Расчет сопротивления резистора для светодиодов

Расчет сопротивления резистора для светодиодов

Светодиод – это полупроводниковый элемент, который применяется для освещения. Применяется в фонарях, лампах, светильниках и других осветительных приборах. Принцип его работы заключается в том, что при протекании тока через светоизлучающий диод происходит высвобождение фотонов с поверхности материала полупроводника, и диод начинает светиться.

Расчет резистора для светодиода

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.

Вычисление номинала сопротивления

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

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.

Подбор мощности резистора

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.

R = U (R)/ I = 9,6В/0,02А = 480 Ом.

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.

Чтобы сделать правильные вычисления, необходимо выполнить следующее:

1. Выяснение прямого напряжения и тока светодиода.
2. Расчет падения напряжения на нужном резисторе.
3. Расчет сопротивления резистора.
4. Подбор сопротивления из стандартного ряда.
5. Вычисление и подбор мощности.

Параллельное и последовательное включение светодиодов

При параллельном включении светодиодов необходимо иметь в виду, что соединение к одному ограничивающему резистору не рекомендуется. Это связано с тем, что даже светодиоды одного типа имеют большие разбросы по току.

Это приводит к тому, что при таком включении через светодиоды будут течь токи разной величины. Светодиоды будут светиться с разной яркостью. Кроме того, в случае, если сгорит один источник света, то по остальным светодиодам потечет большой ток, что может привести к выходу из строя всех остальных.

[blockquote_gray]Впервые столкнувшись с задачей монтажа безопасного электроснабжения дома или квартиры, многие ищут отвечт на вопрос: УЗО — что это такое? Задача такого устройства — передать сигнал о неисправности в домашней электросети соответствующей аппаратуре.

Детальнее ознакомиться с принципом работы устройства защитного отключения можно тут, а о схемах подключения — здесь.[/blockquote_gray]

Поэтому при параллельном включении светодиодов обычно к каждому прибору последовательно подключают свой ограничивающий резистор. Расчет сопротивления и мощности такого резистора ничем не отличается от ранее рассмотренного случая.

При последовательном включении светодиодов необходимо включать приборы одного типа. [attention type=green]Кроме того, надо учитывать то, что напряжение источника должно быть не меньше суммарного рабочего напряжения всей группы светодиодов. [/attention]Расчет токоограничивающего резистора для светодиодов последовательного включения считаются также, как и раньше. Исключение состоит в том, что при вычислении вместо величины Uсв используется величина Uсв*N. В данном случае N — это количество включенных приборов.

Расчет балластного резистора для светодиода

Светодиоды чувствительны к току, протекающему через них. Это значит, что при превышении максимально допустимых параметров тока светодиод может выйти из строя, а при недостаточном уровне, наоборот – просто не загореться.

Поэтому включение в цепь электрического тока такого простого элемента, как светодиод, требует применения правильно рассчитанного балластного резистора.

О том, как это сделать и пойдет речь далее.

В основе всех последующих расчётов лежит закон Ома для участка цепи. Школьникам материал покажется до боли знакомым и простым, однако, многие взрослые уже давно забыли о его существовании или о его смысле.

Георг Ом выявил следующую закономерность:

Сила тока прямопропорциональна напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению.

В виде формулы это записывается так

Из указанной, путем перестановки, легко получаются следующие.

Нам наиболее интересна последняя.

То есть, чтобы получить значение требуемого балластного сопротивления, необходимо знать напряжение на участке цепи и силу тока.

Исходные параметры и где их взять

Напряжение. В качестве источника такового в цепи может выступать блок питания, тогда для расчётов можно взять номинальные показатели БП. Они указываются в сопроводительной документации и на шильде.

Если светодиод или светодиодная лента питаются от аккумулятора / аккумуляторной батареи, то в качестве показателей можно использовать их номинал (в зависимости от схемы подключения, номинал напряжения может изменяться, например, при последовательном соединении аккумуляторов их напряжение складывается).

Если цепь имеет нестандартный блок питания или светодиод включается в участок цепи, где напряжение неизвестно, его необходимо измерить вольтметром.

Сила тока. Ввиду того, что основное назначение балластного сопротивления – ограничение тока, идущего через диод, то исходить следует не из имеющегося значения на участке цепи, а из показателя рабочего тока самого светодиода.

То есть, в расчётах будет использоваться показатель, прописанный производителем. Узнать его можно или по маркировке диода, или из сопроводительной документации / даташита радиоэлемента. В большинстве случаев это 0,01 А (или 10 мА), именно этот показатель мы и будет использовать ниже в примерах расчётов.

Напряжение питания светодиода. Имеется ввиду номинальный (рабочий) показатель, при котором светодиод излучает свет. Чаще всего это диапазон 1,5 — 2 В. В примерах для наглядности возьмем показатель 1,7 В.

Расчет при последовательном соединении светодиодов

Для наглядности можно использовать следующие схемы.

Рис. 1. Последовательное соединение

Здесь стоит отметить, что указанный тип подключения соответствует и светодиодным лентам, ведь внутри отдельные светодиоды соединяются так же, как и в примере выше – последовательно (рисунок ниже).

Рис. 2. Светодиодные ленты

В обозначенных случаях сопротивление рассчитывается следующим образом.

Rогр = (Uпит — Uсд) / Iсд

В указанной формуле:

• Uпит – это напряжение, прикладываемое непосредственно к участку цепи со светодиодом (при отсутствии других элементов, это может быть напряжение блока питания);
• Uсд – это рабочее (номинальное) напряжение, необходимое для работы одного светодиода (из техдокументации радиоэлемента);
• Iсд – рабочая (номинальная) сила тока, светодиода (из техдокументации).

Если диодов несколько, то для расчетов используется следующая формула.

Rогр = (Uпит — N·Uсд) / Iсд

Здесь дополнительно вводится коэффициент N, который обозначает количество одинаковых светодиодов, соединенных последовательно (если речь идет о ленте, то N- может быть заменено количеством погонных метров, а Uсд – номинальным напряжением питания одного метра).

Пусть 5 светящихся элементов подключено к блоку питания 12 В, тогда при показателях диодов, обозначенных ранее (0,01 А и 1,7 В) сопротивление балласта будет считаться так:

R = (12 — 5·1,7)/0,01 = 3,5/0,01 = 350 (Ом).

При подключении лент – такое подключение практически не используется, так как оно сложнее в расчетах и менее эффективное.

1.При такой схеме ток равномерно распределяется по параллельным веткам (делится по количеству веток).

2.Напряжение на параллельных участках сохраняется одинаковым.

3.Получается, что балластный резистор необходимо ставить перед каждой распараллеленной веткой.

То есть схема включения должна быть только такой.

Рис. 3. Параллельное подключение

Тогда каждая отдельная ветка считается, как и в случае с последовательным соединением.

Балластный резистор не всегда можно подобрать точно в том номинале, который у вас получился при расчётах.

Для точного подбора значения сопротивления следует помнить, что их значения складываются при последовательном соединении. То есть можно собрать блок сразу из нескольких резисторов.

Если вы хотите уменьшить силу тока, протекающего через один резистор (или, например, увеличить площадь рассеивания тепла), то следует соединить их параллельно. Тогда итоговое сопротивление блока будет считаться по следующей формуле.

Как и при любой другой работе, ток при прохождении через элемент, оказывающий ему сопротивление, нагревает его.

Чтобы резистор не сгорел от высокой температуры и правильно рассеивал получаемое тепло, необходимо правильно рассчитать его теплоотдачу.

В качестве I в нашем случае выступает сила тока, до которой мы ее ограничиваем балластом, то есть 0,01 А.

То есть, для сопротивления в 350 Ом, получаемая мощность будет равна

350 · 0,01 · 0,01 = 0,035 Вт.

Лучше всего брать сопротивления с определенным запасом рассеиваемой мощности.

Вариант №2 » подключение светодиода с защитой от обратного напряжения.

В этом варианте схемы подключения индикаторного светодиода к сетевому напряжению 220 вольт имеется защита от чрезмерного высокого напряжения обратной полуволны, что подается на светодиод. То есть, в цепь добавлен обычный диод, который включен той же полярностью, что и светодиод. В итоге все излишнее высокое напряжение оседает на полупроводниках (при обратном включении питания, обратной полуволне переменного тока). Тот ток, что возникает в цепи при обратной полуволне настолько настолько мал, что его не хватает для пробиться светодиода при обратном его включении. Таким образом данная схема уже будет нормально работать. Хотя в этом варианте все же имеются свои недостатки, а именно будет достаточно сильно греться резистор. Его мощность должна быть не менее 2 Вт. Этот нагрев приводит к тому, что схема весьма не экономна, у нее низкий КПД. Помимо этого поскольку светодиод будет светить только при одной полуволне, то рабочая частота светодиода будет равна 25 Гц. Свечение светодиода при такой частоте будет восприниматься глазом с эффектом мерцания.

Онлайн-калькулятор светодиодов

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.