Как рассчитать резистор для светодиода?

Расчёт резистора для светодиода: формулы подбора сопротивления, онлайн-калькулятор

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.

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.

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:

1. Потребление тока. Однокристальные светодиоды потребляют ток, равный 0,02 А. При этом прямо пропорционально с количеством кристаллов растёт и его значение. Так, диод с четырьмя кристаллами потребляет ток 0,08 А. Именно из-за этого параметра диода и ставится ограничительный резистор, чтобы он не сгорел при высокой силе тока.
2. Величину падения напряжения. Эта характеристика указывает, какое количество энергии выделяется на светодиоде, то есть на сколько вольт уменьшится величина напряжения при параллельном его включении в цепь. Например, если падение составляет 3 вольта, а величина разности потенциалов на входе равна 9 вольтам, то при включении параллельно к источнику питания светодиода напряжение на выходе будет равно 6 вольтам.
3. Светоотдачу. Эта характеристика показывает количество света, излучаемое устройством при потреблении мощности равной одному ватту.
4. Цветовую температуру. Она зависит от управляющего тока, эффективности теплоотвода и температуры окружающей среды. Интенсивный поток света, связанный с потребляемой электрической мощностью, также увеличивает температуру. При этом следует отметить, что перепады температуры значительно снижают ресурс светодиода.
5. Типоразмер. Его значение зависит от размера излучателя. Соответственно, чем больше размер светодиода, тем больше его яркость и мощность.

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.

Источник: https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/svetodiodnoe-osveschenie/kalkulyator-rascheta-soprotivleniya-rezistora-dlya-svetodioda.html

Расчет резистора для светодиода. Онлайн калькулятор

Довольно часто у многих начинающих радиолюбителей возникает проблемы с расчетом сопротивления резистора для светодиода. И зачастую они не знают, для чего такой резистор вообще нужен. В данной статье попробуем разъяснить данный вопрос и для облегчения приведем онлайн калькулятор для расчета сопротивления резистора светодиода.

Важные параметры светодиодов

С точки зрения проблемы подбора резистора для светодиода нас в первую очередь интересуют всего два параметра светодиодов:

1. IF — прямой ток светодиода
2. VF — прямое напряжение светодиода (рабочее напряжение)

Рассмотрим это на примере светодиода L-53IT. Вот его краткие характеристики:

• Материал: gaasp/gap
• Цвет свечения: красный
• Длина волны: 625нм
• Максимальное прямое напряжение: 2,5 В
• Максимальное обратное напряжение: 5В
• Максимальный прямой ток: 30мА
• Рабочая температура: -40…85С

В datasheet светодиода L-53IT в разделе «Absolute Maximum Ratings» (значения, которые нельзя превышать) мы находим информацию о максимальном непрерывном постоянном токе, который может протекать через данный светодиод, не вызывая ее повреждения (30мА):

Затем мы проверяем по datasheet, какое типичное прямое напряжение светодиода (падение напряжения на диоде):

и мы видим, что:

• тестовые данные указаны для тока IF= 20мА,
• типичное прямое напряжение составляет VF = 2В.

Ток 20мА обеспечивает нам хороший световой поток, а так как светодиоды не вечны, и со временем испускаемый поток света уменьшается, то в большинстве случаев для данного светодиода этот ток будет достаточен.

Светодиод без резистора

Для начала рассмотрим, что произойдет, если мы подключим светодиод к источнику питания без резистора ограничивающего ток. В качестве примера мы будем использовать источник питания с напряжением 5В.

В этом случае, в соответствии со вторым законом Кирхгофа:

сумма падений напряжения в замкнутом контуре равна нулю

Получается, что все напряжение питания сосредоточено на нашем светодиоде:

Что означает появление напряжения 5В на нашем светодиоде? Давайте посмотрим на график зависимости тока светодиода от напряжения в прямом направлении:

То есть, при превышении 2,05 вольт, ток будет расти очень быстро, достигнув высокого значения.

В нашем случае, питание светодиода без ограничительного резистора приведет к генерации тока большего, чем допустимо (30 мА), что в свою очередь произойдет его повреждение.

Здесь следует добавить, что причиной, разрушающим светодиод является не ток как таковой, а выделяемая мощность в виде тепла.

Ограничение тока протекающего через светодиод

Таким образом, мы должны ограничить ток светодиода. У нас есть два варианта:

• использовать питание стабильным током (не более 30мА в соответствии с технической спецификацией светодиода)
• ограничить ток по-другому.

В данной статье мы займемся вторым способом, а именно, мы подключим резистор последовательно со светодиодом. На этом резисторе будет происходить падение части напряжения источника питания, который обозначим как VR:

В соответствии с приведенным выше вторым законом Кирхгофа, распределение напряжений будет определяться по формуле:

VCC = VR + VF

В нашем случае мы знаем типовое значение напряжения нашего светодиода, которое составляет 2 вольт, а также напряжение питания 5 вольт:

Таким образом, мы можем вычислить необходимое падение напряжения на резисторе R, для того чтобы на диоде было только необходимые 2 вольта:

VR = VCC — VF

VR = 5В — 2В = 3В

то есть, мы стремимся к получению следующих напряжений в нашей схеме:

сумма значений силы токов, входящих в узел равна сумме значений силы токов, вытекающей из этого узла

Нашим узлом является место соединения резистора и светодиода, и это означает, что через резистор будет проходить тот же ток, что и через светодиод. Поскольку мы предположили, что через светодиод может течь ток IF= 20мА, то:

Сопротивление резистора вычислим с помощью Закона Ома:

то есть в нашем случае:

и наконец, мы можем вывести общую формулу:

После расчета сопротивления, выбирается резистор из номинального ряда. В нашем случае это резистор  точно такой  же, как рассчитали, то есть, 150 Ом, который имеется в номинальных рядах E24, E12 и E6.

А что делать,  когда сопротивление резистора не соответствует ни одному значению из номинального ряда? В этом случае следует выбрать одно из двух ближайших к расчетному сопротивлению, при этом необходимо учитывать следующее:

Если сопротивление будет больше, чем рассчитывали, то это уменьшит световой поток, испускаемый светодиодом.

Калькулятор расчета резистора для светодиода

Ниже приводим калькулятор для расчета сопротивления резистора светодиода:

  Цена: 28600.00 руб.    

  Цена: 2490.00 руб.    

  Цена: 260.00 руб.    

  Цена: 12800.00 руб.    

Источник: http://fornk.ru/2647-raschet-rezistora-dlya-svetodioda-onlajn-kalkulyator/

Как рассчитать резистор для светодиода?

» Uncategorized » Как рассчитать резистор для светодиода?

Светодиодное освещение прочно вошло в нашу жизнь. Основные достоинства – низкое энергопотребление, высокая яркость, минимальные размеры. Светодиод представляет собой полупроводниковый элемент с электронно-дырочной проводимостью.

При пропускании через него электрического тока в прямом направлении он создает оптическое излучение в узком диапазоне. Собственное низкое сопротивление и чувствительность к величине силы тока, является основной причиной того что при включении данного элемента в электрическую цепь необходимо использовать токоограничивающий резистор.

Как рассчитать и правильно подобрать данную деталь для конкретных условий применения рассмотрим более подробно.

Расчет токоограничивающего резистора для светодиода

В интернете можно встретить множество калькуляторов с помощью которого можно рассчитать необходимое сопротивление резистора для эффективной и длительной работы любого светодиода. Но не всегда компьютер может быть под рукой, а токоограничивающий резистор необходимо установить именно в данный момент. Вот для этого и нужно знание элементарных правил.

Светодиоды, как и все элементы могут быть включены в цепь параллельно или последовательно. Первый вариант не является надежным в принципе.

Суть в следующем: при таком виде включения, напряжение на светодиодах будет одинаковым, но так как практически невозможно подобрать полупроводниковые приборы с идеальными идентичными характеристиками, сила тока на светодиодах может оказаться разной по величине.

Подбор резистора для светодиода необходимо начинать с выяснения характеристик самого светодиода, а именно значение падения напряжения на светодиоде (U св) и номинальный ток (I св) при нормальной работе. Эти данные можно найти в соответствующей сопроводительной документации или в специальных каталогах. Также необходимо будет знать напряжение источника питания (U).

Расчет сопротивления (R) токоограничивающего резистора для конкретного светодиода производится по формуле: R = (U– Uсв)/ Iсв, что собственно следует из закона Ома.

Рассмотрим наглядно какой резистор нужен для светодиода КИПД06А-1К при напряжении источника питания 220 В. Из соответствующих справочников выясняем, что номинальный ток (I св) для данного источника света составляет 25 мА, а падение напряжения (U св) при этом равно 5,5 В.

Используя вышеприведенную формулу можем рассчитать сопротивление резистора (R) для обеспечения нормальной работы данного светодиода.

R = 220-5,5/0,025 = 8580 Ом = 8,58 кОм.

Далее, после получения необходимой величины сопротивления в омах, переходим к непосредственно к подбору резистора для светодиода соответствующей марки. Возвращаясь к параллельному соединению светодиодов нужно уточнить, что оно возможно, если в дополнение к каждому источнику света будет идти собственный токоограничивающий резистор.

Подбор токоограничивающего резистора для светодиода

После того как необходимое сопротивление резистора было вычислено, необходимо определиться с выбором соответствующей детали. Здесь могут возникнуть некоторые сложности. Дело в том, что не всегда можно подобрать резистор для светодиода, полностью соответствующий по вычисленным параметрам.

Проблема решается двумя способами:

Первый способ

Необходимо подобрать резистор для светодиода, сопротивление которого будет выше необходимого. При этом не стоит сильно завышать этот параметр. Дело в том, что при увеличении сопротивления, будет теряться световая мощность источника, т.е. он будет менее ярким, но при этом прослужит значительно дольше. Оптимальным является превышение необходимого значение в пределах 20-30%.

Второй способ

Второй способ основан на законе Ома, согласно которому при последовательном соединении резисторов их собственное сопротивление суммируется.

Таким образом, при невозможности подбора для светодиода токоограничивающего резистора сопротивлением 8,58 кОм (как в нашем случае), можно взять несколько деталей с необходимыми параметрами.

Это в принципе является оптимальным вариантом, вследствие более точного результата. Естественно ограничением будет являться сама возможность установки нескольких резисторов в электрической цепи.

Также при подборе резистора необходимо обращать внимание на его мощность. Это обусловлено тем, что при работе выделяется тепло и при недостаточной мощности данная деталь может просто перегореть. Это в свою очередь приведет к разрыву цепи и отключению светодиодных источников света.

Источник: https://vse-elektrichestvo.ru/uncategorized/kak-rasschitat-rezistor-dlya-svetodioda.html