Светодиод в импульсном режиме

Светодиод в импульсном режиме

В статье "ИК светодиод в предельных режимах работы" описана работа конкретной модели светодиода. Но все светодиоды способны работать в импульсном режиме. В связи с тем что статья вызвала Ваш интерес, который по не вполне понятным причинам замкнулся на описанном ИК светодиоде АЛ106, я решил написать эту статью расширив ее на применение современных мощных светодиодов.

Области применения современных мощных светодиодов

Светодиоды большой мощности выпускаются в нескольких спектральных диапазонах со все более широкой номенклатуре мощности. Они все больше применяются в нашей жизни, от различных сигнальных устройств (в том числе и в автотехнике), технических подсветок до местного освещения и освещения открытых пространств.

В этих случаях условия применения полностью соответствуют рекомендациям производителей.

Для их питания применяются специальные источники питания (драйверы), которые позволяют преобразовать напряжение питающей сети переменного тока в низкое напряжения постоянного тока.

Импульсный режим режим работы мощных светодиодов

Для некоторых применений требуется использование светодиодов в импульсном режиме. Это:

• Стробоскопы,
• Датчики охранных систем,
• Специальные осветители,
• Импульсных осветителях (вспышках).

Импульсный режим (1, 2), позволяет выделить необходимый импульсный сигнал на фоне внешних засветок. Кроме того импульсный режим позволяет светодиоду выдать большую световую мощность или световой поток, чем в непрерывном режиме при той же мощностью тепловыделения.

1. Импульсные режимы работы источников света применяются в стробоскопических системах для подсветки при съемках и наблюдении быстрых циклических процессов.
2. В охранных системах, для увеличения их помехозащищенности в условиях внешних засветок и увеличения дальности работы.
3. В специальных осветителях для увеличения световой мощность на объекте наблюдаемом с помощью оптико-электронных устройств и их освещения синхронного с частотой работы съемочного оборудования (в том числе и ИК мощных осветителей).
4. В импульсных осветителях для фотосъемки (фото вспышках) для получения многократного превышения световой мощности на снимаемом удаленном объекте.

( В фотовспышках на светодиодах работающих в импульсном режиме возможно применение применение оптического формирование светового потока на удаленном объекте )

Особенности работы светодиода в импульсном режиме

В связи с тем, что наибольшее тепловыделение на любом коммутирующем электронном приборе работающем в импульсном режиме происходит на фронтах питающего тока, для заметного выигрыша при переходе в этот режим необходимо максимально снижать время переключения.

Не все светодиоды удовлетворяют этому требованию, прежде всего потому что применяемое параллельное их соединение приводит к суммированию их и так не малой емкости. А для питания устройств с собственной большой емкостью необходимо применять специальные схемы, способные работать на высокие емкости нагрузки . Поэтому выбирая светодиод для эксперимента с повышенным током питания в импульсном режиме необходимо проверить время переключения.

При большом времени переключения падает КПД системы СД + ключ управления (может достигать 50%), получаем дополнительное тепловыделение на управляющем ключе.

Применение мощного светодиода KPXX-080-5 в импульсном режиме

Рассмотрим применение мощного светодиода KPXX-080-5 (5Вт) в импульсном режиме. В паспортных характеристиках указывается, что данный светодиод работает в импульсном режиме при импульсном прямом токе 2000 мА и скважности 1/10 на частота 1 кГц. Его характеристики:

Абсолютные максимальные значения. Таблица 1.

Электрические характеристики (I_F=1500 мА, T_j=25°C). Таблица 2.

Как было написано выше, одним из ограничений рабочего тока светодиода является ограничение его мощности тепловыделения на уровне — P ср < P и* Q , что приводит к превышению допустимой температуры перехода. Для данного светодиода в связи с его большим тепловым сопротивлением (10°С/Вт) и одновременного с ростом тока — ростом напряжения на светодиоде предельная мощность достигается уже при токе 2 А. Прирост светового потока при этом токе может достигать 30%. Но экспериментальная оптимизация режима (отбор экземпляра, подбор максимального тока при соблюдении указанных выше ограничений, усиление охлаждения с помощью дополнительного теплоотвода) может позволить поднять рабочий ток до 3А и соответственно световой поток в 2 раза.

Можно предположить, что в режиме одиночного импульса (фото-вспышка) световой поток может достигать 600 — 1000 Лм, а при принятии оговоренных выше дополнительных мер возможно и до 3000 Лм.

