Рассчитать сопротивление резистора для светодиода. Расчет сопротивления для светодиода

Сегодня мы начнем с изучения нового элемента, а именно светодиода. Основные сведения о светодиоде собраны в отдельной статье .

Светодиод, в основном, имеет 2 вывода: длинный вывод (анод) соединяется с плюсом питания, более короткий вывод (катод) с минусом. Светодиод, подключенный наоборот не будет светиться, и кроме того, при превышении определенного напряжения может даже сгореть.

С чего следует начать при работе со светодиодом? С просмотра технических параметров на конкретный светодиод! Иногда необходимые нам сведения можно также получить при покупке в магазине. Что же нам нужно знать? То, что мы ищем – это прямой ток (forward current) и прямое напряжение (forward voltage).

Для светодиода главное — это правильно подобранный ток, так как он напрямую влияет на срок службы светодиода. Поэтому мы говорим, что светодиод — это элемент, питаемый током (не напряжением!).

При изучении datasheet для одноцветных светодиодов размером 5мм вот что было обнаружено:

красный светодиод: 20 мА / 2,1 В
зеленый светодиод: 20 мА / 2,2 В
желтый светодиод: 20 мА / 2,2 В
оранжевый светодиод: 25 мА / 2,1 В
синий светодиодный индикатор: 20 мА / 3,2 В
светодиод белый: 25 мА / 3,4 В

(параметры светодиодов могут незначительно отличаться в зависимости от экземпляра и производителя светодиодов)

Нашим источником питания, как и в предыдущих упражнениях, является кассета из 4 батареек, дающие напряжение около 6 вольт. Теперь встает вопрос: как подобрать резистор для ограничения тока красного светодиода, подключенного согласно следующей схеме:

Наша батарея обеспечивает напряжение порядка 6 вольт. Красному светодиоду необходим ток около 20мА. Плюс ко всему нужно учесть падение напряжения на этом светодиоде, т. е. 2,1 вольт:

U R1 = U B1 – U D1

U R1 = 6В – 2,1В

Теперь достаточно подставить наши данные в формулу:

R1 = 3,9В / 20мА

R1 = 3,9В / 0,02А

Таким вот простым способом мы рассчитали сопротивление резистора R1 для красного светодиода, который должен иметь сопротивление минимум 195 Ом. Но вы не сможете найти такого номинала! Что же делать в таком случае? Надо взять из резистор большей величины, но с максимально близким сопротивлением.

Ближайший в номинальном ряду резисторов находится резистор с сопротивлением 200 Ом, и именно такой мы должны использовать в нашей схеме. Почему? Конечно, ничто не мешает нам использовать резистор большего сопротивления, например, 470 Ом, 2,2 кОм… Но как это повлияет на свечение нашего светодиода? Давайте проверим!

На фото этого конечно не заметно, но светодиод светит очень ярко с резистором 200 Ом. Но что случится, если мы заменим резистор на другой, с большим сопротивлением, например, 470 Ом? Светодиод по-прежнему горит. Дальше будем последовательно увеличивать сопротивление: 2,2кОм, 3,9кОм, 4,7кОм… Обратите внимание, что светодиод с увеличением сопротивления резистора светит все слабее и слабее пока, наконец, вообще не перестает светиться.

Еще одно замечание по существу — необходимо использовать резисторы немного больше, чем это следует из расчетов (например, 210 Ом вместо 200 Ом). Почему? Наверно вы обратили внимание, что для расчетов мы взяли номинальное напряжение нашей батареи, в реальности свежие батарейки могут давать более высокое напряжение и поэтому сопротивление резистора может быть недостаточным. Ток на светодиоде будет выше необходимого, что в конечном счете скажется на сроке его службы.

Еще один пример, из жизни (вернее из частых вопросов). Как подобрать резистор для схемы (в автомобиль) , в которой последовательно соединены два красных светодиода (прямой ток 20 мА, прямое напряжение 2,1 В)?

