Светодиод – это полупроводниковый элемент электрической схемы. Его особенностью является нелинейная вольт-амперная характеристика. Стабильность и срок службы прибора во многом обусловлены силой тока. Малейшие перегрузки приведут к ухудшению качества светодиода (деградации) или его поломке.
Cодержание
Зачем резистор перед светодиодом.
В идеале для работы диоды следует подключать к источнику постоянного тока. В этом случае элемент будет работать стабильно. Но на практике для подключения чаще всего используют более распространенные блоки питания с постоянным напряжением. При этом для ограничения силы тока, которая протекает через LED элемент, нужно включать в электрическую цепь дополнительное сопротивление − резистор. В статье рассмотрены методы расчета резистора для светодиода.
Когда следует подключать светодиод через резистор
Существует несколько случаев, когда такая электрическая схема уместна. Во-первых, токоограничивающий резистор стоит использовать, если эффективность схемы не первоочередная задача. В качестве примера можно привести применение светодиода в качестве индикатора в приборах. В таком случае важно самом свечение, а не его яркость.
Во-вторых, применение резистора оправдано в случаях, когда необходимо выяснить полярность и работоспособность LED элемента. Одним из методов является подключение прибора к блоку питания. В этом качестве часто используют аккумуляторы от мобильных телефонов или батарейки. Напряжение на них может достигать 12 В. Это очень высокая величина, и прямое подключение светодиода приведет к поломке. Для ограничения напряжения в цепь вставляют резистор.
В-третьих, резистор используют в исследовательских целях для изучения работы новых образцов светодиодов.
В других случаях можно воспользоваться драйвером – прибором, стабилизирующим ток.
Математический расчет.
Для подбора сопротивления придется вспомнить школьный курс физики.
На рисунке представлена простая последовательная электрическая схема соединения резистора и диода. На схеме применены следующие обозначения:
- U – входное напряжение блока питания;
- R – резистор с падением напряжения UR;
- LED – светодиод с падением напряжения ULED (паспортное значение) и дифференциальным сопротивлением RLED;
Поскольку элементы соединены последовательно, то сила тока I в них одинакова.
По второму закону Кирхгофа:
U = UR + ULED. (1)
Одновременно используем закон Ома:
U=I*R. (2)
Подставим формулу (2) в формулу (1) и получим:
U = I*R + I*RLED. (3)
Путем простых математических преобразований из формул (1) и (3) найдем искомое сопротивление резистора R:
R = (U — ULED) / I. (4)
Для более точного подбора можно рассчитать мощность рассеивания резистора Р.
Р = U*I. (5)
Примем напряжение блока питания U = 10 В.
Характеристики диода: ULED = 2В, I = 40 мА = 0,04A.
Подставим нужные цифры в формулу (4), получим: R = (10 — 2) / 0,04 = 200 (Ом).
Мощность рассеивания (5): составит Р = (10 – 2) * 0,04 = 0,32 (Вт).
Графический расчет.
При наличии вольт-амперной характеристики несложно определить сопротивление резистора графическим способом. Метод применяется редко, но полезно про него знать.
Для определения искомого сопротивления нужно знать ток нагрузки ILED и напряжение блока питания U. Далее следует перпендикуляр, соответствующий значению тока, до пересечения с вольт-амперной кривой. Затем через точку на графике и значению U провести прямую, которая покажет на оси тока максимальное его значение IMAX. Эти цифры подставляем в закон Ома (2) и вычисляем сопротивление резистора.
Например, ILED = 10 мА, а U = 5 В. По графику IMAX примерно равна 25 мА.
По закону Ома (2) R = U / IMAX = 5 / 0,025 = 200 (Ом).
Примеры вычислений сопротивления для светодиода.
Разберем некоторые наглядные случаи вычисления сопротивления элемента в конкретных схемах.
Вычисление токоограничивающего сопротивления при последовательном соединении нескольких светодиодов.
Из курса физики известно, что в такой схеме значение тока постоянное, а напряжение на LED элементах суммируется.
Возьмем напряжение источника питания U = 12 В.
Характеристики диодов одинаковы: ULED = 2В, ILED = 10 мА.
Преобразуем формулу (4), учитывая три LED элемента.
R = (U – 3*ULED) / I.
R = (12 – 3* 2) / 0,01 = 600 (Ом).
Мощность рассеивания (5) составит: Р = (12 – 2 * 3) * 0,01 = 0,6 (Вт).
Вычисление сопротивления при параллельном соединении светодиодов.
В этом случае постоянным сохраняется напряжение, а силы тока складываются. Поэтому при тех же входных данных (напряжение источника питания U = 12 В, напряжение и ток на диодах ULED = 2В, ILED = 10 мА), расчет будет несколько другим.
Используем формулу (4), учитывая три LED элемента.
R = (U – ULED) /3* I.
R = (12 – 2) / 3*0,01 = 333,3 (Ом).
Мощность рассеивания (5) составит: Р = (12 – 2) * 3*0,01 = 0,3 (Вт).
Однако данное подключение не стоит применять на практике. Даже светодиоды из одной партии не гарантируют одинакового падения напряжений. Из-за этого ток на отдельном LED элементе может превысить допустимый, что может спровоцировать выход элементов из строя.
Для параллельного соединения светодиодов необходимо к каждому из них подключать свой резистор.
Вычисление сопротивления при параллельно-последовательном соединении LED элементов.
Для подключения большого количества светодиодов уместно использовать параллельно-последовательную электрическую схему. Поскольку в параллельных ветках напряжение одинаковое, то достаточно узнать сопротивление резистора в одной цепи. А количество веток не имеет значения.
Напряжение блока питания U = 12 В.
Характеристики диодов одинаковы: ULED = 2В, ILED = 10 мА.
Максимальное количество LED элементов n для одной ветки рассчитывается так:
n = (U — ULED) / ULED (6)
В нашем случае n = (12 — 2) / 2 = 5 (шт).
Сопротивление резистора для одной ветки:
R = (U — n* ULED) / ILED . (7)
Для трех светодиодов оно составит: R = (12 – 3*2)/ 0,01 = 600 (Ом).
