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 светодиодов: примеры, онлайн калькулятор
При подключении светодиодов небольшой мощности чаще всего используется гасящий резистор. Это наиболее простая схема подключения, которая позволяет получить требуемую яркость без использования дорогостоящих драйверов. Однако, при всей ее простоте, для обеспечения оптимального режима работы необходимо провести расчет резистора для светодиода.
Содержание
- Светодиод как нелинейный элемент
- Как подобрать резистор для одиночного светодиода
- Расчет резистора при подключении нескольких светодиодов
- Программы для расчета сопротивления
- Заключение
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.
На рисунке показаны типовые значения рабочих точек для красных, зеленых, белых и голубых светодиодов при токе 20 мА. Здесь можно заметить, что led разных цветов при одинаковом токе имеют разное падение напряжения в рабочей области. Эту особенность следует учитывать при проектировании схем.
Представленные выше характеристики были получены для светоизлучающих диодов, включенных в прямом направлении. То есть отрицательный полюс питания подключен к катоду, а положительный – к аноду, как показано на картинке справа:
Полная же ВАХ выглядит следующим образом:
Здесь видно, что обратное включение бессмысленно, поскольку светодиод не будет излучать, а при превышении некоторого порога обратного напряжения выйдет из строя в результате пробоя. Излучение же происходит только при включении в прямом направлении, причем интенсивность свечения зависит от тока, проходящего через led. Если этот ток ничем не ограничивать, то led перейдет в область пробоя и перегорит. Если нужно установить рабочий светодиод или нет, то Вам будет полезна статья подробно раскрывающая все способы проверки led.
Как подобрать резистор для одиночного светодиода
Для ограничения тока светоизлучающего диода можно использовать резистор, включенный таким образом:
Теперь определяем, какой резистор нужен. Для расчета сопротивления используется формула:
где U пит — напряжение питания,
U пад- падение напряжения на светодиоде,
I — требуемый ток светодиода.
При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, будет пропорциональна квадрату тока:
Например, для красного светодиода Cree C503B-RAS типовое падение напряжения составляет 2.1 В при токе 20 мА. При напряжении питания 12 В сопротивление резистора будет составлять
Из стандартного ряда сопротивлений Е24 подбираем наиболее близкое значение номинала – 510 Ом. Тогда мощность, рассеиваемая на резисторе, составит
Таким образом, потребуется гасящий резистор номиналом 510 Ом и мощностью рассеивания 0.25 Вт.
Может сложиться впечатление, что при низких напряжениях питания можно подключать led без резистора. На этом видео наглядно показано, что произойдет со светоизлучающим диодом, включенного таким образом, при напряжении всего 5 В:
Светодиод сначала будет работать, но через несколько минут просто перегорит. Это вызвано нелинейным характером его ВАХ, о чем говорилось в начале статьи.
Никогда не подключайте светодиод без гасящего резистора даже при низком напряжении питания. Это ведет к его выгоранию и, в лучшем случае, к обрыву цепи, а в худшем – к короткому замыканию.
Расчет резистора при подключении нескольких светодиодов
Подключить несколько led можно двумя способами: последовательно и параллельно. Схемы включения показаны ниже. Не забудьте почитать более подробно про способы подключения светодиодов.
При последовательном соединении используется один резистор, задающий одинаковый ток всей цепочке led. При этом следует учитывать, что источник питания должен обеспечивать напряжение, превышающее общее падение напряжения на диодах. То есть при соединении 4 светодиодов с падением 2.5 В потребуется источник напряжением более 10 В. Ток при этом для всех будет одинаковым. Сопротивление резистора в этом случае можно рассчитать по формуле:
где — напряжение питания,
— сумма падений напряжения на светодиодах,
— ток потребления.
Так, 4 зеленых светодиода Kingbright L-132XGD напряжением 2.5 В и током 10 мА при питании 12 В потребуют резистора сопротивлением
При этом он должен рассеивать мощность
При параллельном подключении каждому светоизлучающему диоду ток ограничивает свой резистор. В таком случае можно использовать низковольтный источник питания, но ток потребления всей цепи будет складываться из токов, потребляемых каждым светодиодом. Например, 4 желтых светодиода BL-L513UYD фирмы Betlux Electronics с потреблением 20 мА каждый, потребуют от источника ток не менее 80 мА при параллельном включении. Здесь сопротивление и мощность резисторов для каждой пары «резистор – led» рассчитываются так же, как при подключении одиночного светодиода.
Обратите внимание, что и при последовательном, и при параллельном соединении используются источники питания одинаковой мощности. Только в первом случае потребуется источник с большим напряжением, а во втором – с большим током.
Нельзя подключать параллельно несколько светодиодов к одному резистору, т.к. либо они все будут гореть очень тускло, либо один из них может открыться чуть раньше других, и через него пойдет очень большой ток, который выведет его из строя.
Программы для расчета сопротивления
При большом количестве подключаемых led, особенно если они включены и последовательно, и параллельно, рассчитывать сопротивление каждого резистора вручную может быть проблематичным.
Проще всего в таком случае воспользоваться одной из многочисленных программ расчета сопротивления. Очень удобным в этом плане является онлайн калькулятор на сайте cxem.net:
https://cxem.net/calc/ledcalc.php
Он включает в себя небольшую базу данных самых распространенных светодиодов, поэтому необязательно вручную набирать значения падения напряжения и тока, достаточно указать напряжение питания и выбрать из списка нужный светоизлучающий диод. Программа рассчитает сопротивление и мощность резисторов, а также нарисует схему подключения или принципиальную схему.
Например, с помощью этого калькулятора был рассчитан резистор для трех светодиодов CREE XLamp MX3 при напряжении питания 12 В:
Также программа обладает очень полезной функцией: она подскажет цветовую маркировку требуемого резистора.
Еще одна простая программа для расчета сопротивления разработана Сергеем Войтевичем. Скачать программу можно по этой ссылке.
Здесь уже вручную выбирается способ подключения светодиодов, напряжение и ток. Программа не требует установки, достаточно распаковать ее в любую директорию.
Заключение
Гасящий резистор – самый простой ограничитель тока для светодиодной цепи. От его подбора зависит ток, а значит, интенсивность свечения и долговечность led. Однако следует помнить, что при больших токах на резисторе будет выделяться значительная мощность, поэтому для питания мощных светодиодов лучше применять драйверы.
Сопротивление светодиода в простой цепи батарея-резистор-светодиод?
спросил
Изменено 7 лет, 4 месяца назад
Просмотрено 1к раз
\$\начало группы\$
У меня простая схема батарея 9В — резистор 1кОм — светодиод. Эта цепь имеет ток 7,5 мА (измеренный между светодиодом и батареей). Если падение напряжения на светодиоде составляет 2 В, значит ли это, что мой светодиод имеет сопротивление (2 % 7,5) кОм?
Спасибо!
- светодиод
- сопротивление
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Диоды неомические. Резисторы имеют линейную зависимость между током и напряжением. Это соотношение, описанное законом Ома, который вы использовали в своем вопросе. Диоды выглядят следующим образом:
Мы обычно моделируем их как простое падение напряжения, когда они смещены в прямом направлении, и разомкнутую цепь, когда они смещены в обратном направлении. Если требуется большая точность, мы иногда моделируем состояние прямого смещения с падением напряжения и сопротивление. Однако то, что вы вычислили , не равно этому сопротивлению. Ваш расчет соответствует линии между исходной точкой и текущей рабочей точкой вашей схемы, что дает совсем другое число.
Утверждение, что ваш светодиод имеет такое сопротивление, вводит в заблуждение, так как если вы измените ток, напряжение не изменится пропорционально.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Не следует рассматривать светодиоды (и другие диоды) как имеющие сопротивление, поскольку они не подчиняются закону Ома. Напряжение на горящем светодиоде изменяется незначительно при изменении тока. Лучше всего сказать, что светодиод имеет (почти) фиксированное падение напряжения, которое зависит от цвета светодиода.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Поскольку сопротивление определяется как:
$$ R= \frac{E}{I}$$
прямой ток (If) через него, мы имеем
$$ R= \frac{Vf}{If} = \frac{2V}{0,0075A} =267 \text{ Ом}$$
Однако, поскольку светодиод Vf будет оставаться довольно постоянным, в то время как его If меняется, поскольку светодиод не является омическим, его сопротивление не будет оставаться постоянным, а его расчетное сопротивление будет действительным только при указанных значениях Vf и If.
Например, если светодиод, о котором вы говорили, вырабатывал Vf 2,1 вольта с If 15 мА через него, то его сопротивление в этих условиях будет:
$$ R= \frac{Vf}{If } = \frac{2.1V}{0.015A} = 140 \text{ Ом,}$$
что, как видите, сильно отличается от первого случая.
Ниже представлен интересный график зависимости прямого напряжения и сопротивления от прямого тока для произвольно выбранного красного светодиода на 20 мА.
Были измерены ток и падение напряжения на светодиоде, а сопротивление было рассчитано, как обсуждалось ранее.
Наслаждайтесь! 🙂
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Лучший способ посмотреть на сопротивление светодиода — посмотреть на общий ток и напряжение в цепи.
R = V / I = 9 / 0,0075 = 1200 ОмПоскольку сопротивление резистора равно 1000 Ом, светодиод должен обеспечивать сопротивление 200 Ом. Как уже упоминалось, это значение не является постоянным, как у обычного резистора.
Кроме того, если предположить, что батарея действительно выдает 9V, падение напряжения на светодиоде не может быть 2 В. Тогда ток (9 — 2) / 1000 = 7 мА.
\$\конечная группа\$
2
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
Расчет резистора для светодиода с переменным напряжением
Вы не можете просто использовать резистор
При нулевом накладном напряжении (разнице между самым низким напряжением питания, которое вы хотите поддерживать, и напряжением светодиода) нет возможности регулировать ток через светодиод .
Соответствующее уравнение:
$$\begin{align*} \frac{\%\,I_\text{LED}}{\%\,V_\text{CC}}=\frac{\left[\frac{\text{d}\,I_\text{LED}} {I_\text{LED}}\right]}{\left[\frac{\text{d}\,V_\text{CC}}{V_\text{CC}}\right]}&=\frac{ 1}{1-\frac{V_\text{LED}}{V_\text{CC}}} \end{выравнивание*}$$
(Разработку можно найти здесь.)
Вы хотите поддерживать \$3\:\text{V}\le V_{\text{CC}}\le 60\:\text{V}\$. Обратите внимание, что при меньшем значении \$3\:\text{V}\$ приведенное выше уравнение имеет 0 в знаменателе. Фактически это означает, что если вы использовали \$V_{\text{CC}}= 3\:\text{V}\$ со своим светодиодом, резистор был бы равен \$0\:\Omega\$ (единственный способ чтобы получить падение напряжения \$0\:\text{V}\$ при некотором заданном токе светодиода) и, очевидно, регулировка тока, которую он предлагает, будет несуществующей .
Кроме того, вы говорите о \$\frac{60\:\text{V}-\sqrt{3\:\text{V}\:\cdot\:60\:\text{V}}}{ \sqrt{3\:\text{V}\:\cdot\:60\:\text{V}}}\приблизительно \pm 350\:\%\$ Диапазон изменения напряжения питания около значения \$\sqrt {3\:\text{V}\:\cdot\:60\:\text{V}}\ок.
Даже если бы был способ, ваш резистор должен был бы рассеять до \$250\:\text{мА}\,\cdot\,\left(60\:\text{V}-3\:\text {V}\right)\примерно 15\:\text{W}\$ в худшем случае. И это только в том случае, если вы можете обрабатывать только \$V_\text{CC}=60\:\text{V}\$ и ничего меньше этого.
Короче говоря, нет хорошего решения с использованием резистора.
Линейное регулирование тока невозможно, \$V_\text{CC}=V_\text{LED}=3\:\text{V}\$
И нет возможного решения, активного или иного, если вам нужно для поддержки \$V_\text{CC}=V_\text{LED}\$. Есть всегда хоть какая-то (может быть десятки милливольт, но должна быть ненулевая) потребность в накладном напряжении, чтобы активная схема могла работать.
Посмотрите здесь подробное обсуждение дизайна одного из подходов. Но это требует, чтобы вы уменьшили свои требования до \$4.5\:\text{V}\le V _{\text{CC}}\le 60\:\text{V}\$. Вы также можете использовать современные методы зеркалирования, которые будут хорошо работать для \$3.5\:\text{V}\le V_{\text{CC}}\le 60\:\text{V}\$, но потребуют больше, чем пара активных устройств.
P.S. Вышеприведенное предполагает, что у вас есть только один источник, сам по себе. Если у вас есть доступ к другой шине питания, приведенное выше обсуждение может не применяться.
Наконец, вы можете получить разумные результаты, если захотите еще больше ослабить требования к \$6\:\text{V}\le V_{\text{CC}}\le 60\:\text{V}\$ . В этом случае следующая схема будет регулировать ток так, чтобы \$20\:\text{мА}\le I_{\text{LED}}\le 25\:\text{мА}\$ в этом диапазоне:
смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab
Опять же, в любой из вышеперечисленных идей есть проблемы с рассеиванием тепла. Это просто не уходит.
Давайте рассмотрим безумную идею, активную и линейную, не требующую переключения. Это будет просто набросок и не реалистично. Но это раздвинет границы, чтобы увидеть, что можно сделать, и вы увидите, что у вас все еще есть проблемы с нагревом:
смоделируйте эту схему
Здесь \$Q_3\$ придется справиться с чудовищной нагрузка по рассеиванию тепла, если рельс \$60\:\text{V}\$. Но приведенная выше схема технически (если вы каким-то образом можете себе представить, что тепло не является проблемой) справится с вашими требованиями почти до \$3\:\text{V}\$. (Не совсем.) Текущее положение может быть спроектирован так, чтобы поражал всего лишь 2:1 во всем диапазоне подачи. Может быть. (Однако я не собираюсь работать над этим достаточно долго, чтобы выяснить это.)
Думаю, теперь вы понимаете, почему вы должны рассмотреть идею схемы переключателя. А эти не дешевые. Хуже того, я не знаю ни одного решения IC, которое поддерживало бы ваш полный диапазон ввода \$3\:\text{V}\le V_\text{CC} \le 60\:\text{V}\$. Некоторые опустятся до нижнего предела, но не дойдут до верхнего предела. Другие пойдут так высоко, как вам нужно, но не опустятся так низко, как вам нужно. Тот широкий диапазон, который вы указали, просто зашкаливает. Возможно, кто-то знает часть. Я не.
Коммутаторы
После того, как вы воспримете идею коммутатора, вам будет выгодно установить выходное напряжение как можно ближе к наихудшему напряжению светодиода при работе при \$250\:\text{мА}\$ , но с достаточным запасом напряжения, чтобы хорошо контролировать ток. Это может быть скромным с текущим расположением зеркал или может быть немного более расточительным, используя одну из вышеперечисленных линейных схем.
И последнее напоминание: ваш источник имеет динамический диапазон 20:1! Это требование довольно сложно выполнить с помощью коммутатора. Поворот ШИМ, например, с 10% до 90% (9:1) достаточно жестко, чтобы хорошо контролировать. Динамический диапазон 20:1 означает поворот под чистым, хорошим контролем примерно от 5% до 95%. Не просто.
Я не знаю, какой у вас источник и изолирован ли он, но если вам нужно добавить еще и изоляцию, для этого, скорее всего, потребуется высокочастотный переключатель постоянного тока с небольшим трансформатором и с некоторым выходным напряжением. оптическая обратная связь. Худший случай. Возможно, вы сможете упаковать это в том размером 1 x 0,5 x 0,5 дюйма для вывода \$1\:\text{W}\$, который вам нужен.
Линейный дизайн Безумного Эдди
Хорошо. Значит, ты действительно сумасшедший. И вам нужен непереключаемый, линейный дизайн, который будет «просто работать правильно».
Вот оно:
смоделируйте эту схему
Я использовал версии TO-220 для \$Q_1\$ и \$Q_2\$, чтобы они могли рассеивать мощность, как сумасшедшие! И я использовал обычное зеркало Уилсона, чтобы избежать раннего эффекта на токи светодиодов (что существенно для этих двух биполярных транзисторов). ! И он будет нормально работать при значениях источника питания до \ $ 60 \: \ text {V} \ $, с максимум \ $ 1,5 \: \ text {W} \ $ в два больших TO-220 BJT.