Рисунок 2. Схема плохая, но применяется достаточно часто.

Очень интересные вещи получаются (конечно, случайно), если по такой схеме подключить светодиод к блоку питания с выходным напряжением 12В и током не менее 3А: происходит ослепительная вспышка, раздается достаточно громкий хлопок, дымок, и остается удушливый запах. Так и вспоминается вот такая притча: «Можно ли посмотреть на Солнце в телескоп? Да, но только два раза. Один раз левым глазом, другой правым». Кстати, подключение светодиода без ограничительного резистора наиболее распространенная ошибка у начинающих, и о ней хотелось бы предупредить.

Чтобы исправить это положение, продлить срок службы светодиода, схему следовало бы чуточку изменить.

Рисунок 3. Хорошая схема, правильная.

Именно такую схему следует считать хорошей или правильной. Чтобы проверить, правильно ли указан номинал резистора R1, можно воспользоваться формулой, показанной на рисунке 1. Будем считать, что падение напряжения на светодиоде 2В, ток 20мА, напряжение питания 3В обусловлено применением двух пальчиковых батареек.

А вообще не надо стремиться ограничить ток на уровне предельно допустимых 20мА, можно запитать светодиод меньшим током, ну, хотя бы, миллиампер 15…18. При этом произойдет совсем незначительное уменьшение яркости, который глаз человека, в силу особенностей устройства, не заметит совсем, а вот срок службы светодиода намного увеличится.

Еще один пример плохого включения светодиодов можно встретить в различных фонариках, уже более мощных, нежели брелоки и зажигалки. В этом случае некоторое количество светодиодов, иногда достаточно большое, просто включено параллельно, и тоже без ограничительного резистора, в роли которого опять же выступает внутреннее сопротивление батареи. Такие фонарики достаточно часто попадают в ремонт именно по причине выгорания светодиодов.

Рисунок 4. Совсем плохая схема включения.

Казалось бы, исправить положение может схема, показанная на рисунке 5. Всего один резистор, и дело, казалось бы, пошло на поправку.

Рисунок 5. Так уже немного лучше.

Но и такое включение поможет мало. Дело в том, что в природе просто не найти двух одинаковых полупроводниковых приборов. Именно поэтому, например, транзисторы одного типа имеют различный коэффициент усиления, даже если они из одной производственной партии. Тиристоры и симисторы тоже бывают разные. Некоторые открываются легко, а другие настолько тяжко, что от их применения приходится отказаться. То же можно сказать и о светодиодах – двух абсолютно одинаковых, тем более трех или целой кучи, найти просто невозможно.

Замечание на тему. В DataSheet на светодиодную сборку SMD-5050 (три независимых светодиода в одном корпусе) включение, показанное на рисунке 5, не рекомендуется. Мол, из-за разброса параметров отдельных светодиодов, может быть заметна разница в их свечении. А казалось бы, в одном корпусе!

Никакого коэффициента усиления у светодиодов, конечно же, нет, зато есть такой важный параметр, как прямое падение напряжения. И если даже светодиоды взяты из одной технологической партии, из одной упаковки, то двух одинаковых в ней просто не будет. Поэтому ток у всех светодиодов будет разный. Тот светодиод, у которого ток будет больше всех, и рано или поздно превысит номинальный, сгорит раньше всех.

В связи с этим прискорбным событием весь возможный ток пойдет через два оставшихся в живых светодиода, естественно, превышая номинальный. Ведь резистор-то рассчитывался «на троих», на три светодиода. Повышенный ток вызовет и повышенный нагрев кристаллов светодиодов, и тот, который окажется «слабее», тоже сгорает. Последнему светодиоду также не остается ничего иного, как последовать примеру своих товарищей. Такая вот цепная реакция получается.

В данном случае под словом «сгорит» подразумевается просто разрыв цепи. Но может произойти, что в одном из светодиодов получится элементарно короткое замыкание, шунтирующее остальные два светодиода. Естественно, что они обязательно погаснут, хотя и останутся в живых. Резистор при такой неисправности будет усиленно греться и в конце концов, может быть, сгорит.

Чтобы такого не произошло, схему надо немного изменить: для каждого светодиода установить свой резистор, что и показано на рисунке 6.

Рисунок 6. А вот так светодиоды прослужат очень долго.

Здесь все, как требуется, все по правилам схемотехники: ток каждого светодиода будет ограничен своим резистором. В такой схеме токи через светодиоды не зависят друг от друга.

Но и это включение не вызывает особого восторга, поскольку количество резисторов равно количеству светодиодов. А хотелось бы, чтобы светодиодов было побольше, а резисторов поменьше. Как же быть?

Выход из этого положения достаточно простой. Каждый светодиод надо заменить цепочкой последовательно включенных светодиодов, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Параллельное включение гирлянд.

Платой за такое усовершенствование будет увеличение напряжения питания. Если для одного светодиода достаточно всего трех вольт, то даже два светодиода, включенных последовательно, от такого напряжения уже не зажечь. Так какое же напряжение понадобится для включения гирлянды из светодиодов? Или по-другому, сколько светодиодов можно подключить к источнику питания с напряжением, например, 12В?

Замечание. Под названием «гирлянда» здесь и далее следует понимать не только елочное украшение, но также любой осветительный светодиодный прибор, в котором светодиоды соединены последовательно или параллельно. Главное, что светодиод не один. Гирлянда, она и в Африке гирлянда!

Чтобы получить ответ на этот вопрос, достаточно напряжение питания просто разделить на падение напряжения на светодиоде. В большинстве случаев при расчетах это напряжение принимается 2В. Тогда получается 12/2=6. Но не надо забывать, что какая-то часть напряжения должна остаться для гасящего резистора, хотя бы вольта 2.

Получается, что на светодиоды остается только 10В, и количество светодиодов станет 10/2=5. При таком положении дел, чтобы получить ток 20мА, ограничительный резистор должен иметь номинал 2В/20мА=100Ом. Мощность резистора при этом составит P=U*I=2В*20мА=40мВт.

Такой расчет вполне справедлив, если прямое напряжение светодиодов в гирлянде, как было указано, 2В. Именно это значение часто принимается при расчетах, как некоторое среднее. Но на самом деле это напряжение зависит от типа светодиодов, от цвета свечения. Поэтому при расчетах гирлянд следует ориентироваться на тип светодиодов. Падения напряжения для светодиодов разных типов приведены в таблице, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8. Падение напряжения на светодиодах разных цветов.

Таким образом, при напряжении источника питания 12В, за вычетом падения напряжения на токоограничивающем резисторе, всего можно подключить 10/3,7=2,7027 белых светодиодов. Но кусочек от светодиода не отрежешь, поэтому подключить возможно только два светодиода. Такой результат получается если из таблицы взять максимальное значение падения напряжения.

Если же в расчет подставить 3В, то совершенно очевидно, что подключить возможно три светодиода. При этом каждый раз придется кропотливо пересчитывать сопротивление ограничительного резистора. Если реальные светодиоды окажутся с падением напряжения 3,7В, а может выше, три светодиода могут и не зажечься. Так что лучше остановиться на двух.

Принципиально не важно, какого цвета будут светодиоды, просто при расчете придется учитывать разные падения напряжений в зависимости от цвета свечения светодиода. Главное, чтобы они были рассчитаны на один ток. Нельзя собрать последовательную гирлянду из светодиодов, часть которых с током 20мА, а другая часть из 10-ти миллиамперных.

Понятно, что при токе 20мА светодиоды с номинальным током 10мА попросту сгорят. Если же ограничить ток на уровне 10мА, то 20-ти миллиамперные засветятся недостаточно ярко, примерно как в выключателе со светодиодом: ночью видно, днем нет.

Чтобы облегчить себе жизнь, радиолюбители разрабатывают различные программы-калькуляторы, облегчающие всевозможные рутинные расчеты. Например, программы для расчета индуктивностей, фильтров различного типа, стабилизаторов тока. Есть такая программа и для расчета светодиодных гирлянд. Скриншот такой программы приведен на рисунке 9.

Рисунок 9. Скриншот программы «Расчет_сопротивления_резистора__Ledz_».

Программа работает без установки в системе, просто ее надо скачать и пользоваться. Все настолько просто и понятно, что никаких пояснений к скриншоту совсем не требуется. Естественно, что все светодиоды должны быть одного цвета и с одинаковым током.

Смотрите также из ранее опубликованного на сайте: Как подключить светодиод к осветительной сети

Ограничительные резисторы это, конечно, хорошо. Но только тогда, когда известно, что вот эта гирлянда будет питаться от стабилизированного источника постоянного напряжения 12В, и ток через светодиоды не превысит расчетного значения. А как быть, если просто нет источника с напряжением 12В?

Рисунок 10. Регулируемый стабилизатор тока SSC0018

Технические характеристики стабилизатора показаны на рисунке 11.

Рисунок 11. Технические характеристики стабилизатора тока SSC0018

Изначально стабилизатор тока SSC0018 был разработан для применения в светодиодных светильниках, но может также применяться для зарядки малогабаритных аккумуляторов. Пользоваться устройством SSC0018 достаточно просто.

Сопротивление нагрузки на выходе стабилизатора тока может быть нулевым, попросту можно замкнуть накоротко выходные клеммы. Ведь стабилизаторы и источники тока не боятся коротких замыканий. При этом ток на выходе будет номинальным. Уж если установили 20мА, то столько и будет.

Из сказанного можно сделать вывод, что к выходу стабилизатора тока можно «напрямую» подключить миллиамперметр постоянного тока. Начинать такое подключение следует с самого большого предела измерений, ведь какой там отрегулирован ток никому не известно. Далее простым вращением подстроечного резистора установить требуемый ток. При этом, конечно, не забыть подключить стабилизатор тока SSC0018 к блоку питания. На рисунке 12 показана схема включения SSC0018 для питания светодиодов, соединенных параллельно.

Рисунок 12. Подключение для питания светодиодов, соединенных параллельно

Здесь все понятно из схемы. Для четырех светодиодов с током потребления 20мА на каждый на выходе стабилизатора надо выставить ток 80мА. При этом на входе стабилизатора SSC0018 потребуется напряжение чуть большее, чем падение напряжения на одном светодиоде, о чем было сказано выше. Конечно, подойдет и большее напряжение, но это приведет только к дополнительному нагреву микросхемы стабилизатора.

Замечание. Если для ограничения тока с помощью резистора напряжение источника питания должно превышать общее напряжение на светодиодах незначительно, всего вольта на два, то для нормальной работы стабилизатора тока SSC0018 это превышение должно быть несколько выше. Никак не меньше, чем 3…4В, иначе попросту не откроется регулирующий элемент стабилизатора.

На рисунке 13 показано подключение стабилизатора SSC0018 при использовании гирлянды из нескольких последовательно соединенных светодиодов.

Рисунок 13. Питание последовательной гирлянды через стабилизатор SSC0018

Рисунок взят из технической документации, поэтому попробуем рассчитать количество светодиодов в гирлянде и постоянное напряжение, потребное от блока питания.

Указанный на схеме ток, 350мА, позволяет сделать вывод, что гирлянда собрана из мощных белых светодиодов, ведь как было сказано чуть выше, основное назначение стабилизатора SSC0018 это источники освещения. Падение напряжения на белом светодиоде находится в пределах 3…3,7В. Для расчета следует взять максимальное значение 3,7В.

Максимальное входное напряжение стабилизатора SSC0018 составляет 50В. Вычитаем из этого значения 5В, необходимых для работы самого стабилизатора, остается 45В. Этим напряжением можно «засветить» 45/3,7=12,1621621… светодиодов. Очевидно, что это надо округлить до 12.

Количество светодиодов может быть и меньше. Тогда входное напряжение придется уменьшить (при этом выходной ток не изменится, так и останется 350мА как был отрегулирован), зачем на 3 светодиода, пусть даже мощных, подавать 50В? Такое издевательство может закончиться плачевно, ведь мощные светодиоды отнюдь недешевы. Какое потребуется напряжение для подключения трех мощных светодиодов желающие, а они всегда найдутся, могут посчитать сами.

Регулируемый стабилизатор тока SSC0018 устройство достаточно хорошее. Но весь вопрос в том, всегда ли оно нужно? Да и цена девайса несколько смущает. Каков же может быть выход из создавшегося положения? Все очень просто. Прекрасный стабилизатор тока получается из интегральных стабилизаторов напряжения, например, серии 78XX или LM317.

Для создания такого стабилизатора тока на базе стабилизатора напряжения потребуется всего 2 детали. Собственно сам стабилизатор и один единственный резистор, сопротивление и мощность которого поможет рассчитать программа StabDesign, скриншот которой показан на рисунке 14.

Рисунок 14. Расчет стабилизатора тока с помощью программы StabDesign.

Особых пояснений программа не требует. В выпадающем меню Type выбирается тип стабилизатора, в строке Iн задается требуемый ток и нажимается кнопочка Calculate. В результате получается сопротивление резистора R1 и его мощность. На рисунке расчет проведен для тока 20мА. Это для случая, когда светодиоды соединены последовательно. Для параллельного соединения ток подсчитывается так же, как показано на рисунке 12.

Светодиодная гирлянда подключается вместо резистора Rн, символизирующего нагрузку стабилизатора тока. Возможно даже подключение всего одного светодиода. При этом катод подключается к общему проводу, а анод к резистору R1.

Входное напряжение рассмотренного стабилизатора тока находится в пределах 15…39В, поскольку применен стабилизатор 7812 с напряжением стабилизации 12В.

Казалось бы, на этом рассказ о светодиодах можно закончить. Но есть еще светодиодные ленты, о которых будет рассказано в следующей статье.

Источник

Как подобрать токоограничивающий резистор для светодиода

Современные светодиодные источники света хорошо приспособлены к длительной эксплуатации в сложных условиях. Однако для защиты по току применяют ограничительное электрическое сопротивление. Точный расчет резистора для светодиода поможет подбирать функциональные компоненты схемы без ошибок.

Применение токоограничивающего резистора для светодиода

Резистор применяют для ограничения силы тока

Для декоративного украшения, обеспечения хорошей видимости в затемненном коридоре и решения других практических задач используют светодиоды. Они намного экономичнее по сравнению с классическими лампами накаливания. Высокая прочность предотвращает заражение окружающей среды вредными химическими соединениями, что не исключено после повреждения колбы газоразрядного источника света.

С учетом односторонней проводимости полупроводникового перехода понятна необходимость подключения светодиода к аккумуляторной батарее, другому источнику питания постоянного тока. Напряжение стандартной бытовой сети выпрямляют, снижают до номинального уровня. Резистором ограничивают силу тока.

Особенности работы и расчеты

Использование резистора при проверке светодиода

Несмотря на существенные преимущества, внимательные пользователи рекомендуют обращать внимание на существенные недостатки светодиодных приборов:

Особое значение имеет собственное небольшое сопротивление в рабочем режиме. Относительно небольшое изменение основных параметров источника питания способно повредить полупроводниковый переход. По этой причине в цепь добавляют токоограничительный резистор.

Дополнительный пассивный элемент увеличивает потребление энергии. По этой причине рекомендуется применять такие решения в комбинации со светодиодами небольшой мощности, либо для создания устройств с небольшими рабочими циклами.

Математический расчет

Таблица зависимости напряжения светодиода от его цвета

В простейшей цепи к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Uи) на выходных клеммах подключают последовательно токоограничивающий резистор (R) и светодиод. Рассчитать электрическое сопротивление можно с применением известной формулы закона Ома (I = U/R).

Также пригодится второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Uи = Ur + Uc, где Ur (Uc) – напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить базовые зависимости:

Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое изменяется по нелинейному закону в зависимости от напряжения и тока. На обратной части вольт-амперной характеристики можно выделить область запирания. Существенное увеличение Rc на этом участке предотвращает движение электронов (Iобр = 0). Однако при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) возникает пробой p-n перехода.

Расчет сопротивления резистора для светодиода при 5 В

Так как драйвер обеспечивает питание постоянным током, особо внимательно нужно изучить соответствующее «прямое» включение. Особенности ВАХ:

Расчет светодиодов выполняют на основе значения рабочего напряжения Uc. Этот параметр производители указывают в сопроводительной документации. Для вычисления электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора применяют формулу: R = (Uи — Uc)/ I.

Графический расчет

Вольтамперная характеристика светодиодов

Если взять ВАХ, можно применить графическую методику. Исходную графическую и цифровую информацию берут из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):

Расчет сопротивления резистора для обеспечения диоду тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт

Далее по классической формуле не сложно рассчитать, какой резистор нужен для светодиода в этом случае: R = Uи /Im = 5,5/ 0,06 ≈ 91,7. В серийном ряду надо выбрать ближайший номинал с небольшим запасом – 100 Ом. Это решение несколько уменьшит КПД. Но в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше греться. Соответствующим образом снизятся нагрузки на полупроводниковый переход. Следует рассчитывать на увеличение длительности срока службы источника света.

Для корректного выбора резистора надо знать мощность (P). Стандартные значения (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5. Вычисления можно сделать по любым известным параметрам с применением формул: P = Im2 * R = Ur2 / R. Если взять исходные данные рассматриваемого примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0, 36 Вт. С учетом типового модельного ряда выбирать надо резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.

Допуски по точности электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30% от номинала. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы обозначают латинскими буквами (D – 0,5%; G – 2%; J – 5%).

Подключение светодиода через резистор

Схема подключения светодиода

С учетом представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:

Приемлемые показатели эффективности можно получить при создании:

Для маленькой локальной подсветки аквариума такое решение подойдет. Однако вряд ли будет приемлемым длительное потребление большого количества энергии. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при увеличении/уменьшении напряжения.

Специалисты рекомендуют при суммарном потреблении больше 1,5-2 Вт использовать источники питания с надежной стабилизацией по току. Эти устройства (диммеры) применяют для подключения групп осветительных приборов и полупроводниковых приборов высокой мощности.

Расчет резистора для светодиода

Программа расчета сопротивления резистора для светодиода

Сделать необходимые вычисления можно в режиме онлайн с помощью специализированного калькулятора. Полноценное использование таких программ предлагается бесплатно.

Однако не всегда имеется доступ к сети Интернет. После изучения достаточно простой методики любой человек сможет оперативно подобрать резистор для светодиода без поиска соответствующего программного обеспечения.

Для наглядной демонстрации алгоритма нужно рассмотреть подключение защитного резистора в цепь питания (5 В) определенного светодиода (Epistar 1W HP).

Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R = (5-2,35)/0,35 = 7,57 Ом. По стандарту E24 ближайшие значения – 7,5 и 8,2 Ом. Если воспользоваться стандартными правилами придется выбрать больше значение, которое отличается от расчетного почти на 8,5%. Дополнительную погрешность создаст 5% допуск серийных недорогих изделий. При таком отклонении трудно получить приемлемые по защитным функциям и потребляемой мощности характеристики цепи.

Первый способ решения проблемы – выбор нескольких резисторов с меньшими номиналами. Далее применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй метод – добавление подстроечного резистора.

Расчет мощности рассеивания

Условные обозначения резисторов на схемах

Для точного подбора оценивают рассеиваемую мощность резистора: P = I2 * R = (0,35)2 * 7,57 = 0,1225 * 7,57 ≈0,93 Вт. Запас по этому параметру делают не менее 20-25%. Номинала 1 Вт недостаточно, поэтому выбирают следующий номинал в стандартном ряду – 2Вт.

Экономичность собранной схемы проверяют отношением Uc/Uи = 2,35/5 = 0,47 (47%). Итоговый результат показывает, что более половины электроэнергии в данном случае используется впустую. На самом деле показатель еще хуже, так как не вся мощность потребления расходуется светодиодом на излучение в видимой части спектра. Значительная часть – электромагнитные волны ИК диапазона.

Параллельное соединение

Параллельное соединение светодиодов

В любой точке последовательной цепи сила тока одинаковая. Это упрощает расчет, предотвращает аварийные ситуации. При выходе одного элемента из строя отключаются все светодиоды. Поэтому исключено повреждение повышением напряжения. Отмеченные причины объясняют популярность применения данного способа при создании ленточных светильников, иных конструкций.

Определенные преимущества предоставляет применение параллельного соединения. В этом варианте изделие сохраняет частичную работоспособность при повреждении одной цепи. Такое решение обеспечивает одинаковое напряжение в местах подсоединения к источнику питания каждой ветки.

Параллельное подключение подходит для организации независимых схем управления. На этой технологии основаны принципы работы новогодних гирлянд. Отдельные ветки подключаются к источнику питания по заданному программой алгоритму.

Использовать один резистор для нескольких параллельных диодов нельзя. Тщательный выбор сопротивления объясняется необходимостью точной регулировки тока. В некоторых ситуациях ошибки на 0,1-0,5 А становятся причиной поломок, радикального сокращения ресурса.

Реальные технические характеристики светодиодов значительно отличаются даже в одной товарной партии. По этой причине каждую цепь защищают отдельным резистором.

Особенности дешёвых ЛЕД

Сравнение китайской и фирменной светодиодной ленты

Низкая стоимость сама по себе не является доказательством плохого качества. Расширение масштабов производства и совершенствование технологических процессов снижает издержки. Однако в соответствующем сегменте рынка представлены изделия производителей, которые в действительности не соответствуют заявленным характеристикам.

Для определения возможных проблем обращают внимание на следующие параметры:

Качественные светодиоды создают световой поток 150-220 люмен в расчете на 1 Вт потребления. Подделки – не более 50-70 лм. При возникновении сомнений следует особенно тщательно выбирать компоненты защиты.

Источник