Сила тока светодиода: Все что вы хотели знать про светодиоды

Все что вы хотели знать про светодиоды

Последнее время, в интернете на различных компьютерных форумах я замечаю людей, которые хотят применить светодиоды для моддинга, однако не обладают достаточными знаниями для этого. Вместо полезных советов, такие люди зачастую выслушивают на тех же форумах рассуждения различных дилетантов, которые не разбираются в теме, а даже самый просто вопрос порождает эпические споры с философскими рассуждениями. Большинство информация из таких тем не только не принесет никакой пользы, а зачастую может и навредит. Для того что бы снять все самые популярные вопросы и заблуждения, которые касаются применения светодиодов в моддинге, я и решил написать сей небольшой опус.

Что такое светодиоды

В последнее время ведется много разговоров о светодиодах, постоянно появляются новости о все более мощных светодиодах, новых разработках и новых товарах на основе светодиодов (стоит вспомнить хотя бы новые жк-мониторы со светодиодной подсветкой от компании Apple). Так что же такое светодиод? Светодиод — это прибор на основе полупроводника, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. Существует большое количество различных полупроводниковых материалов из которых делают светодиоды, причем характеристики светодиодов (цвет свечения, яркость свечения и т.д.) зависят от химического состава данных материалов.

Светодиоды разных размеров, цветов и яркости

Применение светодиодов в моддинге

Светодиоды это одни из первых вещей, которые начали применять в моддинге, ведь еще в конце 1999 — начале 2000 года первые моддеры меняли в своих корпусах стоковые светодиоды наскучивших цветов на более яркие светодиоды интересных и необычных цветов. Кроме того, некоторые моддеры самостоятельно изготавливали вентиляторы со светодиодной подсветкой, светодиодные лампы подсветки для корпуса и прочие моддинг-аксессуары. С появлением оптических мышек, моддеры начали заменять в них стандартные светодиоды, а так же устанавливать дополнительные. Однако нельзя сказать что, с появлением серийных вентиляторов с подсветкой, применение светодиодов в моддинге ушло в историю, скорее оно перешло в разряд классики, как и раундинг проводов (который, как всем известно, вошел в метаболизм каждого моддера) и прорезка блоухолов. Действительно, в современных корпусах уже с завода стоят яркие светодиоды синего, белого и других цветов, но ведь мы же хотим сделать вещи уникальными и персонализированными, ведь для этого мы и занимаемся моддингом, а учитывая теперешнее распространение дешевых и мощных светодиодов, не использовать их в моддинге — грех =), посему их используют по полной программе: ими подсвечивают корпуса, клавиатуры, вентиляторы, гравировки, люминесцентные краски и так далее. Светодиоды отлично применимы там, где нужна локальная или компактная подсветка, яркая или наоборот тусклая, ими отлично подсвечивать систему водяного охлаждения и т.п.

Вентилятор со светодиодной подсветки

Гибкая светодиодная лампа

Светодиоды, в случае применения их в моддинге, обладают следующими преимуществами и недостатками.

Преимущества

• Яркие и насыщенные цвета
• Надежность (длительный срок службы)
• Высокая эффективность
• Практически не греются
• Компактный размер

Недостатки

• Легко перегорают при неправильном подключении
• Далеко не plug-and-play, с точки зрения подключения

Разновидности светодиодов

Светодиоды разделяются на разные разновидности в зависимости от размеров, количества кристаллов в одном корпусе, яркости, мощности, по цвету излучения, а так же другим параметрам.

Пример светодиодов самых популярных размеров

Светодиоды различной формы и цвета

Свечение светодидов с диффузным (цветным) корпусом

Геометрические форма и размеры. Самыми популярными являются светодиоды в цилиндрическом корпусе стандартизированных размеров: 3/5/10 мм в диаметре, реже 8 мм, хотя иногда встречаются и до 20 мм в диаметре. Также существуют SMD-светодиоды, которые отличаются очень компактным размером — до 2 х 2 мм, предназначены они для припаивания прямо на плату и обычно используются для подсветки экранов. Существуют также светодиоды выполненные в корпусах квадратной или прямоугольной формы.

Количество кристаллов. В большинстве случаев, в корпусе одного светодиода находится один полупроводниковый кристалл, однако бывают случаи в которых в корпус одного светодиода устанавливают больше одного кристалла, например:

• Многоцветные светодиоды

В случае необходимости сделать многоцветных светодиод, в корпусе одного светодиода устанавливается более одного полупроводникового кристалла, причем сами кристаллы сделаны из разных материалов и соответственно излучают разные цвета: синий, зеленый, красный, желтый и так далее. Двухцветные светодиоды чаще всего используют как индикаторы (обычно красный/зеленый цвет), трехцветные светодиоды чаще всего используют для подсветки дисплеев и постройки светодиодных экранов так как данные светодиоды могут отображать три базовых цвета (синий/зеленый/красный), при смешивании которых можно получить всю палитру цветов, необходимых для отображения фото и видеоматериалов с достаточным качеством. Четырехцветные светодиоды достаточно редкие и содержат кристаллы для отображения, как видно из названия, четырех цветов (синий/зеленый/красный/желтый) и применяются в основном для создания белого света с высокими качественными характеристиками CRI (Color rendering index).

• Светодиоды повышенной мощности

Для повышения яркости (количества света) светодиода иногда в корпус одного светодиода устанавливают несколько светоизлучающих кристаллов одного цвета (обычно ставят четыре кристалла), чем кратно увеличивают яркость светодиода. Это можно сравнить с четырехъядерными процессорами =).

Яркость. Из-за большого спектра применения светодиодов, производители выпускают светодиоды с различной яркостью: от не очень ярких для индикаторных целей до суперякрих, в основном для подсветки чего-то. На показатель яркости также влияет диаграмма направленности светодиода, например светодиод одной мощности с углом излучения в 20 градусов кажется более ярким, чем светодиод такой же мощности но с более широким углом излучения, например 140 градусов.

Мощность. Для разных целей производятся светодиоды различных мощностей: от сотых долей ватта до серьезных 5 и более ватт на одном кристалле. Типичные моддерские, так называемые «ультраяркие», светодиоды имеют мощность примерно в 60 мВт (примерно 1/16 Вт), и если их использовать в подсветке корпуса среднего размера то их может понадобиться примерно от 15 до 25 штук. Среднестатистический четырехъкристальный суперяркий светодиод имеет мощность примерно в 240 мВт (1/4 Вт) и таких светодиодов для подсветки корпуса среднего размера нужно примерно от 4 до 8 штук, в зависимости от прочих особенностей. К классу супермощных светодиодов относятся светодиоды с мощностью от одного ватта, что на первый взгляд вроде бы и не много, однако это только на первый взгляд — такие светодиоды в среднем в 15-20 раз ярче, чем самые распространенные светодиоды! Одним или двумя такими светодиодами можно подсветить весь корпус!

Цвет. В зависимости от полупроводника, на основе которого выполнен светодиод, так же отличается цвет, излучаемый светодиодом . В продаже чаще всего можно встретить светодиоды таких цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, ультрафиолетовый. Светодиоды всех цветов находят свое применение в моддинге, причем как для индикаторных целей, так и для подсветки. Существуют также светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне, но поскольку их излучение не видно невооруженному глазу — их применение ограничено пультами ДУ и видеокамерами ночного видения.

Особого внимания заслуживают синие, фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды — все они вызывают люминесценцию (флюоресценцию) некоторых красителей, но в разной степени. Синие светодиоды вызывают не очень яркую люминесценцию, а также немного искажают ее цвет задевая своим синим излучением. Фиолетовые светодиоды напротив — выглядят тусклыми, но вызывают сильную люминесценцию, обычно их продают под видом ультрафиолетовых светодиодов, но это не так. Ультрафиолетовые светодиоды довольно-таки редко встречаются в продаже, а те что встречаются обычно являются ультрафиолетовыми светодиодами длинноволнового диапазона ультрафиолета, так называемого УФ-А (UV-A) — самого безопасного, внешне эти светодиоды выглядят очень тусклыми из-за низкой чувствительности человеческого глаза к диапазону мение 400 нм, но эти светодиоды вызывают еще более сильную люминесценцию, чем фиолетовые — это связано с большей энергией этого диапазона излучения.

Свечение светодиодов с прозрачным корпусом

Типичные характеристики светодиодов

Две главных характеристики светодиодов это напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

При использовании светодиодов, лучше уточнить сколько светодиоду необходимо вольт у продавца или изготовителя, но когда эта информация не доступна, можно воспользоваться следующей таблицей.

Таблица примерных напряжений светодиодов в зависимости от цвета

Правила подключения и расчет светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения так что лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

Светодиоды относятся к таком типу электронных компонентов которому, для долгой и стабильной работы, важно не только правильное напряжение, но и оптимальная сила тока — так что всегда, при подключении светодиода, нужно их подключать через соответствующий резистор. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс очень значительно сокращается. В некоторые светодиоды резистор встроен «с завода» и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды в продаже встречаются довольно-таки редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний резистор.

Стоит помнить, что резисторы так же отличаются своими характеристиками и, для подключения их к светодиодам, вам необходимо выбрать резистор правильного номинала. Для того чтобы рассчитать необходимый номинал резистора следует воспользоваться законом Ома — это один из самых важных физических законов, связанных с электричеством. Данный закон все учили в школе, но практически никто его не помнит =).

Закон Ома — это физический закон с помощью которого вы можете определить взаимозависимость напряжения (U), силы тока (I) и сопротивления (R). Суть эго проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между концами проводника, если при прохождении тока свойства проводника не меняются.

