Резисторы для светодиодов — правильный расчёт сопротивления. Как рассчитать мощность светодиодной ленты и зачем это нужно Мощность рассеивания резистора для светодиода

Работа светодиода основана на излучении квантов света, возникающих при протекании по нему тока. В зависимости от этого меняется и яркость свечения элемента. При малом токе он светит тускло, а при большом - вспыхивает и сгорает. Для ограничения протекающего через него тока проще всего использовать сопротивление. Выполнить правильный расчёт резистора несложно, но при этом следует помнить, что он только ограничивает, но не стабилизирует ток.

Принцип работы и свойства

Светодиод - это прибор , обладающий способностью излучать свет. На печатных платах и схемах он обозначается латинскими буквами LED (Light Emitting Diode), что в переводе обозначает «светоизлучающий диод». Физически он представляет собой кристалл, помещённый в корпус. Классически им считается цилиндр, одна сторона которого имеет выпуклую округлую форму, являющуюся линзой-полусферой, а другая - плоское основание, и на ней располагаются выводы.

С развитием твердотельных технологий и уменьшения технологического процесса промышленность стала производить SMD-диоды, предназначенные для установки поверхностным монтажом. Несмотря на это, физический принцип работы светодиода не изменился и одинаков как для любого вида, так и для цвета устройства.

Процесс изготовления прибора излучения можно описать следующим образом. На первом этапе выращивают кристалл. Происходит это путём помещения искусственно изготовленного сапфира в заполненную газообразной смесью камеру. В состав этого газа входят легирующие добавки и полупроводник. При нагреве камеры происходит осаждение образующегося вещества на пластину, при этом толщина такого слоя не превышает нескольких микрон. После окончания процесса осаждения методом напыления формируются контактные площадки и вся эта конструкция помещается в корпус.

Из-за особенностей производства одинаковых по параметрам и характеристикам светодиодов не бывает. Поэтому хотя производители и стараются отсортировывать близкие по значениям устройства, нередко в одной партии попадаются изделия, отличающиеся по цветовой температуре и рабочему току.

Устройство радиоэлемента

Светодиод или LED-диод представляет собой полупроводниковый радиоэлемент, в основе работы которого лежат свойства электронно-дырочного перехода. При прохождении через него тока в прямом направлении на границе соприкосновения двух материалов возникают процессы рекомбинации, сопровождающиеся излучением в видимом спектре.

Очень долго промышленность не могла изготовить синий светодиод, из-за чего нельзя было получить и излучатель белого свечения. Лишь только в 1990 году исследователи японской корпорации Nichia Chemical Industries изобрели технологию получения кристалла, излучающего свет в синем спектре. Это автоматически позволило путём смешения зелёного, красного и синего цвета получить белый.

В основе процесса излучение лежит освобождение энергии при рекомбинации зарядов в зоне электронно-дырочного перехода. Образовывается он путём контакта двух полупроводниковых материалов с разной проводимостью. В результате инжекции, перехода неосновных носителей заряда, образуется запирающий слой.

На стороне материала с n-проводимостью возникает барьер из дырок, а на стороне с p-проводимостью - из электронов. Наступает равновесие. При подаче напряжения в прямом смещении происходит массовое перемещение зарядов в запрещённую зону с обеих сторон. В результате они сталкиваются и выделяется энергия в виде излучения света.

Этот свет может быть как видимым человеческому глазу, так и нет. Зависит это от состава полупроводника, количества примесей, ширины запрещённой зоны. Поэтому видимый спектр достигается путём изготовления многослойных полупроводниковых структур.

Характеристики светодиодов

Цвет свечения зависит от типа полупроводника и степени его легирования, что определяет ширину запрещённой зоны p-n перехода. Срок службы светодиодов в первую очередь зависит от температурных режимов его работы. Чем выше нагрев прибора, тем быстрее наступает его старение. А температура, в свою очередь, связана с проходящей через светодиод силой тока. Чем меньшей мощности источник света, тем дольше его срок службы. Старение выражается в виде уменьшения яркости прибора света. Поэтому так важно правильно подобрать сопротивление для светодиода.

К основным характеристикам LED-диодов относят:

Способы подключения

Для беспроблемной работы светодиода очень важно значение рабочего тока. Неверное подключение источников излучения или существенный разброс их параметров при совместной работе приведёт к превышению протекающего через них тока и дальнейшему перегоранию приборов. Связано это с увеличением температуры, из-за которой кристалл светодиода просто деформируется, а p-n переход пробьётся. Поэтому так важно ограничить подающуюся на источник света величину тока, то есть ограничить питающее напряжение.

Проще всего это выполнить, используя сопротивление, включённое последовательно в цепь излучателя. В этом качестве применяется обыкновенный резистор, но он должен иметь определённую величину. Его большое значение не сможет обеспечить нужную разность потенциалов для возникновения процесса рекомбинации, а меньшее - спалит. При этом нужно не только знать, как рассчитать сопротивление для светодиода, но и понимать, как правильно его поставить, особенно если схема насыщена радиоэлементами.

В электрической цепи может использоваться как один светодиод, так и несколько. При этом существует три схемы их включения:

• одиночная;
• последовательная;
• параллельная.

Одиночный элемент

Когда в электрической цепи используется только один светодиод, то последовательно с ним ставится одни резистор. В результате такого подключения общее напряжение, приложенное к этому контуру, будет равно сумме падений разности потенциалов на каждом элементе цепи. Если обозначить эти потери на резисторе как Ur, а на светодиоде Us, то общее напряжение источника ЭДС будет равно: Uo = Ur + Us.

Перефразируя закон Ома для участка сети I = U / R, получается формула: U = I * R. Подставив полученное выражение в формулу для нахождения общего напряжения, получим:

Uo = IrRr + IsRs, где

• Ir - ток, протекающий через резистор, А.
• Rr - расчётное сопротивление резистора, Ом.
• Is - ток, проходящий через светодиод, А.
• Rs - внутренний импеданс светодиода, Ом.

Значение Rs изменяется в зависимости от условий работы источника излучения и его величина зависит от силы тока и разности потенциалов. Эту зависимость можно увидеть изучая вольт-амперную характеристику диода. На начальном этапе происходит плавное увеличение тока, а Rs имеет высокое значение. После импеданс резко падает и ток стремительно возрастает даже при незначительном росте напряжения.

Если соединить формулы, получится следующее выражение:

Rr = (Uo - Us) / Io, Ом

При этом учитывается, что сила тока, протекающего в последовательном контуре участка цепи, одинакова в любой его точке, то есть Io = Ir = Is. Это выражение подходит и для последовательного соединения светодиодов, ведь при нём для всей цепи используется также лишь один резистор.

Таким образом, для нахождения нужного сопротивления остаётся узнать величину Us. Значение падения напряжения на светодиоде является справочной величиной и для каждого радиоэлемента она своя. Для получения данных понадобится воспользоваться даташитом на устройство. Даташит - это набор информационных листов, которые содержат исчерпывающие сведения о параметрах, режимах эксплуатации, а также схемы включения радиоэлемента. Выпускает его производитель изделия.

Параллельная цепь

При параллельном соединение радиоэлементы контактируют между собой в двух точках - узлах. Для такого типа цепи справедливы два правила: сила тока, входящая в узел, равна сумме сил токов, исходящих из узла, и разность потенциалов во всех точках узлов одинакова. Исходя из этих определений, можно сделать заключение, что в случае параллельного соединения светодиодов искомый резистор, располагающийся в начале узла, находится по формуле: Rr = Uo / Is1+In, Ом, где:

• Uo - приложенная к узлам разность потенциалов.
• Is1 - сила тока, протекающая через первый светодиод.
• In - ток, проходящий через n-й светодиод.

Но такая схема с общим сопротивлением, располагающимся перед параллельным соединением светодиодов, - не используется. Связанно это с тем, что в случае перегорания одного излучателя, согласно закону, сила тока, входящая в узел, останется неизменной. А это значит, она распределится между оставшимися рабочими элементами и при этом через них пойдёт больший ток. В результате возникнет цепная реакция и все полупроводниковые излучатели в конечном счёте сгорят.

Поэтому правильно будет использовать собственный резистор для каждой параллельной ветки со своим светодиодом и выполнить расчёт резистора для светодиода отдельно для каждого плеча. Такой подход ещё выгоден тем, что в схеме можно использовать радиоэлементы с разными характеристиками.

Расчёт сопротивления каждого плеча происходит аналогично одиночному включению: Rn = (Uo - Us) / In, Ом, где:

• Rn - искомое сопротивление n -ой ветки.
• Uo - Us - разность падений напряжений.
• In - сила тока через n-й светодиод.

Пример расчёта

Пускай на электрическую схему поступает питание от источника постоянного напряжения, равного 32 вольтам. В этой схеме стоят два параллельно включённых друг другу светодиода марки: Cree C503B-RAS и Cree XM-L T6. Для расчёта требуемого импеданса понадобится узнать из даташита типовое значение падения напряжения на этих светодиодах. Так, для первого оно составляет 2.1 В при токе 0,2, а второго - 2,9 В при той же величине силы тока.

Подставив данные значения в формулу для последовательной цепи, получится следующий результат:

• R1 =(U0-Us1)/ I=(32−2,1)/0,2 = 21,5 Ом.
• R2 = (U0-Us2)/ I=(32−2,9)/0,2 = 17,5 Ом.

Из стандартного ряда подбирают ближайшие значения. Ими будут: R1 = 22 Ома и R2 = 18 Ом. При желании можно рассчитать и мощность, рассеиваемую на резисторах по формуле: P = I*I*U. Для найденных резисторов она составит P= 0,001 Вт.

Браузерные онлайн-калькуляторы

При большом количестве светодиодов в схеме рассчитывать для каждого сопротивление - процесс довольно утомительный, тем более что при этом можно допустить ошибку. Поэтому проще всего для расчётов использовать онлайн-калькуляторы.

Представляют они собой программу, написанную для работы в браузере. В интернете можно встретить много таких калькуляторов для светодиодов , но принцип работы у них одинаков. Понадобится ввести справочные данные в предложенных формах, выбрать схему подключения и нажать кнопку «Результат» или «Расчёт». После чего останется только дождаться ответа.

Пересчитав вручную, его можно проверить, но особого смысла в этом не будет, так как при вычислении программы используют аналогичные формулы.

Светодиодные ленты, благодаря своей универсальности, приобретают большую популярность в освещении внутреннего и наружного пространства. Немаловажную роль в выборе этого источника света играет стремительно снижающиеся цены на оборудование.

Энергопотребление светодиодных светильников за один час работы ниже люминесцентных ламп. Для верного выбора надо знать виды и характеристики светодиодных лент.

Типы светодиодных лент

Светодиодная лента представляет собой гибкую печатную плату, на которую припаяны светодиоды.

Светодиодная лента

В зависимости от условий эксплуатации, в которых будет использоваться источник света, различают несколько классов защиты: IP 20, IP 22, IP 65, IP 67.

Различные модификации led ленты питаются от постоянного напряжения: 5 В, 12 В, 24 В, 36 В. Есть модификации, работающие от 220 В, блок питания которых – контроллер – встроен в плату. 220-вольтный вариант требует наличия в цепи УЗО (устройства защитного отключения).

Конструктивные особенности разных моделей предусматривают открытые варианты, и модели, вмонтированные в силиконовую трубку.

Различаются изделия по типу применяемых светодиодов. Популярны модели SMD 3528, SMD 5050, SMD 5630, SMD 5730.

Таблица: сравнение светодиодов

SМD 3528

SMD 3528 являются типовым стандартом для сверхъярких светодиодов, имеющих корпус для поверхностного монтажа. Название указывает, какой размер имеет диодный элемент 3,5х2,8 мм. Такой светодиод содержит один излучающий кристалл.

Ленты, для изготовления которых использованы указанные светодиоды, за свои технические параметры и низкую цену пользуются заслуженной популярностью.

Одиночный светодиод обладает следующими характеристиками:

Из характеристик ясно, что для питания нужен драйвер 12В. К нему можно последовательно подключить 3 светодиода через понижающий напряжение резистор.

Рисунок 1. Внешний вид SMD 3528.

На фотографии видны линии, по которым производится разрезание изделия, между ними как раз находятся светодиоды и резистор.

В характеристиках всегда указано количество светодиодов на 1 метр изделия. Исходя из этого, можно рассчитать мощность отрезка. В стандарте бывает 60, 120,180, 240 светодиодов.

Рисунок 2. Размещение светодиодов.

А – на 1 метр приходится 60 светодиодов, мощность, которую излучает метровый отрезок — 4,8 Вт.

Б – на одном метре расположены 120 led – 9,6 Вт.

В – 180 элементов – 14,4 Вт.

Г – 240 светодиодов – 19,2 Вт.

Лицевая сторона печатной платы бывает белого, черного, коричневого или желтого цвета. Это позволяет подобрать модель, которая будет маскироваться на поверхности разных цветов.

На основании ленты находится клейкий слой, изготовленный из двухстороннего скотча.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Задать вопрос эксперту

Перед наклейкой ленты необходимо очистить поверхность от загрязнений и протереть обезжиривающим средством (ацетон, спирт). При монтаже ленты мощностью 14,4 и 16,8 Вт стоит дополнительно использовать термостойкий клей. При работе основание сильно нагревается – заводской клеящий состав теряет свои свойства, лента перестает держаться на поверхности.

Светятся диоды холодным или теплым белым, синим, зеленым, красным или желтым цветами.

SMD 3528 – лента первого поколения с использованием сверхъярких светодиодов. Активно используется в целях декоративной подсветки локально расположенных предметов. Натяжной потолок, выделенный такой лентой, будет «парить» в воздухе. Кухня и комната приобретут, после подсветки светодиодной лентой эксклюзивный вид. Для организации основного освещения ее мощности вряд ли будет достаточно. На смену таким изделиям приходят ленты SMD 5050.

Лента RGB 3528

SМD 5050

Светодиоды SMD 5050 состоят из трех диодов 3528, объединенных в одном корпусе, а значит и мощность увеличивается в три раза.

LED 5050 крупным планом

На одном погонном метре количество светодиодов может быть разным – 30, 60 или 120 единиц. Мощность светодиодной ленты таких отрезков будет 7,2, 14,4 и 28,8 Ватт соответственно. Такой мощности вполне хватает, чтобы обеспечить освещение рабочей зоны на кухне. Выгодно смотрится подсветка подвесных потолков, мебели, арок проемов в стенах, салонов автомобилей. Гамма свечения имеет стандартный набор: теплый белый, холодный белый, желтый, синий, красный и желтый цвета. В отличие от модели SMD 3528, каждый из светодиодов может включать в себя кристаллы трех основных цветов и может соответственно светиться любым цветом. SMD 5050 сильнее нагревают монтажную ленту, поэтому температура окружающей среды в месте установки не должна превышать 60 градусов.

Внимание! Длительный перегрев резко сокращает срок службы ленты.

SMD 5730

В результате работ по повышению мощности появились модели SMD 5630, SMD 5730. Мощность таких светодиодов составляет 0,5 Вт. Их позволяет осуществлять полноценное освещение небольших помещений.

Стоит учесть, что такие изделия бывают только белого цвета, искать другие цвета не стоит.

SMD 5730

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Внимание! Для продления срока службы китайские производители занижают потребление тока такими лентами. Соответственно светоотдача будет меньше. Ленты SMD 5730 стоит приобретать только надежных брендов.

Ленты формата RGВ

Светодиодная лента RGB

Маркировка RGB формируется из первых букв английских слов r ed, g reen, b lue (в переводе красный, зеленый, синий). Сочетая эти цвета разной интенсивности, получают любой оттенок испускаемого света. Это свойство используется в .

Диод SND 3528 содержит только один кристалл и светиться может одним цветом. Для получения оттенков свечения на ленте попеременно установлены три светодиода разных цветов. Подачей различного напряжения на светодиоды получают все разнообразие цветов.

Светодиоды SMD 5050 содержат три кристалла, светящихся разным светом, соответственно сам светодиод будет излучать разные оттенки света.

Внимание! Кристаллы разных цветов управляются определенным уровнем напряжения. Для подключения RGB лент требуются специальные контроллеры.

Управление лентами происходит по четырехпроводной шине. Один из проводников используется как общий. Три других нужны для управления красным, зеленым и синим цветом. Менять их местами категорически запрещается. Ведь расчетный уровень напряжения для красного кристалла не может превышать 2 В, а для синего 3,2 В, что в полтора раза больше. Недолгая работа красного гарантирована.

Если в маркировке присутствует обозначение dd5050rgbw – это значит, что светодиод состоит из четырех кристаллов. Белый цвет получают не сочетанием свечения красного, зеленого и синего, а имеется отдельный светодиодный кристалл белого цвета.

Другие виды

Существуют другие виды светодиодных лент. Основные отличия бывают в типе используемых при изготовлении компонентов, конструктивному исполнению и условиям применения. Одним из распространенных является лента SMD 2835. Однако, в связи с малой мощностью, которую имеет светодиодный кристалл такого светодиода, рассчитывать на достаточный уровень освещенности не приходится.

Светодиодная лента SMD 2835

Бывает определенный тип ленты, который может устанавливаться только в алюминиевые профили или в силиконовую трубку.

Отдельные модели могут иметь боковое или угловое направление свечения. Пример таких моделей – DIP ленты. Они изготавливаются по другой технологии. Внешний вид показан на рисунке

Моменты, на которые нужно обратить внимание

Китайские продавцы предлагают ленту в бобинах по 5 м и в маркетинговых целях указывают полное количество светодиодов.

При выборе следует обращать внимание на такие параметры:

• тип установленных светодиодов. Это будет определять уровень освещенности;
• мощность потребления. От нее зависят параметры блока питания;
• количество светодиодов;
• цвет, монохромная или трехцветная лента нужна;
• напряжения питания;
• степень защиты;
• способы монтажа.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Важно! Китайские продавцы упаковывают продукцию в бобины пяти метровой длины. Часто в описании товара указывается, сколько светодиодов установлено на всем «куске» ленты, а не для одного метра. Цифра 300 в технических характеристиках однозначно говорит о том, что подсчет проводился для всей длины ленты. Моделей, которые имеют такое количество светодиодов на отрезке в 1 метр, нет.

Цветовой оттенок и количество цветов

Цвета светодиодной ленты

Внимание! Выбирая замену вышедшей из строя ленты, следует обратить внимание на производителя. Заводы выпускают продукцию, имеющую отличные друг от друга оттенки свечения. Цвет зависит от такого параметра, как длина волны, узнать его можно в технических характеристиках изделия.

Светодиодные ленты выпускают следующих цветов:

• холодный белый;
• теплый белый;
• красный;
• зеленый;
• синий;
• желтый;
• RGB, многоцветные.

Приобретает популярность розовый цвет. Производители и продавцы продвигают его продажу, обосновывая полезностью для растений. Обещают, трава, посаженная в аквариум, приобретет пышный вид.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Розовое свечение достигается сочетанием красного и синего цветов. Спектр излучения недорогих изделий не совпадает с диапазоном 440 нм (синий) и 660 нм (красный), который используется для фотосинтеза. Проверить спектр излучения без специальных приборов не получится – остается верить производителям.

Световой поток

Для светодиодов разного цвета, но одинаковой мощности, генерируемый световой поток будет отличаться. Общие параметры указаны в таблицах характеристик светодиодов. Полный световой поток зависит от мощности светодиодов.

Напряжение питания и мощность

Напряжение питания конкретной модели указывается производителем. Существуют изделия с номиналом:

• +5 В, такое питание применяется в световых приборах, питающихся от разъемов USB компьютеров и их специальных видах, применяемых для отделки элементов одежды. В этом случае используется драйвер преобразующий напряжение батареек 1,5 В в постоянный ток 5 В.
• +12 В, самый распространенный номинал для питания лент. Используются специальные блоки питания – драйвера.
• + 24 В, чаще всего применяется в том случае, когда необходимо резервирование питания при пропадании напряжения. Сила тока будет для одинаковых по мощности отрезков в два раза меньше, аккумулятор будет работать дольше. Другой вариант применения лент с таким питанием используется в случаях больших расстояний от источника питания до ленты. Таким способом снижается падение напряжения, вызванное сопротивлением электропроводки.
• + 36 В. Используется редко. Главная причина в том, что не все производители выпускают продукцию с таким напряжением питания, и найти замену вышедшему из строя блоку питания быстро не удастся. Выгода использования заключается в сниженном токе, который будет потреблять светильник и, соответственно, в применении проводов меньшего сечения.

Энергия, потребляемая лентой должна рассчитываться как произведение количества ампер и напряжения питания. Для измерений используется мультиметр.

Расчет мощности светодиодной ленты можно осуществить, зная ее энергопотребление. Для этого параметр потребления 1 метра умножают на длину применяемого отрезка.

Узнать мощность можно по виду установленных светодиодов. Размеры для разных видов и их параметры приведены ранее.

Степень защиты

Степень защиты обычно указывается в соответствии с международными стандартами, она обязательно указывается производителем на упаковке.

Маркировкой IP 20 обозначаются открытые светодиодные ленты, они применимы для помещений, в которых не требуется влагозащита. Ее можно использовать для подсветки потолков, мебели.

IP 65 – частично влагозащищенное изделие. Подходит для ванных комнат, в рабочих зонах кухни.

IP 68 – лента полностью защищена от влаги. Возможно использование в воде, на глубине до 1 метра. Однако при использовании, например, для подсветки бассейна желательно установить УЗО (устройство защитного отключения) для предотвращения поражения электрическим током.

Определить степень защиты можно по маркировке на упаковке изделия.

Степень защиты светодиодных лент

Качество сборки

Качество сборки напрямую зависит от производителя. Надежностью отличается продукция фирм OSRAM, Navigator, Feron, Gauss, Cree, Arlight.

Приобретать ленту лучше в местах, где можно посмотреть ее в работе, подержать в руках.

Возможные дефекты:

• некачественная пайка;
• неработающие или мигающие отрезки;
• спайка изделия из нескольких отдельных кусков.

Если принято решение купить в интернет-магазине, необходимо тщательно изучить отзывы покупателей. В описаниях товара возможно завышение параметров светоотдачи. В некоторых случаях производители, применяя качественные светодиоды, для продления срока их службы устанавливают завышенные по параметрам ограничивающие резисторы. А это значит при долгом сроке службы, что неплохо, нужный уровень освещенности не будет обеспечен.

Нередко приходится устанавливать светодиодные индикаторы в различные приборы и станки. Такой индикатор показывает когда прибор включен в сеть и готов к работе, либо с помощью светодиодов можно осуществлять индикацию различных режимов работы прибора или станка. А также, с помощью светодиодов можно создавать очень красивую подсветку для индикаторов приборов, кнопок, выключателей и т.п.

Я решил создать удобный калькулятор, который позволит рассчитать резистор для любого светодиода при подключении на любое напряжение питания прибора.

Как известно, светодиод является полярным, т.е. у него есть плюс и минус, которые следует не путать, иначе светодиод не будет гореть, либо сразу выйдет из строя.

Но, как показала практика, светодиод также можно подключать и источникам переменного тока (проверено мной на индикаторах в выключателях), при этом светодиод в теории может перегореть со временем, но в моем случае за 10 лет работы индикаторов во всех выключателях дома, еще не один светодиод не перегорел 🙂

Итак, светодиод, это токовый прибор, т.е. для его успешной работы нужно ограничить максимальный ток через светодиод, для этого достаточно подключить последовательно со светодиодом резистор необходимого сопротивления (см. схему на картинке внизу статьи). А чтобы определить необходимое сопротивление, нужно знать напряжение источника, к которому мы подключаем светодиод, напряжение светодиода, ток светодиода.

Для большинства стандартных светодиодов (желтые, зеленые, красные с размером 3-5мм) можно использовать стандартные параметры, которые уже указаны в калькуляторе, необходимо лишь указать напряжения источника питания.

Итак, используя калькулятор ниже вы сможете рассчитать необходимый резистор для светодиода.

Расчет резистора для светодиода:

Расчет для светодиода выполняется довольно просто, быстро и не содержит ничего «военного», только закон Ома. Хотя во всемирной сети существует множество онлайн-калькуляторов, помогающие определить различные параметры, но, по моему личному мнению, лучше один раз разобраться самому и понять физику процесса, чем слепо пользоваться подобными калькуляторами.

Самый частый пример – это подключение светодиода к источнику питания с напряжением 5 В, например к USB порту компьютера. Второй пример – подключение к аккумуляторной батарее автомобиля, номинальное значение напряжения которой 12 В. Если к такому источнику питания напрямую подсоединить полупроводниковый прибор, то последний попросту выйдет из строя под действием протекающего тока, превышающего допустимое значение, ‑ произойдет тепловой пробой полупроводникового кристалла. Поэтому нужно ограничивать величину тока.

С целью лучшей наглядности возьмем два типа светодиодов с наиболее распространенными характеристиками:

напряжение:

U VD 1 = 2,2 В;

U VD 2 = 3,5 В;

ток:

I VD 1 = 0,01 А;

I VD 2 = 0,02 А.

Расчет резистора для светодиода

Определим сопротивление R 1,5 для VD 1 при Uип = 5 В.

Для расчета величины сопротивления, согласно закону Ома нужно знать ток и напряжение:

R=U/I.

Величина тока, протекающего в цепи и в том числе через VD нам известна из заданного условия I VD 1 = 0,01 А, поэтому следует определить падение напряжения на R 1,5 . Оно равно разности подведенного Uип = 5 В и падения напряжения на светодиоде U VD 1 = 2,2 В:

Теперь находим R 1,5

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в сторону увеличения, поэтому принимаем R 1,5 = 300 Ом.

Таким же образом выполним расчет R для VD 2:

Произведем аналогичные вычисления при значении Uип = 12 В.

Принимаем R 1,12 = 1000 Ом = 1 кОм.

Принимаем R 2,12 = 430 Ом.

Для удобства выпишем полученные значения сопротивлений всех резисторов:

Следует заметить, что сопротивление, выбранное из стандартного ряда, превышает расчетное, поэтому ток в цепи будет насколько снижен. Однако этим снижением можно пренебречь в виде его малого значения.

Расчет мощности рассеивания

Определить сопротивление – это только полдела. Еще резистор характеризуется важным параметром, который называется мощность рассеивания P – это мощность, которую он способен выдержать длительное время, при этом, не перегреваясь выше определенной температуры. Она зависит ток в квадрате, так как последний протекая в цепи, вызывает нагрев ее элементов.

P = I 2 R.

Визуально резистор более высокой Р отличается большими размерами.

Светоизлучающие диоды, характеризуются рядом эксплуатационных параметров:

• Номинальный (рабочий) ток – I н;
• падение напряжения при номинальном токе – U н;
• максимальная рассеиваемая мощность – P max ;
• максимально допустимое обратное напряжение – U обр.

Самым важным из перечисленных параметров является рабочий ток .

При протекании через светодиод номинального рабочего тока – номинальный световой поток, рабочее напряжение и номинальная рассеиваемая мощность устанавливаются автоматически. Для того чтобы задать рабочий режим LED, достаточно задать номинальный ток светодиода.

В теории светодиоды нужно подключать к источникам постоянного тока. Однако, на практике, LED подключают к источникам постоянного напряжения: батарейки, трансформаторы с выпрямителями или электронные преобразователи напряжения (драйверы).

Для задания рабочего режима светодиода, применяют простейшее решение – последовательно с LED включают токоограничивающий резистор. Их еще называют гасящими или балластными сопротивлениями.

Рассмотрим, как выполняется расчет сопротивления резистора для светодиода.

Расчет резистора светодиода (по формулам)

При расчете вычисляют две величины:

• Сопротивление (номинал) резистора;
• рассеиваемую им мощность P.

Источники напряжения, питающие LED, имеют разное выходное напряжение. Для того чтобы выполнить подбор резистора для светодиода нужно знать напряжение источника (U ист), рабочее падение напряжения на диоде и его номинальный ток. Формула для расчета выглядит следующим образом:

R = (U ист — U н) / I н

При вычитании из напряжения источника номинальное падение напряжения на светодиоде – мы получаем падение напряжения на резисторе. Разделив получившееся значение на ток мы, по закону Ома, получаем номинал токоограничивающего резистора. Подставляем напряжение, выраженное в вольтах, ток – в амперах и получаем номинал, выраженный в омах.

Электрическую мощность, рассеиваемую на гасящем сопротивлении, вычисляют по следующей формуле:

P = (I н) 2 ⋅ R

Исходя из полученного значения, выбирается мощность балластного резистора. Для надежной работы устройства она должна быть выше расчетного значения. Разберем пример расчета.

Пример расчета резистора для светодиода 12 В

Рассчитаем сопротивление для LED, питающегося от источника постоянного напряжения 12В.

Допустим в нашем распоряжении имеется популярный сверхяркий SMD 2835 (2.8мм x 3.5мм) с рабочим током 150мА и падением напряжения 3,2В. SMD 2835 имеет электрическую мощность 0,5 ватта. Подставим исходные значения в формулу.

R = (12 — 3,2) / 0,15 ≈ 60

Получаем, что подойдет гасящий резистор сопротивлением 60 Ом. Ближайшее значение из стандартного ряда Е24 – 62 ома. Таким образом, для выбранного нами светодиода можно применить балласт сопротивлением 62Ом.

Теперь вычислим рассеиваемую мощность на сопротивлении.

P = (0,15) 2 ⋅ 62 ≈ 1,4

На выбранном нами сопротивлении будет рассеиваться почти полтора ватта электрической мощности. Значит, для наших целей можно применить резистор с максимально допустимой рассеиваемой мощностью 2Вт.

Осталось купить резистор с подходящим номиналом. Если же у вас есть старые платы, с которх можно выпаять детали, то по цветовой маркировке можно выполнить подбор резистора. Воспользуйтесь формой ниже.

На заметку! В приведенном выше примере на токоограничительном сопротивлении рассеивается почти в три раза больше энергии, чем на светодиоде. Это означает, что с учетом световой отдачи LED, КПД нашей конструкции меньше 25%.

Чтобы снизить потери энергии лучше применить источник с более низким напряжением. Например, для питания можно применить преобразователь постоянного напряжения AC/AC 12/5 вольт. Даже с учетом КПД преобразователя потери будут значительно меньше.

Параллельное соединение

Довольно часто требуется подключить несколько диодов к одному источнику. Теоретически, для питания нескольких параллельно соединенных LED, можно применить один токоограничивающий резистор. При этом формулы будут иметь следующий вид:

R = (U ист — U н) / (n ⋅ I н)

P = (n ⋅ I н) 2 ⋅ R

Где n – количество параллельно включенных ЛЕДов.

Почему нельзя использовать один резистор для нескольких параллельных диодов

Даже в «китайских» изделиях производители для каждого светодиода устанавливают отдельный токоограничивающий резистор. Дело в том, что в случае общего балласта для нескольких LED многократно возрастает вероятность выхода из строя светоизлучающих диодов.

В случае обрыва одного из полупроводников, его ток перераспределится через оставшиеся LED. Рассеиваемая на них мощность увеличится и они начнут интенсивно нагреваться. Вследствие перегрева следующий диод выйдет из строя и дальше процесс примет лавинообразный характер.

Совет. Если по какой-то причине нужно обойтись одним гасящим сопротивлением, увеличьте его номинал на 20-25%. Это обеспечит большую надежность конструкции.

Можно ли обойтись без резисторов?

Действительно, в некоторых случаях можно не использовать токоограничивающий резистор. Рассмотренный нами светодиод можно напрямую запитать от двух батареек 1,5В. Так как его рабочее напряжение составляет 3,2В, то протекающий через него ток будет меньше номинального и балласт ему не потребуется. Конечно, при таком питании светодиод не будет выдавать полный световой поток.

Иногда в цепях переменного тока в качестве токоограничивающих элементов вместо резисторов применяют конденсаторы (подробнее про ). В качестве примера можно привести выключатели с подсветкой, в которых конденсаторы являются «безваттными» сопротивлениями.