Розрахувати резистор для світлодіода (LED)

Цей інструмент призначений для спрощення процесу визначення необхідного значення резистора під час підключення світлодіода до джерела живлення. Просто введіть параметри світлодіода та джерела живлення, а калькулятор надасть вам оптимальне значення резистора, забезпечуючи безпечне та ефективне підключення світлодіода.

Навіщо потрібний резистор для світлодіода?

Світлодіоди зазвичай мають певну робочу напругу (наприклад, 2-3 вольти). Підключення світлодіоду безпосередньо до джерела живлення може призвести до надмірного струму, що може пошкодити світлодіод. Резистор вмикається в ланцюг для обмеження струму, забезпечуючи безпечне та стабільне електричне живлення світлодіода.

Для вибору відповідного резистора необхідно враховувати напругу та струм світлодіода, а також напругу джерела живлення.

Що відбувається зі світлодіодом без резистора

Підключення світлодіода до джерела живлення без резистора може призвести до надмірного струму, що спричинить перегрів світлодіода. Це може призвести до пошкодження або навіть поломки світлодіода через теплове перегрівання.

Якщо резистор у ланцюгу світлодіода має занадто великий опір

Великий опір резистора призводить до обмеження струму, що надходить у світлодіод. Це може зробити світлодіод тьмяним або навіть змусити його здаватися вимкненим. Світлодіоди зазвичай працюють на певних рівнях струму, і якщо струм стає занадто низьким через великий опір, світлодіод не працюватиме на повній яскравості.

Який тип резистора підходить для світлодіодів?

Для світлодіода підійде резистор будь-якого типу, головне щоб потужність та робоча напруга резистора відповідали мінімальним параметрам. Наш калькулятор розраховує всі необхідні параметри.

Якщо у вас немає відповідного резистора

Знайти відповідну комбінацію з резисторів. У нас є інструмент, який допоможе знайти вам відповідну комбінацію з резисторів.

Калькулятор розрахунку опору резистора для світлодіода

Робота світлодіода заснована на випромінюванні квантів світла, що виникають при протіканні струму. Залежно від цього змінюється яскравість світіння елемента. При малому струмі він світить тьмяно, а при великому спалахує і згоряє. Для обмеження струму, що протікає через нього, найпростіше використовувати опір. Виконати правильний розрахунок резистора нескладно, але слід пам'ятати, що він лише обмежує, але з стабілізує струм.

Принцип роботи та властивості

Світлодіод – це прилад, що має здатність випромінювати світло. На друкованих платах і схемах він позначається латинськими літерами LED (Light Emitting Diode), що в перекладі означає світлодіод. Фізично він є кристалом, поміщеним у корпус. Класично ним вважається циліндр, одна сторона якого має опуклу округлу форму, що є лінзою-напівсферою, а інша - плоска основа, і на ній розміщуються висновки.

З розвитком твердотільних технологій та зменшення технологічного процесу промисловість почала виробляти SMD-діоди, призначені для встановлення поверхневим монтажем. Незважаючи на це, фізичний принцип роботи світлодіода не змінився і однаковий як для будь-якого виду, так кольору пристрою.

Процес виготовлення приладу випромінювання можна описати в такий спосіб.У першому етапі вирощують кристал. Відбувається це шляхом приміщення штучно виготовленого сапфіру в заповнену газоподібною сумішшю камеру. До складу цього газу входять легуючі добавки та напівпровідник. При нагріванні камери відбувається осадження речовини, що утворюється на пластину, при цьому товщина такого шару не перевищує декількох мікрон. Після закінчення процесу осадження методом напилення формуються контактні майданчики і вся ця конструкція міститься в корпусі.

Через особливості виробництва однакових за параметрами та характеристиками світлодіодів не буває. Тому хоча виробники і намагаються відсортувати близькі за значеннями пристрою, нерідко в одній партії трапляються вироби, що відрізняються за колірною температурою та робочим струмом.

Влаштування радіоелемента

Світлодіод або LED-діод є напівпровідниковим радіоелементом, в основі роботи якого лежать властивості електронно-діркового переходу. При проходженні через нього струму у прямому напрямку межі зіткнення двох матеріалів виникають процеси рекомбінації, що супроводжуються випромінюванням у видимому спектрі.

Дуже довго промисловість не могла виготовити синій світлодіод, через що не можна було отримати випромінювач білого світіння. Тільки в 1990 році дослідники японської корпорації Nichia Chemical Industries винайшли технологію отримання кристала, що випромінює світло у синьому спектрі. Це автоматично дозволило шляхом змішування зеленого, червоного та синього кольору отримати білий.

В основі процесу випромінювання лежить звільнення енергії при рекомбінації зарядів у зоні електронно-діркового переходу. Утворюється він шляхом контакту двох напівпровідникових матеріалів із різною провідністю.В результаті інжекції, переходу неосновних носіїв заряду, утворюється замикаючий шар.

На боці матеріалу з n-провідністю виникає бар'єр із дірок, а на боці з p-провідністю - з електронів. Настає рівновага. При подачі напруги у прямому зміщенні відбувається масове переміщення зарядів у заборонену зону з обох боків. В результаті вони стикаються та виділяється енергія у вигляді випромінювання світла.

Це світло може бути видимим людському оку, так і немає. Це залежить від складу напівпровідника, кількості домішок, ширини забороненої зони. Тому видимий спектр досягається шляхом виготовлення багатошарових напівпровідникових структур.

Характеристики світлодіодів

Колір світіння залежить від типу напівпровідника та ступеня його легування, що визначає ширину забороненої зони p-n переходу. Термін служби світлодіодів залежить від температурних режимів його роботи. Що вище нагрівання приладу, то швидше настає його старіння. А температура, у свою чергу, пов'язана з силою струму, що проходить через світлодіод. Чим меншою потужністю є джерело світла, тим довше його термін служби. Старіння виражається як зменшення яскравості приладу світла. Тому важливо правильно підібрати опір для світлодіода.

До основних характеристик LED-діодів відносять:

1. Споживання струму. Однокристальні світлодіоди споживають струм, що дорівнює 0,02 А. При цьому прямо пропорційно з кількістю кристалів зростає та його значення. Так, діод із чотирма кристалами споживає струм 0,08 А. Саме через цей параметр діода і ставиться обмежувальний резистор, щоб він не згорів при високій силі струму.
2. Величину падіння напруги.Ця характеристика вказує, скільки енергії виділяється на світлодіоді, тобто на скільки вольт зменшиться величина напруги при паралельному його включенні в ланцюг. Наприклад, якщо падіння становить 3 вольти, а величина різниці потенціалів на вході дорівнює 9 вольтам, то при включенні паралельно до джерела живлення світлодіода напруга на виході дорівнюватиме 6 вольтам.
3. Світловіддачу. Ця характеристика показує кількість світла, що випромінюється пристроєм при споживанні потужності, що дорівнює одному вату.
4. Колірну температуру. Вона залежить від керуючого струму, ефективності тепловідведення та температури навколишнього середовища. Інтенсивний потік світла, пов'язаний із споживаною електричною потужністю, також збільшує температуру. У цьому слід зазначити, що перепади температури значно знижують ресурс світлодіода.
5. Типорозмір. Його значення залежить від розміру випромінювача. Відповідно, чим більший розмір світлодіода, тим більша його яскравість і потужність.

Способи підключення

Для безпроблемної роботи світлодіода дуже важливим є значення робочого струму. Неправильне підключення джерел випромінювання або суттєвий розкид їх параметрів при спільній роботі призведе до перевищення струму, що протікає через них, і подальшому перегоранню приладів. Пов'язано це із збільшенням температури, через яку кристал світлодіода просто деформується, а p-n перехід проб'ється. Тому так важливо обмежити величину струму, що подається на джерело світла, тобто обмежити напругу живлення.

Найпростіше це виконати, використовуючи опір, послідовно включений в ланцюг випромінювача. У цьому ролі застосовується звичайний резистор, але він повинен мати певну величину.Його велике значення не зможе забезпечити потрібну різницю потенціалів для процесу рекомбінації, а менше — спалить. При цьому потрібно не тільки знати, як розрахувати опір для світлодіода, але й розуміти, як правильно його поставити, особливо, якщо схема насичена радіоелементами.

В електричному ланцюзі може використовуватися як один світлодіод, так і декілька. При цьому є три схеми їх включення:

Поодинокий елемент

Коли в електричному ланцюзі використовується лише один світлодіод, то послідовно з ним ставиться один резистор. В результаті такого підключення загальна напруга, прикладена до цього контуру, дорівнюватиме сумі падінь різниці потенціалів на кожному елементі ланцюга. Якщо позначити ці втрати на резистори як Ur, а на світлодіоді Us, то загальна напруга джерела ЕРС дорівнюватиме: Uo = Ur + Us.

Перефразовуючи закон Ома для ділянки мережі I=U/R, виходить формула: U=I*R. Підставивши отриманий вираз у формулу для знаходження загальної напруги, отримаємо:

• Ir - Струм, що протікає через резистор, А.
• Rr - розрахунковий опір резистора, Ом.
• Is - струм, що проходить через світлодіод, А.А.
• Rs - Внутрішній імпеданс світлодіода, Ом.

Значення Rs змінюється в залежності від умов роботи джерела випромінювання та його величина залежить від сили струму та різниці потенціалів. Цю залежність можна побачити, вивчаючи вольт-амперну характеристику діода. На початковому етапі відбувається плавне збільшення струму, Rs має високе значення. Після імпедансу різко падає і струм стрімко зростає навіть при незначному зростанні напруги.

Якщо з'єднати формули, вийде такий вираз:

При цьому враховується, що сила струму, що протікає в послідовному контурі ділянки ланцюга, однакова в будь-якій точці, тобто Io = Ir = Is. Цей вираз підходить і для послідовного з'єднання світлодіодів, адже при ньому для всього ланцюга використовується лише один резистор.

Отже, знаходження потрібного опору залишається дізнатися величину Us. Значення падіння напруги на світлодіоді є довідковою величиною і кожного радіоелемента вона своя. Для отримання даних знадобиться скористатися даташитом на пристрій. Даташит – це набір інформаційних аркушів, які містять вичерпні відомості про параметри, режими експлуатації, а також схеми включення радіоелемента. Випускає його виробник виробу.

Паралельний ланцюг

При паралельному з'єднанні радіоелементи контактують між собою у двох точках – вузлах. Для такого типу ланцюга справедливі два правила: сила струму, що входить у вузол, дорівнює сумі сил струмів, що виходять з вузла, і різниця потенціалів у всіх точках вузлів однакова. Виходячи з цих визначень, можна зробити висновок, що у разі паралельного з'єднання світлодіодів шуканий резистор, що знаходиться на початку вузла, знаходиться за формулою: Rr = Uo / Is1+In, Ом, де:

• Uo - прикладена до вузлів різниця потенціалів.
• Is1 - сила струму, що протікає через перший світлодіод.
• In - Струм, що проходить через n-й світлодіод.

Але така схема із загальним опором, що розташовується перед паралельним з'єднанням світлодіодів, не використовується. Пов'язано це з тим, що у разі перегорання одного випромінювача, згідно із законом, сила струму, що входить у вузол, залишиться незмінною. А це означає, що вона розподілиться між робочими елементами, що залишилися, і при цьому через них піде більший струм.В результаті виникне ланцюгова реакція і всі напівпровідникові випромінювачі згорять.

Тому правильно використовувати власний резистор для кожної паралельної гілки зі своїм світлодіодом і виконати розрахунок резистора для світлодіода окремо для кожного плеча. Такий підхід ще вигідний тим, що у схемі можна використовувати радіоелементи з різними характеристиками.

Розрахунок опору кожного плеча відбувається аналогічно одиночному включенню: Rn = (Uo - Us) / In, Ом, де:

• Rn - Опір n -ої гілки.
• Uo - Us - різниця падінь напруги.
• In - сила струму через n світлодіод.

Приклад розрахунку

Нехай на електричну схему надходить живлення від джерела постійної напруги, що дорівнює 32 вольтам. У цій схемі стоять два паралельно включені один одному світлодіоди марки: Cree C503B-RAS і Cree XM-L T6. Для розрахунку необхідного імпедансу знадобиться дізнатися з даташита типове значення падіння напруги цих светодиодах. Так, для першого воно становить 2.1 при струмі 0,2, а другого - 2,9 при тій же величині сили струму.

Підставивши дані значення формулу для послідовної ланцюга, вийде наступний результат:

Зі стандартного ряду підбирають найближчі значення. Ними будуть: R1 = 22 Ома та R2 = 18 Ом. За бажання можна розрахувати і потужність, що розсіюється на резисторах за формулою: P = I * I * U. Для знайдених резисторів вона становитиме P= 0,001 Вт.

Браузерні онлайн-калькулятори

При великій кількості світлодіодів у схемі розраховувати для кожного опір - процес досить стомлюючий, тим більше, що при цьому можна припуститися помилки. Тому найпростіше для розрахунків використовувати онлайн-калькулятори.

Вони є програмою, написаною для роботи в браузері. В інтернеті можна зустріти багато таких калькуляторів для світлодіодів., але принцип роботи вони однаковий. Потрібно ввести довідкові дані у запропонованих формах, вибрати схему підключення та натиснути кнопку «Результат» або «Розрахунок». Після чого залишиться лише дочекатися відповіді.

Перерахувавши вручну, його можна перевірити, але особливого сенсу в цьому не буде, тому що при обчисленні програми використовують аналогічні формули.