Расчет резистора для светодиода, калькулятор

Расчет резистора для светодиода, калькулятор

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.

  • 1. Онлайн калькулятор
  • 2. Основные параметры
  • 3. Особенности дешёвых ЛЕД

Расчет резистора для светодиода

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
  • VLED — напряжение падения на светодиоде
  • I – рабочий ток светодиода

Ниже представлена таблица зависимости рабочего напряжения светодиода от его цвета:

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).

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.

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.

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:

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 распространенная на просторах интернета разработана Сергеем Войтевичем с портала ledz.org.

Здесь уже вручную выбирается способ подключения светодиодов, напряжение и ток. Программа не требует установки, достаточно распаковать ее в любую директорию.

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.

Рис. 1. Схема подключения светодиода к источнику питания через резистор.

Как видим из схемы, 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.

Виды расчета величины резистора-токоограничителя

На практике используют два вида расчета – графический, по ВАХ – вольтамперной характеристике конкретного диода, и математический – по его паспортным данным.

  • Е – источник питания, имеющий на выходе величину Е;
  • «+»/«–» – полярность подключения светодиода: «+» – анод, на схемах показывается треугольником, «-» – катод, на схемах – поперечная черточка;
  • R – токоограничивающее сопротивление;
  • U led – прямое, оно же рабочее напряжение;
  • I – рабочий ток через прибор;
  • напряжение на резисторе обозначим как UR.

Тогда схема для расчета примет вид:

Рассчитаем сопротивление для ограничения тока. Напряжение U в цепи распределится так:

где Rled – внутреннее дифференциальное сопротивление p-n перехода.

Математическими преобразованиями получаем формулу:

Величину Uled можно подобрать из паспортных значений.

Проведем расчет величины токоограничивающего резистора для LED производства компании Cree модели Cree XM–L, имеющий бин T6.

Читайте также  Вес трубы стальной калькулятор

Его паспортные данные: типовое номинальное ULED = 2,9 В, максимальное ULED = 3,5 В, рабочий ток ILED=0,7 А.

Для расчета используем ULED = 2,9 В.

Рассчитанная величина равна 3 Ом. Выбираем элемент с допуском точности ± 5%. Этой точности с избытком хватит чтобы установить рабочую точку на 700 мА.

Округлять величину сопротивления следует в большую сторону. Это уменьшит ток, световой поток диода и повысит надежность работы более щадящим тепловым режимом кристалла.

Рассчитаем требуемую мощность рассеивания для этого резистора:

Для надежности округлим ее до ближайшей большей величины – 2 Вт.

Схемы последовательного и параллельного включения LED широко используются и показывают особенности этих видов соединения. Последовательное включение одинаковых элементов делит напряжение источника поровну между ними. При разных внутренних сопротивлениях – пропорционально сопротивлениям. При параллельном соединении напряжение одинаковое, а ток – обратно пропорционален внутренним сопротивлениям элементов.

Видео: ПРОСТЕЙШИЙ РАСЧЕТ РЕЗИСТОРА

Расчет при последовательном соединении LED

При последовательном соединении первый в цепочке диод анодом соединен с «+» источника питания, а катодом – с анодом второго диода. И так до последнего в цепочке, катод которого соединен с «-» источника. Ток в последовательной цепи один и тот же во всех ее элементах. Т.е. через любой световой прибор он одной и той же величины. Внутреннее сопротивление открытого, т.е. излучающего свет кристалла, составляет десятки или сотни ом. Если через цепочку течет 15-20 мА при сопротивлении 100 Ом, то на каждом элементе будет по 1,5-2 В. Сумма напряжений на всех приборах должна быть меньше, чем у источника питания. Разницу обычно гасят специальным резистором, который выполняет две функции:

  • ограничивает номинальный рабочий ток;
  • обеспечивает номинальное прямое напряжение на светодиоде.

Расчет токоограничивающего резистора при параллельном соединении

Параллельное включение может быть выполнено двумя способами.

Верхняя картинка показывает как включать не желательно. При таком подключении одно сопротивление обеспечит равенство токов только при идеальных кристаллах и одинаковой длине подводящих проводников. Но разброс параметров полупроводниковых приборов при изготовлении не позволяет сделать их одинаковыми. А подбор одинаковых – резко увеличивает цену. Разница может достигать 50-70% и более. Собрав конструкцию, получите разницу в свечении не менее 50-70%. Кроме того, выход из строя одного излучателя изменит работу всех: при обрыве цепи один погаснет, остальные станут светить ярче на 33% и станут больше греться. Перегрев будет способствовать их деградации – изменению оттенка свечения и уменьшению яркости.

В случае короткого замыкания в результате перегрева и сгорания кристалла возможен выход из строя токоограничивающего сопротивления.

Нижний вариант позволяет задать нужную рабочую точку любого диода даже при их разной номинальной мощности.

На напряжение 4,5 В последовательно подсоединяют по три LED-элемента и одно токоограничивающее сопротивление. Получившиеся цепочки соединяют параллельно. Через каждый диод течет 20 мА, а через все вместе – 60 мА. На каждом из них получается меньше, чем 1,5 В, а на токоограничителе – не менее, чем 0,2-0,5 В. Интересно, что если использовать источник питания 4,5 В, то с ним работать смогут только инфракрасные диоды с прямым напряжением менее 1,5 В, или нужно увеличивать питание хотя бы до 5 В.

Непосредственно параллельное соединение LED-элементов (верхняя часть схемы) использовать не рекомендуется из-за разброса параметров в 30-50% и более. Используют схему с индивидуальными сопротивлениями на каждый диод (нижняя часть) и соединяют уже пары диод-резистор параллельно.

Один светодиод

Резистор для одиночного LED используется только при их мощностях до 50-100 мВт. При больших значениях мощности заметно уменьшается КПД схемы питания.

Если прямое рабочее напряжение диода значительно меньше напряжения источника питания, применение ограничительного резистора ведет к большим потерям. Электроэнергия высокого качества и стабильности, с тщательно отфильтрованными пульсациями, обеспеченная 3-5 видами защиты блока питания не преобразуется в свет, а просто пассивно рассеивается в виде тепла.

На больших мощностях в ход идут драйверы – стабилизаторы тока номинальной величины.

Видео по теме: Как определить параметры светодиода

Онлайн-калькулятор расчета сопротивления

Задача усложняется, если вы хотите подключить не один, а несколько диодов.

Для облегчения самостоятельных расчетов мы подготовили онлайн-калькулятор расчета сопротивления резисторов. Если подключать несколько светодиодов, то нужно будет выбрать между параллельным и последовательным соединениями между ними. И для этих схем нужны дополнительные расчеты для источника питания. Можно их легко найти в интернете, но мы советуем воспользоваться нашим калькулятором.

Вам понадобится знать:

  1. Напряжение источника питания.
  2. Характеристику напряжения диода.
  3. Характеристику тока диода.
  4. Количество диодов.

А также нужно выбрать параллельную или последовательную схему подключения. Рекомендуем ознакомиться с разницей между соединениями в главах, которые мы подготовили ниже.

Параллельное и последовательное включение светодиодов

Лед-лампочки подключаются к электросети 220 В или источнику питания с постоянным напряжением (током), значение которого может быть разным (не обязательно на 12 вольт, может быть 3, 4,5 или 5 В).

Последовательное подключение – это цепочка, в которой катоды диодов спаиваются с анодами. Электроток по всем проходит одинаковый, напряжение – сумма падения вольтажа на лампочках. Количество диодов ограничивается падением напряжения. Например, если аккумулятор на 12 В, к нему можно последовательно подключить только 4 диода с падением напряжения 3 В.

При последовательном подключении цепочка перестает функционировать, если вышла из строя одна лед-лампочка. При желании создать цепочку из большого количества сравнительно мощных источников света, требуется мощный блок питания.

При параллельном подключении ситуация меняется – напряжение на лампочках одинаковое, меняется ток. Это значит, что требуется отдельное сопротивление для каждого светодиода. Если резистор один, каждый диод получает различный ток. Если он ниже оптимального, лампочка тусклая, если больше – диод выгорает. Еще хуже, если одна лампа вышла из строя. Остальные получают больше тока и сгорают.

В чистом виде последовательное и параллельное подключение практически не используется, если лампочек больше 2-х или 3-х. Оптимальный вариант – смешанная схема, в которой диоды делятся на группы, соединенные последовательно, группы соединяются параллельно.

Интересно! Схемы соединения и формулы для расчетов не меняются в зависимости от мощности ламп. Если они по 1-5 ватт, в цепочку дополнительно подключается стабилизатор напряжения (для защиты от колебаний электросети).

Онлайн-калькулятор

Представленный ниже онлайн калькулятор для светодиодов – это удобное дополнение, которое произведет все расчеты самостоятельно. С его помощью не придётся ничего рисовать и вычислять вручную. Всё что нужно – это ввести два главных параметра светодиода, указать их количество и напряжение источника питания. Одним кликом мышки программа самостоятельно произведёт расчет сопротивления резистора, подберёт его номинал из стандартного ряда и укажет цветовую маркировку. Кроме этого, программа предложит уже готовую схему включения.

Дополняя вышесказанное стоит отметить, что если прямое напряжение светодиода значительно ниже напряжения питания, то схемы включения через резистор малоэффективны. Вся лишняя энергия впустую рассеивается резистором, существенно занижая КПД устройства.