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 пристрій на номінальний режим, потрібно запитати p-n перехід робочим струмом. Для цього роблять розрахунок резистора для світлодіода.

Таблиця напруги світлодіодів залежно від кольору

Робочі напруги світлодіодів різні. Вони залежить від матеріалів напівпровідникового p-n переходу пов'язані з довжиною хвилі випромінювання світла, тобто. відтінку кольору світіння.

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 свічення, крім пристроїв з білим відтінком, частково фіолетових та всіх ультрафіолетових. Це пов'язано з тим, що потрібно якусь частину напруги джерела живлення витратити на обмеження струму через кристал.

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, у яких вони використовуються, приблизно в число разів, що відповідає кількості світлодіодів. А паралельне включення підвищує надійність у тій самій пропорції: 2 ланцюжки – у 2 рази, 3 – у 3 рази тощо.

Але небувала для джерел світла тривалість роботи від 30-50 до 130-150 тисяч годин виправдовує падіння надійності, т.к. від неї залежить термін служби пристрою. Навіть 30-50 тис.годин роботи по 5 годин на добу – 4 години ввечері та 1 вранці щодня – це 16-27 років роботи. За цей час більшість світильників морально застаріє та 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 на 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 зможуть працювати тільки інфрачервоні діоди з прямою напругою менше 1,5, або потрібно збільшувати харчування хоча б до 5 В.

Безпосередньо паралельне з'єднання LED-елементів (верхня частина схеми) використовувати не рекомендується через розкидання параметрів 30-50% і більше. Використовують схему з індивідуальними опорами на кожен діод (нижня частина) і вже з'єднують пари діод-резистор паралельно.

Коли один світлодіод

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

Якщо пряма робоча напруга діода значно менша за напругу джерела живлення, застосування обмежувального резистора веде до великих втрат. Електроенергія високої якості та стабільності, із ретельно відфільтрованими пульсаціями, забезпечена 3-5 видами захисту блоку живлення не перетворюється на світло, а просто пасивно розсіюється у вигляді тепла.

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.

Характеристики та зовнішній вигляд SMD світлодіодів

Прагнення мініатюризації електронних пристроїв призвело до створення безвивідних радіоелементів.Ця тенденція не оминула і світлодіоди – SMD-прилади значно потіснили звичайні вивідні у багатьох областях, а в освітлювальній практично видавили їх із ринку.

Що таке SMD-світлодіод

SMD-світлодіод відноситься до категорії Surface Mounted Device – прилад, що монтується на поверхню. Якщо у звичайних вивідних (true hole) елементів для установки на плату потрібно просвердлити отвір і припаяти ніжки зі зворотного боку, то радіодеталі SMD припаюються прямо до доріжок, розташованих на верхній площині друкованої плати.

Зовнішній вигляд SMD-Світлодіода.

Принципово світловипромінюючий елемент у форматі SMD влаштований так само, як і його вивідний прототип. На керамічній підкладці закріплений p-n перехід з напівпровідника, що має виражений ефект світіння при додатку прямої напруги. Зверху він закритий лінзою із прозорого компаунду. За потреби зверху наноситься шар люмінофора. Головна відмінність – відсутність гнучких висновків. Для паяння безпосередньо до полігонів друкованої плати передбачено контактні майданчики.

Переваги та недоліки світлодіодів SMD

спрощення (отже, здешевлення) виробництва друкованих плат – відсутня (або зводиться до мінімуму) етап свердління та металізації отворів;

спрощення (здешевлення) технології монтажу елементів на плату - відсутня етап формування та вигину висновків, сама процедура паяння краще піддається автоматизації тощо;

висока інвестиційна складова вартості готової продукції - обладнання для монтажу складне і дороге;

при тепловому розширенні або згинанні друкованої плати можливий відрив контактів елементів від місць паяння, а також виникнення мікротріщин.

Загалом плюси переважують - У результаті готові вироби мають менші розміри, масу та собівартість.

Існує міф про неремонтопридатність електронної апаратури, виробленої із застосуванням SMD-елементів. Але це лише міф. Працездатність такої техніки цілком можна відновлювати, для цього знадобиться невелике додаткове обладнання, а також підвищений досвід та кваліфікація майстра.

Види та типи SMD

Умовно багато світлодіоди ділять на дві світові категорії:

• призначені для освітлення;



• призначені для індикації стану електронні пристрої.

Для першої категорії SMD-елементи практично повністю витіснили вивідні, у другій залишили їм вузьку нішу. Тому для випромінюючих елементів поверхневого монтажу можна застосувати ту саму класифікацію.

Лінія розділу проходить за технічними характеристиками:

• для освітлювальних елементів важливий світловий потік і колір, близький до природного;



• індикаторним елементам важливі не так колір і яскравість, як контрастність до навколишнього фону.

Тому для індикації можна використовувати LED зі свіченням p-n переходу, а для освітлення – лише з люмінофорним покриттям. Хоча це теж досить умовно – ніхто не забороняє для індикації застосовувати прилади з люмінофором та білим свіченням.

Світлодіод білого світіння, що індикує подачу живлення на плату.

Все це стосується LED оптичного, видимого діапазону. Як окремий тип світлодіодів SMD слід згадати прилади зі спектром випромінювання, що лежить поза сприйняття людського ока. До таких відносяться ультрафіолетові та інфрачервоні випромінювачі. Перші використовуються для створення компактних джерел УФ-випромінювання. Їх використовують для детекторів валют, для пошуку біологічних слідів тощо. Другі застосовуються у системах передачі сигналів – у пультах дистанційного керування побутовою апаратурою, у системах охоронної сигналізації тощо. Ці світлодіоди також випускаються у форматі SMD.

Також треба згадати LED-матриці для систем освітлення, вироблені за найпрогресивнішою на сьогоднішній день технологією COB. Попри існуючу думку, цей принцип виробництва зовсім не суперечить формату SMD. І COB-світлодіоди виробляються, у тому числі, у вигляді Surface Mounted Device.

Розміри SMD-світлодіодів

Тип світлодіода позначається габаритами його корпусу. Так, поширений типорозмір LED 5050 означає, що світловипромінюючий елемент поміщений в оболонку довжиною та шириною 5,0 мм.

Світлодіод типорозміру 5050 з люмінофорним покриттям та без нього.

Маркування означає лише розмір корпусу. Електричні та оптичні характеристики у LED навіть одного типорозміру можуть відрізнятись в залежності від типу та кількості встановлених кристалів, тому для однозначного визначення параметрів треба використовувати технічні специфікації на світлодіоди.

Відповідність розмірів поширених SMD світлодіодів у таблиці:

Розміри світлодіодів, призначених для індикації, маркуються згідно з міжнародним стандартом EIA-96 у дюймах. Найбільш поширені корпуси 0603 та 1206.

Тут діє те саме правило – у корпусах одного типорозміру можуть бути виконані світлодіоди різного кольору свічення, різного робочого струму тощо. Тому повністю параметри щодо позначення EIA не визначити.

Маркування SMD

Формат SMD виник у результаті прагнення мініатюризації радіоелектронних компонентів, тому місце для нанесення на них інформації про тип і технічні характеристики відсутнє. Якщо навіть поставити таку мету, написи будуть надто дрібними для комфортного зчитування. Тому маркування зводиться лише позначення висновків приладу. Це важливо, тому що хоча LED і відносяться до класу діодів, для замикання зворотного струму малопридатні через низьку толерантність до зворотної напруги. Якщо звичайний діод встановити без дотримання полярності, цей виробничий шлюб легко виявити та виправити. Світловий випромінювач після подачі живлення з великою ймовірністю вийде з ладу. Навіть якщо проблема виявляється до подачі напруги, мініатюрний індикаторний LED за допомогою паяльного фена демонтувати проблематично – розплавити прозорий пластиковий кожух, що закриває p-n-перехід, просто.

Тому при монтажі індикаторних LED треба звернути увагу на наявність мнемонічного малюнка, що означає розташування анода або катода.

Маркування висновків індикаторної LED. Змонтований світлодіод у корпусі 0603 із видимим маркуванням висновків.

Елементи, призначені для освітлення, зазвичай мають на корпусі скіс, приплив чи виїмку – здебільшого вона означає катод. Але немає гарантії, що виробник суворо дотримується цього правила. Тому у разі сумнівів краще підстрахуватися та перевірити LED (хоча б один із партії) мультиметром.

Маркування висновків освітлювальних LED. Схема та вимоги до встановлення SMD-світлодіодів

Згадувалося, що SMD-елемент нічим не відрізняється від звичайного світлодіода, крім безвивідного корпусу. Тому схема включення відрізнятиметься також не буде. Подавати напругу живлення на LED треба через драйвер або обмежувальний резистор з дотриманням полярності.

Схема підключення SMD-випромінювача.

Світлодіоди можна поєднувати в послідовні ланцюжки, які потім паралельно з'єднувати в матриці. Такий комбінацією досягається необхідна потужність при заданій напрузі живлення.

При ремонті освітлювальних приладів із заміною випромінюючих елементів (одного або кількох) під час роботи плату слід оберігати від вигинів та механічних напруг. Всі елементи формату SMD у таких умовах схильні до утворення мікротріщин у корпусі, порушення цілісності паяння, невидимого ока. Як результат такого ремонту можна отримати кілька несправних світлодіодів замість одного та втрату часу на пошук несправності. Краще взагалі не знімати плату, але вона встановлена ​​на радіаторі, що має велику масу та теплоємність, тому для прогріву припою буде потрібно паяльник або фен підвищеної потужності. Якщо є певність, що конкретний світлодіод вийшов з ладу, його можна спробувати не відпаяти, а викусити. Але треба стежити, щоб не пошкодити друкарські провідники.При зворотному встановленні справного елемента треба пам'ятати, що LED чутливі до перегріву і намагатися уникати тривалого паяння.

При розробці саморобних освітлювальних пристроїв слід пам'ятати проблему відведення тепла від LED. Плату завжди треба встановлювати на додатковий радіатор достатньої площі, а для цього вона повинна мати відповідний конструктив (відсутність елементів на звороті, отвори під гвинти для кріплення тощо).

Незважаючи на деякі недоліки, формат електронних компонентів SMD прижився у радіоелектронній промисловості. Внесок мініатюрних безвивідних елементів у здешевлення електронної апаратури в останнє десятиліття дуже вагомий. Світлодіоди також беруть участь у цьому процесі.