Величину сопротивления резистора R1 рассчитываем аналогично, как в примере выше, с той лишь разницей, что от напряжения бортовой сети автомобиля (14В), необходимо вычесть падение напряжения на обоих диодах D1 и D2:

U R1 = U E1 – U D1 – U D2

U R1 = 14В – 2,1В – 2,1В

Теперь подставим данные в формулу:

R1 = 9,8В / 20мА

R1 = 9,8В / 0,02А

Резистор R1, к которому подключены последовательно два красных светодиода, должен иметь сопротивление минимум 490 Ом. Ближайший в ряду является резистор номиналом 510 Ом. Если у вас нет резистора номиналом 510 Ом, помните, что вы можете соединить последовательно несколько резисторов, например, 5 резисторов по 100 Ом.

А можем ли мы в этой схеме последовательно подключить еще 5 светодиодов? Нет! На каждом из подключенных светодиодов возникает некоторое падение напряжения, другими словами каждый из них потребляет некоторое количество напряжения, например, каждому красному светодиоду нужно 2,1 вольт. Легко подсчитать, что наша батарея не в состоянии обеспечить такое напряжение:

14В < 2,1В + 2,1В + 2,1В + 2,1В + 2,1В+ 2,1В + 2,1В

14В < 14,7В

Приведенный выше пример касается схемы, установленной в автомобиле, где источник напряжения 14В.

Следующий пример будет касаться параллельного соединения светодиодов, так как показано на следующем рисунке:

На этот раз предположим, что светодиод — D1 красный (прямой ток 20 мА, прямое напряжение около 2,1 В), а светодиод D2 имеет белый цвет (прямой ток 25 мА, прямое напряжение 3,4 В).

Из первого закона Кирхгофа мы знаем, что:

I = 20мА + 25мА

Подключая светодиоды параллельно к источнику питания, следует помнить, что каждый светодиод должен иметь свой резистор! Теперь давайте посчитаем падение напряжения на каждом из резисторов:

U R 1 = U B 1 – U D 1

U R1 = 6В – 2,1В

U R 2 = U B 1 – U D 2

U R2 = 6В – 3,4В

Мы знаем, силу тока и напряжение, давайте посчитаем сопротивление:

R1 = U R 1 / I 1

R1 = 3,9В / 20мА

R1 = 3,9В / 0,02А

R2 = 2,6В / 25мА

R2 = 2,6В / 0,025А

Резистор R1 должен иметь сопротивление как минимум 195 Ом (ближайший в номинальном ряду резистор на 200 Ом), а резистор R2 должен иметь сопротивление не менее 104 Ом (ближайший в ряду будет на 120 Ом).

Как лучше соединять светодиоды: последовательно или параллельно? Ответ не простой, потому что оба варианта имеют свои плюсы и минусы:

Вид соединения светодиодов
последовательное	параллельное
для всех светодиодов достаточно одного резистор	каждый светодиод должен иметь свой собственный резистор
повреждение одного светодиода приводит к отключению всей цепочки светодиодов	при повреждении одного или несколько светодиодов, остальные светодиоды будут светятся
низкое значение тока	ток в цепи увеличивается с каждым последующим светодиодом (ток каждой ветви суммируется)
требуется более высокое напряжение источника питания с учетом падения напряжения на каждый из светодиодов	напряжение питания в схеме может быть низким

Под конец урока рассмотрим еще один популярный вид – мощные светодиоды. Благодаря им, мы можем получить яркий свет. Мощные светодиоды используются, например, в автомобилях, поэтому следующий пример будет касаться именно проблемы установки мощных светодиодов в автомобиле.

Напряжение в сети автомобиля 14 вольт. Мощный светодиод имеет прямой ток 350 мА и падение напряжения 3,3 вольт. Рассчитаем сопротивление для мощного светодиода так, как мы это делали выше:

U R1 = U E1 – U D1

U R1 = 14В – 3,3В

R1 = U R1 / I
R1 = 10,7В / 350мА
R1 = 31 Ом

Для нашего примера надо подобрать резистор минимум 31 Ом. Проблема в том, что мощный светодиод, как указывает само название, имеет большую мощность и здесь обычный резистор не достаточен. Помимо соответствующего сопротивления наш резистор должен иметь соответствующую номинальную мощность, т. е. допустимую мощность, которая выделяется на резисторе при его работе.

Помните, что основная задача резистора — это сопротивление току. При сопротивлении всегда будет выделяться тепло в той или иной степени. Слишком большая мощность может повредить резистор.
Мощность вычисляем по следующей формуле.

Светодиодные элементы все чаще применяются в сферах деятельности человечества как осветительные приборы для помещений, в уличных фонарях, карманных фонариках, при освещении аквариума. В автомобильной индустрии группы светодиодов широко используются для подсветки габаритных огней, стоп сигналов и поворотов.

Внешний вид светодиодов

Отдельными элементами с различными цветами обеспечивают подсветку приборной панели, индикацию понижения уровня охлаждающей жидкости радиатора. Невозможно перечислить все направления их использования: от украшения новогодней елки, подсветки аквариума до приборов ракетно-космической техники.

Они постепенно вытесняют обычные лампы накаливания. Многочисленные Интернет магазины в режиме онлайн продают светодиодные ленты и другие осветительные приборы. Также можно найти калькулятор расчета схем драйверов для них, если появится необходимость их ремонта или изготовления своими руками. Такому бурному развитию есть целый ряд причин.

Основные преимущества

малое потребление энергии;
высокий КПД;
низкие напряжения;
почти отсутствует нагрев;
высокая степень электрической и пожарной безопасности;
крепкий корпус: отсутствие хрупких нитей накаливания и стеклянных колб делает их устойчивыми к механическим, вибрационным воздействиям;
безынерционное срабатывание обеспечивает быстродействие, нет затрат времени на разогрев нити накаливания;
прочность, малые габариты и долговечность;
непрерывный ресурс работы не менее 5 лет;
широкий выбор спектра (цвета) и возможность конструкции отдельного элемента делать рассеянное или направленное освещение.

Есть несколько существенных недостатков:

Высокая стоимость.
Интенсивность светового потока отдельного элемента мала.
Чем выше напряжение требуемого источника питания, тем быстрее разрушается структура светодиодных элементов. Проблема перегрева решается установкой радиатора.

Параметры и особенности

Достоинств у светодиодов намного больше, чем недостатков, но по причине высокой стоимости народ не спешит приобретать осветительные приборы на основе светодиодов. Люди, обладающие необходимыми познаниями, покупают отдельные элементы и сами собирают светильники для аквариума, делают подключения на приборные панели автомобилей, стоповых сигналов и габаритов. Но для этого надо хорошо разобраться в принципах работы, параметрах и конструктивных особенностях светодиодов.

Параметры:

рабочий ток;
рабочее напряжение;
цвет светового потока;
угол рассеивания:
тип корпуса.

Особенностью конструкций является диаметр, форма линзы, которая определяет направленность и степень рассеивания светового потока. Участок цветового спектра свечения определяют примеси добавляемые в полупроводниковый кристалл диода. Фосфор, индий, галлий, алюминий обеспечивают подсветку от красного до желтого диапазона.

Состав азота, галлия, индия сделает спектр в диапазоне синего и зеленого цветов, если к кристаллу синего (голубого) спектра добавить люминофор, можно получить белый свет. Углы направления и рассеивания потоков определяет состав кристалла, но в большей степени форма линзы светодиода.

Для поддержания живого мира аквариума необходим процесс фотосинтеза водорослей. Здесь требуется правильный спектр и определенный уровень освещения аквариума, с чем хорошо справляются светодиоды.

Расчет параметров и схем

Определившись с цветом, направлением потока освещения и напряжением источника питания можно покупать светодиоды. Но чтобы собрать нужную схему, надо сделать расчет резистора светодиода в цепи, который гасит повышенное напряжение питания. Рабочий ток и напряжение нам известно по номиналам.

Надо обязательно учитывать, что светодиод это полупроводник, который имеет полярности.

Если перепутать полярности, он не засветится и может вообще выйти из строя. Хорошим примером для расчета гасящего резистора в схемах подключения светодиодов являются светотехнические приборы автомобиля. В качестве индикации состояния определенного технического параметра используется один светодиодный элемент, как вариант берется пониженный уровень охлаждающей жидкости радиатора.

Схема подключения светодиода

R = Uак. – Uраб./ I раб.
R = 12В – 3В/00,2А = 450 Ом = 0,45 кОм.

Uак – напряжение источника питания, в нашем случае автомобильный аккумулятор 12В;
Uраб – рабочее напряжение светодиода;
I раб – рабочий ток светодиода.