Предельные характеристики мощных светодиодов на начало 2010 года

Не вдаваясь в конкретные конструкции светодиодов существующих в настоящее время можно отметить:

На рисунке 1 схематически изображена конструкция светодиодов SST-80 :

Необходимой принадлежностью мощных светодиодов является теплоотвод, поскольку тепловыделение достигает 40 Вт на кристалл (светодиод).

Другие характеристики светодиода приведены на рис. 2 — 5.

Заключение

Главным недостатком светодиодов является достаточно высокое падение напряжения на светодиоде, которое определяется физикой генерации света в p-n переходе любого светодиода. Для видимого света это напряжение составляет (для одного светодиода) около 3,2 — 3,8 В, и с ростом тока растет (см. рис. 3.). Это определяет высокое тепловыделение на светодиоде. Это с ростом мощности светодиода приведет к увеличению размера светильника.

Например — при мощности тепловыделения 10 Вт для отвода выделяемого тепла требуется порядка 200 см 2 площади теплоотвода, при естественном охлаждении.

Применение низкого напряжения и достаточно большого тока для питания мощного светодиода требует применение специального источника питания который еще увеличивает размеры осветительного устройства с применением мощного светодиода и одновременно снижает его КПД. И увеличивает тепловыделение.

Параметры тока для подключения светодиода: как определить и рассчитать правильные

Применение светодиодов постоянно расширяется. При необходимости замены вышедшего из строя элемента надо подобрать аналог, соответствующий по всем параметрам. Для этого надо прежде всего знать ток светодиода и другие его характеристики. Рассмотрим, как узнать мощность LED-светильников, руководствуясь различными методиками.

Параметры тока, важные для подключения диода в сеть

Работа светодиодов базируется на трех основных параметрах:

• напряжение питания;
• ток потребления;
• рассеиваемая мощность.

Наиболее важными из них являются напряжение светодиода и сила тока. Значение мощности несложно вычислить самостоятельно, перемножив эти два показателя. Знание этих параметров может пригодиться на любых стадиях работ с элементами — от замены вышедших из строя, до подбора источника питания. Базовые характеристики светодиодов необходимо рассмотреть внимательнее:

Потребляемый ток LED

Сила тока определяет стабильность функционирования элемента. Увеличение этого параметра, даже в небольших пределах, вызывает преждевременное старение кристалла (снижение интенсивности свечения) с одновременным усилением цветовой температуры. Для защиты от превышения силы тока в светодиодных светильниках или лампах устанавливаются драйверы — стабилизаторы. Подключение к сети отдельных светодиодов производится через резисторы, обеспечивающие соответствующее падение напряжения и силы тока. Номинал этих резисторов должен быть рассчитан для каждого светодиода исходя из его характеристик.

Интересно! Сила тока, предусмотренная для большинства светодиодов, равна 20 мА (0,002 А). Существуют конструкции, состоящие из 4 кристаллов, потребление которых составляет 8 мА (4 кристалла по 2 мА). Необходимо обеспечивать соответствие истинных значение номинальным показателям элементов, иначе из-за превышения неминуемо произойдет выход из строя.

Напряжение

«Напряжение на светодиоде» — это не совсем верное выражение. Правильнее применять термин «падение напряжения», обозначающий величину на выходе устройства при пропускании через светодиод номинального тока. Элементы разных цветов имеют собственное рабочее напряжение:

• для синих, белых или зеленых светодиодов напряжение составляет 3 вольта;
• красные и желтые устройства — от 1,8 до 2,4 В.

По этим показателям можно примерно определить напряжение светодиода. Однако, нельзя уверенно сказать, какое напряжение является номинальным для данного элемента, если просто посмотреть на его цвет и не выполнить никаких дополнительных измерений. При изменении параметров тока оттенок свечения изменяется, поэтому визуально определяется не номинал, а реально существующее напряжение.

Мощность диода

Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Показатель расчетный, внешне он практически не подлежит определению. Точно узнать мощность светодиода можно из данных на упаковке, с определенной долей погрешности параметр измеряется мультиметром. Подготовленный, опытный человек способен определить значение по внешнему виду элемента, но и тут возможны ошибки, поскольку многие модели очень похожи друг на друга.

Почему важно знать эти характеристики

Знание всех рабочих параметров светодиода поможет произвести правильную замену сгоревшего элемента. Кроме того, если знать потребление тока и вольтаж, можно вычислить мощность устройства, которая необходима при подборе соответствующего блока питания.

Например, если имеется светодиод с напряжением 3 В и силой тока 0,1 А, его мощность составит 0,3 Вт. Соответственно, при соединении 10 штук значение увеличится до 3 Вт.

Исходя из этих показателей, для сборки понадобится блок питания мощностью 3,3 Вт (с учетом 10% запаса для более стабильной работы).

Как определить параметры светодиода по внешнему виду

Определить рабочие параметры или тип по внешнему виду очень непросто. Редко встречаются люди, способные узнать тот или иной вид светодиода по внешним признакам. Обычно, они по роду деятельности постоянно имеют с ними дело и начинают узнавать элементы с первого взгляда.

Возможность определить тип визуально значительно ограничена. Можно попробовать проверить тип элемента по фотографиям в интернете. Составить поисковый запрос с указанием признаков неизвестного светодиода не сложно, после чего попытаться идентифицировать его, сличая с подобными устройствами на картинках. Проще всего определиться с типом устройств, если иметь дело со светодиодными лампами.

Важно! Тип диода определяется достаточно легко — по форме корпуса, размеру и цвету линзы, прочим характерным признакам. Более подробные характеристики можно получить только методом измерений с помощью мультиметра или подобных приспособлений.

Как определить параметры тока для светодиода: способы, примеры расчета

Определение параметров неизвестного светодиода может быть произведено различными способами, на основе той или иной методики. Некоторые из них являются чисто математическими, полученными с помощью расчетов на основе полученных данных. Другие варианты предполагают проведение измерений характеристик светодиодов с помощью специальных приборов (тестеров или мультиметров).

Зачем нужно знать ток

Информация о том, какой потребляет ток данный светодиод, позволит избежать перегрузок или нарушения рабочего режима при эксплуатации светильников. Небольшое понижение напряжения способствует продлению срока службы, но превышение параметров резко ускоряет выход из строя отдельных элементов или всей цепи.

Если производится сборка цепи из большого количества светильников, обязательно измерьте силу тока и сравните полученное значение с паспортными данными. Если имеется превышение заданных 20 мА, необходимо увеличить гасящее сопротивление (подобрать резисторы с большим номиналом). Если ток в цепи окажется немного меньше (порядка 18 мА), то ничего исправлять не надо. Такое значение не сможет заметно снизить яркость свечения, но смягчит режим работы и позволит увеличить срок службы светильников.

Способы определения силы тока, напряжения и других параметров

Далеко не все знают, как определить ток и прочие параметры неизвестного светодиода. Существуют разные варианты, требующие определенных знаний и практической подготовки, или простого наличия измерительного прибора. От применяемой методики зависит точность и корректность проверки устройства. Пользователи обычно прибегают к наиболее простому и доступному для себя способу определения рабочих характеристик, хотя он может оказаться не самым эффективным. Известны следующие варианты:

• измерение специальными приборами (мультиметром);
• расчет параметров с использованием теоретических методик;
• визуальное определение типа светодиода.

Выбор того или иного типа проверки обусловлен возможностями и степенью подготовки пользователя. Рассмотрим их подробнее.

Мультиметром

Существует два основных рабочих параметра, подлежащих измерению тестером:

• рабочий ток;
• прямое падение напряжения.

Важно! Узнать ток несложно путем простого измерения мультиметром в разрыве цепи. Необходимо учесть, что рабочий ток для светодиода является собственным, индивидуальным показателем. Изготовитель указывает нужное значение на упаковке каждого элемента. Падение напряжения определяется измерением в точках цепи перед устройством и сразу после него.

Необходимо правильно определять анод и катод. У элементов обычной конструкции (с длинными ножками) анод более длинный. На впаянных в схему деталях проверку выполняют последовательным изменением полярности, если с первого раза она не была правильно определена. На мультиметре переключатель устанавливается в соответствующее положение:

• DCV — измерение постоянного напряжения;
• DCA — измерение постоянного тока до 200 мА.

Показания тестера дают достаточно точные данные, ограниченные лишь собственной погрешностью данного прибора. Ценность этого способа состоит в непосредственном измерении устройства, находящегося в конкретных условиях. Данные, отображающиеся на дисплее, позволяют делать выводы о режиме работы и состоянии как самого светодиода, так и всей схемы целиком.

По закону Ома

Теоретический метод определения параметров удобен тем, что позволяет обойтись без использования приборов и определить, сколько вольт в светодиоде, сугубо расчетным путем. Проверка состоит в расчете параметров по общеизвестной формуле:

Или, проще, напряжение равно произведению силы тока на сопротивление.

Важно! Исходя из этого соотношения можно математически вывести любой из параметров. Зная некоторые величины и подставляя их в формулу, несложно рассчитать неизвестные параметры. Однако, необходимо иметь некоторый опыт подобных вычислений, чтобы не ошибиться в единицах измерения или не перепутать исходные данные.

По внешнему виду

Визуальное определение параметров — весьма сомнительное занятие, дающее минимальное и не всегда корректное понятие. Однако, в ситуациях со светодиодами, внешние признаки иногда могут дать вполне достоверную информацию.

Например, синий оттенок в работающего элемента свидетельствует о завышенном напряжении питания. Прямое падение напряжения светодиодов обычно находится в определенных пределах, обеспечивающих заданный цвет элемента.

Изменение режима может говорить об отсутствии (или коротком замыкании) в цепи гасящего резистора.

Основные выводы

Возможность определения рабочих характеристик светодиода позволяет создать для него оптимальный режим функционирования. В результате элемент сможет продемонстрировать максимальный срок службы и эффективность, выдать достаточную яркость свечения без перегрузок. Знание номинальных параметров устройства позволит исправить ошибки соединения, подобрать наиболее подходящий тип источника питания, избежать аварийных ситуаций или перегрузок. Умение грамотно определить характеристики светодиода подразумевает знание различных методик проверки, от простого определения работоспособности, до более детальной проверки рабочего тока, напряжения и мощности. Это расширит возможности и позволит использовать один из вариантов, доступный в заданных условиях.

Правильное включение светодиода

Светодиод — это диод способный светится при протекании через него тока. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

Цвет свечения светодиода зависит от добавок добавленных в полупроводник. Так, например, примеси алюминия, гелия, индия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот заставляет светодиод светится от голубого до зеленного цвета. При добавке люминофора в кристалл голубого свечения, светодиод будет светиться белым светом. В настоящее время промышленность выпускает светодиоды свечения всех цветов радуги, однако цвет зависит не от цвета корпуса светодиода, а именно от химических добавок в его кристалле. Светодиод любого цвета может иметь прозрачный корпус.

Первый светодиод был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса. В начале 1990-ых годов на свет появились яркие светодиоды, а чуть позже сверх яркие.
Преимущество светодиодов перед лампочками накаливания не оспоримы, а именно:

Маркировка светодиодов

Рис. 1. Конструкция индикаторных 5 мм светодиодов

В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор задает первоначальный угол рассеивания.
Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы . Доходит до линзы — и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы, на практике — от 5 до 160 градусов.

Излучающие светодиоды можно разделить на две большие группы: светодиоды видимого излучения и светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона. Первые применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, последние — в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, датчиках.
Светоизлучающие диоды маркируются цветовым кодом (табл. 1). Сначала необходимо определить тип светодиода по конструкции его корпуса (рис. 1), а затем уточнить его по цветной маркировке по таблице.

Рис. 2. Виды корпусов светодиодов

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают почти всех цветов: красный, оранжевый, желтый, желтый, зеленый, синий и белый. Синего и белого светодиода немного дороже, чем другие цвета.
Цвет светодиодов определяется типом полупроводникового материала, из которого он сделан, а не цветом пластика его корпуса. Светодиоды любых цветов бывают в бесцветном корпусе, в таком случае цвет можно узнать только включив его…

Таблица 1. Маркировка светодиодов

Многоцветные светодиоды

Устроен многоцветный светодиод просто, как правило это красный и зеленый объединенные в один корпус с тремя ножками. Путём изменения яркости или количества импульсов на каждом из кристаллов можно добиваться разных цветов свечения.

Светодиоды подключаются к источнику тока, анодом к плюсу, катодом к минусу. Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом, но бывают и исключения, поэтому лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор. Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования резистор с номинальным сопротивлением 1кОм подходит большинству светодиодов если напряжение 12V или менее.

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Почему? Как уже ясно из названия, светодиод это не выпрямительный диод, и, хотя свойство пропускать ток в одном направлении у них общее, между ними есть значительная разница. Для того, что светодиод излучал в видимом диапазоне, у него значительно более широкая запрещенная зона, чем у обычного диода. А от ширины запрещенной зоны напрямую зависит такой паразитный параметр диодов, как внутренняя емкость. При изменении направления тока, эта емкость разряжается, за какое-то время, называемое временем закрытия, зависящее от размеров этой емкости. Во время разряда емкости, светодиодный кристалл испытывает значительные пиковые нагрузки на протяжении гараздо большего времени, нежели обычный диод. При последующем изменении направления тока на «правильное» ситуация повторяется. Поскольку время закрытия / открытия у обычных диодов значительно меньше, необходимо использовать их в цепях переменного тока, включая последовательно со светодиодами, для снижения негативного влияния переменного тока на светодиодный кристалл. Если светодиодное изделие не имеет встроенной защиты от переполюсовки, то ошибка подключения также приведет к снижению срока службы. В некоторые светодиоды токоограничивающий резистор встроен «с завода» и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды встречаются довольно редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний токоограничивающий резистор.

Сразу следует предупредить: не следует направлять луч светодиода непосредственно в свой глаз (а также в глаз товарища) на близком расстоянии, что может повредить зрение.

Напряжение питания

Две главных характеристики светодиодов это падение напряжения и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например, четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА. Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при котором наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется “рабочей” зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.

Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, поэтому нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное, чтобы напряжение, от которого (через резистор) питается светодиод, было выше прямого падения напряжения светодиода (прямое падение напряжения указывается в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в среднем от 1,8 до 3,6 вольт).
Напряжение, указанное на упаковке светодиодов — это не напряжение питания. Это величина падения напряжения на светодиоде. Эта величина необходима, чтобы вычислить оставшееся напряжение, «не упавшее» на светодиоде, которое принимает участие в формуле вычисления сопротивления резистора, ограничивающего ток, поскольку регулировать нужно именно его.
Изменение напряжение питания всего на одну десятую вольта у условного светодиода (с 1,9 до 2 вольт) вызовет пятидесятипроцентное увеличение тока, протекающего через светодиод (с 20 до 30 милиампер).

Для каждого экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение, а ток.

Величина тока для светодиода является основным параметром, и как правило, составляет 10 или 20 миллиампер. Неважно, какое будет напряжение. Главное, чтобы ток, текущей в цепи светодиода, соответствовал номинальному для светодиода. А ток регулируется включённым последовательно резистором, номинал которого вычисляется по формуле:

R — сопротивление резистора в омах.
Uпит — напряжение источника питания в вольтах.
Uпад — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
I — максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
0,75 — коэффициент надёжности для светодиода.

Не следует также забывать и о мощности резистора. Вычислить мощность можно по формуле:

P — мощность резистора в ваттах.
Uпит — действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.
Uпад — прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
R — сопротивление резистора в омах.

Расчет токогораничивающего резистора и его мощности для одного светодиода

Типичные характеристики светодиодов

Типовые параметры белого индикаторного светодиода: ток 20 мА, напряжение 3,2 В. Таким образом, его мощность составляет 0,06 Вт.

Также к маломощным относят светодиоды поверхностного монтажа — SMD. Он подсвечивают кнопки в вашем сотовом, экран вашего монитора, если он с LED-подсветкой, из них изготовлены декоративные светодиодные ленты на самоклеющейся основе и многое другое. Есть два наиболее распостраненных типа: SMD 3528 и SMD 5050. Первые содержат такой же кристалл, как и индикаторные светодиоды с выводами, то есть его мощность 0,06 Вт. А вот второй — три таких кристалла, поэтому его нельзя уже называть светодиодом — это светодиодная сборка. Принято называть SMD 5050 светодиодами, однако это не совсем правильно. Это — сборки. Их общая мощность, соответственно, 0,2 Вт.
Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

Таблица падения напряжений светодиодов в зависимости от цвета

По величине падения напряжения при тестировании светодиодов мультиметром можно определить примерный цвет свечения светодиода согласно таблице.

Последовательное и параллельное включение светодиодов

При последовательном подключении светодиодов сопротивление ограничивающего резистора рассчитывается также, как и с одним светодиодом, просто падения напряжений всех светодиодов складываются между собой по формуле:

При последовательном включении светодиодов важно знать о том, что все светодиоды, используемые в гирлянде, должны быть одной и той же марки. Данное высказывание следует взять не за правило, а за закон.

Что б узнать какое максимальное количество светодиодов, возможно, использовать в гирлянде, следует воспользоваться формулой

При таком подсчете “N” может иметь дробный вид, например 5,8. Естественно вы не сможете использовать 5,8 светодиодов, посему следует дробную часть числа отбросить, оставив только целое число, то есть 5.

Ограничительный резистор, для последовательного включения светодиодов рассчитывается точно также как и для одиночного включения. Но в формулах добавляется еще одна переменная “N” – количество светодиодов в гирлянде. Очень важно чтобы количество светодиодов в гирлянде было меньше или равно “Nmax”- максимально допустимому количеству светодиодов. В общем, должно выполнятся условие: N =

Расчет и подбор сопротивления для светодиода

Светодиод является полупроводниковым прибором с нелинейной вольт-амперная характеристикой (ВАХ). Его стабильная работа, в первую очередь, зависит от величины, протекающего через него тока. Любая, даже незначительная, перегрузка приводит к деградации светодиодного чипа и снижению его рабочего ресурса.

Чтобы ограничить ток, протекающий через светодиод на нужном уровне, электрическую цепь необходимо дополнить стабилизатором. Простейшим, ограничивающим ток элементом, является резистор.

Важно! Резистор ограничивает, но не стабилизирует ток.

Расчет резистора для светодиода не является сложной задачей и производится по простой школьной формуле. А вот с физическими процессами, протекающими в p-n-переходе светодиода, рекомендуется познакомиться ближе.

Теория

Математический расчет

Ниже представлена принципиальная электрическая схема в самом простом варианте. В ней светодиод и резистор образуют последовательный контур, по которому протекает одинаковый ток (I). Питается схема от источника ЭДС напряжением (U). В рабочем режиме на элементах цепи происходит падение напряжения: на резисторе (U_R) и на светодиоде (U_LED). Используя второе правило Кирхгофа, получается следующее равенство: или его интерпретация

В приведенных формулах R – это сопротивление рассчитываемого резистора (Ом), R_LED – дифференциальное сопротивление светодиода (Ом), U – напряжения (В).

Значение R_LED меняется при изменении условий работы полупроводникового прибора. В данном случае переменными величинами являются ток и напряжение, от соотношения которых зависит величина сопротивления. Наглядным объяснением сказанного служит ВАХ светодиода. На начальном участке характеристики (примерно до 2 вольт) происходит плавное нарастание тока, в результате чего R_LED имеет большое значение. Затем p-n-переход открывается, что сопровождается резким увеличением тока при незначительном росте прикладываемого напряжения.

Путём несложного преобразования первых двух формул можно определить сопротивление токоограничивающего резистора: U_LED является паспортной величиной для каждого отдельного типа светодиодов.

Графический расчет

Имея на руках ВАХ исследуемого светодиода, можно рассчитать резистор графическим способом. Конечно, такой способ не имеет широкого практического применения. Ведь зная ток нагрузки, из графика можно легко вычислить величину прямого напряжения. Для этого достаточно с оси ординат (I) провести прямую линию до пересечения с кривой, а затем опустить линию на ось абсцисс (U_LED). В итоге все данные для расчета сопротивления получены.

Тем не менее, вариант с использованием графика уникален и заслуживает определенного внимания.

Рассчитаем резистор для светодиода АЛ307 с номинальным током 20 мА, который необходимо подключить к источнику питания 5 В. Для этого из точки 20 мА проводим прямую линию до пересечения с кривой LED. Далее через точку 5 В и точку на графике проводим линию до пересечения с осью ординат и получаем максимальное значение тока (I_max), примерно равное 50 мА. Используя закон Ома, рассчитываем сопротивление: Чтобы схема была безопасной и надёжной нужно исключить перегрев резистора. Для этого следует найти его мощность рассеивания по формуле:

В каких случаях допускается подключение светодиода через резистор?

Подключать светодиод через резистор можно, если вопрос эффективности схемы не является первостепенным. Например, использование светодиода в роли индикатора для подсветки выключателя или указателя сетевого напряжения в электроприборах. В подобных устройствах яркость не важна, а мощность потребления не превышает 0,1 Вт. Подключая светодиод с потреблением более 1 Вт, нужно быть уверенным в том, что блок питания выдаёт стабилизированное напряжение.

Если входное напряжение схемы не стабилизировано, то все помехи и скачки будут передаваться в нагрузку, нарушая работу светодиода. Ярким примером служит автомобильная электрическая сеть, в которой напряжение на аккумуляторе только теоретически составляет 12 В. В самом простом случае делать светодиодную подсветку в машине следует через линейный стабилизатор из серии LM78XX. А чтобы хоть как-то повысить КПД схемы, включать нужно по 3 светодиода последовательно. Также схема питания через резистор востребована в лабораторных целях для тестирования новых моделей светодиодов. В остальных случаях рекомендуется использовать стабилизатор тока (драйвер). Особенно тогда, когда стоимость излучающего диода соизмерима со стоимостью драйвера. Вы получаете готовое устройство с известными параметрами, которое остаётся лишь правильно подключить.

Примеры расчетов сопротивления и мощности резистора

Чтобы помочь новичкам сориентироваться, приведем пару практических примеров расчета сопротивления для светодиодов.

Cree XM–L T6

В первом случае проведем вычисление резистора, необходимого для подключения мощного светодиода Cree XM–L к источнику напряжения 5 В. Cree XM–L с бином T6 имеет такие параметры: типовое U_LED = 2,9 В и максимальное U_LED = 3,5 В при токе I_LED=0,7 А. В расчёты следует подставлять типовое значение U_LED, так как. оно чаще всего соответствует действительности. Рассчитанный номинал резистора присутствует в ряду Е24 и имеет допуск в 5%. Однако на практике часто приходится округлять полученные результаты к ближайшему значению из стандартного ряда. Получается, что с учетом округления и допуска в 5% реальное сопротивление изменяется и вслед за ним обратно пропорционально меняется ток. Поэтому, чтобы не превысить рабочий ток нагрузки, необходимо расчётное сопротивление округлять в сторону увеличения.

Используя наиболее распространённые резисторы из ряда Е24, не всегда удаётся подобрать нужный номинал. Решить эту проблему можно двумя способами. Первый подразумевает последовательное включение добавочного токоограничительного сопротивления, который должен компенсировать недостающие Омы. Его подбор должен сопровождаться контрольными измерениями тока.

Второй способ обеспечивает более высокую точность, так как предполагает установку прецизионного резистора. Это такой элемент, сопротивление которого не зависит от температуры и прочих внешних факторов и имеет отклонение не более 1% (ряд Е96). В любом случае лучше оставить реальный ток немного меньше от номинала. Это не сильно повлияет на яркость, зато обеспечит кристаллу щадящий режим работы.

Мощность, рассеиваемая резистором, составит:

Рассчитанную мощность резистора для светодиода обязательно следует увеличить на 20–30%.

Вычислим КПД собранного светильника:

Пример с LED SMD 5050

По аналогии с первым примером разберемся, какой нужен резистор для SMD светодиода 5050. Здесь нужно учесть конструкционные особенности светодиода, который состоит из трёх независимых кристаллов.

Если LED SMD 5050 одноцветный, то прямое напряжение в открытом состоянии на каждом кристалле будет отличаться не более, чем на 0,1 В. Значит, светодиод можно запитать от одного резистора, объединив 3 анода в одну группу, а три катода – в другую. Подберем резистор для подключения белого SMD 5050 с параметрами: типовое U_LED=3,3 В при токе одного чипа I_LED=0,02 А. Ближайшее стандартное значение – 30 Ом.

Принимаем к монтажу ограничительный резистор мощностью 0,25 Вт и сопротивлением в 30 Ом ±5%.

У RGB светодиода SMD 5050 различное прямое напряжение каждого кристалла. Поэтому управлять красным, зелёным и синим цветом, придётся тремя резисторами разного номинала.

Онлайн-калькулятор

Представленный ниже онлайн калькулятор для светодиодов – это удобное дополнение, которое произведет все расчеты самостоятельно. С его помощью не придётся ничего рисовать и вычислять вручную. Всё что нужно – это ввести два главных параметра светодиода, указать их количество и напряжение источника питания. Одним кликом мышки программа самостоятельно произведёт расчет сопротивления резистора, подберёт его номинал из стандартного ряда и укажет цветовую маркировку. Кроме этого, программа предложит уже готовую схему включения.

Дополняя вышесказанное стоит отметить, что если прямое напряжение светодиода значительно ниже напряжения питания, то схемы включения через резистор малоэффективны. Вся лишняя энергия впустую рассеивается резистором, существенно занижая КПД устройства.