2259556.ru

Журнал Мастера
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Калькулятор расчета тока для светодиода

Расчет ограничивающего ток резистора для светодиода, формулы и калькулятор

Часто при изготовлении разнообразных устройств возникает необходимость использовать светодиоды и светодиодные индикаторы. Будем полагать что вы знаете что такое светодиод и какие они бывают.

Подключение светодиода к источнику питания выполняется, как правило, через ограничивающий ток резистор (гасящий резистор). Ниже описаны принципы и формулы для расчета гасящего резистора, а также небольшой калькулятор для быстрого подсчета.

Принцип работы и свойства

Светодиод — это прибор, обладающий способностью излучать свет. На печатных платах и схемах он обозначается латинскими буквами LED (Light Emitting Diode), что в переводе обозначает «светоизлучающий диод». Физически он представляет собой кристалл, помещённый в корпус. Классически им считается цилиндр, одна сторона которого имеет выпуклую округлую форму, являющуюся линзой-полусферой, а другая — плоское основание, и на ней располагаются выводы.

С развитием твердотельных технологий и уменьшения технологического процесса промышленность стала производить SMD-диоды, предназначенные для установки поверхностным монтажом. Несмотря на это, физический принцип работы светодиода не изменился и одинаков как для любого вида, так и для цвета устройства.

Процесс изготовления прибора излучения можно описать следующим образом. На первом этапе выращивают кристалл. Происходит это путём помещения искусственно изготовленного сапфира в заполненную газообразной смесью камеру. В состав этого газа входят легирующие добавки и полупроводник. При нагреве камеры происходит осаждение образующегося вещества на пластину, при этом толщина такого слоя не превышает нескольких микрон. После окончания процесса осаждения методом напыления формируются контактные площадки и вся эта конструкция помещается в корпус.

Из-за особенностей производства одинаковых по параметрам и характеристикам светодиодов не бывает. Поэтому хотя производители и стараются отсортировывать близкие по значениям устройства, нередко в одной партии попадаются изделия, отличающиеся по цветовой температуре и рабочему току.

Устройство радиоэлемента

Светодиод или LED-диод представляет собой полупроводниковый радиоэлемент, в основе работы которого лежат свойства электронно-дырочного перехода. При прохождении через него тока в прямом направлении на границе соприкосновения двух материалов возникают процессы рекомбинации, сопровождающиеся излучением в видимом спектре.

Очень долго промышленность не могла изготовить синий светодиод, из-за чего нельзя было получить и излучатель белого свечения. Лишь только в 1990 году исследователи японской корпорации Nichia Chemical Industries изобрели технологию получения кристалла, излучающего свет в синем спектре. Это автоматически позволило путём смешения зелёного, красного и синего цвета получить белый.

В основе процесса излучение лежит освобождение энергии при рекомбинации зарядов в зоне электронно-дырочного перехода. Образовывается он путём контакта двух полупроводниковых материалов с разной проводимостью. В результате инжекции, перехода неосновных носителей заряда, образуется запирающий слой.

На стороне материала с n-проводимостью возникает барьер из дырок, а на стороне с p-проводимостью — из электронов. Наступает равновесие. При подаче напряжения в прямом смещении происходит массовое перемещение зарядов в запрещённую зону с обеих сторон. В результате они сталкиваются и выделяется энергия в виде излучения света.

Читать еще:  Стабилизатор для светодиодов с ограничения по току

Этот свет может быть как видимым человеческому глазу, так и нет. Зависит это от состава полупроводника, количества примесей, ширины запрещённой зоны. Поэтому видимый спектр достигается путём изготовления многослойных полупроводниковых структур.

Характеристики светодиодов

Цвет свечения зависит от типа полупроводника и степени его легирования, что определяет ширину запрещённой зоны p-n перехода. Срок службы светодиодов в первую очередь зависит от температурных режимов его работы. Чем выше нагрев прибора, тем быстрее наступает его старение. А температура, в свою очередь, связана с проходящей через светодиод силой тока. Чем меньшей мощности источник света, тем дольше его срок службы. Старение выражается в виде уменьшения яркости прибора света. Поэтому так важно правильно подобрать сопротивление для светодиода.

К основным характеристикам LED-диодов относят:

  1. Потребление тока. Однокристальные светодиоды потребляют ток, равный 0,02 А. При этом прямо пропорционально с количеством кристаллов растёт и его значение. Так, диод с четырьмя кристаллами потребляет ток 0,08 А. Именно из-за этого параметра диода и ставится ограничительный резистор, чтобы он не сгорел при высокой силе тока.
  2. Величину падения напряжения. Эта характеристика указывает, какое количество энергии выделяется на светодиоде, то есть на сколько вольт уменьшится величина напряжения при параллельном его включении в цепь. Например, если падение составляет 3 вольта, а величина разности потенциалов на входе равна 9 вольтам, то при включении параллельно к источнику питания светодиода напряжение на выходе будет равно 6 вольтам.
  3. Светоотдачу. Эта характеристика показывает количество света, излучаемое устройством при потреблении мощности равной одному ватту.
  4. Цветовую температуру. Она зависит от управляющего тока, эффективности теплоотвода и температуры окружающей среды. Интенсивный поток света, связанный с потребляемой электрической мощностью, также увеличивает температуру. При этом следует отметить, что перепады температуры значительно снижают ресурс светодиода.
  5. Типоразмер. Его значение зависит от размера излучателя. Соответственно, чем больше размер светодиода, тем больше его яркость и мощность.

