Зачем нужны резисторы в светодиодных линейках?
Elektrik-city.ru

Все об электрике

Зачем нужны резисторы в светодиодных линейках?

Petrovich35 › Блог › Резисторы-обманки в светодиодных лампах, плюсы и минусы

Это вторая часть, посвященная доработке автомобильных светодиодных ламп.

В данной записи поговорим о так называемых резисторах-обманках.

Ряд автомобилей оборудован системой контроля исправности ламп, которая сигнализирует в случае перегорания штатных ламп накаливания, например, ламп стоп-сигналов, габаритов и т.д. В этом случае, на щитке приборов загорается соответствующий индикатор (фото 1):

Система контроля ламп ориентируется на ток, проходящий через лампу. Если нет тока через лампу, значит, она перегорела. Как известно, светодиоды потребляют намного меньший ток, чем лампы накаливания. Поэтому, при замене штатных ламп накаливания на светодиодные, система контроля может не увидеть светодиодную лампу и включит индикатор неисправности.

Чтобы обмануть систему контроля, производители светодиодных ламп устанавливают в свои изделия нагрузочные (балластные) резисторы-обманки, чтобы искусственно увеличить ток, потребляемый лампой. На рис. 2 показана схема простой светодиодной лампы без стабилизатора тока (драйвера), где R1-R3 — токоограничивающие резисторы в цепи питания светодиодов, а R0 — нагрузочный резистор-обманка. Нагрузочный резистор подключается параллельно контактам питания лампы и создает дополнительную нагрузку, обманывая систему контроля ламп.

Наличие резистора-обманки можно определить по надписи CANBUS на корпусе светодиодной лампы (фото 3). Однако, не все производители ламп наносят подобную маркировку, поэтому окончательный вывод о наличии обманки позволит сделать только изучение внутренностей лампы.

Рассмотрим типовую цилиндрическую светодиодную лампу типа C5W или C10W. Отпаиваем контактные колпачки. Под ними расположены токоограничивающие резисторы R1-R3 (фото 4). О них подробно рассказано в первой части.

С обратной стороны, как правило, находится резистор-обманка (фото 5, 6). Его сопротивление обычно не превышает 500 Ом. Так, на фото 6, сопротивление обманок двух разных ламп составляет 150 и 180 Ом соответственно.

На фото 7-9 показана бесцокольная светодиодная лампа T10 W5W с резистором-обманкой сопротивлением 470 Ом:

Казалось бы, все замечательно, резистор-обманка имитирует лампу накаливания, система контроля ламп не “ругается” на светодиодную лампу. Но такое техническое решение имеет и свои минусы.

Во-первых, обманка увеличивает ток потребления лампы, иначе систему контроля не обмануть. Так, при напряжении питания U=14 В и сопротивлении нагрузочного резистора, скажем, R = 200 Ом, дополнительный ток через резистор составит I= U/R = 14В / 200 Ом = 70 mA. В этом случае преимущество светодиодной лампы в плане низкого энергопотребления снижается.

Во-вторых, резистор-обманка сильно нагревается. Мощность, рассеиваемая на резисторе, рассчитывается по формуле P = U^2/R. При напряжении питания бортсети 14 В и сопротивлении резистора 200 Ом, на резисторе будет рассеиваться мощность P = 14В * 14В / 200 Ом = 0.98 Вт. В связи с небольшими габаритами светодиодных ламп, производители обычно устанавливают резисторы-обманки типоразмера SMD 2010 с максимальной рассеиваемой мощностью 0.75 Вт. В таком случае обманка работает с перегрузкой и греется как маленькая электроплитка.

Что с этим делать?

1. Если в автомобиле нет системы контроля исправности ламп, резистор-обманку можно просто удалить. Такая лампа будет потреблять значительно меньший ток и будет меньше нагреваться.

2. Если система контроля присутствует, то можно попытаться установить обманку с более высоким сопротивлением. Номинал резистора придется подбирать экспериментально, при каком наибольшем сопротивлении система контроля еще не срабатывает. В итоге получим меньший ток потребления и меньший нагрев лампы.

В-третьих, есть еще один существенный минус. Следует помнить, что обманка полностью дезинформирует систему контроля исправности ламп. Даже если светодиодная лампа перегорит, система контроля будет молчать, так как резистор-обманка по-прежнему будет имитировать лампу накаливания.

