Як правильно розрахувати та підібрати резистор для світлодіода

Кожен із нас бачив світлодіод. Звичайний маленький світлодіод виглядає як пластикова колбочка-лінза на ніжках, що проводять, всередині якої розташовані катод і анод. На схемі світлодіод зображується як звичайний діод, від якого стрілочками показаний світло, що випромінюється. Ось і служить світлодіод для отримання світла, коли електрони рухаються від катода до анода - p-n-переходом випромінюється видиме світло.

Винахід світлодіода припадає на далекі 1970-і, коли для отримання світла на всю застосовували лампи розжарювання. Але саме сьогодні, на початку 21 століття, світлодіоди зайняли нарешті місце найефективніших джерел електричного світла.

Де світлодіод «плюс», а де «мінус»?

Щоб правильно підключити світлодіод до джерела живлення, необхідно насамперед дотриматися полярності. Анод світлодіода підключається до плюсу "+" джерела живлення, а катод - до мінусу "-". Катод, що підключається до мінуса, має висновок короткий, анод, відповідно, довгий ніжку світлодіода на плюс «+» джерела живлення.

Подивіться усередину світлодіода: великий електрод - це катод, його - до мінуса, маленький електрод, схожий просто на закінчення ніжки, - на плюс. А ще поряд із катодом лінза світлодіода має плоский зріз.

Паяльник довго на ніжці не тримати

Паяти висновки світлодіода слід акуратно і швидко, адже напівпровідниковий перехід дуже боїться зайвого тепла, тому потрібно короткими рухами паяльника торкатися його жалом до ніжки, що припаюється, і тут же паяльник відводити вбік. Краще в процесі паяння тримати ніжку світлодіода пінцетом, що припаюється, щоб забезпечити про всяк випадок відведення тепла від ніжки.

Резистор обов'язковий під час перевірки світлодіоду

Ми підійшли до найголовнішого – як підключити світлодіод до джерела живлення. Якщо ви хочете перевірити світлодіод на працездатність, то не варто безпосередньо приєднувати його до батареї або блоку живлення. Якщо ваш блок живлення на 12 вольт, то використовуйте для підстрахування резистор на 1 ком послідовно з світлодіодом, що перевіряється.

Не забувайте про полярність – довгий висновок на плюс, висновок від великого внутрішнього електрода – до мінуса. Якщо не використовувати резистор, то світлодіод швидко перегорить, якщо ви випадково перевищите номінальну напругу, через p-n-перехід потече великий струм, і світлодіод майже відразу вийде з ладу.

Колір світіння світлодіода

Світлодіоди бувають різних кольорів, проте колір свічення не завжди визначається кольором лінзи світлодіода. Білий, червоний, синій, помаранчевий, зелений чи жовтий – лінза може бути прозорою, а включиш – виявиться червоним чи синім. Світлодіоди синього та білого світіння – найдорожчі. Взагалі, на колір світіння світлодіода впливає насамперед склад напівпровідника, і як вторинний фактор – колір лінзи.

Багатокольорові RGB світлодіоди містять в одному корпусі кілька випромінюючих світло p-n-переходів, кожен з яких дає свій колір свічення. Комбінуючи яскравість компонентів струмами або частотами імпульсів струмів (для червоного, зеленого та синього кристалів), можна отримати будь-який відтінок. Тут, звичайно, резистори, що балансують, потрібні на кожен колірний канал.

Знаходимо номінал резистора для світлодіода

Резистор включається послідовно зі світлодіодом. Функція резистора - обмежити струм, зробити його близьким до номіналу світлодіода, щоб світлодіод миттєво не перегорів і працював би в нормальному номінальному режимі.Беремо до уваги наступні вихідні дані:

• Vps – напруга джерела живлення;
• Vdf – пряме падіння напруги на світлодіоді у нормальному режимі;
• If – номінальний струм світлодіода за нормального режиму свічення.

Тепер, перш ніж знаходити значення необхідного резистора R, відзначимо, що струм у послідовному ланцюзі у нас буде постійним, одним і тим же в кожному елементі: струм If через світлодіод дорівнюватиме струму Ir через обмежувальний резистор.

Отже Ir = If. Але Ir = Ur/R – згідно із законом Ома. А Ur = Vps-Vdf. Отже, R = Ur/Ir = (Vps-Vdf)/If.

Тобто, знаючи напругу джерела живлення, падіння напруги на світлодіоді та його номінальний струм, можна легко підібрати відповідний обмежувальний резистор.

Якщо знайдене значення опору не вдається вибрати зі стандартного ряду номіналів резисторів, беруть резистор більшого номіналу, наприклад замість знайдених 460 Ом, беруть 470 Ом, які завжди легко знайти. Яскравість світіння світлодіода зменшиться дуже незначно.

Приклад підбору резистора:

Припустимо, є джерело живлення на 12 вольт і світлодіод, якому потрібно 1,5 вольта і 10 мА для нормального світіння. Підберемо резистор, що гасить. На резисторі має впасти 12-1,5 = 10,5 вольт, а струм у послідовному ланцюзі (джерело живлення, резистор, світлодіод) повинен вийти 10 мА, отже із Закону Ома: R = U/I = 10,5/0,010 = 1050 Ом. Вибираємо 1,1 ком.

Який потужності має бути резистор? Якщо R = 1100 Ом, а струм складе 0,01 А, то, за законом Джоуля-Ленца, на резисторі кожну секунду виділятиметься теплова енергія Q = I * I * R = 0,11 Дж, що еквівалентно 0,11 Вт. Резистор потужністю 0,125 Вт підійде навіть запас залишиться.

Послідовне з'єднання світлодіодів

Якщо маєте мета з'єднати кілька світлодіодів в єдине джерело світла, то найкраще з'єднання виконувати послідовно. Це потрібно для того, щоб до кожного світлодіода не чіпляти свій резистор, щоб уникнути зайвих втрат енергії. Найбільш підходять для послідовного з'єднання світлодіоди одного і того ж виду з однієї і тієї ж партії.

Допустимо, необхідно послідовно об'єднати 8 світлодіодів по 1,4 вольта зі струмом по 0,02 А для підключення до джерела живлення 12 вольт. Очевидно, загальний струм становитиме 0,02 А, але загальна напруга складе 11,2 вольта, отже 0,8 вольт при струмі 0,02 А повинні розсіятися на резисторі. R = U/I = 0,8/0,02 = 40 Ом. Вибираємо резистор на 43 Ом мінімальної потужності.

Паралельне з'єднання ланцюжків світлодіодів - не найкращий варіант

Якщо є вибір, то світлодіоди найкраще з'єднувати послідовно, а чи не паралельно. Якщо з'єднати кілька світлодіодів паралельно через один загальний резистор, то через розкид параметрів світлодіодів, кожен з них буде не в рівних умовах з іншими, якийсь світитиметься яскравіше, приймаючи більше струму, а якийсь навпаки тьмяніше. В результаті, якийсь із світлодіодів згорить раніше через швидку деградацію кристала. Краще для паралельного з'єднання світлодіодів, якщо альтернативи немає, застосувати до кожного ланцюжка свій обмежувальний резистор.

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно з метою ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.

Як розрахувати резистор для світлодіодів - формули з прикладами.

Світлодіоди різних відтінків кольору мають різні за величиною прямі робочі напруги.Вони задаються вибором струмообмежуючого опору світлодіода. Щоб вивести світловий прилад на номінальний режим, потрібно запитати p-n перехід робочим струмом.

Таблиця напруги світлодіодів залежно від кольору

Робочі напруги світлодіодів різні.Вони залежать від матеріалів напівпровідникового p-n переходу і пов'язані з довжиною хвилі випромінювання світла, тобто.

Таблиця номінальних режимів різних відтінків кольору для розрахунку опору, що гасить, наведена нижче.

З таблиці видно, що на 3 вольта можна включати випромінювачі всіх видів свіченняКрім пристроїв з білим відтінком, частково фіолетових і всіх ультрафіолетових.

При джерелах живлення 5, 9 або 12 можна живити поодинокі діоди або послідовні їх ланцюжки з 3 і 5-6 штук.

Послідовні ланцюжки знижують надійність пристроїв, в яких вони використовуються, приблизно в число разів, що відповідає кількості світлодіодів.

Але небувала для джерел світла тривалість їх роботи від 30-50 до 130-150 тисяч годин виправдовує падіння надійності, тому що від неї залежить термін служби пристрою. 4 години ввечері та 1 вранці щодня – це 16-27 років роботи.За цей час більшість світильників морально застаріє і буде утилізовано.Тому послідовне з'єднання широко використовується всіма виробниками світлодіодних пристроїв.

Онлайн калькулятор для розрахунку світлодіодів

Для автоматичного розрахунку знадобляться такі дані:

• напруга джерела або блока живлення;
• номінальна пряма напруга пристрою, В;
• прямий номінальний робочий струм, ма;
• кількість світлодіодів у ланцюжку або включених паралельно;
• схема підключення світлодіода(ів).

Вихідні дані можна взяти із паспорта діода.

Після введення їх у відповідні вікна калькулятора натисніть кнопку «Розрахувати» та отримайте номінальне значення резистора та його потужність.

Розрахунок величини резистора-токообмежувача

На практиці використовують два види розрахунку – графічний, за ВАХ – вольтамперною характеристикою конкретного діода, та математичний – за його паспортними даними.

Принципова електрична схема підключення випромінювача джерела живлення.

• Е - Джерело живлення, що має на виході величину Е;
• "+"/"-" - полярність підключення світлодіода: "+" - анод, на схемах показується трикутником, "-" - катод, на схемах - поперечна рисочка;
• R – струмообмежувальний опір;
• U_led - Пряма, вона ж робоча напруга;
• I - Робочий струм через прилад;
• напруга на резисторі позначимо як U_R.

Тоді схема для розрахунку набуде вигляду:

Схема до розрахунку резистора.

Розрахуємо опір обмеження струму. Напруга U у ланцюзі розподілиться так:

U = U_R + U_led або U_R + I × R_led, у вольтах,

де R_led - Внутрішній диференціальний опір p-n переходу.

Математичними перетвореннями отримуємо формулу:

R = (U-U_led)/I, в Ом.

Величину U_led можна підібрати із паспортних значень.

Проведемо розрахунок величини струмообмежувального резистора для LED виробництва компанії Cree моделі Cree XM-L, що має бін T6.

Його паспортні дані: типове номінальне U_LED = 2,9 В, максимальне U_LED = 3,5 В, робочий струм I_LED=0,7 А.

Для розрахунку використовуємо U_LED = 2,9 ст.

R = (U-U_led) / I = (5-2,9) / 0,7 = 3 Ом.

Розрахована величина дорівнює 3 Ом. Вибираємо елемент із допуском точності ± 5%. Цієї точності з надлишком вистачить щоб встановити робочу точку на 700 мА.

Округлювати величину опору слід у більшу сторону. Це зменшить струм, світловий потік діода та підвищить надійність роботи більш щадним тепловим режимом кристала.

P = I² × R = 0,7² × 3 = 1,47 Вт

Для надійності округлимо її до найближчої більшої величини – 2 Вт.

Схеми послідовного та паралельного включення LED широко використовуються та показують особливості цих видів з'єднання. Послідовне включення однакових елементів ділить напругу джерела порівну з-поміж них. За різних внутрішніх опорах – пропорційно опорам. При паралельному з'єднанні напруга однакова, а струм - обернено пропорційний внутрішнім опорам елементів.

При послідовному з'єднанні LED

При послідовному з'єднанні перший у ланцюжку діод анодом з'єднаний з «+» джерела живлення, а катодом – з анодом другого діода. І так до останнього в ланцюжку, катод якого з'єднаний з "-" джерела. Струм у послідовному ланцюгу той самий у всіх її елементах. Тобто. через будь-який світловий прилад він однієї і тієї ж величини. Внутрішнє опір відкритого, тобто. випромінюючого світло кристала, становить десятки або сотні ом. Якщо через ланцюжок тече 15-20 мА при опорі 100 Ом, то кожному елементі буде по 1,5-2 В.Сума напруги на всіх приладах повинна бути меншою, ніж у джерела живлення. Різницю зазвичай гасять спеціальним резистором, який виконує дві функції:

• обмежує номінальний робочий струм;
• забезпечує номінальну пряму напругу на світлодіоді.

При паралельному з'єднанні

Паралельне включення може бути виконане двома способами.

Електрична схема паралельного з'єднання.

Верхня картинка показує, як включати не бажано. При такому підключенні один опір забезпечить рівність струмів тільки при ідеальних кристалах і однаковій довжині провідників, що підводять. Але розкид параметрів напівпровідникових приладів під час виготовлення не дозволяє зробити їх однаковими. А підбір однакових – різко підвищує ціну. Різниця може досягати 50-70% і більше. Зібравши конструкцію, отримайте різницю у світінні не менше 50-70%. Крім того, вихід з ладу одного випромінювача змінить роботу всіх: при обриві ланцюга один згасне, решта світитиме яскравіше на 33% і більше грітиметься. Перегрів сприятиме їх деградації – зміні відтінку світіння та зменшенню яскравості.

У разі короткого замикання в результаті перегріву та згоряння кристала можливий вихід з ладу струмообмежуючого опору.

Нижній варіант дозволяє задати потрібну робочу точку будь-якого діода навіть за їх різної номінальної потужності.

Схема послідовно-паралельного з'єднання пристроїв.

На напругу 4,5 послідовно приєднують по три LED-елементи і один струмообмежуючий опір. Ланцюжки, що виходять, з'єднують паралельно. Через кожен діод тече 20 мА, а через усі разом – 60 мА. На кожному з них виходить менше, ніж 1,5 В, а на струмообмежувачі – не менше ніж 0,2-0,5 В.Цікаво, що якщо використовувати джерело живлення 4,5 В, то з ним працюватимуть лише інфрачервоні діоди з прямою напругою менше 1,5 В, або потрібно збільшувати харчування хоча б до 5 В.

Безпосередньо паралельне з'єднання LED-елементів (верхня частина схеми) використовувати не рекомендується через розкид параметрів в 30-50% і більше.

Коли один світлодіод

Резистор для одиночного LED використовується тільки за їх потужностей до 50-100 мВт.При великих значеннях потужності помітно зменшується ККД схеми живлення.

Якщо пряма робоча напруга діода значно менша від напруги джерела живлення, застосування обмежувального резистора веде до великих втрат. .

На великих потужностях йдуть драйвери – стабілізатори струму номінальної величини.

Використання струмообмежувального резистора для завдання робочих характеристик світлодіода – простий та надійний спосіб забезпечити його роботу в оптимальному режимі.

Відео-приклади найпростішого розрахунку опору.

Але при потужності діода більше сотні міліватів потрібно застосовувати автономні або вбудовані джерела стабілізації струму або драйвери.