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.

Пример расчета сопротивления резистора при последовательном подключении.

В этом примере два светодиода соединены последовательно. Один красный светодиод с напряжением 2В и один ультрафиолетовый светодиод с напряжением 4,5В. Допустим, оба имеют номинальную силу тока 30 мА.

Из правила Кирхгофа следует, что сумма падений напряжения во всей цепи равна напряжению источника питания. Поэтому на резисторе напряжение должно быть равно напряжению источника питания минус сумма падения напряжений на светодиодах.

Читать еще:  Разобрал выключатель для света как собрать

Используя закон Ома, вычисляем значение сопротивления ограничительного резистора:

Резистор должен иметь значение не менее 183,3 Ом.

Обратите внимание, что после вычитания падения напряжений у нас осталось еще 5,5 вольт. Это дает возможность подключить еще один светодиод (конечно же, предварительно пересчитав сопротивление резистора)

Калькулятор резисторов для светодиодов

Калькулятор расчета резистора для светодиода

Калькулятор расчета сопротивления для светодиодов

Параллельное соединение резисторов

Световой поток светодиода онлайн расчет

Последовательное и параллельное соединение резисторов

Теория

В общем случае схема выглядит так.

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).

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.

Следующим шагом будет определение мощности рассеиваемой на резисторе. Формула должна быть знакома всем из школьной физики (как и закон Ома):

В каких случаях допускается подключение светодиода через резистор?

Подключать светодиод через резистор можно, если вопрос эффективности схемы не является первостепенным. Например, использование светодиода в роли индикатора для подсветки выключателя или указателя сетевого напряжения в электроприборах. В подобных устройствах яркость не важна, а мощность потребления не превышает 0,1 Вт. Подключая светодиод с потреблением более 1 Вт, нужно быть уверенным в том, что блок питания выдаёт стабилизированное напряжение.

Если входное напряжение схемы не стабилизировано, то все помехи и скачки будут передаваться в нагрузку, нарушая работу светодиода. Ярким примером служит автомобильная электрическая сеть, в которой напряжение на аккумуляторе только теоретически составляет 12 В. В самом простом случае делать светодиодную подсветку в машине следует через линейный стабилизатор из серии LM78XX. А чтобы хоть как-то повысить КПД схемы, включать нужно по 3 светодиода последовательно. Также схема питания через резистор востребована в лабораторных целях для тестирования новых моделей светодиодов. В остальных случаях рекомендуется использовать стабилизатор тока (драйвер). Особенно тогда, когда стоимость излучающего диода соизмерима со стоимостью драйвера. Вы получаете готовое устройство с известными параметрами, которое остаётся лишь правильно подключить.

Читать еще:  Почему выключатель не регулирует свет

Подключение и пайка

Светодиоды – это полупроводниковые приборы, при их подключении необходимо соблюдать полярность. При неправильном подключении они работать не будут, и довольно часто выходят со строя.

Анод имеет полярность +, катод соответственно -. Обычно, ножка катода немного меньше по длине. Часто, катод можно опознать по более толстой ножке внутри прибора. В любом случае, данные по контактам можно найти в справочной литературе.

Диоды также боятся перегрева во время пайки. Для пайки нельзя использовать мощные паяльники, лучше использовать приборы мощностью до 100 Вт.

Также, можно в качестве вспомогательных средств для охлаждения использовать пинцет. Он отведет часть тепла. Вместо пинцета, можно использовать и другие металлические инструменты.

Сам процесс пайки одной ножки не должен превышать 4-5 секунд. При этом времени, прибор не успеет перегреться.

При монтаже светодиода на месте установки, старайтесь, чтобы контакты ближе к корпусу, оставались параллельны, как при выходе из производства. Изгибайте контакты небольшими радиусами, уступив подальше от корпуса. Собирайте их на твердом плоском материале. Предварительно, подготовьте отверстия для ножек светодиодов с помощью дрели.

Подбирая источник питания, следует помнить: чем больше разница рабочего напряжения светодиода и источника питания, тем меньше они будут подвержены влиянию скачков напряжения блока питания. Не забывайте устанавливать предохранители.

Если у вас безвыходные SMD светодиоды, у них вместо ножек для пайки контактные площадки. Эти площадки расположены на нижней части их корпуса. Паяют их маломощными паяльниками не более 15 ВТ.

Часто, для этой работы применяют специальное жало. Оно имеет разветвление на рабочем конце. Народные умельцы вместо специального жала наматывают тонкий медный провод на стандартное жало. Оптимальный диаметр такого провода 1 мм.

Легче всего проверить светодиоды с помощью тестера. Проверяется он как обычный диод. Его надо включить в прямом положении, чтобы между анодом и катодом пошло положительное напряжение. Многие современные цифровые приборы имеют встроенную возможность проверки диодов. Главное при проверке – соблюдать полярность.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector