Как рассчитать резистор для светодиода: особенности, рекомендации и правила
Яркость и долговечность светодиодного освещения напрямую зависят от правильного выбора резистора в схеме. Давайте разберемся, как же рассчитать нужное сопротивление, чтобы светодиоды радовали нас долгие годы.
Что такое светодиод и принцип его работы
Светодиод (светоизлучающий диод) – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в оптическое излучение. В отличие от ламп накаливания, он генерирует свет за счет явления электролюминесценции, а не нагрева проводника.
Устройство светодиода основано на p-n переходе. Это область контакта между полупроводниками p- и n-типа. При пропускании тока через p-n переход электроны рекомбинируют с дырками, излучая кванты света определенной длины волны.
Прямое и обратное включение светодиода
Чтобы светодиод излучал свет, его нужно включить в прямом направлении : положительный полюс источника питания подключается к аноду, а отрицательный – к катоду диода:
При обратном включении ток не пойдет, и свечения не будет. Кроме того, такое подключение опасно пробоем p-n перехода.
Вольт-амперная характеристика светодиода
Зависимость тока через светодиод от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). У каждого типа светодиодов своя ВАХ, и именно из ВАХ видно, что одно и то же изменение напряжения может в разы изменить величину тока. Поэтому для стабильной работы используют только линейный участок ВАХ – так называемую рабочую область .
Рабочая точка светодиода
Точка пересечения рабочей области ВАХ со значениями напряжения и тока, указанными в datasheet светодиода, называется рабочей точкой .
| Параметр | Обозначение |
| Прямое напряжение | UF |
| Прямой ток | IF |
Именно в рабочей точке светодиод обеспечивает заявленные в паспорте световой поток и цветовую температуру.
Зачем нужен резистор в схеме со светодиодом
Без стабилизации тока ВАХ светодиода слишком нелинейна. Что же будет, если подключить светодиод к источнику питания напрямую?
Без резистора светодиод сгорит
Дело в том, что внутреннее сопротивление источника питания очень мало. Поэтому при прямом подключении к источнику ток через светодиод может во много раз превысить допустимый уровень. В результате светодиод быстро выйдет из строя:
Чтобы этого не произошло, в схему необходимо включить резистор для ограничения тока.
Резистор стабилизирует рабочую точку светодиода
Благодаря резистору R ток через светодиод IF становится равным расчетному значению, а напряжение UF устанавливается как раз в рабочей точке:
Так резистор позволяет не только ограничить, но и стабилизировать ток в цепи. А это гарантирует оптимальный режим и долгую службу светодиода.
Как рассчитать резистор для одиночного светодиода
Итак, перейдем к главному – расчету резистора для светодиода. Для начала разберем простейший случай – подключение одиночного светодиода через ограничительный резистор к источнику питания.
Необходимые данные для расчета резистора к светодиоду
Для расчета сопротивления R ограничительного резистора нужны следующие параметры:
- Напряжение источника питания, В (Uc)
- Прямое напряжение светодиода, В (UF)
- Прямой ток светодиода, мА (IF)
Эти данные берутся из datasheet конкретного светодиода и паспорта блока питания.
Основная формула расчета резистора для светодиода
Сопротивление резистора для светодиода рассчитывается по формуле:
где:
R – сопротивление резистора, Ом;
UC – напряжение источника питания, В;
UF – прямое напряжение светодиода по паспорту, В;
IF – прямой ток светодиода по паспорту, А.
Пример расчета
Рассчитаем R для красного светодиода со следующими параметрами:
- Напряжение питания UC = 12 В
- Прямое напряжение светодиода UF = 2 В
- Прямой ток светодиода IF = 0,02 А (20 мА)
Подставляя значения в формулу, получаем:
Таким образом, для данного светодиода нужен резистор с сопротивлением 500 Ом.
Выбор мощности резистора с запасом
Кроме величины сопротивления R, нужно правильно выбрать допустимую мощность резистора P:
Для надежности лучше брать резистор с запасом по мощности.
Округление номинала резистора в большую сторону
При покупке резистора берется ближайшее стандартное значение сопротивления из ряда E24. То есть в нашем случае это будет 560 Ом или 680 Ом.
Особенности расчета резистора при последовательном соединении светодиодов
Рассмотрим теперь более сложный случай - как рассчитать резистор для нескольких последовательно соединенных светодиодов.
Схема последовательного соединения светодиодов
При последовательном соединении светодиоды включаются в цепочку: анод первого соединяется с плюсом источника питания, катод - с анодом следующего и т.д. В конце цепочки катод последнего светодиода подключается к минусу источника через общий резистор:
Расчет суммарного напряжения на светодиодах
В отличие от одиночного светодиода, напряжение на нагрузке теперь равно сумме всех прямых напряжений UF в цепочке:
Например, для трех светодиодов с UF = 2 B каждый суммарное напряжение составит 3·2 = 6 B.
Выбор напряжения источника питания
Источник питания для последовательной цепочки нужно выбирать так, чтобы его напряжение Uc было больше суммарного напряжения на всех светодиодах.
Формула расчета резистора для последовательной цепи
Формула для расчета резистора в этом случае та же, что и для одиночного светодиода, но вместо напряжения одного берется их сумма:
Где Усум - суммарное прямое напряжение всех светодиодов в цепочке.
Пример расчета
Допустим, надо включить 5 красных светодиодов с UF = 2 B и IF = 20 мА к источнику 12 В.
Суммарное напряжение на них Усум = 5·2 = 10 B. Подставляя значения в формулу, получаем R = (12 - 10) / 0.02 = 100 Ом.
Таким образом, для 5 последовательно включенных светодиодов нужен резистор 100 Ом.
Особенности расчета резистора при параллельном соединении светодиодов
Еще один распространенный вариант - параллельное соединение нескольких светодиодов с общим резистором.
Схема параллельного соединения светодиодов
При параллельном соединении все аноды светодиодов подключаются к плюсу источника питания, а все катоды через общий резистор - к минусу:
Расчет суммарного тока через светодиоды
В отличие от последовательного соединения, ток через каждый светодиод здесь будет одинаков и равен IF. Но суммарный ток через резистор будет в N раз больше, где N - количество параллельно включенных светодиодов:
Недостатки общего резистора
Главный минус использования одного резистора на все светодиоды - это разброс параметров самих диодов. Яркость и оттенки цвета у них могут существенно отличаться.
Необходимость индивидуальных резисторов
Поэтому лучше использовать отдельный резистор для каждого параллельного светодиода или для каждой их пары-тройки:
В этом случае яркость и цвет у всех светодиодов будут одинаковыми.
Пример расчета резисторов
Допустим, имеется 4 светодиода с IF = 20 мА и UF = 2 В, которые нужно включить к источнику 12 В. Сопротивление резистора для каждого вычисляется по той же формуле, что и для одиночного светодиода: R = (Uc - UF) / IF = (12 - 2) / 0.02 = 500 Ом.
Так для 4 параллельных светодиодов потребуются одинаковые резисторы по 500 Ом на каждый светодиод.
Теперь вы знаете, что внутреннее сопротивление источника питания очень мало. Поэтому при прямом подключении к источнику ток через светодиод может во много раз превысить допустимый уровень. В результате светодиод быстро выйдет из строя:
Чтобы этого не произошло, в схему необходимо включить резистор для ограничения тока, и теперь вы знаете, как именно это нужно делать правильно, а так же как предварительно рассчитать резистор для светодиода.