Можно рассчитать сопротивление гасящего резистора в схеме с последовательным подключением некоторого количества светодиодов. Такой вариант может использоваться для подсветки приборов на передней панели или в качестве стоповых огней автомобиля.

Схема последовательного подключения светодиодов и гасящего сопротивления

Расчет сопротивления аналогичный:

R = Uак – Uраб*n / Iраб.

R = 12В – 3В * 3/ 0.02А = 150 Ом = 0,15 кОм.

n – количество светодиодов 3 шт.

Стоит рассмотреть случай с шестью светодиодами; в стопорных фонарях применяют и большее количество, но методика расчета сопротивления и построение схемы будут те же.

R = Uак – Uраб*n / Iраб
R = 12В – 18 В/ 002А – рабочее напряжение диодов превышает напряжение источника питания, в этом случае придется диоды разделить на 2 группы по три диода и подключить их по параллельной схеме . Расчеты делаем для каждой группы отдельно.

Предыдущий расчет с тремя светодиодами в схеме с последовательным подключением показывает, что для параллельного подключения в каждой группе величина сопротивления резистора должна быть по 0,15 кОм.

Несмотря на небольшой нагрев, светодиодные светильники не работают без радиатора. Например, для освещения аквариума сверху устанавливается крышка, на которой крепятся точечные источники света или светодиодная лента . Чтобы избежать ее перегрева, применяется алюминиевый профиль. Для изготовления радиатора начинают применять специальные пластмассы, рассеивающие тепло. Специалисты не рекомендуют самостоятельно заниматься их изготовлением, хотя никто не запрещает принимать меры по улучшению теплоотвода от мощных светильников. В качестве радиатора хорошо применять медь, обладающую высокой теплопроводностью.

На многих сайтах можно найти калькулятор, с помощью которого предоставляется возможность выбора схемы, внесения параметров диода и расчета в режиме онлайн резистора для одного светодиода или группы.

В специализированных магазинах можно купить диски с программным обеспечением и установить на домашний компьютер драйвера. Программа с драйверами легко скачивается бесплатно в режиме онлайн или покупается, если оплатить электронными деньгами на сайте.

Особенности, которые надо учитывать:

Не рекомендуется подключать светодиоды в параллельной схеме через одно сопротивление. При неисправности одного диода на остальные будет подаваться слишком мощное напряжение, что приведет все диоды к выходу из строя. Если попадется такая схема, можно через онлайн-калькулятор рассчитать и переделать ее, добавив отдельные сопротивления на светодиоды.

Схема параллельного подключения

В расчетах могут получиться значения резистора, которые не совпадают со стандартными номиналами, тогда выбирается сопротивление немного большее. Здесь удобно использовать калькулятор в онлайн режиме.
При совпадении рабочего напряжения светодиодов и источника питания в бытовых схемах для фонариков, елочных гирлянд иногда резистор не используют. При этом отдельные светодиоды светятся с разной яркостью, это вызвано разбросом их параметров. Рекомендуется в этих случаях применять конверторы для повышения напряжений.

Ниже изображена одна из простейших схем драйвера светодиодной лампы.

Схема и фото драйвера лампы MR-16

Схема собрана с применением вместо трансформатора конденсатора C1 и резистора R1. Напряжение подается на диодный мост. Ограничение тока обеспечивается за счет конденсатора С1, который создает сопротивление, но не рассеивает тепло, а уменьшает напряжение при последовательном подключении к цепи питания.

Выпрямленное напряжение сглаживается с помощью электролитического конденсатора С2. Сопротивление R1 предназначено для разрядки конденсатора С1 при отключении питания. R1 и R2 в работе схемы не участвуют. Резистор R2 предназначен для защиты конденсатора С2 от пробоя, если происходит обрыв в цепи питания лампы.

На фото представлен вид драйвера с двух сторон. Красный цилиндр – это изображение конденсатора С1, черный – С2.

Резистор. Видео

На вопрос, что такое резистор, и как он работает, ответит это видео. Простота изложения дает возможность усвоить материал даже новичку.

Учитывая все вышесказанное, можно сделать правильный самостоятельный расчет резистора для светодиода и приобрести в специализированном магазине то, что по-настоящему пригодится в хозяйстве.

Расчет резисторов для светодиодов - это весьма важная операция, которую необходимо проводить, прежде чем вы к источнику питания. От этого будет зависеть работоспособность как самого диода, так и всей схемы. Резистор необходимо включать в цепь со светодиодом последовательно. Предназначен этот элемент для ограничения протекающего тока через диод. Если резистор имеет номинальное сопротивление ниже требуемого, то светодиод выйдет из строя (перегорит), а если значение этого показателя будет выше необходимого, то свет от полупроводникового элемента будет слишком тусклым.

Расчет резисторов для светодиодов следует производить по следующей формуле R = (US - UL)/I, где:

US - напряжение источника питания;
UL - напряжение питания диода (обычно 2 и 4 вольта);
I - ток диода.

Обязательно следует убедиться, что выбранная величина электрического тока будет меньше максимального значения тока полупроводникового элемента. Прежде чем приступать к расчету, необходимо перевести эту величину в амперы. Обычно она в паспортных данных указана в миллиамперах. Таким образом, в результате вычислений будет получено значение номинального в Омах. Если полученная величина не будет совпадать со стандартным резистором, то следует выбрать больший ближайший номинал. Либо можно соединить последовательно несколько меньших по номинальному сопротивлению элементов таким образом, чтобы суммарное сопротивление соответствовало расчетному.

Например, вот таким образом проводится расчет резисторов для светодиодов. Допустим, что у нас есть источник питания с выходным напряжением, равным 12 вольтам, и один светодиод (UL = 4 V). Требуемый ток равен 20 мА. Переводим его в амперы и получаем 0,02 А. Теперь можно приступить к расчету R = (12 - 4)/0,02 = 400 Ом.

Теперь рассмотрим, каким образом необходимо проводить расчет при последовательном соединении нескольких полупроводниковых элементов. Это особенно актуально при работе со сокращает расход электроэнергии и позволяет одновременно подключать большое количество элементов. Однако следует учесть, что все последовательно соединенные светодиоды должны быть одного типа, а блок питания - достаточно мощным. Вот таким образом следует производить расчет резисторов для светодиодов при последовательном соединении. Предположим, что у нас в цепи 3 элемента (напряжение каждого составляет 4 вольта) и 15-вольтовый блок питания. Определяем напряжение UL. Для этого необходимо сложить показатели каждого из диодов 4 + 4 + 4 = 12 вольт. Паспортное значение тока светодиода составляет 0,02 А, производим расчет R = (15-12)/0,02 = 150 Ом.

Очень важно помнить, что светодиодов, мягко говоря, плохая идея. Все дело в том, что эти элементы имеют разброс параметров, каждый из них требует различное напряжение. Это приводит к тому, что расчет светодиода - это бесполезное занятие. При таком соединении каждый элемент будет светить со своей яркостью. Ситуацию может спасти только ограничительный резистор для каждого диода отдельно.

В заключение добавим, что по такому принципу рассчитываются все светодиодные сборки, в том числе и лампы на светодиодах. Если вы захотите самостоятельно собрать такую конструкцию, то данные расчеты для вас будут актуальными.

Одиночный светодиод

Светодиод (светоизлучающий диод) - полупроводниковый источник излучения в оптическом диапазоне с двумя или более выводами. Монохромные светодиоды обычно имеют два вывода, двухцветные - два или три вывода, трехцветные снабжены четырьмя выводами. Светодиод излучает свет, если к его вывода приложено определенное прямое напряжение.

Для подключения светодиода к источнику питания можно использовать простую схему с последовательно включенным токоограничительным резистором. Резистор необходим в связи с тем, что падение напряжение на светодиоде является постоянным в относительно широком диапазоне рабочих токов.

