1. теорія
2. графічний розрахунок
3. В яких випадках допускається підключення світлодіода через резистор?
4. Приклади розрахунків опору і потужності резистора
5. Cree XM-L T6
6. Приклад з LED SMD 5050
7. Онлайн-калькулятор

Світлодіод є напівпровідниковим приладом з нелінійної вольт-амперна характеристикою (ВАХ). Його стабільна робота, в першу чергу, залежить від величини, що протікає через нього струму. Будь-яка, навіть незначна, перевантаження призводить до деградації світлодіодного чіпа і зниження його робочого ресурсу.

Щоб обмежити струм, що протікає через світлодіод на потрібному рівні, електричний ланцюг необхідно доповнити стабілізатором. Найпростішим, що обмежує струм елементом, є резистор.

Важливо! Резистор обмежує, але не стабілізує струм.

Розрахунок резистора для світлодіода не є складним завданням і проводиться за простою шкільної формулою. А ось з фізичними процесами, що протікають в pn-переході світлодіода, рекомендується познайомитися ближче.

теорія

математичний розрахунок

Нижче представлена ​​принципова електрична схема в найпростішому варіанті. У ній світлодіод і резистор утворюють послідовний контур, по якому протікає однаковий струм (I). Харчується схема від джерела ЕРС напругою (U). У робочому режимі на елементах ланцюга відбувається падіння напруги: на резисторі (UR) і на світлодіоді (ULED). Використовуючи друге правило Кірхгофа, виходить наступне рівність: або його інтерпретація

У наведених формулах R - це опір розраховується резистора (Ом), RLED - диференційний опір світлодіода (Ом), U - напруги (В).

Значення RLED змінюється при зміні умов роботи напівпровідникового приладу. В даному випадку змінними величинами є струм і напруга, від співвідношення яких залежить величина опору. Наочним поясненням сказаного служить ВАХ світлодіода. На початковій ділянці характеристики (приблизно до 2 вольт) відбувається плавне наростання струму, в результаті чого RLED має велике значення. Потім pn-перехід відкривається, що супроводжується різким збільшенням струму при незначному зростанні прикладається напруги.

Шляхом нескладного перетворення перших двох формул можна визначити опір струмообмежувального резистора: ULED є паспортної величиною для кожного окремого типу світлодіодів.

графічний розрахунок

Маючи на руках ВАХ досліджуваного світлодіода, можна розрахувати резистор графічним способом. Звичайно, такий спосіб не має широкого практичного застосування. Адже знаючи струм навантаження, з графіка можна легко обчислити величину прямої напруги. Для цього досить з осі ординат (I) провести пряму лінію до перетину з кривою, а потім опустити лінію на вісь абсцис (ULED). У підсумку всі дані для розрахунку опору отримані.

Проте, варіант з використанням графіка унікальний і заслуговує на певну увагу.

Розрахуємо резистор для світлодіода АЛ307 з номінальним струмом 20 мА, який необхідно підключити до джерела живлення 5 В. Для цього з точки 20 мА проводимо пряму лінію до перетину з кривою LED. Далі через точку 5 В і точку на графіку проводимо лінію до перетину з віссю ординат і отримуємо максимальне значення струму (Imax), приблизно рівну 50 мА. Використовуючи закон Ома, розраховуємо опір: Щоб схема була безпечною і надійною потрібно виключити перегрів резистора. Для цього слід знайти його потужність розсіювання за формулою:

В яких випадках допускається підключення світлодіода через резистор?

Підключати світлодіод через резистор можна, якщо питання ефективності схеми не є першорядним. Наприклад, використання світлодіода в ролі індикатора для підсвічування вимикача або покажчика напруги в електроприладах. У подібних пристроях яскравість не важлива, а потужність споживання не перевищує 0,1 Вт. Підключаючи світлодіод зі споживанням понад 1 Вт, потрібно бути впевненим в тому, що блок живлення видає стабілізовану напругу.

Якщо вхідна напруга схеми не стабілізована, то все перешкоди і скачки будуть передаватися в навантаження, порушуючи роботу світлодіода. Яскравим прикладом служить автомобільна електрична мережа, в якій напруга на акумуляторі тільки теоретично становить 12 В. В найпростішому випадку робити світлодіодне підсвічування в машині слід через лінійний стабілізатор з серії LM78XX. А щоб хоч якось підвищити ККД схеми, включати потрібно по 3 світлодіода послідовно. Також схема харчування через резистор затребувана в лабораторних цілях для тестування нових моделей світлодіодів. В інших випадках рекомендується використовувати стабілізатор струму (драйвер). Особливо тоді, коли вартість випромінює діода порівнянна з вартістю драйвера. Ви отримуєте готовий пристрій з відомими параметрами, яке залишається лише правильно підключити.

Приклади розрахунків опору і потужності резистора

Щоб допомогти новачкам зорієнтуватися, наведемо пару практичних прикладів розрахунку опору для світлодіодів.

Cree XM-L T6

У першому випадку проведемо обчислення резистора, необхідного для підключення потужного світлодіода Cree XM-L до джерела напруги 5 В. Cree XM-L з біном T6 має такі параметри: типове ULED = 2,9 В і максимальний ULED = 3,5 В при струмі ILED = 0,7 А. У розрахунки слід підставляти типове значення ULED, так як. воно найчастіше відповідає дійсності. Розрахований номінал резистора присутній в ряду Е24 і має допуск в 5%. Однак на практиці часто доводиться округляти отримані результати до найближчого значення із стандартного ряду. Виходить, що з урахуванням округлення і допуску в 5% реальний опір змінюється і слідом за ним обернено пропорційно змінюється струм. Тому, щоб не перевищити робочий струм навантаження, необхідно розрахунковий опір округляти в бік збільшення.

Використовуючи найбільш поширені резистори з ряду Е24, не завжди вдається підібрати потрібний номінал. Вирішити цю проблему можна двома способами. Перший передбачає послідовне включення додаткового струмообмежувальні опору, який повинен компенсувати відсутні Оми. Його підбір повинен супроводжуватися контрольними вимірами струму.

Другий спосіб забезпечує більш високу точність, так як передбачає установку прецизійного резистора. Це такий елемент, опір якого не залежить від температури та інших зовнішніх факторів і має відхилення не більше 1% (ряд Е96). У будь-якому випадку краще залишити реальний струм трохи менше від номіналу. Це не сильно вплине на яскравість, зате забезпечить кристалу щадний режим роботи.

Потужність, що розсіюється резистором, складе:

Розраховану потужність резистора для світлодіода обов'язково слід збільшити на 20-30%.

Обчислимо ККД зібраного світильника:

Приклад з LED SMD 5050

За аналогією з першим прикладом розберемося, який потрібен резистор для SMD світлодіоди 5050 . Тут потрібно врахувати конструкційні особливості світлодіода, який складається з трьох незалежних кристалів.

Якщо LED SMD 5050 одноколірний, то пряме напруга у відкритому стані на кожному кристалі буде відрізнятися не більше, ніж на 0,1 В. Отже, світлодіод можна живити від одного резистора, об'єднавши 3 анода в одну групу, а три катода - в іншу. Підберемо резистор для підключення білого SMD 5050 з параметрами: типове ULED = 3,3 В при струмі одного чіпа ILED = 0,02 А. Найближче стандартне значення - 30 Ом.

Приймаємо до монтажу обмежувальний резистор потужністю 0,25 Вт та опором в 30 Ом ± 5%.

У RGB світлодіоди SMD 5050 різне пряме напруга кожного кристала. Тому управляти червоним, зеленим і синім кольором, доведеться трьома резисторами різного номіналу.

Онлайн-калькулятор

Представлений нижче онлайн калькулятор для світлодіодів - це зручне доповнення, яке справить всі розрахунки самостійно. З його допомогою не доведеться нічого малювати і обчислювати вручну. Все що потрібно - це ввести два головних параметра світлодіода, вказати їх кількість і напруга джерела живлення. Одним кліком мишки програма самостійно зробить розрахунок опору резистора, підбере його номінал зі стандартного ряду і вкаже кольорове маркування. Крім цього, програма запропонує вже готову схему включення.

Доповнюючи вищесказане варто відзначити, що якщо пряма напруга світлодіода значно нижче напруги живлення, то схеми включення через резистор малоефективні. Вся зайва енергія даремно розсіюється резистором, істотно занижуючи ККД пристрою.

Читайте також