дорогостоящих . Однако, при всей ее простоте, для обеспечения оптимального режима работы необходимо провести расчет резистора для светодиода.
Светодиод как нелинейный элемент
Рассмотрим семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) для светодиодов различных цветов:
Эта характеристика показывает зависимость тока, проходящего через светоизлучающий диод, от напряжения, приложенного к нему.
Как видно на рисунке, характеристики имеют нелинейный характер. Это означает, что даже при небольшом изменении напряжения на несколько десятых долей вольта, ток может измениться в несколько раз.
Однако при работе со светодиодами обычно используют наиболее линейный участок (т.н. рабочую область) ВАХ, где ток изменяется не так резко. Чаще всего производители указывают в характеристиках светодиода положение рабочей точки, то есть значения напряжения и тока, при которых достигается заявленная яркость свечения.
На рисунке показаны типовые значения рабочих точек для красных, зеленых, белых и голубых светодиодов при токе 20 мА. Здесь можно заметить, что led разных цветов при одинаковом токе имеют разное падение напряжения в рабочей области. Эту особенность следует учитывать при проектировании схем.
Представленные выше характеристики были получены для светоизлучающих диодов, включенных в прямом направлении. То есть отрицательный полюс питания подключен к катоду, а положительный – к аноду, как показано на картинке справа:
Полная же ВАХ выглядит следующим образом:
Здесь видно, что обратное включение бессмысленно, поскольку светодиод не будет излучать, а при превышении некоторого порога обратного напряжения выйдет из строя в результате пробоя. Излучение же происходит только при включении в прямом направлении, причем интенсивность свечения зависит от тока, проходящего через led. Если этот ток ничем не ограничивать, то led перейдет в область пробоя и перегорит. Если нужно установить рабочий светодиод или нет, то Вам будет полезна статья подробно раскрывающая все способы .
Как подобрать резистор для одиночного светодиода
Для ограничения тока светоизлучающего диода можно использовать резистор, включенный таким образом:
Теперь определяем, какой резистор нужен. Для расчета сопротивления используется формула:
где U пит — напряжение питания,
U пад- падение напряжения на светодиоде,
I — требуемый ток светодиода.
При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, будет пропорциональна квадрату тока:
Например, для красного светодиода Cree C503B-RAS типовое падение напряжения составляет 2.1 В при токе 20 мА. При напряжении питания 12 В сопротивление резистора будет составлять
Из стандартного ряда сопротивлений Е24 подбираем наиболее близкое значение номинала – 510 Ом. Тогда мощность, рассеиваемая на резисторе, составит
Таким образом, потребуется гасящий резистор номиналом 510 Ом и мощностью рассеивания 0.25 Вт.
Может сложиться впечатление, что при низких напряжениях питания можно подключать led без резистора. На этом видео наглядно показано, что произойдет со светоизлучающим диодом, включенного таким образом, при напряжении всего 5 В:
Светодиод сначала будет работать, но через несколько минут просто перегорит. Это вызвано нелинейным характером его ВАХ, о чем говорилось в начале статьи.
Никогда не подключайте светодиод без гасящего резистора даже при низком напряжении питания. Это ведет к его выгоранию и, в лучшем случае, к обрыву цепи, а в худшем – к короткому замыканию.
Расчет резистора при подключении нескольких светодиодов
При последовательном соединении используется один резистор, задающий одинаковый ток всей цепочке led. При этом следует учитывать, что источник питания должен обеспечивать напряжение, превышающее общее падение напряжения на диодах. То есть при соединении 4 светодиодов с падением 2.5 В потребуется источник напряжением более 10 В. Ток при этом для всех будет одинаковым. Сопротивление резистора в этом случае можно рассчитать по формуле:
где — напряжение питания,
— сумма падений напряжения на светодиодах,
— ток потребления.
Так, 4 зеленых светодиода Kingbright L-132XGD напряжением 2.5 В и током 10 мА при питании 12 В потребуют резистора сопротивлением
При этом он должен рассеивать мощность
При параллельном подключении каждому светоизлучающему диоду ток ограничивает свой резистор. В таком случае можно использовать низковольтный источник питания, но ток потребления всей цепи будет складываться из токов, потребляемых каждым светодиодом. Например, 4 желтых светодиода BL-L513UYD фирмы Betlux Electronics с потреблением 20 мА каждый, потребуют от источника ток не менее 80 мА при параллельном включении. Здесь сопротивление и мощность резисторов для каждой пары «резистор – led» рассчитываются так же, как при подключении одиночного светодиода.
Обратите внимание, что и при последовательном, и при параллельном соединении используются источники питания одинаковой мощности. Только в первом случае потребуется источник с большим напряжением, а во втором – с большим током.
Нельзя подключать параллельно несколько светодиодов к одному резистору, т.к. либо они все будут гореть очень тускло, либо один из них может открыться чуть раньше других, и через него пойдет очень большой ток, который выведет его из строя.
Программы для расчета сопротивления
При большом количестве подключаемых led, особенно если они включены и последовательно, и параллельно, рассчитывать сопротивление каждого резистора вручную может быть проблематичным.
Проще всего в таком случае воспользоваться одной из многочисленных программ расчета сопротивления. Очень удобным в этом плане является онлайн калькулятор на сайте cxem.net:
Он включает в себя небольшую базу данных самых распространенных светодиодов, поэтому необязательно вручную набирать значения падения напряжения и тока, достаточно указать напряжение питания и выбрать из списка нужный светоизлучающий диод. Программа рассчитает сопротивление и мощность резисторов, а также нарисует схему подключения или принципиальную схему.
Например, с помощью этого калькулятора был рассчитан резистор для трех XLamp MX3 при напряжении питания 12 В:
Также программа обладает очень полезной функцией: она подскажет цветовую маркировку требуемого резистора.
Еще одна простая программа для расчета сопротивления распространенная на просторах интернета разработана Сергеем Войтевичем с портала ledz.org.
Здесь уже вручную выбирается способ подключения светодиодов, напряжение и ток. Программа не требует установки, достаточно распаковать ее в любую директорию.
Заключение
Гасящий резистор – самый простой ограничитель тока для светодиодной цепи. От его подбора зависит ток, а значит, интенсивность свечения и долговечность led. Однако следует помнить, что при больших токах на резисторе будет выделяться значительная мощность, поэтому для питания мощных светодиодов лучше применять драйверы.
Современные светодиодные источники света хорошо приспособлены к длительной эксплуатации в сложных условиях. Однако для защиты по току применяют ограничительное электрическое сопротивление. Точный расчет резистора для светодиода поможет подбирать функциональные компоненты схемы без ошибок.
Применение токоограничивающего резистора для светодиода
Резистор применяют для ограничения силы тока
Для декоративного украшения, обеспечения хорошей видимости в затемненном коридоре и решения других практических задач используют светодиоды. Они намного экономичнее по сравнению с классическими лампами накаливания. Высокая прочность предотвращает заражение окружающей среды вредными химическими соединениями, что не исключено после повреждения колбы газоразрядного источника света.
С учетом односторонней проводимости полупроводникового перехода понятна необходимость подключения светодиода к аккумуляторной батарее, другому источнику питания постоянного тока. Напряжение стандартной бытовой сети выпрямляют, снижают до номинального уровня. Резистором ограничивают силу тока.
Особенности работы и расчеты
Использование резистора при проверке светодиода
Несмотря на существенные преимущества, внимательные пользователи рекомендуют обращать внимание на существенные недостатки светодиодных приборов:
- полупроводниковые технологии определяют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ);
- повышение напряжения выше определенного порога сопровождается деградацией p-n перехода;
- на определенном уровне (при прямом или обратном включении) резкое увеличение силы тока повреждает изделие.
Особое значение имеет собственное небольшое сопротивление в рабочем режиме. Относительно небольшое изменение основных параметров источника питания способно повредить полупроводниковый переход. По этой причине в цепь добавляют токоограничительный резистор.
Дополнительный пассивный элемент увеличивает потребление энергии. По этой причине рекомендуется применять такие решения в комбинации со светодиодами небольшой мощности, либо для создания устройств с небольшими рабочими циклами.
Математический расчет
Таблица зависимости напряжения светодиода от его цвета
В простейшей цепи к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Uи) на выходных клеммах подключают последовательно токоограничивающий резистор (R) и светодиод. Рассчитать электрическое сопротивление можно с применением известной формулы закона Ома (I = U/R).
Также пригодится второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Uи = Ur + Uc , где Ur (Uc) – напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить базовые зависимости:
- Uи = I*R + I*Rc;
- R = (Uи – Uc)/ I.
Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое изменяется по нелинейному закону в зависимости от напряжения и тока. На обратной части вольт-амперной характеристики можно выделить область запирания. Существенное увеличение Rc на этом участке предотвращает движение электронов (Iобр = 0). Однако при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) возникает пробой p-n перехода.
Расчет сопротивления резистора для светодиода при 5 В
Так как драйвер обеспечивает питание постоянным током, особо внимательно нужно изучить соответствующее «прямое» включение. Особенности ВАХ:
- на первом участке до Uн плавно уменьшается сопротивление и соответствующим образом увеличивается ток;
- от Uн до Uм – рабочая зона (излучение в световом диапазоне);
- далее – резкое уменьшение сопротивление провоцирует экспоненциальный рост силы тока с последующим выходом изделия из строя.
Расчет светодиодов выполняют на основе значения рабочего напряжения Uc . Этот параметр производители указывают в сопроводительной документации. Для вычисления электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора применяют формулу: R = (Uи – Uc)/ I .
Графический расчет
Вольтамперная характеристика светодиодов
Если взять ВАХ, можно применить графическую методику. Исходную графическую и цифровую информацию берут из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):
- по исходным данным номинальный ток светодиода (In) составляет 25 мА;
- от соответствующей точки (1) на вертикальной оси ординат проводят пунктир до пересечения с кривой ВАХ (2);
- отмечают напряжение источника питания (Uи = 5,5 V) на оси абсцисс (3);
- проводят линию через точки (2) и (3);
- пересечение с осью ординат покажет значение максимально допустимого тока (Im = 60 мА).
Расчет сопротивления резистора для обеспечения диоду тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт
Далее по классической формуле не сложно рассчитать, какой резистор нужен для светодиода в этом случае: R = Uи /Im = 5,5/ 0,06 ≈ 91,7 . В серийном ряду надо выбрать ближайший номинал с небольшим запасом – 100 Ом. Это решение несколько уменьшит КПД. Но в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше греться. Соответствующим образом снизятся нагрузки на полупроводниковый переход. Следует рассчитывать на увеличение длительности срока службы источника света.
Для корректного выбора резистора надо знать мощность (P). Стандартные значения (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5. Вычисления можно сделать по любым известным параметрам с применением формул: P = Im2 * R = Ur2 / R . Если взять исходные данные рассматриваемого примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0, 36 Вт. С учетом типового модельного ряда выбирать надо резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.
Допуски по точности электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30% от номинала. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы обозначают латинскими буквами (D – 0,5%; G – 2%; J – 5%).
Подключение светодиода через резистор
Схема подключения светодиода
С учетом представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:
- резистивные защитные схемы применяют при маленькой мощности;
- они не выполняют функции стабилизации;
- пассивный элемент не способен гасить импульсные броски напряжения.
Приемлемые показатели эффективности можно получить при создании:
- датчиков;
- индикаторов;
- сигнализаторов.
Для маленькой локальной подсветки аквариума такое решение подойдет. Однако вряд ли будет приемлемым длительное потребление большого количества энергии. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при увеличении/уменьшении напряжения.
Специалисты рекомендуют при суммарном потреблении больше 1,5-2 Вт использовать источники питания с надежной стабилизацией по току. Эти устройства (диммеры) применяют для подключения групп осветительных приборов и полупроводниковых приборов высокой мощности.
Расчет резистора для светодиода
Программа расчета сопротивления резистора для светодиода
Сделать необходимые вычисления можно в режиме онлайн с помощью специализированного калькулятора. Полноценное использование таких программ предлагается бесплатно.
Однако не всегда имеется доступ к сети Интернет. После изучения достаточно простой методики любой человек сможет оперативно подобрать резистор для светодиода без поиска соответствующего программного обеспечения.
Для наглядной демонстрации алгоритма нужно рассмотреть подключение защитного резистора в цепь питания (5 В) определенного светодиода (Epistar 1W HP).
Технические параметры:
- мощность рассеивания, Вт – 1;
- ток, мА – 350;
- прямое напряжение (типовое/макс.), В – 2,35/2,6.
Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R = (5-2,35)/0,35 = 7,57 Ом. По стандарту E24 ближайшие значения – 7,5 и 8,2 Ом. Если воспользоваться стандартными правилами придется выбрать больше значение, которое отличается от расчетного почти на 8,5%. Дополнительную погрешность создаст 5% допуск серийных недорогих изделий. При таком отклонении трудно получить приемлемые по защитным функциям и потребляемой мощности характеристики цепи.
Первый способ решения проблемы – выбор нескольких резисторов с меньшими номиналами. Далее применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй метод – добавление подстроечного резистора.
Расчет мощности рассеивания
Условные обозначения резисторов на схемах
В любом из вариантов при выборе электрического сопротивления цепи следует устанавливать несколько меньший ток, чтобы продлить срок службы светодиода. Чтобы предотвратить повреждение нагревом, изделие применяют в рекомендованном температурном диапазоне. Для Epistar 1W HP – от -40°C до +80°C. При необходимости – применяют монтаж на специализированном радиаторе «звезда». Это дополнение увеличивает эффективную площадь рассеивания тепла.
Для точного подбора оценивают рассеиваемую мощность резистора: P = I2 * R = (0,35)2 * 7,57 = 0,1225 * 7,57 ≈0,93 Вт. Запас по этому параметру делают не менее 20-25%. Номинала 1 Вт недостаточно, поэтому выбирают следующий номинал в стандартном ряду – 2Вт.
Экономичность собранной схемы проверяют отношением Uc/Uи = 2,35/5 = 0,47 (47%). Итоговый результат показывает, что более половины электроэнергии в данном случае используется впустую. На самом деле показатель еще хуже, так как не вся мощность потребления расходуется светодиодом на излучение в видимой части спектра. Значительная часть – электромагнитные волны ИК диапазона.
Параллельное соединение
Параллельное соединение светодиодов
В любой точке последовательной цепи сила тока одинаковая. Это упрощает расчет, предотвращает аварийные ситуации. При выходе одного элемента из строя отключаются все светодиоды. Поэтому исключено повреждение повышением напряжения. Отмеченные причины объясняют популярность применения данного способа при создании ленточных светильников, иных конструкций.
Определенные преимущества предоставляет применение параллельного соединения. В этом варианте изделие сохраняет частичную работоспособность при повреждении одной цепи. Такое решение обеспечивает одинаковое напряжение в местах подсоединения к источнику питания каждой ветки.
Параллельное подключение подходит для организации независимых схем управления. На этой технологии основаны принципы работы новогодних гирлянд. Отдельные ветки подключаются к источнику питания по заданному программой алгоритму.
Использовать один резистор для нескольких параллельных диодов нельзя. Тщательный выбор сопротивления объясняется необходимостью точной регулировки тока. В некоторых ситуациях ошибки на 0,1-0,5 А становятся причиной поломок, радикального сокращения ресурса.
Реальные технические характеристики светодиодов значительно отличаются даже в одной товарной партии. По этой причине каждую цепь защищают отдельным резистором.
Особенности дешёвых ЛЕД
Сравнение китайской и фирменной светодиодной ленты
Низкая стоимость сама по себе не является доказательством плохого качества. Расширение масштабов производства и совершенствование технологических процессов снижает издержки. Однако в соответствующем сегменте рынка представлены изделия производителей, которые в действительности не соответствуют заявленным характеристикам.
Для определения возможных проблем обращают внимание на следующие параметры:
- в дешевых моделях основные части конструкции делают из алюминия;
- медные аналоги тяжелее, эффективнее отводят тепло, отличаются стойкостью к механическим воздействиям;
- в качественном изделии размер кристалла соответствует стандарту (0,762 х 0,762 мм или другому);
- о недостатках косвенно свидетельствует искажение пропорций рабочей зоны (прямоугольник вместо квадрата);
- для повышения надежности ответственные производители увеличивают количество проводников, применяют нити из благородных металлов.
Качественные светодиоды создают световой поток 150-220 люмен в расчете на 1 Вт потребления. Подделки – не более 50-70 лм. При возникновении сомнений следует особенно тщательно выбирать компоненты защиты.