Цвета светодиодов, материал полупроводника, длина волны и падение напряжения
Цвет	Материал полупроводника	Длина волны	Падение напряжения
Инфракрасный	Арсенид галлия (GaAs)	850-940 нм
Красный		620-700 нм	1.6-2.0 В
Оранжевый	Арсенид-фосфид галлия (GaAsP)	590-610 нм	2.0-2.1 В
Желтый	Арсенид-фосфид галлия (GaAsP)	580-590 нм	2.1-2.2 В
Зеленый	Фосфид алюминия-галлия (AlGaP)	500-570 нм	1.9-3.5 В
Синий	Нитрид индия-галлия (InGaN)	440-505 нм	2.48-3.6 В
Белый	Диоды с люминофором или трехцветные RGB	Широкий спектр	2.8-4.0 В

Поведение светодиодов и резисторов в схемах отличается. В соответствии с законом Ома, резисторы имеют линейную зависимость падения напряжения от протекающего через них тока:

Если напряжение на резисторе увеличивается, ток также пропорционально увеличивается (здесь мы предполагаем, что величина сопротивления резистора остается постоянной). Светодиоды ведут себя не так. Их поведение соответствует поведению обычных диодов. Вольтамперные характеристики светодиодов разного цвета приведены на рисунке. Они показывают, что ток через светодиод не прямо пропорционален падению напряжения на светодиоде. Видно, что имеется экспоненциальная зависимость тока от прямого напряжения. Это означает, что при небольшом изменении напряжения ток может измениться очень сильно.

Если прямое напряжение на светодиоде невелико, его сопротивление очень большое и светодиод не горит. При превышении указанного в технических характеристиках порогового уровня светодиод начинает светиться и его сопротивление быстро падает. Если приложенное напряжение превышает рекомендуемую величину прямого напряжения, которое может быть в пределах 1,5-4 В для светодиодов различных цветов, ток через светодиод резко растет, что может привести к выходу его из строя. Для ограничения этого тока, последовательно со светодиодом включают резистор, который ограничивает ток таким образом, что он не превышал рабочий ток, указанный в характеристиках светодиода.

Формулы для расчетов

Ток через ограничительный резистор R s можно рассчитать по формуле закона Ома, в которой из напряжения питания V s вычитается прямое падение напряжения на светодиоде V f:

Здесь V s напряжение источника питания в вольтах (например, 5 В от шины USB), V f прямое падение напряжения на светодиоде и I прямой ток через светодиод в амперах. Значения V f и I f приводятся в технических характеристиках светодиода. Типичные значения V f показаны выше в таблице. Типичный ток индикаторных светодиодов 20 мА.

После расчета сопротивления резистора, из ряда номиналов сопротивлений выбирается ближайшее большее стандартное значение. Например, если расчет показывает, что нужен резистор R s = 145 ом, мы (и калькулятор) выберем резистор R s = 150 ом.

Токоограничительный резистор рассеивает определенную мощность, которая рассчитывается по формуле

Для надежной работы резистора его мощность выбирается вдвое выше расчетой. Например, если по формуле получилось 0,06 Вт, мы выберем резистор на 0,125 Вт.

А теперь рассчитаем эффективность работы нашей схемы (ее КПД), который покажет какой процент мощности, отдаваемой источником питания, потребляется светодиодом. На светодиоде рассеивается такая мощность:

Тогда общее потребление будет равно

КПД схемы включения светодиода с ограничительным резистором:

Для выбора источника питания необходимо рассчитать ток, который он должен отдавать в схему. Это делается по формуле:

Светодиодные массивы

Одиночный светодиод можно зажигать с помощью токоограничительного резистора. Однако для питания светодиодных массивов, которые все чаще используются для освещения, подсветки в телевизорах и компьютерных мониторах, в рекламе и для других целей, необходимы специализированные источники питания. Мы все привыкли к источникам, выдающим стабилизированное напряжение питания. Однако, для питания светодиодов нужны источники, в которых стабилизируется ток, а не напряжение. Однако и с такими источниками ограничительные резисторы все равно устанавливают.

Если нужно изготовить светодиодный массив, используют несколько последовательных светодиодных цепей, соединенных параллельно. Для цепи из последовательных светодиодов необходим источник питания с напряжением, которое превышает сумму падений напряжений на отдельных светодиодах. Если его напряжение выше этой суммы, необходимо включить в цепь один токоограничительный резистор. Через все светодиоды течет одинаковый ток, что (до определенной степени) позволяет получить одинаковую яркость.

Однако если один из светодиодов в цепи откажет так, что он будет в обрыве (именно такой отказ чаще всего и происходит), вся цепочка светодиодов погаснет. В некоторых схемах и конструкциях для предотвращения таких отказов вводят особый шунт, например, ставят стабилитрон параллельно каждому диоду. Когда диод сгорает, напряжение на стабилитроне становится достаточно высоким и он начинает проводить ток, обеспечивая работу исправных светодиодов. Этот подход хорош для маломощных светодиодов, однако в схемах, предназначенных для наружного освещения, нужны более сложные решения. Конечно, это приводит к увеличению стоимости и габаритов устройств. Сейчас (в 2018 году) можно наблюдать, что светодиодные фонари на улицах, при планируемом сроке службы в 10 лет служат не более года. То же относится и к бытовым светодиодным лампам, в том числе и производителей с известными именами.

При расчете требуемого сопротивления токоограничительного резистора R s , все падения напряжения на каждом светодиоде складываются. Например, если падение напряжения на каждом из пяти соединенных последовательно горящих светодиодов составляет 2 В, то полное падение напряжение на всех пяти будет 2 × 5 = 10 В.

Несколько идентичных светодиодов можно соединять и параллельно. У параллельно соединенных светодиодов прямые напряжения V f должны быть одинаковыми - иначе в них не будут протекать одинаковые токи и их яркость будет различной. Если светодиоды соединяются параллельно, очень желательно ставить токоограничительный резистор последовательно с каждым из них. При параллельном соединении отказ одного светодиода, при котором он будет в обрыве, не приведет к выходу из строя всего массива - он будет работать нормально. Другой проблемой параллельного соединения является выбор эффективного источника питания, обеспечивающего большой ток при низком напряжении. Такой источник питания будет стоить намного больше, чем источник той же мощности, но на высокое напряжение и меньший ток.

Расчет токоограничительных резисторов

Если определяется как

Если количество светодиодов в последовательной цепи N LEDs in string (обозначенное N s в поле ввода) введено, то максимальное количество светодиодов в цепи последовательно соединенных светодиодов N LEDs in string max определяется как

При подключении светодиодов небольшой мощности чаще всего используется гасящий резистор. Это наиболее простая схема подключения, которая позволяет получить требуемую яркость без использования дорогостоящих . Однако, при всей ее простоте, для обеспечения оптимального режима работы необходимо провести расчет резистора для светодиода.

Светодиод как нелинейный элемент

Рассмотрим семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) для светодиодов различных цветов:

Эта характеристика показывает зависимость тока, проходящего через светоизлучающий диод, от напряжения, приложенного к нему.

Как видно на рисунке, характеристики имеют нелинейный характер. Это означает, что даже при небольшом изменении напряжения на несколько десятых долей вольта, ток может измениться в несколько раз.

Однако при работе со светодиодами обычно используют наиболее линейный участок (т.н. рабочую область) ВАХ, где ток изменяется не так резко. Чаще всего производители указывают в характеристиках светодиода положение рабочей точки, то есть значения напряжения и тока, при которых достигается заявленная яркость свечения.

На рисунке показаны типовые значения рабочих точек для красных, зеленых, белых и голубых светодиодов при токе 20 мА. Здесь можно заметить, что led разных цветов при одинаковом токе имеют разное падение напряжения в рабочей области. Эту особенность следует учитывать при проектировании схем.

Представленные выше характеристики были получены для светоизлучающих диодов, включенных в прямом направлении. То есть отрицательный полюс питания подключен к катоду, а положительный – к аноду, как показано на картинке справа:

Полная же ВАХ выглядит следующим образом:

Здесь видно, что обратное включение бессмысленно, поскольку светодиод не будет излучать, а при превышении некоторого порога обратного напряжения выйдет из строя в результате пробоя. Излучение же происходит только при включении в прямом направлении, причем интенсивность свечения зависит от тока, проходящего через led. Если этот ток ничем не ограничивать, то led перейдет в область пробоя и перегорит. Если нужно установить рабочий светодиод или нет, то Вам будет полезна статья подробно раскрывающая все способы .

Как подобрать резистор для одиночного светодиода

Для ограничения тока светоизлучающего диода можно использовать резистор, включенный таким образом:

Теперь определяем, какой резистор нужен. Для расчета сопротивления используется формула:

где U пит — напряжение питания,

U пад- падение напряжения на светодиоде,

I — требуемый ток светодиода.

При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, будет пропорциональна квадрату тока:

Например, для красного светодиода Cree C503B-RAS типовое падение напряжения составляет 2.1 В при токе 20 мА. При напряжении питания 12 В сопротивление резистора будет составлять

Из стандартного ряда сопротивлений Е24 подбираем наиболее близкое значение номинала – 510 Ом. Тогда мощность, рассеиваемая на резисторе, составит

Таким образом, потребуется гасящий резистор номиналом 510 Ом и мощностью рассеивания 0.25 Вт.

Может сложиться впечатление, что при низких напряжениях питания можно подключать led без резистора. На этом видео наглядно показано, что произойдет со светоизлучающим диодом, включенного таким образом, при напряжении всего 5 В:

Светодиод сначала будет работать, но через несколько минут просто перегорит. Это вызвано нелинейным характером его ВАХ, о чем говорилось в начале статьи.

Никогда не подключайте светодиод без гасящего резистора даже при низком напряжении питания. Это ведет к его выгоранию и, в лучшем случае, к обрыву цепи, а в худшем – к короткому замыканию.

Расчет резистора при подключении нескольких светодиодов

При последовательном соединении используется один резистор, задающий одинаковый ток всей цепочке led. При этом следует учитывать, что источник питания должен обеспечивать напряжение, превышающее общее падение напряжения на диодах. То есть при соединении 4 светодиодов с падением 2.5 В потребуется источник напряжением более 10 В. Ток при этом для всех будет одинаковым. Сопротивление резистора в этом случае можно рассчитать по формуле:

где — напряжение питания,

— сумма падений напряжения на светодиодах,

— ток потребления.

Так, 4 зеленых светодиода Kingbright L-132XGD напряжением 2.5 В и током 10 мА при питании 12 В потребуют резистора сопротивлением

При этом он должен рассеивать мощность

При параллельном подключении каждому светоизлучающему диоду ток ограничивает свой резистор. В таком случае можно использовать низковольтный источник питания, но ток потребления всей цепи будет складываться из токов, потребляемых каждым светодиодом. Например, 4 желтых светодиода BL-L513UYD фирмы Betlux Electronics с потреблением 20 мА каждый, потребуют от источника ток не менее 80 мА при параллельном включении. Здесь сопротивление и мощность резисторов для каждой пары «резистор – led» рассчитываются так же, как при подключении одиночного светодиода.

Обратите внимание, что и при последовательном, и при параллельном соединении используются источники питания одинаковой мощности. Только в первом случае потребуется источник с большим напряжением, а во втором – с большим током.

Нельзя подключать параллельно несколько светодиодов к одному резистору, т.к. либо они все будут гореть очень тускло, либо один из них может открыться чуть раньше других, и через него пойдет очень большой ток, который выведет его из строя.

Программы для расчета сопротивления

При большом количестве подключаемых led, особенно если они включены и последовательно, и параллельно, рассчитывать сопротивление каждого резистора вручную может быть проблематичным.

Проще всего в таком случае воспользоваться одной из многочисленных программ расчета сопротивления. Очень удобным в этом плане является онлайн калькулятор на сайте cxem.net:

Он включает в себя небольшую базу данных самых распространенных светодиодов, поэтому необязательно вручную набирать значения падения напряжения и тока, достаточно указать напряжение питания и выбрать из списка нужный светоизлучающий диод. Программа рассчитает сопротивление и мощность резисторов, а также нарисует схему подключения или принципиальную схему.

Например, с помощью этого калькулятора был рассчитан резистор для трех XLamp MX3 при напряжении питания 12 В:

Также программа обладает очень полезной функцией: она подскажет цветовую маркировку требуемого резистора.

Еще одна простая программа для расчета сопротивления распространенная на просторах интернета разработана Сергеем Войтевичем с портала ledz.org.

Здесь уже вручную выбирается способ подключения светодиодов, напряжение и ток. Программа не требует установки, достаточно распаковать ее в любую директорию.

Заключение

Гасящий резистор – самый простой ограничитель тока для светодиодной цепи. От его подбора зависит ток, а значит, интенсивность свечения и долговечность led. Однако следует помнить, что при больших токах на резисторе будет выделяться значительная мощность, поэтому для питания мощных светодиодов лучше применять драйверы.