Для более мощных светодиодных ламп применяются внешние резисторы-обманки с большой рассеиваемой мощностью. Например, при замене ламп накаливания типа P21W номинальной мощностью 21 Вт на светодиодные (обычно устанавливаются в указателях поворота), применяются резисторы-обманки с рассеиваемой мощностью 25-50 Вт (фото 10). Подробнее об установке таких обманок см. мою запись Установка светодиодных ламп в сигналы поворота фар.

Бывает, что в конструкции светодиодной лампы резистор-обманка не предусмотрен (фото 11-13), или же из экономии просто не установлен (фото 14). В таком случае, при наличии системы контроля ламп, обманку придется устанавливать самостоятельно.

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

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:

  1. Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
  2. Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
  3. 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:

  1. Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
  2. Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
  3. 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.

Читать еще:  Почему мигает светодиодная лента во включенном состоянии?

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:

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:

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

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.

Управление светодиодом с резистором и без резистора

В статье сделана попытка показать, почему необходимо использовать токоограничивающий резистор для светодиода. И как можно управлять светодиодом без резистора. Когда вы читаете о светодиодах, вы можете заметить, что все говорят о необходимости использования токоограничивающего резистора. Но обычно не говорится почему. Светодиод с токоограничивающим резистором Если посмотреть документацию на светодиод, можно заметить, что вольт-амперная характеристика светодиода нелинейна. Поскольку светодиод является полупроводниковым элементом, его характеристика отличается от характеристики резистора.

Если к резистору приложить определенное напряжение, ток через него можно вычислить по формуле: I = R/V Пример: I = 100 Ом / 5 В = 20 мА Очевидно, что эта формула неприменима к светодиодам, потому что они являются линейным сопротивлением. Если посмотреть на приведенный выше график, то становится ясным, что повышение напряжения от 0 до 1,6 В не приводит к заметному увеличению тока. Если приложить еще немного больше напряжения, ток увеличится, и светодиод начнет светиться. Мы достигли открывающего потенциала для pn-перехода. Открывающий потенциал для типичного красного светодиода находится в диапазоне от 1,7 до 2,2 В. Небольшие изменения напряжения приводят к сильным изменениям прямого тока.

В документации обычно указывается абсолютное максимальное значение прямого тока, например, 25 мА. Если приложить напряжение, приводящее к большему току, светодиод выйдет из строя. Так что жизненно важно оставаться в рамках предельно допустимых параметров. Если подсоединить светодиод напрямую к 5 В источнику питания, он тут же сгорит. Сильный ток разрушит pn-переход. С этого момента появляется ограничивающий резистор. Предположим, что у нас имеется красный светодиод с максимальным прямым током 25 мА и открывающим потенциалом 2,1 В. Если мы хотим использовать 5 В источник питания, чтобы на нем упало оставшиеся 2,9 В. Для резистора получим: R = V / I = (5 В – 2.1 В) / 25 мА = 116 Ом. Для безопасности светодиода используйте резистор номиналом 120 Ом или лучше 150 Ом.

Так мы не доведем светодиод до предельно допустимого тока. R = V / I = (5 В – 2 В) / 20 мА = 150 Ом. Для сохранения резистора обратим внимание на рассеиваемую мощность. Она вычисляется следующим образом: P = V * I = 3 В * 20 мА = 60 мВт. Так что проще всего взять резистор 150 Ом, 0,25 Вт. Итак, это все об обычном использовании светодиода с ограничивающим резистором. Светодиод без токоограничивающего резистора Во-первых, почему мы хотим избавиться от резистора? Есть две причины. Для начала, он рассеивает энергию. Превращает электричество в тепло. А мы хотим получить свет от светодиода. Нехорошо. Еще, вы можете уменьшить количество компонентов. Устройство будет экономичнее и на печатной плате останется больше места. Есть два способа обойтись без резистора. Один из них – понизить входное напряжение.

