Современные светодиодные источники света хорошо приспособлены к длительной эксплуатации в сложных условиях. Однако ограничение электрического сопротивления используется для защиты по току. Точный расчет сопротивления для светодиода поможет безошибочно подобрать функциональные компоненты схемы.
Применение токоограничивающего резистора для светодиода
Резистор служит для ограничения тока
Для декоративного оформления, обеспечения хорошей видимости в затемненном коридоре и решения других практических задач используются светодиоды. Они намного экономичнее классических ламп накаливания. Высокая прочность предотвращает загрязнение окружающей среды вредными химическими соединениями, что не исключено после повреждения колбы газоразрядного источника света.
Учитывая одностороннюю разводку полупроводникового перехода, понятно, что светодиод должен быть подключен к аккумулятору, другому источнику постоянного тока. Напряжение стандартной бытовой сети выпрямляется, снижается до номинального уровня. Резистор ограничивает ток.
Особенности работы и расчеты
Используйте резистор при проверке светодиода
Несмотря на существенные преимущества, внимательные пользователи рекомендуют учитывать и существенные недостатки светодиодных устройств:
- полупроводниковые технологии определяют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ);
- повышение напряжения выше определенного порога сопровождается деградацией p-n перехода;
- при определенном уровне (при прямом или обратном подключении) резкое увеличение тока выводит изделие из строя.
Особое значение имеет собственное малое сопротивление в рабочем режиме. Относительно небольшое изменение основных параметров источника питания может привести к повреждению полупроводникового перехода. По этой причине в схему добавлен токоограничивающий резистор.
Дополнительный пассивный элемент увеличивает энергопотребление. По этой причине рекомендуется использовать такие решения в сочетании с маломощными светодиодами, либо создавать устройства с малой скважностью.
Математический расчет
Таблица зависимости напряжения светодиода от цвета
В простейшей схеме токоограничивающий резистор (R) и светодиод подключены последовательно к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Ui) на выходных зажимах. Рассчитать электрическое сопротивление можно по известной формуле закона Ома (I = U/R).
Пригодится и второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Ui = Ur + Uc, где Ur(Uc) – напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить основные зависимости:
- Ui = I*R + I*Rc;
- R = (Ui – Uc) / I.
Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое нелинейно зависит от напряжения и тока. На противоположной части ВАХ можно выделить блокирующий участок. Значительное увеличение Rc в этой области препятствует движению электронов (Irev = 0). Но при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) происходит пробой p-n перехода.
Рассчитать сопротивление резистора для светодиода на 5В
Поскольку драйвер обеспечивает постоянный ток, особое внимание следует уделить правильному «прямому» подключению. Особенности ВАК:
- на первом участке, вплоть до Un, постепенно уменьшается сопротивление и соответственно увеличивается ток;
- от Un до Um – рабочая зона (излучение в светлой зоне);
- далее – резкое снижение сопротивления провоцирует экспоненциальный рост силы тока с последующим выходом изделия из строя.
Расчет светодиодов осуществляется исходя из значения рабочего напряжения Uc. Производители указывают этот параметр в сопроводительной документации. Для расчета электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора используют формулу: R = (Ui – Uc)/I.
Графический расчет
Вольт-амперная характеристика светодиода
Если вы берете CVC, вы можете использовать графическую технику. Первая графическая и цифровая информация берется из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):
- по первым данным номинальный ток светодиода (In) 25 мА;
- из соответствующей точки (1) на оси вертикальной ординаты проводят штриховую линию до точки пересечения с кривой ВАХ (2);
- отметьте напряжение источника тока (Ui = 5,5 В) по оси абсцисс (3);
- провести линию через точки (2) и (3);
- пересечение с осью Y покажет значение максимально допустимого тока (Im = 60 мА).
Расчет сопротивления резистора для питания диода током 100 мА при напряжении питания 5 вольт
Кроме того, по классической формуле нетрудно рассчитать, какое сопротивление необходимо для светодиода в данном случае: R = Ui / Im = 5,5/0,06 ≈ 91,7. В серийном ряду надо выбирать ближайший номинал с небольшим запасом – 100 Ом. Это решение несколько снизит эффективность. Зато в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше нагреваться. Соответственно уменьшатся нагрузки на полупроводниковое соединение. Ожидайте увеличения срока службы источника света.
Чтобы правильно подобрать резистор, нужно знать мощность (P). Значения по умолчанию (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5. Расчеты можно произвести по всем известным параметрам по формулам: P = Im2 * R = Ur2 / R. Если взять исходные данные соответствующего примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0,36 Вт. При выборе модели необходимо подобрать резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.
Допуски на точность электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30 % от номинального значения. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы указываются латинскими буквами (D – 0,5%; G – 2%; J – 5%).
Подключение светодиода через резистор
Схема подключения светодиодов
На основании представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:
- схемы резистивной защиты используются при малой мощности;
- они не выполняют стабилизирующих функций;
- пассивный элемент не способен гасить импульсные скачки напряжения.
Приемлемые показатели эффективности могут быть достигнуты за счет создания:
- датчики;
- индикаторы;
- сигнальное оборудование.
Для небольшого локального освещения аквариума подходит такое решение. Однако длительное потребление большого количества энергии вряд ли будет приемлемым. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при повышении/понижении напряжения.
Специалисты рекомендуют использовать блоки питания с надежной стабилизацией тока с суммарной потребляемой мощностью более 1,5-2 Вт. Эти устройства (диммеры) применяют для соединения групп осветительных приборов и мощных полупроводниковых приборов.
Расчет резистора для светодиода
Программа расчета сопротивления светодиодов
Сделать необходимые расчеты онлайн можно с помощью специализированного калькулятора. Полное использование таких программ предлагается бесплатно.
Однако доступ в Интернет есть не всегда. Изучив достаточно простую методику, любой желающий сможет быстро подобрать резистор для светодиода без поиска нужного софта.
Для наглядной демонстрации алгоритма рассмотрим подключение защитного резистора к цепи питания (5 В) конкретного светодиода (Epistar 1W HP).
Технические характеристики:
- мощность рассеяния, Вт – 1;
- ток, мА – 350;
- прямое напряжение (типовое/макс.), В – 2,35/2,6.
Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R=(5-2,35)/0,35=7,57 Ом. По стандарту Е24 наиболее близкими значениями являются 7,5 и 8,2 Ом. Если вы используете правила по умолчанию, вам нужно выбрать большее значение, которое отклоняется от расчетного почти на 8,5%. Дополнительная ошибка будет создана с допуском 5% для недорогих продуктов. При таком отклонении трудно добиться приемлемых характеристик схемы по функциям защиты и потребляемой мощности.
Первый способ решить проблему — выбрать больше противников с более низкими оценками. Затем применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй способ заключается в добавлении подстроечного резистора.
Расчет мощности рассеивания
Обозначения резисторов на схемах
В любом случае при выборе электрического сопротивления цепи следует ставить несколько меньший ток, чтобы продлить срок службы светодиода. Во избежание теплового повреждения используйте изделие в рекомендованном диапазоне температур. Для Epistar 1W HP – от -40°C до +80°C. При необходимости используйте крепление на специализированном звездчатом радиаторе. Это дополнение увеличивает эффективную площадь рассеивания тепла.
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 составляет не менее 20-25 %. Значения 1 Вт недостаточно, поэтому выбирается следующее значение в стандартном ряду — 2 Вт.
Эффективность составной схемы регулируется соотношением Uc/Ui = 2,35/5 = 0,47 (47%). Конечный результат показывает, что более половины электроэнергии в этом случае тратится впустую. На самом деле показатель еще хуже, так как не весь потребляемый светодиодом ток расходуется на излучение в видимой части спектра. Значительную часть составляют электромагнитные волны ИК-диапазона.
Параллельное соединение
Параллельное соединение светодиодов
В любой точке последовательной цепи ток одинаков. Это упрощает расчет, предотвращает аварийные ситуации. При выходе из строя одного элемента все светодиоды гаснут. Таким образом, исключается поражение электрическим током. Отмеченные причины объясняют популярность использования этого метода при создании ленточных светильников и других конструкций.
Определенные преимущества дает использование параллельного соединения. В этой версии продукт сохраняет частичную работоспособность при повреждении цепи. Такое решение обеспечивает одинаковое напряжение в точках подключения к источнику питания каждой ветки.
Параллельное соединение подходит для организации независимых цепей управления. На этой технологии основаны принципы работы новогодних венков. Отдельные ветки подключаются к источнику питания по заданному программой алгоритму.
Вы не можете использовать один резистор для нескольких диодов параллельно. Тщательный выбор сопротивления объясняется необходимостью точной регулировки тока. В некоторых ситуациях погрешности в 0,1-0,5 А вызывают поломку, радикальное снижение ресурса.
Фактические технические характеристики светодиодов существенно различаются даже в пределах одной партии продукции. По этой причине каждая цепь защищена отдельным резистором.
Особенности дешёвых ЛЕД
Сравнение китайских и брендовых светодиодных лент
Сама по себе низкая стоимость не является показателем низкого качества. Расширение масштабов производства и совершенствование технологических процессов снижает издержки. Однако в соответствующем сегменте рынка есть продукты от производителей, которые не совсем соответствуют заявленным свойствам.
Для выявления возможных проблем обратите внимание на следующие параметры:
- в дешевых моделях основные детали конструкции выполнены из алюминия;
- медные аналоги тяжелее, эффективнее отводят тепло и устойчивы к механическим воздействиям;
- в качественном продукте размер кристаллов соответствует стандарту (0,762 х 0,762 мм или другой);
- о недостатках косвенно свидетельствует искажение пропорций рабочей зоны (прямоугольник вместо квадрата);
- для повышения надежности ответственные производители увеличивают количество жил, используют нити из драгоценных металлов.
Качественные светодиоды создают световой поток 150-220 люмен на 1 Вт потребления. Подделка – не более 50-70 ч. В случае сомнений защитные компоненты следует выбирать с особой тщательностью.
