Расчет сопротивления для светодиода — как подобрать?
Онлайн программа для расчета резистора при подключении светодиодов
Светодиод – нелинейный полупроводниковый прибор, которому для правильной и надежной работы необходим стабильный ток. Перегрузки по току могут вывести светодиод из строя. Самый простой вариант схемы питания в таком случае – ограничительный резистор, включенный последовательно. Расчет номинального сопротивления и мощности резистора для светодиода не очень сложная задача, если правильно понимать физику процесса. Рассмотрим общие принципы такого расчета, а затем разберем несколько конкретных примеров из практики.
Теория
В общем случае схема выглядит так.
Рисунок 1
Между контактами «+» и «-» прикладывается напряжение. Обозначим его буквой U. Ток через резистор и светодиод будет протекать одинаковый, т.к. соединение последовательное. Согласно закону Ома получаем:
где R – сопротивление резистора;
rLED– сопротивление светодиода (дифференциальное).
Отсюда выражаем формулу, по которой можно произвести расчет сопротивления резистора R при заданном токе I:
Разберемся что такое дифференциальное сопротивление светодиода rLED. Для этого нам потребуется его вольтамперная характеристика (ВАХ).
Рисунок 2
Как видно из графиков ВАХ светодиодов – нелинейна. Говоря простым языком, его сопротивление постоянному току r=U/I есть переменная величина, которая уменьшается с ростом напряжения. Поэтому вводится понятие дифференциального сопротивления rLED=dU/dI, которое характеризует сопротивление диода в отдельно взятой точке кривой ВАХ.
Чтобы произвести расчет резистора для светодиода, определяем по графику прямое напряжение на светодиоде ULED при заданном токе I. Затем подставляем получившееся значение в формулу (2) и получаем
Еще один способ решения задачи – графический.
Допустим необходимо рассчитать сопротивление резистора для обеспечения светодиоду рабочего тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт.
Для этого сначала на графике ВАХ светодиода отмечаем точку соответствующую току 100 мА (см. рисунок 3), затем проводим через эту точку и точку соответствующую 5 вольтам на оси абсцисс нагрузочную прямую до пересечения с осью ординат. Определяем значение тока, соответствующее этому пересечению (в нашем случае 250 мА) и по закону Ома производим расчет сопротивления резистора R= U / Iкз= 5 В / 0,25 А =20 Ом. Перед расчетом не забываем осуществлять перевод единиц измерения к надлежащему виду.
Рисунок 3
Следующим шагом будет определение мощности рассеиваемой на резисторе. Формула должна быть знакома всем из школьной физики (как и закон Ома):
P=I2×R. (4)
Практика
Рассмотрим несколько конкретный пример расчета.
Исходные данные: напряжение питания 12В, белый светодиод XPE (CREE) требуется включить на номинальный ток 350 мА согласно схеме, представленной на рисунке 1.
Находим в data sheet значение прямого падения напряжения при токе 350 мА (рисунок 4).
Рисунок 4
Типовое значение по таблице — 3,2 вольта. Максимальное значение может достигать 3,9 вольт. То есть в результате производственного процесса может получиться как светодиод с прямым напряжением 3,2 В так и 3,9 В (или любым другим промежуточным значением), но вероятность получения 3,2 вольт наиболее высока (если хотите – это «математическое ожидание» этой величины). По этой причине в расчет обычно берется типовое значение.
Используя формулу (3) и калькулятор получаем:
R=(12-3,2)/0,35»25,1 Ом.
Ближайшее значение из ряда Е24 – 24 Ом. Значение тока при этом сопротивлении получится 367 мА, что на 5% превышает требуемое значение. Если учесть еще и допуск на номинал резистора, который для ряда Е24 также 5%, то в худшем случае получается вообще 386 мА. Если такое отклонение не допустимо, то можно добавить в цепь последовательно еще один резистор номиналом 1 Ом. Все эти действия рекомендуется сопровождать реальными измерениями сопротивлений резисторов и получающихся токов, иначе ни о какой точности не может идти и речи.
Резистор 24 Ом может иметь погрешность в сторону увеличения до 25,2 Ом, добавив 1 Ом, получим 26, 2 и «перекос» силы тока через светодиод в противоположную сторону.
Предположим, что нам не нужна высокая точность задания тока и резистор 24 Ом нас устраивает.
Определим мощность, которая будет рассеиваться на резисторе по формуле (4):
P=0,3672×24»3,2 Вт.
Номинальная мощность рассеяния резистора должна быть с запасом не менее 30%, иначе он будет перегреваться. А если условия отвода тепла затруднены (например, в корпусе плохая конвекция), то запас должен быть еще больше.
В итоге выбираем резистор мощностью 5 Вт с номинальным сопротивлением 24 Ом.
Для того чтобы оценить эффективность получившегося светотехнического устройства необходимо рассчитать КПД схемы питания:
Таким образом, КПД подобной схемы питания составляет всего 27%. Такая низкая эффективность обусловлена слишком высоким питающим напряжением 12 вольт, а точнее разницей между U и ULED.
Получается, что 8,8 вольт мы вынуждены «гасить» на резисторе за счет бесполезного рассеяния мощности в окружающее пространство. Для повышения КПД требуется либо снизить напряжения питания, либо найти светодиод с большим прямым напряжением. Как вариант можно включить несколько светодиодов последовательно, выполнив подбор таким образом, чтобы суммарное падение было ближе к напряжению питания, но ни в коем случае не превышало его.
Необходимое значение сопротивления для резистора можно и подобрать, если имеется в наличии магазин сопротивлений и амперметр. Включаем магазин и амперметр в цепь последовательно светодиоду (на место предполагаемого резистора), устанавливаем максимальное значение сопротивления и подключаем к источнику напряжения. Далее начинаем уменьшать значение сопротивления до тех пор, пока сила тока не достигнет нужного значения или светодиод нужной яркости (в зависимости от того, что будет являться критерием). Останется только считать значение сопротивления с магазина и выполнить подбор ближайшего номинала.
Ремарка
В данных расчетах мы пренебрегли зависимостью прямого напряжения светодиода от его температуры, однако не следует забывать, что такая зависимость существует и характеризуется параметром «температурный коэффициент напряжения» или сокращенно ТКН. Его значения отличается для разных видов светодиодов, но всегда имеет отрицательное значение. Это значит что при повышении температуры кристалла, прямое напряжение на нем становится меньше. Например, для рассмотренного выше белого светодиода XPE значение ТКН (оно приводится производителем в data sheet) составляет -4 мВ/°С. Следовательно при увеличении температуры кристалла на 25°С, прямое напряжение на нем уменьшится на 0,1 В.
Рисунок 5
Многие ведущие производители светодиодов имеют на официальных сайтах специальный сервис – «онлайн калькулятор», предназначенный для вычисления параметров светодиодов в различных режимах эксплуатации (в зависимости от температуры, тока и пр.). Этот инструмент значительно облегчает процедуры расчета и экономит время разработчику.
Расчет резистора для светодиода, калькулятор расчёта сопротивления
Светодиод имеет очень небольшое внутреннее сопротивление, если его подключить напрямую к блоку питания, то сила тока будет достаточной высокой, чтобы он сгорел. Медные или золотые нити, которыми кристалл подключается к внешним выводам, могут выдерживать небольшие скачки, но при сильном превышении перегорают и питание прекращает поступать на кристалл. Онлайн расчёт резистора для светодиода производится на основе его номинальной рабочей силы тока.
Содержание
- 1. Онлайн калькулятор
- 2. Основные параметры
- 3. Особенности дешёвых ЛЕД
Онлайн калькулятор
Предварительно составьте схему подключения, чтобы избежать ошибок в расчётах. Онлайн калькулятор покажет вам точное сопротивление в Омах. Как правило окажется, что резисторы с таким номиналом не выпускаются, и вам будет показан ближайший стандартный номинал. Если не удаётся сделать точный подбор сопротивления, то используйте больший номинал.
Подходящий номинал можно сделать подключая сопротивление параллельно или последовательно. Расчет сопротивления для светодиода можно не делать, если использовать мощный переменный или подстроечный резистор. Наиболее распространены типа 3296 на 0,5W. При использовании питания на 12В, последовательно можно подключить до 3 LED.
Резисторы бывают разного класса точности, 10%, 5%, 1%. То есть их сопротивление может погрешность в этих пределах в положительную или отрицательную сторону.
Не забываем учитывать и мощность токоограничивающего резистора, это его способность рассеивать определенное количество тепла. Если она будет мала, то он перегреется и выйдет из строя, тем самым разорвав электрическую цепь.
Чтобы определить полярность можно подать небольшое напряжение или использовать функцию проверки диодов на мультиметре. Отличается от режима измерения сопротивления, обычно подаётся от 2В до 3В.
Основные параметры
Отличие характеристик кристаллов для дешевых ЛЕД
Так же при расчёте светодиодов следует учитывать разброс параметров, для дешевых они будут максимальны, для дорогих они будут более одинаковыми.
Чтобы проверить этот параметр, необходимо включить их в равных условиях, то есть последовательно. Уменьшая тока или напряжение снизить яркость до слегка светящихся точек. Визуально вы сможете оценить, некоторые будут светится ярче, другие тускло. Чем равномернее они горят, тем меньше разброс. Калькулятор расчёта резистора для светодиода подразумевает, что характеристики светодиодных чипов идеальные, то есть отличие равно нулю.
Напряжение падения для распространенных моделей маломощных до 10W может быть от 2В до 12В. С ростом мощности увеличивается количество кристаллов в COB диоде, на каждом есть падение. Кристаллы включаются цепочками последовательно, затем они объединяются в параллельные цепи. На мощностях от 10W до 100W снижение растёт с 12В до 36В.
Этот параметр должен быть указан в технических характеристиках LED чипа и зависит от назначения:
- цвета синий, красный, зелёный, желтый;
- трёхцветный RGB;
- четырёхцветный RGBW;
- двухцветный, теплый и холодный белый.
Особенности дешёвых ЛЕД
Прежде чем подобрать резистор для светодиода на онлайн калькуляторе, следует убедится в параметрах диодов. Китайцы на Aliexpress продают множество led, выдавая их за фирменные. Наиболее популярны модели SMD3014, SMD 3528, SMD2835, SMD 5050, SMD5630, SMD5730. Всё самое плохое обычно делается под брендом Epistar.
Например, чаще всего китайцы обманывают на SMD5630 и SMD5730. Цифры в маркировке обозначают лишь размер корпуса 5,6мм на 3,0мм. В фирменных такой большой корпус используется для установки мощных кристаллов на 0,5W , поэтому у покупателей диодов СМД5630 напрямую ассоциируется с мощностью 0,5W. Хитрый китаец этим пользуется, и в корпус 5630 устанавливает дешевый и слабенький кристалл в среднем на 0,1W , при этом указывая потребление энергии 0,5W.
Китайские светодиодные лампы кукурузы
Наглядным примером будут автомобильные лампы и светодиодные кукурузы, в которых поставлено большое количество слабеньких и некачественных ЛЕД чипов.
Обычный покупатель считает, чем больше светодиодов чем лучше светит и выше мощность.
Автомобильные лампы на самых слабых лед 0,1W
Чтобы сэкономить денежку, мои светодиодные коллеги ищут приличные ЛЕД на Aliexpress. Ищут хорошего продавца, который обещает определённые параметры, заказывают , ждут доставку месяц. После тестов оказывается, что китайский продавец обманул, продал барахло. Повезёт, если на седьмой раз придут приличные диоды, а не барахло. Обычно сделают 5 заказов, и не добившись результата и идут делать заказ в отечественный магазин, который может сделать обмен.
резисторов — с учетом сопротивления светодиода
В отличие от некоторых других ответов, светодиоды имеют сопротивление . Он небольшой, но не незначительный. Одного сопротивления недостаточно, чтобы охарактеризовать их поведение, но сказать, что светодиоды имеют сопротивление , а не , будет допустимым упрощением, только иногда .
См.
Рассмотрим отношение тока к напряжению для резистора, которое определяется законом Ома:
$$ I = \frac{V}{R} $$
Ясно, что они связаны линейно. Если бы вы построили график этого отношения тока к напряжению для резистора, как это показано в таблице выше для светодиода, вы получили бы прямую линию, проходящую через \$0V, 0A\$, а наклон этой линии равен сопротивлению \$ Р\$.
Вот такой график с резистором, «идеальным» диодом по уравнению диода Шокли и без сопротивления, и более реалистичной моделью светодиода, включающей некоторое сопротивление:
Как видите, при значениях тока > 5 мА идеальный диод выглядит как вертикальная линия. На самом деле это просто очень крутой , но в таком масштабе выглядит вертикально. Но настоящие светодиоды этого не делают, даже близко.
$$ \frac {2.4\:\mathrm V — 1.8\:\mathrm V} {50\:\mathrm{мА}-5\:\mathrm{мА}} = \frac{0,6\:\mathrm V}{45\:\mathrm{мА}} = 13\:\Омега $$
Таким образом, внутреннее сопротивление светодиода равно 13 Ом.
Конечно, вы должны также включить в свои расчеты прямое падение напряжения светодиода, которое отвечает за сдвиг вправо между резистором и реальными линиями светодиода . Но другие уже проделали хорошую работу по объяснению этого.
В конце концов, вам нужно смоделировать только те аспекты светодиода, которые важны для вашего приложения. 13 Ом сопротивления не имеет значения, если вы собираетесь добавить еще 1000 Ом. Колено на кривой ток-напряжение не имеет значения, если светодиод будет только 
Ом — Зачем нужны резисторы в светодиодах
Светодиод — это диод, сделанный из полупроводникового материала, который генерирует фотоны света, когда ток течет через материал. Чем больше ток через светодиод, тем больше света будет излучать светодиод, тем ярче он будет. Однако существует верхний предел, который представляет собой величину тока, достаточную для повреждения светодиода.
Светодиод оказывает небольшое сопротивление протекающему через него току. Большая часть небольшого сопротивления, которое он предлагает, возникает из-за потери энергии излучаемого света, а генерация фотонов настолько эффективна, что сопротивлением можно пренебречь. Однако по мере увеличения тока, увеличивая количество света, светодиод в какой-то момент выйдет из строя, потому что количество тока, проходящего через светодиод, вызывает отказ материала. При достаточно большом токе катастрофическое испарение материала может привести к небольшому взрыву во внешней оболочке светодиода.
Как напряжение цепи влияет на потребляемый светодиодом ток? Поскольку светодиод представляет собой тип диода, уравнение диода Шокли описывает ток, который диод пропускает при различных уровнях напряжения. Уравнение показывает, что результаты функции Шокли для заданного диапазона напряжения следуют экспоненциальной кривой. Это означает, что небольшие изменения напряжения могут привести к большим изменениям тока. Таким образом, использование светодиода в простой схеме, напряжение которой выше, чем прямое напряжение светодиода, может привести к тому, что светодиод будет потреблять на удивление больше тока, чем рекомендуемые уровни, что приведет к отказу светодиода.
См. тему Википедии «Схема светодиодов», а также тему Википедии «Уравнение диода Шокли».
Итак, идея состоит в том, чтобы спроектировать схему светодиода так, чтобы ограничить количество тока, протекающего через светодиод. Мы хотим сбалансировать наличие достаточного тока, чтобы обеспечить желаемый уровень яркости, но не настолько, чтобы материал светодиода вышел из строя. Самый распространенный способ ограничения тока — добавить резистор в цепь.
Светодиод должен иметь лист технических данных, в котором описаны электрические характеристики светодиода и допуски. Например, см. этот технический паспорт № модели: YSL-R531R3D-D2.
Первые характеристики, которые нас интересуют, это (1) максимальный ток, который светодиод может выдержать до того, как возможен отказ материала, что приведет к отказу светодиода, и (2) каков рекомендуемый диапазон тока. Эти и другие максимальные значения для типичного стандартного красного светодиода (разные светодиоды будут иметь разные значения) приведены в таблице, продублированной ниже.
В таблице технических данных для этого стандартного красного светодиода мы видим, что максимальный ток составляет 20 мА с рекомендуемым диапазоном от 16 мА до 18 мА.
Этот рекомендуемый диапазон представляет собой ток, при котором светодиод будет максимально ярким, не рискуя при этом повредить материал. Мы также видим, что номинальная рассеиваемая мощность составляет 105 мВт. Мы хотим убедиться, что в наших схемах светодиодов мы остаемся в этих рекомендуемых диапазонах.
Глядя в следующую таблицу, мы находим значение прямого напряжения для светодиода 2,2 В. Значение прямого напряжения — это падение напряжения при протекании тока через светодиод в прямом направлении от анода к катоду. См. Что такое «прямое» и «обратное» напряжение при работе с диодами?
Если бы мы использовали этот светодиод в цепи с напряжением 2,2 В и током 20 мА, то светодиод рассеивал бы 44 мВт, что находится в пределах нашей безопасной зоны рассеяния мощности. Если ток изменится с 20 мА на 100 мА, рассеивание будет в 5 раз больше или 220 мВт, что значительно выше номинального значения рассеиваемой мощности 105 мВт для светодиода, поэтому можно ожидать, что светодиод выйдет из строя.
Чтобы снизить ток через светодиод до рекомендуемых уровней, введем в цепь резистор. Резистор какого номинала мы должны использовать?
Мы рассчитываем номинал резистора по закону Ома, V = I x R . Однако мы сделаем алгебраическое преобразование, потому что мы хотим найти сопротивление, а не напряжение, поэтому вместо этого мы используем формулу R = V / I .
Значение I, тока в амперах, довольно очевидно, давайте просто используем рекомендуемый минимум 16 мА или 0,016 А из таблицы данных светодиода в преобразованной формуле. Но какое значение мы должны использовать для вольт, V?
Нам нужно использовать падение напряжения на резисторе, которое является вкладом резистора в общее падение напряжения во всей цепи. Таким образом, нам нужно будет вычесть вклад падения напряжения светодиода из общего напряжения цепи, чтобы определить вклад падения напряжения, необходимый для резистора.