Если все ваше устройство может работать при напряжении, равном открывающему напряжению светодиода, это замечательно. Резистор не нужен. Другим способом является использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это означает, что мы включаем и выключаем светодиод. Если это происходит достаточно быстро, человеческий глаз не замечает разницы. Он интегрирует яркость за определенный промежуток времени, как говорят. Часто в документации указывается пиковый прямой ток. Например: IF(peak) = 160 mA (пиковый прямой ток = 160 мА) Condition: Pulse W >

Смотря на график, можно оценить его уровень около 3 – 3,2 В, но автор не проверял этого. Оба метода были использованы автором для 64-пиксельной светодиодной матрицы, где светодиоды были подключены к микроконтроллеру без токоограничивающих резисторов.

Входное напряжение было 3 В, если использовать 2 батареи типа АА или около 2,4 В с использованием аккумуляторов. Это позволяет получить открывающий потенциал светодиодов. Матрица позволяет адресацию одной строки целиком в данный момент времени. Вы можете выбирать ячейки только на выбранной строке, устанавливая биты столбцов. В следующий момент времени первая строка отключается, подключается вторая, и т.д. Так вы переключаете в цикле все строки. Это делается так быстро, что видеть мигание невозможно. Каждая строка обновляется с частотой примерно 2 кГц и заполнением импульса 1/8 (потому что строк 8).

Если для управления светодиодом или светодиодной матрицей вы используете микроконтроллер, нужно обратить внимание на предельно допустимый ток для микроконтроллера. Каждый I/O вывод может быть источником или поглотителем определенного тока.

В документации к ATtiny2313 на странице 181 написано: Absolute Maximum Ratings (абсолютные максимальные параметры):

* DC Current per I/O pin: 40.0 mA (постоянный ток – 40 мА на вывод) И на странице 182 есть замечание: 4. Although each I/O port can sink more than the test conditions (10 mA at VCC = 5V, 5 mA at VCC = 3V) under steady state conditions (non-transient), the following must be observed: 1] The sum of all IOL, for all ports, should not exceed 60 mA. If IOL exceeds the test condition, VOL may exceed the related specification. Pins are not guaranteed to sink current greater than the listed test condition.

(4. не смотря на то, что I/O ток при тестировании составляет 10 мА при питании 5 В и 5 мА при питании 3 В, в отсутствие переходных процессов должно наблюдаться: 1] Сумма всех втекающих в процессор токов для всех портов не должна превышать 60 мА. Если втекающий ток превышает тестовые условия, то напряжение логического нуля может превышать номинальные значения. Не гарантируется, что выводы будут проводить ток, больший чем указано в тестовых условиях.)

Читать еще:  Как рассчитать освещенность помещения светодиодными лампами?

Как можно понять, если вы пытаетесь получить ток более 10 мА, высокий или низкий уровень выходного напряжения может выйти за рамки гарантированные производителем. Взгляд на следующие два графика из документации может прояснить эту вещь.

Этот график показывает как выходное напряжение вывода просаживается при увеличении тока для питания 2,7 В. 2,7 В это не те 3 В, которые могут обеспечить 2 батареи АА типа, но на данный момент это довольно близко. Как видно, если потребляется больше тока, выходное напряжение падает. При 5 мА мы имеем напряжение 2,5 В, а при 15 мА напряжение падает до 2,1 В.

Этот график показывает как выходное напряжение вывода зависит от втекающего в вывод тока. В этом случае при потреблении большего тока выходное напряжение увеличивается. При 5 мА напряжение равно 0,15 В, и при 15 мА оно возрастает до 0,5 В. Чтобы проверить, можно ли в данной схеме использовать ATtiny2313, нужно провести некоторые вычисления. Для матрицы у нас нет документации с красивыми графиками, но есть некоторые цифры. Forward Voltage: 1.80 – 2.20 V (Прямое напряжение: 1,8 – 2,2 В) Maximum Rating: Forward Current: 25 mA (Предельный ток: 25 мА) Предположим, что светодиод работает при 1,8 В и 5 мА.

Это выглядит разумным, если посмотреть на другую документацию. Теперь, если проанализировать показанные выше 2 графика при токе 5 мА, получим 2,5 В для вывода – источника и 0,15 В для вывода – стока. 2.5 В – 0.15 В = 2.35 В Таким образом, мы получаем 2,35 В для светодиода. Это больше, чем мы предполагали (1,8 В). Большее напряжение для светодиода означает больший ток. Теперь посчитаем для 10 мА. Анализируя снова, получим 2,3 В для вывода – источника и 0,3 В для вывода – стока. 2.3 В – 0.3 В = 2.0 В Как видно, если напряжение на светодиоде повышается, ток также увеличивается. Увеличение тока приводит к уменьшению/увеличению выходного напряжения на выводе – источнике/стоке. А это означает уменьшение тока.

Т.е. на каком-то уровне ток стабилизируется. Похоже, 2,0 В при 10 мА подходит для светодиода и микроконтроллера. Это справедливо для светодиода на двух выводах. А что, если мы хотим управлять всей линейкой из 8 светодиодов? В этом случае мы имеем 8 выводов – источников, 8 светодиодов и один вывод – сток. Из вышеприведенного примера следует, что 10 мА на каждый светодиод соответствует 80 мА (!). Это много. На графике это даже не показано. Предположим, что в сумме мы имеем только 25 мА, тогда получается 3,125 мА на светодиод.

Это дает 2,6 В на каждом источнике и 1,0 В на стоке. 2.6 В – 1.0 В = 1.6 В Это означает, что для каждого светодиода остается 1,6 В, что немного меньше открывающего потенциала. Светодиоды будут затемнены. Опять же, если светодиоды потребляют больше тока, микроконтроллер даст им меньшее выходное напряжение. В таком случае яркость строк будет зависеть от числа подключенных ячеек: строки с меньшим количеством горящих диодов будут ярче. Все эти подсчеты и изучение соответствующей документации помогут понять в каких случаях нужно, а в каких не нужно использовать токоограничивающий резистор.

Перевод: Piyavka, по заказу РадиоЛоцман

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

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:

  1. Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
  2. Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
  3. 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:

  1. Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
  2. Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
  3. 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:

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).

Читать еще:  Как закрепить водонагреватель на деревянной стене?

Перед тем как выбрать значение сопротивления, следует оценить возможное снижение тока и яркости по сравнению с заданным по формуле:

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

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.

Как правильно рассчитать и подобрать резистор для светодиода

Каждый из нас видел светодиод. Обычный маленький светодиод выглядит как пластиковая колбочка-линза на проводящих ножках, внутри которой расположены катод и анод. На схеме светодиод изображается как обычный диод, от которого стрелочками показан излучаемый свет. Вот и служит светодиод для получения света, когда электроны движутся от катода к аноду — p-n-переходом излучается видимый свет.

Изобретение светодиода приходится на далекие 1970-е, когда для получения света во всю применяли лампы накаливания. Но именно сегодня, в начале 21 века, светодиоды заняли наконец место самых эффективных источников электрического света.

Где у светодиода «плюс», а где «минус»?

Чтобы правильно подключить светодиод к источнику питания, необходимо прежде всего соблюсти полярность. Анод светодиода подключается к плюсу «+» источника питания, а катод — к минусу «-». Катод, подключаемый к минусу, имеет вывод короткий, анод, соответственно, – длинный — длинную ножку светодиода – на плюс «+» источника питания.

Взгляните во внутрь светодиода: большой электрод — это катод, его — к минусу, маленький электрод, похожий просто на окончание ножки, – на плюс. А еще рядом с катодом линза светодиода имеет плоский срез.

Паяльник долго на ножке не держать

Паять выводы светодиода следует аккуратно и быстро, ведь полупроводниковый переход очень боится лишнего тепла, поэтому нужно краткими движениями паяльника дотрагиваться его жалом до припаиваемой ножки, и тут же паяльник отводить в сторону. Лучше в процессе пайки держать припаиваемую ножку светодиода пинцетом, чтобы обеспечить на всякий случай отвод тепла от ножки.

Резистор обязателен при проверке светодиода

Мы подошли к самому главному — как подключить светодиод к источнику питания. Если вы хотите проверить светодиод на работоспособность, то не стоит напрямую присоединять его к батарее или к блоку питания. Если ваш блок питания на 12 вольт, то используйте для подстраховки резистор на 1 кОм последовательно с проверяемым светодиодом.

Не забывайте о полярности — длинный вывод на плюс, вывод от большого внутреннего электрода — к минусу. Если не использовать резистор, то светодиод быстро перегорит, в случае если вы нечаянно превысите номинальное напряжение, через p-n-переход потечет большой ток, и светодиод практически тут же выйдет из строя.

Цвет свечения светодиода

Светодиоды бывают разных цветов, однако цвет свечения не всегда определяется цветом линзы светодиода. Белый, красный, синий, оранжевый, зеленый или желтый — линза может быть прозрачной, а включишь — окажется красным или синим. Светодиоды синего и белого свечения — самые дорогие. Вообще, на цвет свечения светодиода влияет в первую очередь состав полупроводника, и как вторичный фактор – цвет линзы.

Многоцветные RGB светодиоды содержат в одном корпусе несколько излучающих свет p-n-переходов, каждый из которых дает свой цвет свечения. Комбинируя яркости компонентов токами или частотами импульсов токов (для красного, зеленого и синего кристаллов), можно получить любой оттенок. Здесь, конечно, балансирующие резисторы нужны на каждый цветовой канал.

Находим номинал резистора для светодиода

Резистор включается последовательно со светодиодом. Функция резистора — ограничить ток, сделать его близким к номиналу светодиода, чтобы светодиод мгновенно не перегорел, и работал бы в нормальном номинальном режиме. Берем в расчет следующие исходные данные:

Vps – напряжение источника питания;

Vdf – прямое падение напряжения на светодиоде в нормальном режиме;

If – номинальный ток светодиода при нормальном режиме свечения.

Теперь, прежде чем находить значение необходимого резистора R, отметим, что ток в последовательной цепи у нас будет постоянным, одним и тем же в каждом элементе: ток If через светодиод будет равен току Ir через ограничительный резистор.

Следовательно Ir = If. Но Ir = Ur/R – по закону Ома. А Ur = Vps-Vdf. Таким образом, R = Ur/Ir = (Vps-Vdf)/If.

То есть, зная напряжение источника питания, падение напряжения на светодиоде и его номинальный ток, можно легко подобрать подходящий ограничительный резистор.

Если найденное значение сопротивления не удается выбрать из стандартного ряда номиналов резисторов, то берут резистор несколько большего номинала, например вместо найденных 460 Ом, берут 470 Ом, которые всегда легко найти. Яркость свечения светодиода уменьшится весьма незначительно.

Пример подбора резистора:

Допустим, имеется источник питания на 12 вольт, и светодиод, которому нужно 1,5 вольта и 10 мА для нормального свечения. Подберем гасящий резистор. На резисторе должно упасть 12-1,5 = 10,5 вольт, а ток в последовательной цепи (источник питания, резистор, светодиод) должен получиться 10 мА, следовательно из Закона Ома: R = U/I = 10,5/0,010 = 1050 Ом. Выбираем 1,1 кОм.

Какой мощности должен быть резистор? Если R = 1100 Ом, а ток составит 0,01 А, то, по закону Джоуля-Ленца, на резисторе каждую секунду будет выделяться тепловая энергия Q = I*I*R = 0,11 Дж, что эквивалентно 0,11 Вт. Резистор мощностью 0,125 Вт подойдет, даже запас останется.

Последовательное соединение светодиодов

Если перед вами стоит цель соединить несколько светодиодов в единый источник света, то лучше всего соединение выполнять последовательно. Это нужно для того, чтобы к каждому светодиоду не цеплять свой резистор, чтобы избежать лишних потерь энергии. Наиболее подходят для последовательного соединения светодиоды одного и того же вида, из одной и той же партии.

Допустим, необходимо последовательно объединить 8 светодиодов по 1,4 вольта с током по 0,02 А для подключения к источнику питания 12 вольт. Очевидно, общий ток будет составлять 0,02 А, но общее напряжение составит 11,2 вольта, следовательно 0,8 вольт при токе в 0,02 А должны рассеяться на резисторе. R = U/I = 0,8/0,02 = 40 Ом. Выбираем резистор на 43 Ом минимальной мощности.

Параллельное соединение цепочек светодиодов — не лучший вариант

Если есть выбор, то светодиоды лучше всего соединять последовательно, а не параллельно. Если соединить несколько светодиодов параллельно через один общий резистор, то в силу разброса параметров светодиодов, каждый из них будет не в равных условиях с остальными, какой-то будет светиться ярче, принимая больше тока, а какой-то — наоборот тусклее. В результате, какой-нибудь из светодиодов сгорит раньше в силу быстрой деградации кристалла. Лучше для параллельного соединения светодиодов, если альтернативы нет, применить к каждой цепочке свой ограничительный резистор.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector