Как сделать сопротивление на светодиод

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Светодиоды относятся к категории нелинейных полупроводниковых приборов. Поэтому правильная и надежная работа обеспечивается стабильным электрическим током. Часто из-за перегрузок светодиоды выходят из строя. Для таких случаев предусмотрено использование ограничительного резистора, последовательно включаемого в цепь. При подключении должна учитываться мощность и номинальное сопротивление. В связи с этим большую роль играет правильный расчет резистора для светодиода, основанный на общих принципах и проводимый по определенной методике.

Теоретический расчет резистора

Прикладываемое напряжение проходит между положительным и отрицательным контактом. Светодиод и резистор при последовательном соединении будут пропускать через себя одинаковый ток. В соответствии с законом Ома, сила тока находится в прямой пропорциональной зависимости от напряжения и обратно пропорциональна сумме сопротивлений резистора и светодиода.

Формула выглядит следующим образом: Знак R обозначает сопротивление резистора, а RLED является дифференциальным сопротивлением светодиода. Следовательно, сопротивление резистора при установленном значении тока рассчитывается по формуле:

Светодиод обладает дифференциальным сопротивлением, зависимым от нелинейной вольт-амперной характеристики. Сопротивление светодиода постоянному току есть переменная величина, снижающаяся при росте напряжения. Таким образом, значение дифференциального сопротивления характерно для отдельной точки на графике вольт-амперной характеристики. Рассчитать резистор можно по формуле , где ULED есть прямое напряжение светодиода.

Подбор сопротивления еще выполняется графическим путем. Как пример рассматривается рабочий ток в 100 мА и напряжение в 5В. На графике отмечают точку тока в 100 мА и проводят через нее и точку напряжения 5В прямую от оси абсцисс до того, пока она не пересечется с осью ординат. В точке пересечения определится значение тока в 250 мА. По формуле закона Ома сопротивление резистора рассчитывается как R=U/Iкз или 5В/0,25А=20 Ом. Перед расчетами единицы измерения приводятся к единым значениям.

Расчеты сопротивления на практике

Для расчетов сопротивления резисторов разработаны специальные программы, в которые вводятся исходные данные. Результаты рассчитываются автоматически и дают точные показатели.

При отсутствии программы расчеты выполняются вручную с применением специальных таблиц. В качестве примера можно взять светодиод белого цвета для работы с номинальным током 350 мА и напряжением 12 вольт. По таблице определяется прямое падение напряжения при заданном токе. Типовым значением в таблице будет 3,2 В, а максимальным – 3,9 В. Между ними могут быть и другие промежуточные значения. Но более вероятен ток в 3,2 В, поэтому для расчетов применяется именно это значение.

Применяя формулу R = (12В – 3,2В) /0,35А = 25,1 Ом. Значение, указанное в таблице составляет 24 Ом, поэтому, при необходимости, в цепь можно добавить один последовательно включенный резистор сопротивлением 1 Ом. Кроме использования таблицы, нужно измерять реальные значения токов и сопротивлений. Все это в совокупности дает точные результаты.

Когда проводится расчет резистора для светодиода, учитывается номинальная мощность рассеивания, с минимальным запасом 30%. Данный запас позволяет избежать перегрева. При затрудненном отводе тепла и низкой конвекции этот показатель должен быть еще выше.

Подобрать нужный резистор можно с помощью амперметра и магазина сопротивлений. Оба прибора включаются последовательно в цепь вместе со светодиодом и подключаются к источнику питания. Значение сопротивления устанавливается на максимум, после чего его нужно постепенно уменьшать. В течение этого периода яркость светодиода или сила тока приобретают нужные качества. На основании полученных данных выбирается необходимый номинал резистора.

Калькулятор резисторов для светодиодов

Уже невозможно представить современное освещение без использования светодиодов. Они используются буквально во всех возможных сферах – это связано с их сравнительно просто конструкцией, которая обеспечивает эргономичное соотношение стоимости, потребляемой энергии и производимого света. Единственная сложность, с которой может столкнуться обычный потребитель – грамотная установка светодиодов, которая позволит извлечь из их работы максимальную эффективность.

Одним из важнейших параметров, который нужно учитывать при запуске, является ограничение тока, подаваемого на тело светодиода. Расчет резистора для светодиода позволит добиться стабильной работы освещения и обеспечить долгий срок работы каждого отдельно взятого элемента.

Теоретическая часть

Светодиод – полупроводниковый элемент, который излучает свет при прохождении сквозь него тока с определенными параметрами. Долговечность подключенного устройства и стабильность его работы напрямую зависит от величины тока, которая на него подается. Именно стабильность, а не сила тока; вопреки распространенному мнению, даже незначительные превышения в этом параметре значительно увеличивают скорость паспортной деградации кристаллов, излучающих светодиодный свет.

Светодиод и ограничитель для него

Зачем нужен резистор?

Токоограничительный светодиодный резистор нужен в тех случаях, когда на первом месте стоит именно стабильность и продолжительность работы источников света, а не мощность их излучения. Такие цели преследуются в различных бытовых приборах с мигающими индикаторами, указателями и кнопками включения, а также в автомобилях, где стабильность тока в системе оставляет желать лучшего. Также он незаменим во время тестирования новых моделей светодиодов в производственных лабораториях.

В случаях, когда важна яркость света, которую выдает кристалл, нужно использовать именно стабилизатор тока – драйвер. Чаще всего драйвер имеет точные параметры и продается в комплекте с конкретным LED-изделием – светильником, лентой, или же сразу встраивается в лампочку. Также драйвер используется, если мы выбираем очень мощные источники света с огромной яркостью.

Как подключить сопротивление к светодиоду

Расчет для мощного светодиода

В этом разделе будет представлена инструкция, как выбрать ограничитель на основании расчетов. Все нижеприведенные числа теоретические. Для получения точной информации о своих светодиодах изучите техническую документацию, предоставляемую производителем или поставщиком.

Как рассчитать резистор для светодиода? В качестве примера будет использован расчет сопротивления теоретического светодиода белого цвета, который необходимо подключить к источнику тока 12 В (обозначим его буквой U). Сопротивление токоограничивающего резистора будет обозначаться буквой R – наша искомая величина. Белые и голубые светодиоды обычно имеют напряжение питания 4 В, все остальные цвета – не более 2 В. Наш источник света будет иметь максимальную мощность U_max=3.8 В, и минимальную U_min=3.1 В.

Ни в коем случае не используйте для расчета значение максимальной мощности, т. к. это все равно заставит работать светодиод на пределе вне зависимости от наличия ограничительного резистора. Обязательно необходимо узнать ток самого LED, он измеряется в амперах и обозначается буквой I. Наше устройство будет иметь ток 50 мА, или же 0.05 А. На этом сбор данных о LED заканчивается, их нужно подставить в простую формулу вида:

Проводим элементарное вычисление, в ходе которого выясняем, что:

R = (12 — 3.1) / 0.05 = 178 Ом.

Однако эта формула не дает нам конечного значения, т. к. не существует резисторов под каждое точно найденное число. Для поиска необходимого элемента нужно воспользоваться специальной таблицей, которая поможет подобрать резистор с максимально приближенным значением сопротивления. Для этого можно взглянуть на ниже представленные картинки. На них стрелочкой будет показан метод определения резистора, который нужно спросить у продавцов или поискать у себя.

Таблица подбора резистора с максимально приближенным значением сопротивления

Проанализировав таблицу, видим, что нам очень повезло – существует именно такой резистор для LED, который нам нужен.

Однако именно его выбирать не стоит. Существует такое понятие, как запас – лучше прибавьте к этому значению 10–15% для амортизации, мало ли что в электропроводке может произойти. Выполняем действие:

R = 178 + (178 × 0.15) ≈ 205 Ом.

Подберем необходимый вариант, снова просмотрев таблицу. Видим, что существует именно такой элемент. Его и следует использовать для ограничения подаваемого тока для светодиодов.

Расчет для светодиода с тремя кристаллами

Существуют светодиоды, где используется несколько кристаллов. В этом случае нужно рассчитать необходимое сопротивление с учетом того, что каждый кристалл имеет свой собственный ток. Если светодиод одноцветный, то в ранее указанной формуле значение I нужно умножить на количество включенных кристаллов (n). Все остальные значения оставим аналогичными. Получаем:

R = (U — U_min) / I × n

R = (12 — 3.1) / 0.05 × 3= 534 Ом.

Добавляем амортизацию 15% и получаем:

R = 534 + (534 × 0.15) ≈ 614 Ом.

Ближайшим расчетным значением в таблице является сопротивление резистора в 612 Ом – это наш выбор.

Если элемент использует несколько кристаллов с разными напряжениями, расчет гасящего резистора по формуле выполняется для каждого отдельно взятого кристалла. Для подключения светодиодов к сети каждый резистор должен подавать ток на тот кристалл, для которого он рассчитывался, то есть подключение будет разветвлено на три или более контакта. Количество резисторов должно равняться количеству светящихся элементов в самом светодиоде.

Ни в коем случае не подключайте RGB-светодиоды через один общий резистор – один кристаллик может сгореть, а второй даже не засветится, нужно подбирать каждый вариант отдельно.

Простая формула позволяет рассчитать реально необходимые значения и выполнить подбор реального сопротивления. Таким образом, получаем стабильно работающие источники света, которые имеют резистор гасящего сопротивления, рассчитанного с достаточным запасом амортизации для предохранения от перепадов в сети.

Нежелательно использовать значение сопротивления меньше рассчитанного, иначе смысл наличия ограничителя пропадает совершенно. Также не стоит использовать параллельное подключение самих элементов.

Так как для светоизлучающего диода (СИД, LED, светодиода) весьма желательно питание стабильным током, то не стоит его подключать непосредственно к источнику напряжения. Нужно обязательно стабилизировать или хотя бы ограничить ток протекающий через светодиод. Сложные импульсные стабилизаторы тока, с высоким КПД оставим напоследок, для начала пойдем по самому простому пути: используем единственный токоограничивающий резистор и сделаем расчет сопротивления резистора для светодиода.

На рабочем участке вольт-амперной характеристики светодиода, при небольшом изменении напряжения ток может меняться в несколько раз, то есть светодиод ведет себя как стабилизатор напряжения. Будем пренебрегать небольшим изменением падения напряжения на светодиоде и считать его постоянным.

Калькулятор расчета сопротивления резистора для светодиода

Сразу приведу калькулятор для тех кто не хочет углубляться в теорию.
Для расчета сопротивления резистора для светодиода нам потребуются следующие данные:

Введите все данные и получите сопротивление резистора в Омах.(Если нужно ввести дробные величины, то нужно использовать десятичную точку, а не запятую.)

Для питания светодиодов обычно приспосабливают источники питания на 5В или 12В. В принципе это может быть любой источник питания, главное чтобы его выходное напряжение было больше чем напряжение которое должно быть на светодиоде минимум на 10-15%, чем больше разница между напряжением БП и светодиода, тем будет лучше стабильность тока, но будет хуже КПД схемы.
Максимальный ток блока питания тоже должен быть равен или больше чем ток необходимый для светодиода. Если ток окажется меньше то светодиод не будет гореть в полную силу.
Падение тока на светодиоде — справочная величина, чем короче длинная волны испускаемого света тем выше напряжение падения. Так для светодиодов красного и зеленого свечения, величина падения 1,5 — 2,5В, для синих, ультрафиолетовых и белых 3 — 3,5В.
Ток светодиода также справочный параметр, но вместо него может указываться мощность светодиода в Ваттах. И чтобы получить ток нужно будет поделить мощность на напряжение. Например светодиод на мощность 1Вт и напряжение 3,3В должен потреблять 0,3А или 300мА тока.

Когда все данные получены расчет резистора для светодиода не составит труда: сначала определяем падение напряжение на резисторе, для этого из напряжения питания вычитаем падение на светодиоде. А теперь по закону Ома делим это напряжение на ток, в результате и имеем сопротивление.
Если напряжения указаны в Вольтах, а токи в Амперах, то сопротивление получиться в Омах. Если использовать миллиАмперы, то сопротивление будет в килоОмах.

Пример расчета сопротивления резистора для светодиода.

Для примера возьмем уже рассматриваемый нами светодиод и подключим его к источнику питания 5В: (5В-3,3В)/0,3А=5,67Ом. Так как самый близкий из выпускаемых номиналов резисторов 5,6 Ом, то используем его.
Теперь, когда известно сопротивление резистора для светодиода, рассчитаем его мощность, для этого проще всего возвести в квадрат протекающий через резистор ток и умножить на сопротивление.

Пример расчета мощности резистора для светодиода.

Продолжаем пример: 0,3А*0,3А*5,6 Ом=0,5 Вт.
В принципе, резистор на такую мощность можно купить, также можно поставить резистор на большую мощность, но часто мощности получаются большими тогда нам поможет групповое соединение резисторов, но это тема для другой статьи.

Включение нескольких светодиодов

Часто в разных лампах или системах подсветки, требуется использовать несколько одинаковых светодиодов, так вот можно сильно сэкономить на резисторах включив последовательно несколько светодиодов и один резистор. Конечно стоимость резистора невелика, но вот то что места один резистор потребует меньше будет большим плюсом.
Для такой схемы включения сопротивление резистора рассчитывается аналогично, только вместо падения напряжения на одном светодиоде нужно подставить сумму падений напряжений на всех последовательно включенных светодиодах.

Например используя источник питания на 12В можно включить последовательно три светодиода по 3,3В ещё 2В нужно будет погасить на резисторе. Если используются светодиоды на 1Вт, то мы получим сопротивление 2В/0,3А=6,67 Ом. Самый близкий номинал 6,8 Ом.

Сопротивление балластного резистора легко рассчитать, используя закон Ома и правила Кирхгофа. Чтобы рассчитать необходимое сопротивление резистора, нам необходимо из напряжения источника питания вычесть номинальное напряжение светодиода, а затем эту разницу разделить на рабочий ток светодиода:

V — напряжение источника питания
V_LED — напряжение падения на светодиоде
I – рабочий ток светодиода

Ниже представлена таблица зависимости рабочего напряжения светодиода от его цвета:

Умный ПДУ для светодиодной ленты

Светодиодный драйвер на PT4115

Инфракрасный включатель для светодиодной ленты

Драйвер для светодиодной ленты

Контроллер светодиодной ленты

Хотя эта простая схема широко используется в бытовой электронике, но все же она не очень эффективна, так как избыток энергии источника питания рассеивается на балластном резисторе в виде тепла. Поэтому, зачастую используются более сложные схемы (драйверы для светодиодов) которые обладают большей эффективностью.

Давайте, на примере выполним расчет сопротивления резистора для светодиода.

источник питания: 12 вольт
напряжение светодиода: 2 вольта
рабочий ток светодиода: 30 мА

Рассчитаем токоограничивающий резистор, используя формулу:

Получается, что наш резистор должен иметь сопротивление 333 Ом. Если точное значение из номинального ряда резисторов подобрать не получается, то необходимо взять ближайшее большее сопротивление. В нашем случае это будет 360 Ом (ряд E24).

Последовательное соединение светодиодов

Часто несколько светодиодов подключают последовательно к одному источнику напряжения. При последовательном соединении одинаковых светодиодов их общий ток потребления равняется рабочему току одного светодиода, а общее напряжение равно сумме напряжений падения всех светодиодов в цепи.

Поэтому, в данном случае, нам достаточно использовать один резистор для всей последовательной цепочки светодиодов.

Параллельное соединение светодиодов

Так же можно подключить светодиоды и параллельно, но это создает больше проблем, чем при последовательном соединении.

Ограничивать ток параллельно соединенных светодиодов одним общим резистором не совсем хорошая идея, поскольку в этом случае все светодиоды должны иметь строго одинаковое рабочее напряжение. Если какой-либо светодиод будет иметь меньшее напряжение, то через него потечет больший ток, что в свою очередь может повредить его.

И даже если все светодиоды будут иметь одинаковую спецификацию, они могут иметь разную вольт-амперную характеристику из-за различий в процессе производства. Это так же приведет к тому, что через каждый светодиод будет течь разный ток. Чтобы свести к минимуму разницу в токе, светодиоды, подключенные в параллель, обычно имеют балластный резистор для каждого звена.

Светодиод как нелинейный элемент

Рассмотрим семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) для светодиодов различных цветов. Эта характеристика показывает зависимость тока, проходящего через светоизлучающий диод, от напряжения, приложенного к нему. Как видно на рисунке, характеристики имеют нелинейный характер.

Это означает, что даже при небольшом изменении напряжения на несколько десятых долей вольта, ток может измениться в несколько раз. Однако при работе со светодиодами обычно используют наиболее линейный участок (т.н. рабочую область) ВАХ, где ток изменяется не так резко. Чаще всего производители указывают в характеристиках светодиода положение рабочей точки, то есть значения напряжения и тока, при которых достигается заявленная яркость свечения.

Представленные выше характеристики были получены для светоизлучающих диодов, включенных в прямом направлении. То есть отрицательный полюс питания подключен к катоду, а положительный – к аноду

Мигающие светодиоды

Мигающие светодиоды выглядят как обычные светодиоды, они могут мигать самостоятельно потому, что содержат встроенную интегральную схему. Светодиод мигает на низких частотах, как правило 2-3 вспышки в секунду. Такие безделушки делают для автомобильных сигнализаций, разнообразных индикаторов или детских игрушек. Светодиодные цифробуквенные индикаторы сейчас применяются очень редко, они сложнее и дороже жидкокристаллических. Раньше, это было практически единственным и самым продвинутым средством индикации, их ставили даже на сотовые телефоны.

При последовательном соединении надо учитывать падение напряжения на каждом диоде, эту сумму сложить и из напряжения питания вычесть вышеозначенную сумму и уже для неё посчитать ток, еа который рассчитан один светодиод. При параллельном несколько сложнее, когда ставишь в параллель второй диод, резистор, необходимый для одного, делишь пополам, а когда три – тогда номинал резистора для двух диодов надо умножить на 0.7, когда четыре диода – номинал для трёх умножаешь на 0.69, для пяти – номинал для четырёх умножаешь на 0.68 и т.д.

При последовательном соединении мощность резистора как для одного диода, независимо от количества, а при параллельном, при каждом добавлении диода, мощность надо пропорционально увеличивать. Только в параллельном и последовательном соединении должны быть диоды одного типа. Но я всегда ставлю на каждый диод свой резистор, потому как диоды имеют довольно большой разброс параметров. И, как показывает практика, обязательно находится слабое звено.

Расчет гасящего резистора для светодиода

Первым делом разберемся как выполнить расчет сопротивления гасящего резистора, от чего оно зависит и какой мощности должен быть резистор для питания светодиода от источника питания. Ток (I) через резистор и светодиод протекает один и от же. Напряжение на резисторе равно разнице напряжений питания и напряжения на светодиоде (VS-VL). Здесь нам нужно рассчитать сопротивление резистора (R), при котором через цепь будет протекать напряжение I, а на светодиоде будет напряжение VL.

Допустим что мы будем питать светодиод от батареи напряжением 5В, как правило такое питающее напряжение используется при питании микроконтроллерных схем и другой цифровой техники. Вычислим значение напряжения на гасящем резисторе, для этого нам нужно знать падение напряжения на светодиоде, это можно выяснить по справочнику для конкретного светодиода.

Примерные значения падения напряжения для светодиодов (АЛ307 и другие маломощные в подобном корпусе):

красный – 1,8…2В;
зеленый и желтый – 2…2,4В;
белые и синие – 3…3,5В.

Допустим что мы будем использовать синий светодиод, падение напряжения на нем – 3В. Производим расчет напряжения на гасящем резисторе – Uгрез = Uпит – Uсвет = 5В – 3В = 2В. Для расчета сопротивления гасящего резистора нам нужно знать ток через светодиод. Номинальный ток конкретного типа светодиода можно узнать по справочнику. У большинства маломощных светодиодов (наподобии АЛ307) номинальный ток находится в пределах 10-25мА.

Допустим что для нашего светодиода номинальный ток для его достаточно яркого свечения составляет 20мА (0,02А). Получается что на резисторе будет гаситься напряжение 2В и проходить ток 20мА. Выполним расчет по формуле закона Ома:

R = U / I = 2В / 0,02А = 100 Ом.

В большинстве случаев подойдет маломощный резистор с мощностью 0,125-0,25Вт (МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25). Если же ток и напряжение падения на резисторе будет очень отличаться то не помешает произвести расчет мощности резистора:

P = U * I = 2В * 0,02А = 0,04 Вт.

Таким образом, 0,04 Вт явно меньше номинальной мощности даже для самого маломощного резистора МЛТ-0,125 (0,125 Вт). Произведем расчет для красного светодиода (напряжение 2В, ток 15мА).

Uгрез = Uпит – Uсвет = 5В – 2В = 3В.
R = U / I = 3В / 0,015А = 200 Ом.
P = U * I = 3В * 0,015А = 0,045 Вт.

При подключении светодиодов не нужно забывать что они имеют полярность. Для определения полярности светодиода можно использовать мультиметр в режиме прозвонки или же омметр. Использование гасящих резисторов оправдано для питания маломощных светодиодов, при питании мощных светодиодов нужно использовать специальные LED-драйверы и стабилизаторы.

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.

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.

Читайте также: