Часто при изготовлении разнообразных устройств возникает необходимость использовать светодиоды и светодиодные индикаторы. Подключение светодиода к источнику питания выполняется, как правило, через ограничивающий ток резистор (гасящий резистор). Ниже описаны принципы и формулы для расчета гасящего резистора, а также небольшой калькулятор для быстрого подсчета.
Расчет гасящего резистора для светодиода
Первым делом разберемся как выполнить расчет сопротивления гасящего резистора, от чего оно зависит и какой мощности должен быть резистор для питания светодиода от источника питания.
Рис. 1. Схема подключения светодиода к источнику питания через резистор.
Как видим из схемы, ток (I) через резистор и светодиод протекает один и от же. Напряжение на резисторе равно разнице напряжений питания и напряжения на светодиоде (VS-VL). Здесь нам нужно рассчитать сопротивление резистора (R), при котором через цепь будет протекать напряжение I, а на светодиоде будет напряжение VL.
Допустим что мы будем питать светодиод от батареи напряжением 5В , как правило такое питающее напряжение используется при питании микроконтроллерных схем и другой цифровой техники.
Вычислим значение напряжения на гасящем резисторе , для этого нам нужно знать падение напряжения на светодиоде, это можно выяснить по справочнику для конкретного светодиода.
Примерные значения падения напряжения для светодиодов (АЛ307 и другие маломощные в подобном корпусе):
- красный - 1,8...2В;
- зеленый и желтый - 2...2,4В;
- белые и синие - 3...3,5В.
Допустим что мы будем использовать синий светодиод , падение напряжения на нем - 3В.
Производим расчет напряжения на гасящем резисторе:
Uгрез = Uпит - Uсвет = 5В - 3В = 2В.
Для расчета сопротивления гасящего резистора нам нужно знать ток через светодиод. Номинальный ток конкретного типа светодиода можно узнать по справочнику. У большинства маломощных светодиодов (наподобии АЛ307) номинальный ток находится в пределах 10-25мА.
Допустим что для нашего светодиода номинальный ток для его достаточно яркого свечения составляет 20мА (0,02А). Получается что на резисторе будет гаситься напряжение 2В и проходить ток 20мА. Выполним расчет по формуле закона Ома:
R = U / I = 2В / 0,02А = 100 Ом.
В большинстве случаев подойдет маломощный резистор с мощностью 0,125-0,25Вт (МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25). Если же ток и напряжение падения на резисторе будет очень отличаться то не помешает произвести расчет мощности резистора :
P = U * I = 2В * 0,02А = 0,04 Вт.
Таким образом, 0,04 Вт явно меньше номинальной мощности даже для самого маломощного резистора МЛТ-0,125 (0,125 Вт).
Произведем расчет для красного светодиода (напряжение 2В, ток 15мА).
Uгрез = Uпит - Uсвет = 5В - 2В = 3В.
R = U / I = 3В / 0,015А = 200 Ом.
P = U * I = 3В * 0,015А = 0,045 Вт.
Простой калькулятор для расчета гасящего резистора
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.
Надежная работа светодиода зависит от тока , протекающего через него. При заниженных значениях, он просто не будет светить, а при превышении значения тока – характеристики элемента ухудшатся, вплоть до его разрушения. При этом говорят – светодиод сгорел. Для того чтобы исключить возможность выхода из строя этого полупроводника необходимо подобрать в цепь с включенным в нее, резистором. Он будет ограничивать ток в цепи на оптимальных значениях.
Для работы радиоэлемента на него нужно подать питание. По закону Ома , чем больше сопротивление отрезка цепи, тем меньший ток по нему протекает. Опасная ситуация возникает, если в схеме течет больший ток, чем положено, так как каждый элемент не выдерживает большей токовой нагрузки.
Сопротивление светодиода является нелинейным. Это значит, что при изменении напряжения, подаваемого на этот элемент, ток, протекающий через него, будет меняться нелинейно. Убедиться в этом можно, если найти вольт - амперную характеристику любого диода, в том числе и светоизлучающего. При подаче питания ниже напряжения открытия p - n перехода, ток через светодиод низкий, и элемент не работает. Как только этот порог превышен, ток через элемент стремительно возрастает, и он начинает светиться.
Если источник питания соединять непосредственно со светодиодом, диод выйдет из строя, так как не рассчитан на такую нагрузку. Чтобы этого не произошло – нужно ограничить ток, протекающий через светодиод балластным сопротивлением, или произвести понижение напряжения на важном для нас полупроводнике.
Рассмотрим простейшую схему подключения (рисунок 1). Источник питания постоянного тока подключается последовательно через резистор к нужному светодиоду, характеристики которого нужно обязательно узнать. Сделать это можно в интернете, скачав описание (информационный лист) на конкретную модель, или найдя нужную модель в справочниках. Если найти описание не представляется возможным, можно приблизительно определить падение напряжения на светодиоде по его цвету:
- Инфракрасный - до 1.9 В.
- Красный – от 1.6 до 2.03 В.
- Оранжевый – от 2.03 до 2.1 В.
- Желтый – от 2.1 до 2.2 В.
- Зеленый – от 2.2 до 3.5 В.
- Синий – от 2.5 до 3.7 В.
- Фиолетовый – 2.8 до 4 В.
- Ультрафиолетовый – от 3.1 до 4.4 В.
- Белый – от 3 до 3.7 В.
Рисунок 1 – схема подключения светодиода
Ток в схеме можно сравнить с движением жидкости по трубе. Если есть только один путь протекания, то сила тока (скорость течения) во всей цепи будет одинакова. Именно так происходит в схеме на рисунке 1. Согласно закону Кирхгоффа, сумма падений напряжения на всех элементах, включенных в цепь протекания одного тока, равно ЭДС этой цепи (на рисунке 1 обозначено буквой Е). Отсюда можно сделать вывод, что напряжение, падающее на токоограничивающем резисторе должно быть равным разности напряжения питания и падения его на светодиоде.
Так как ток в цепи должен быть одинаковым, то и через резистор, и через светодиод ток получается одним и тем же. Для стабильной работы полупроводникового элемента, увеличения его показателей надежности и долговечности, ток через него должен быть определенных значений, указанных в его описании. Если описание найти невозможно, можно принять приблизительное значение тока в цепи 10 миллиампер. После определения этих данных уже можно вычислить номинал сопротивления резистора для светодиода. Он определяется по закону Ома. Сопротивление резистора равно отношению падения напряжения на нем к току в цепи. Или в символьной форме:
R = U (R)/ I ,
где, U (R) - падение напряжения на резисторе
I – ток в цепи
Расчет U (R) на резисторе:
U (R) = E – U (Led)
где, U (Led) - падение напряжения на светодиодном элементе.
С помощью этих формул получится точное значение сопротивления резистора. Однако, промышленностью выпускаются только стандартные значения сопротивлений так называемые ряды номиналов. Поэтому после расчета придется сделать подбор существующего номинала сопротивления. Подобрать нужно чуть больший резистор, чем получилось в расчете, таким образом, получится защита от случайного превышения напряжения в сети. Если подобрать близкий по значению элемент сложно, можно попробовать соединить два резистора последовательно, или параллельно.
Если подобрать сопротивление меньшей мощности, чем нужно в схеме, оно просто выйдет из строя. Расчет мощности резистора довольно прост, нужно падение напряжения на нём умножить на ток, протекающий в этой цепи. После чего нужно выбрать сопротивление с мощностью, не меньшей рассчитанной.
Пример расчета
Имеем напряжение питания 12В, зеленый светодиод. Нужно рассчитать сопротивление и мощность токоограничивающего резистора. Падение напряжения на нужном нам зеленом светодиоде равно 2,4 В, номинальный ток 20 мА. Отсюда вычисляем напряжение, падающее на балластном резисторе.
U (R) = E – U (Led) = 12В – 2,4В = 9,6В.
Значение сопротивления:
R = U (R)/ I = 9,6В/0,02А = 480 Ом.
Значение мощности:
P = U (R) ⋅ I = 9,6В ⋅ 0,02А = 0,192 Вт
Из ряда стандартных сопротивлений выбираем 487 Ом (ряд Е96), а мощность можно выбрать 0,25 Вт. Такой резистор нужно заказать.
В том случае, если нужно подключить несколько светодиодов последовательно, подключать их к источнику питания можно также с помощью только одного резистора, который будет гасить избыточное напряжение. Его расчет производится по указанным выше формулам, однако, вместо одного прямого напряжения U (Led) нужно взять сумму прямых напряжений нужных светодиодов.
Если требуется подключить несколько светоизлучающих элементов параллельно, то для каждого из них требуется рассчитать свой резистор, так как у каждого из полупроводников может быть свое прямое напряжение. Вычисления для каждой цепи в таком случае аналогичны расчету одного резистора, так как все они подключаются параллельно к одному источнику питания, и его значение для расчета каждой цепи одно и то же.
Этапы вычисления
Чтобы сделать правильные вычисления, необходимо выполнить следующее:
- Выяснение прямого напряжения и тока светодиода.
- Расчет падения напряжения на нужном резисторе.
- Расчет сопротивления резистора.
- Подбор сопротивления из стандартного ряда.
- Вычисление и подбор мощности.
Этот несложный расчет можно сделать самому, но проще и эффективнее по времени воспользоваться калькулятором для расчета резистора для светодиода. Если ввести такой запрос в поисковик, найдется множество сайтов, предлагающих автоматизированный подсчет. Все необходимые формулы в этот инструмент уже встроены и работают мгновенно. Некоторые сервисы сразу предлагают также и подбор элементов. Нужно будет только выбрать наиболее подходящий калькулятор для расчета светодиодов, и, таким образом, сэкономить свое время.
Калькулятор светодиодов онлайн – не единственное средство для экономии времени в вычислениях. Расчет транзисторов, конденсаторов и других элементов для различных схем уже давно автоматизирован в интернете. Остается только грамотно воспользоваться поисковиком для решения этих задач.
Светодиоды – оптимальное решение для многих задач освещения дома, офиса и производства. Обратите внимание на светильники Ledz. Это лучшее соотношение цены и качества осветительной продукции, используя их, вам не придется самим делать расчеты и собирать светотехнику.
#s3gt_translate_tooltip_mini { display: none !important; }
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).
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.
Загрузка...