Этот закон визуально отображается при помощи формулы: U= I*R
Когда вы знаете напряжение и сопротивления, с помощью этого закона можна найти силу тока по формуле: I = U/R
Когда вам известно напряжение и сила тока, можно найти сопротивление: R = U/I
Когда вам известна сила тока и сопротивление, можно вычислить напряжение: U = I*R

Теперь рассмотрим на примере. У вас есть светодиод с рабочим напряжением в 3 В и силой тока в 20 мА, вы его хотите подключить к источнику напряжения 5В из USB-разъема или БП, чтобы при этом он не сгорел. Значит у нас есть напряжение 5 В, но светодиоду нужно только 3 В, значит от 2 В нам необходимо избавиться (5В — 3В=2В). Чтобы избавится от лишних 2 В нам необходимо подобрать резистор с правильным сопротивлением, которое рассчитывается следующим образом: мы знаем напряжение от которого необходимо избавиться и знаем силу тока нужную светодиоду — воспользуемся формулой изложенной выше R = U/I. Соответственно 2В/0.02 А= 100 Ом. Значит вам необходим резистор на 100 Ом.

Иногда, в зависимости от характеристик светодиода, необходимый резистор получается с не стандартным номиналом, который нельзя найти в продаже, например 129 или 111.7 Ом =). В таком случае необходимо просто взять резистор немного большего сопротивления, чем рассчитанный — светодиод будет работать не на 100 процентов своей мощности, а примерно на 90-95 %. В таком режиме светодиод будет работать более надежно, а снижение яркости визуально не будет заметно.

Также можно рассчитать насколько мощный резистор вам нужен — для этого умножаем напряжение, которое будет задерживаться на резисторе, на силу тока, которая будет в цепи. В нашем случае это 2В х 0.02 А = 0.04 Вт. Значит вам подойдет резистор такой мощности или большей.

Светодиоды иногда подключают по несколько штук параллельно или последовательно, используя один резистор. Для правильного подключения следует помнить что при параллельном подключении суммируется сила тока, а при последовательном суммируется требуемое напряжение. Параллельно и последовательно можно подключать только одинаковые светодиоды с использование одного резистора, а если вы используете разные светодиоды с разными характеристиками, то лучше рассчитать каждому светодиоду свой резистор — так будет надежней. Светодиоды даже одной модели имеют небольшое расхождение в параметрах и, при подключении большого количества светодиодов параллельно или последовательно, это небольшое расхождение в параметрах может выдать результатом много сгоревших светодиодов =). Еще одним подводным камнем может стать тот факт, что продавец или производитель (намного реже) может дать немного не верные данные по светодиодам, а сами светодиоды могут иметь не четкое рабочее напряжение, а набор из параметров минимального/оптимального и максимального напряжения. Данный фактор не будет особо влиять при подключении небольшого количества светодиодов, а в случае подключения большого количества — результатом могут быть все те же сгоревшие светодиоды. Так что с параллельным и последовательным подключением не стоит чересчур увлекаться, надежней будет чтобы к каждому светодиоду или небольшой группе светодиодов (3-5 штук) подключался отдельный резистор. Рассмотрим несколько примеров подключения.

Схема параллельного подключения светодиодов

Схема последовательного подключения светодиодов

Пример 1. Вы хотите подключить последовательно три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В (например из molex-разъема). Три светодиода по 3 вольта каждый будут вместе потреблять 9 вольт (3 В x 3=9 В). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, соответственно от 3 вольт надо будет избавиться (12 В — 9 В = 3 В). Так как подключение последовательное, то сила тока составит 20мА, соответственно 3 вольта (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.02 А (сила тока, необходимая каждому светодиоду) и получаем значение необходимого сопротивления — 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Пример 2. У вас в наличии четыре светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 вольта, и источник питания на 12 В. В такой ситуации можно подумать что резистор не нужен, однако это не так — светодиоды очень чувствительны к силе тока и лучше добавить в цепь резистор на 1 Ом. Резистор данного номинала не повлияет на яркость свечения, а будет чем-то на подобии «предохранителя» — светодиоды будут работать намного надежней. Без применения резистора, в данному случае, светодиоды могут попросту сгореть, быстро или не очень.

Пример 3. Вы хотите параллельно подключить три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В. Поскольку при параллельном подключении суммируется сила тока, а не напряжение, трем светодиодам потребуется сила тока в 60 мА (20 мА x 3 = 60 мА). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, а светодиодам необходимо напряжение в 3 вольта, соответственно от 9 вольт необходимо избавиться (12 В — 3 В = 9 В). Так как подключение параллельное, то сила тока составит 60мА, соответственно 9 вольт (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.06 А (сила тока, необходимая всем светодиодам) и получаем значение необходимого сопротивления — 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Так же в интернете существует большое количество разнообразных «калькуляторов для светодиодов», которыми вы можете воспользоваться. Достаточно зайти на соответствующий сайт, указать характеристики светодиодом и источника тока и вы получите все необходимые данные по резистору, а так же его цветовую маркировку. Пример такого калькулятора вы можете увидеть на сайте led-calculator.com.

Как определить ток светодиода

Светодиоды широко используются в современной электронной аппаратуре. К числу их несомненных достоинств относятся небольшие размеры и яркое свечение. Но для того чтобы светодиод исправно работал, необходимо правильно установить его рабочий ток.

Светодиоды могут исправно служить многие годы, одна быстро выходят из строя, если работают при повышенной силе тока. Чтобы правильно рассчитать силу тока, надо знать напряжение, на которое рассчитан конкретный светодиод.

Напряжение питания большинства светодиодов можно определить по цвету их свечения. Так, для белых, синих и зеленых светодиодов напряжение питания обычно составляет 3 В (допустимо до 3,5 В). Красные и желтые светодиоды рассчитаны на питающее напряжение 2 В (1,8 – 2,4 В). Большинство обычных светодиодов рассчитаны на ток 20 мА, хотя есть светодиоды, для которых сила тока может превышать 150 мА.

Оценить номинальный ток неизвестного светодиода при отсутствии справочных материалов достаточно сложно. Смотрите на колбу — чем она больше, тем выше обычно номинальный ток. Одним из признаков того, что установленный ток выше допустимого, может являться изменение спектра излучаемого света. Например, если излучение белого светодиода приобретает синий оттенок, то сила тока явно превышена.

Не забывайте о том, что светодиоды очень чувствительны к превышению питающего напряжения. Например, включив светодиод, рассчитанный на 2 В, в цепь с двумя последовательно соединенными 1,5-вольтовыми батарейками (в сумме 3 В), вы можете его сжечь.

Если используется напряжение питания выше рекомендованного, лишние вольты необходимо погасить добавочным (гасящим) резистором. Рассчитать сопротивление резистора можно по формуле R=U/I. Например, вам надо запитать светодиод на 3 В от бортовой сети автомобиля в 12 В. У вас лишние 9 В. При номинальном токе светодиода 20 мА (0,02 А) вы получите нужное значение, поделив 9 на 0,02 – это будет 450 Ом.

Собрав схему со светодиодом, обязательно измерьте потребляемый им ток, включив тестер в разрыв цепи. Если ток превышает 20 мА, его надо уменьшить, увеличив номинал резистора. Чуть меньший ток – например, 18 мА, только пойдет светодиоду на пользу, увеличив срок его службы.

Следите за правильностью подключения светодиода. К плюсу источника питания подключается анод, к минусу — катод. Катод имеет более короткий вывод, на колбе с его стороны сделан срез (плоская площадка).

Характеристики светодиодов и все, что о них нужно знать

Несмотря на существующее многообразие светодиодов, отличающихся формой и назначением, все они созданы из полупроводникового кристалла и имеют общий принцип действия. Значит, их работа основана на одних и тех же технических характеристиках, среди которых выделяют входные и выходные параметры светодиодов.

Входные параметры

Технические характеристики светодиодов, которые оказывают влияние на его работу, условно называют входными. Речь идёт о прямом (обратном) токе и напряжении и их графической зависимости.

Прямой ток

Техническим параметром №1 любого светодиода является ток, протекающий в прямом направлении через p-n-переход. Номинальный (рабочий) ток – это ток, при котором производитель гарантирует заявленную яркость в течение всего срока эксплуатации. Также указывается максимальный ток, превышение которого ведёт к электрическому пробою. Для некоторых модификаций номинальный прямой ток теоретически равен максимальному. В таких случаях рекомендуется эксплуатировать светодиод на 90-95% от номинального значения. Величина рабочего тока во многом зависит от размера кристалла и режима работы. Например, ток органического светодиода, используемого для формирования OLED матриц, не превышает нескольких микроампер. И, наоборот, кристалл мощностью 1 вт потребляет около 0,35 А.

Падение напряжения

Под этим параметром принято понимать прямое падение напряжения при протекании через p-n‑переход номинального тока. Его значение зависит от химического состава полупроводника (цвета свечения). Наименьшим прямым напряжением обладают инфракрасные диоды (около 1,9В), а наибольшим ультрафиолетовые (от 3,1 до 4,4В). Зачастую в паспорте указывают диапазон возможных значений.

Обратное напряжение

Под максимальным обратным напряжением понимают напряжение обратной полярности, прикладываемое к p-n-переходу, при превышении которого происходит электрический пробой и, как следствие, выход из строя полупроводникового прибора. Для превалирующей части светодиодов его значение составляет 5В. Среди излучающих диодов ИК-диапазона немало приборов с допустимым обратным напряжением 1 или 2 вольта.

Мощность рассеивания

Мощность, рассеиваемая корпусом, определяется как произведение максимального тока и прямого напряжения и указывает на наибольшее количество энергии, которую способен эффективно рассеивать светодиод в течение длительного времени. При превышении паспортного значения в кристалле полупроводника возникает электрический или тепловой пробой.

ВАХ

Вольтамперная характеристика светодиода представляет собой графическую зависимость прямого тока от прикладываемого прямого напряжения. С помощью этого технического параметра можно легко узнать падение напряжения на светодиоде при задании тока определённой величины без проведения лабораторных исследований. ВАХ помогает произвести теоретические расчёты будущей электрической цепи.

Выходные параметры

Под выходными параметрами подразумевают характеристики светодиодов, измеренные при определённых условиях. Замер выходных параметров производят на номинальном токе и температуре окружающей среды, равной 25°C.

Световой поток и сила света

Оптические характеристики светодиода выражают в виде светового потока и силы света. Световой поток (лм) – это количество световой энергии (видимый свет), излучаемой кристаллом и переносимой на поверхность за единицу времени. Для слаботочных светодиодов с рассеивающей линзой обычно указывают силу света (кд). Её физический смысл состоит в отношении светового потока к углу, внутри которого распространяется излучение. Другими словами, сила света – это интенсивность светового потока в некотором направлении. Отсюда следует, что светодиод с меньшим углом излучения обладает большей силой света при одинаковом световом потоке. Современные 5 мм светодиоды высокой яркости способны выдавать до 15 кд.

Угол излучения

В разных источниках можно встретить названия: «видимый угол», «угол рассеивания». С физической точки зрения его правильно называть «Двойной угол половинной яркости» и обозначать – «2Q1/2». Двойной угол половинной яркости присущ только приборам, которые имеют фокусирующую линзу, и зависит от формы корпуса. Он может иметь значения в пределах 15-140°. Белые светодиоды, предназначенные для smt монтажа, и матрицы на их основе характеризуются широким углом излучения – 115-140°.

Цвет излучения и длина волны

В зависимости от типа полупроводникового материала светодиод излучает свет в определённом волновом диапазоне. Например, зелёному цвету соответствует диапазон длин от 500 до 570 нм. При этом прибор с λ=500-520 нм имеет салатный оттенок, а с λ=550-570 нм – бирюзовый оттенок. Белый светодиод излучает в ультрафиолетовом или в широком спектре с дальнейшим выделением белого света с помощью люминофора. ИК и УФ диоды работают в невидимой зоне спектра. Поэтому в их маркировке указывается рабочая длина волны.

Цветовая температура

Этот параметр присущ исключительно белым светодиодам. Цветовая температура указывает на оттенок, который получают предметы, освещаемые в данном свете. Условно весь белый свет разделяют на тёплый, нейтральный и холодный и измеряют его в градусах Кельвина. Свет от светодиодов с одинаковой цветовой температурой может восприниматься по-разному, что объясняется их различным коэффициентом цветопередачи. Более подробно об этом написано здесь.

Световая отдача

Этот параметр показывает, какое количество светового потока излучает светодиод на единицу потреблённой мощности и измеряется в лм/Вт. Светоотдача является своеобразным коэффициентом полезного действия светодиода. По этому показателю мощные светодиоды уже превзошли газоразрядные лампы, перешагнув рубеж в 150 лм/Вт. Серийно выпускаемые светодиоды имеют светоотдачу около 100 лм/Вт. Световая отдача светодиодных ламп на 220В в 5-7 раз больше, чем у ламп накаливания.

Инерционность

Такое понятие как «инерционность» часто отсутствует в datasheet на светодиоды. Общепринято считать, что они мгновенно включаются и отключаются, т.е. являются безынерционными. На самом деле задержка при переключении может достигать нескольких нс. Для отечественных ИК излучающих диодов инерционность указывают в виде времени нарастания и спада излучающего импульса. Эти временные интервалы колеблются в пределах единиц-сотен наносекунд и оказывают влияние на работу в высокочастотном импульсном режиме.

Дополнительные характеристики

Кроме основных технических параметров, при проектировании светодиодных светильников нужно учитывать ещё несколько дополнительных факторов, таких как влияние температуры и различных коэффициентов.

Температурная зависимость

Продолжительная и стабильная работа излучающего диода во многом зависит от эффективного отвода тепла от кристалла. В связи с этим у мощных светодиодов должно быть низкое тепловое сопротивление перехода кристалл-подложка. Например, SMD 5730 и SMD 3014 имеют всего 4°C/Вт, что является достижением современных технологий.

Также нормируются:

• максимальная температура p-n-перехода (температура кристалла), которая для SMD приборов может достигать 130°C;
• температурный диапазон, при котором допускается эксплуатация;
• температурный диапазон, при котором можно хранить полупроводниковый прибор;
• температурно-временной график пайки SMD светодиодов.

Биновка

Светодиодный бин представляет собой неделимую область на диаграмме цветности, условно выраженную в цифробуквенном коде. Необходимость биновки белых светодиодов вызвана погрешностью, допускаемой в процессе их изготовления. Бин-код позволяет максимально точно указать оттенок белого света приборов, имеющих одинаковую цветовую температуру и коэффициент цветопередачи. Данный параметр учитывают производители светильников высокого качества.

Все о светодиодах.

Что такое светодиод?

Светодиоды образуют неотъемлемую часть в современной электроники, простые показатели для оптических коммуникационных устройств. Светоизлучающие диоды используют свойства р-п перехода и испускают фотоны, когда ток в прямом направлении. Светодиоды специально излучают свет, когда потенциалы приложены к аноду и катоду.

История светодиодов начинается с 1907 года, когда капитан Генри Джозефа наблюдал особенности электро-люминесценции карбида кремния. Первый светодиод был разработан в 1962 году. Он был разработан Холоньяк, работал в General Electric (GE). Это был GaAsP устройства. Первая коммерческая версия светодиодов пришли на рынок в 1960-х годов.

Изготовление светодиодной технологии произвела бум в 1970-е годы с введением арсенида галлия алюминия (GaAlAs). Эти светодиоды высокой яркости и во много раз ярче, чем старая рассеянного типа. Синие и белые светодиоды были введены в 1990 году, в котором используется индия нитрида галлия (InGaN) в качестве полупроводника. Белый светодиод содержит неорганический фосфор. Когда голубой свет внутри светодиода попадает на люминофор, он излучает белый свет.

Что делает светодиод идеальным?

Светодиоды широко используются в электронных схемах из-за его преимущества по сравнению с лампами. Некоторые важные особенностями являются:

• Светодиоды заключены в пластик, так что они могут выдерживать механические удары.
• В отличие от ламп, светодиоды не выделяют тепло и потери мощности при нагреве практически отсутствует.
• Светодиоды требуют очень низкий ток и напряжений обычно 20 мА при 1,8 вольта. Так что это идеально в схемах с батарейками.

Что находится внутри светодиода?

Внутри корпуса LED, есть две клеммы связаны маленький чип изготовлен из галлия соединения. Этот материал обладает свойством излучения фотонов при переходе P-N смещен в прямом. Различные цвета создаются выбиванием основного материала из другого веществама.

Внутри светодиода

Светодиодная технология

Яркость является важным аспектом LED. Глаз человека имеет максимальную чувствительность к свету около 550 нм в области желто — зеленой части видимого спектра. Именно поэтому зеленый светодиод излучается ярче, чем красный светодиод, хотя оба используют тот же ток. Важные параметры светодиодов являются:

• Световой поток
  Указывает на энергии света, исходящего от светодиодов. Он измеряется в Люмен (лм) или Милли просвет (MLM)
• Световая интенсивность
  светового потока, охватывающий большую площадь является силой света.Он определяется как Кандела (кд) или милли Кандела (MCD) Яркость светодиода напрямую связана с его силой света.
• Светоотдача
  Это испускаемых относительной световой энергии к потребляемой мощности.Она измеряется в терминах люмен на ватт (лм Вт).

Прямой ток, прямое напряжение, угол обзора и скорость реагирования это факторы, влияющие на яркость и эффективность светодиодов. Прямой ток (I) является ток, протекающий через светодиод, когда он смещен в прямом направлении и он должен быть ограничен от 10 до 30 миллиампер, если выше то светодиоды будут уничтожены.

Угол обзора составляет от — угол оси, при котором световая интенсивность падения до половины осевого значения. Вот почему индикатор показывает больше яркости в полном объеме состоянии. Высокие яркие светодиоды имеют узкий угол обзора, так что свет фокусируется в пучок. Рабочее напряжение (V) является падение напряжения на светодиоде. Падение напряжения в диапазоне от 1,8 В до 2,6 вольт для обычных светодиодов, но в голубой и белый он будет идти до 5 вольт. Скорость отклика представляет, как быстро светодиод включается и выключается. Это очень важный фактор, если светодиоды используются в системах связи.

Требуется ли балластный резистор?

Светодиоды всегда подключены к источнику питания через резистор. Этот резистор называют «балластный резистор», которая защищает диод от повреждений, вызванных избыточным током. Он регулирует прямой тока на светодиод для безопасного предела и защищает ее от жжения.

Номинал резистора определяет прямой тока и, следовательно, яркость светодиодов. Простое уравнение Vs — Vf — используется для выбора резистора. Vs представляет входное напряжения цепи, Vf прямое падение напряжения светодиода(ов) при допустимом токе через светодиод. Полученное значение будет в Омах. Лучше ограничить ток до безопасного предела 20 мА.

Приведенная ниже таблица показывает прямое падение напряжения на светодиоде.

Через типичный светодиод может пройти 30 -40 мА безопасный ток через него .Номинальный ток, чтобы дать достаточную яркость, стандартный красный светодиод 20 мА. Но это может быть 40 мА для синего и белого светодиода. Ограничение тока балластным резистором защищает диод от избыточного тока, протекающего через него. Значение балластного резистора должны быть тщательно отобраны, чтобы предотвратить повреждение светодиодов, а также получить достаточную яркость при токе 20 мА. Следующее уравнение объясняет, как выбирать балластный резистор.

R = V / I

Где R — является значение сопротивления в Ом, V — является входное напряжение в цепи, и I — это допустимый ток через светодиод в амперах. Для типичного красного светодиода, прямое падение напряжения составляет 1,8 вольта. Таким образом, если напряжение питания 12 В (Vs), падение напряжения на светодиод 1,8 В (V) и допустимый ток составляет 20 мА (Если), то значение балластного резистора будет

Vs — Vf / Если = 12 — 1,8 / 20 мА = 10,2 / 0,02 = 510 Ом.

Но если 510 Ом резистор не доступен то можно подобрать ближайший, например 470 Ом резистор может быть использован даже если ток через светодиод слегка увеличивается. Но рекомендуется использовать 1 K резистор для увеличения срока службы светодиодов, хотя там будет небольшое снижение яркости.

Ниже готова арифметические для выбора ограничительного резистора для различных версий светодиодов при различных напряжениях.

С добавлением других цветов

Светодиод, который может дать разные цвета полезно в некоторых приложениях. Например, светодиоды могут указывать на все системы OK, когда он становится зеленой, и неисправный, когда он становится красной. Светодиоды, которые могут производить два цвета называются Bicolour (Биколор) светодиодов.

Двухцветный светодиодный охватывает два светодиода (обычно красный и зеленый) в общем пакете. Два кристалла установлены на двух клеммах. Двухцветный светодиодный дает красный цвет, если ток проходит в одном направлении и становится зеленым, когда направление тока меняется на противоположное.

Триколор и многоцветные светодиоды , также доступны, которые имеют два или более кристаллов, заключенных в общий корпус. Трехцветный светодиодный имеет два анода для красного и зеленого кристалла и общим катодом. Таким образом, он излучает красный и зеленый цвета в зависимости от анода, в котором имеется ток. Если оба анода подключены, то светодиоды испускают свет и получается желтый цвет. Общий анод и отдельные светодиоды типа катода, также имеются.

Двухцветный индикатор светится разными цветами , начиная от зеленого через желтый, оранжевый и красный основной на ток, протекающий через их аноды, выбрав подходящий резистор для ограничения тока анода. Многоцветные светодиоды содержат более двух чипов, обычно красного, зеленого и синего чипы-в одном корпусе. Мигание разными цветами светодиодов, теперь доступны с двумя выводами. Это дает радугу цвета, которые являются весьма привлекательным.

Инфракрасный диод — источник Невидимого света

ИК диоды широко используются в удаленном управлении (пульт ДУ). Инфракрасные диоды на самом деле испускают нормальный свет с определенным цветом, который не чувствителен к человеческим глазом, потому что его длина волны 950 нм, ниже видимого спектра. Многие источники, такие как солнце, лампы, даже человеческое тело испускает инфракрасные лучи. Поэтому необходимо, чтобы модулировать излучение от ИК-диода, чтобы использовать его в электронном приложении, чтобы предотвратить ложное срабатывание. Модуляции делает сигнал от ИК-светодиода значительно выше чем шум. Инфракрасные диоды есть в корпусе, которые являются непрозрачным для видимого света, но прозрачна для инфракрасного. ИК-светодиоды широко используются в системах управления.

Инфракрасные диоды

Фотодиод — Он может увидеть свет

Фотодиод генерирует ток, когда его р-п перехода получает фотоны видимого или инфракрасного света. Основная работа фотодиода зависит от поглощения фотонов в полупроводниковом материале. Фото-генерируемых носителей разделены электрическим полем, и в результате фототок пропорционален падающему свету. Скорость, с которой носители движутся в области обеднения связана с силой электрического поля по всему региону и подвижность носителей.

Фотон, который поглощается полупроводником в области обеднения приведет к образованию электронно-дырочной проводимости. Дырки и электроны будут транспортироваться под действием электрического поля к краям области обеднения. После носителей покидают область истощения они идут к клеммам фотодиода, чтобы сформировать фото-ток во внешней цепи. Время отклика фотодиода, как правило, 250 наносекунд .

Фотодиоды

Лазерные диоды

Лазерный диод похож на обычные прозрачные светодиодные, но производит Laserwith высокой интенсивности. В лазерном луче число атомов вибрируют в такой цикле, что всё испускаемое излучение одной длины волны в фазе друг с другом. Лазерный свет является монохроматическим и проходит в виде узкого пучка. Луч типичных лазерных диодов составляет 4 мм х 0,6 мм, которая расширяется только до 120 мм на расстоянии 15 метров.

Лазерный диод может включаться и выключаться на более высоких частотах даже выше, чем 1 ГГц. Так что это весьма полезно в телекоммуникационных системах.Поскольку лазер генерирует тепло на поражение тканей тела, он используется в хирургии, чтобы исцелить поражения в очень чувствительных частей, как сетчатки, головного мозга и т.д. лазерные диоды являются важными компонентами в проигрывателях компакт-дисков, чтобы получить данные, записанные в компакт-дисках.

Лазерные Диоды

Характеристики светодиодов: обзор основных параметров LED

Экономически оправданной альтернативы LED-источникам пока не изобрели, что прогнозирует повальный переход на этот тип освещения уже в ближайшие годы. Но для корректного использования этих источников необходимо разбираться в их основных характеристиках.

При классификации светодиодных источников света используются параметры, разработанные исключительно для данных типов осветительных приборов. Данная статья как раз и предназначена для ознакомления с особенностями, которые отличают характеристики светодиодов от традиционных источников света.

Сила и напряжение, потребляемого светодиодом тока

Почти все светоизлучающие диоды рассчитаны на стандартную силу тока 20 мА. При вычислении сопротивления светодиода по закону Ома используется именно эта величина.

Светодиод, как собственно и любой диод, способен пропускать ток только в одну сторону, для стабильной работы он должен быть постоянным. Источником питания для LED источников света является дроссель, который выдает необходимые характеристики потребляемого тока. Светодиодный кристалл рассчитан на напряжение, колеблющееся от 0,5 до 6 вольт.

На одной подложке может быть размещено несколько LED кристаллов. Сумма показателей напряжения всех кристаллов составит требуемый показатель для такого источника света.

Следует заметить, что в электрофизических значениях светодиодов существует допустимый разброс вольт амперной характеристики (ВАХ), это обусловлено технологией производства. Невозможно вырастить кристаллы с жестко ограниченными показателями. Подгон показателей производится методом калибровки.

Монтаж следует проводить в соответствии с обозначенной полярностью. При неправильном включении светодиод закроется, и работать не будет. Если напряжение превысит предел в 5 вольт, произойдет пробой, что приведет к порче изделия.

Для правильного подключения катод на DIP светодиодах обозначается более короткой ногой, на SMD это будет спил на подложке возле соответствующего контакта.

Интенсивность светового потока, угол рассеивания

Данная характеристика очень важна в освещении, особенно в помещениях. Интенсивность светового потока измеряется в Люменах (Лм). Для сравнения, обычная лампа накаливания в 100 Вт выдает показатель 1000 Лм. Для простого расчета напряжения лед-источника, который заменит лампу накаливания, необходимо вольтаж классики разделить на 8. Примером, лампе в 100 Вт будет соответствовать светодиод мощностью 12 – 12.5 Вт.

Важно осознавать, что рассматриваемый источник имеет одностороннее направление освещения, в то время как обычная лампа накаливания рассеивает свет во все стороны. Светодиоды имеют точечную направленность. Для увеличения угла рассеивания в конструкции применяются специальные линзы. Угол рассеивания колеблется в пределах 20 — 120˚.

Соотношение параметров эффективности разных источников света, приведенных для сравнения:

1. Лампа накаливания – 10 Лм/Вт.
2. Люминесцентная лампа – до 40 Лм/Вт.
3. Светодиод – до 140 Лм/Вт.

Размер кристалла

В общих характеристиках светоизлучающих диодов можно встретить значение размера кристалла. Эта величина измеряется в Милах (mil), 1 mil соответствует 0,0254 мм. Стандартные размеры квадрата кристалла 24×24, 24×40, 35×35 и 40×40 mil. Считается, чем больше его площадь, тем больше потребляемая мощность, при этом снижается нагрев при работе и увеличивается предел перегрузки. Для сравнения размеры 40×40mil соответствуют 1,143 × 1,143 мм и потребляют около 1 Вт.

Естественно, большое значение имеет материал для изготовления и условия, при которых кристалл выращивался. Также значение имеет качество калибровки. Это к тому, что себе дешевле приобретать светодиоды известных брендов, показатели многих китайских лед источников света завышены.

Недобросовестные продавцы зачастую заявляют повышенную мощность. Обратив внимание на размеры кристалла, можно предостеречь себя от приобретения подделки.

CRI (индекс цветопередачи)

Для более ясного понимания этой характеристики, целесообразно ознакомиться с принципами восприятия цветов человеческим глазом. Белый свет включает в себя весь спектр. Попадая на окружающие нас предметы, отражается только та часть спектра, которая соответствует цвету предмета. Естественно, источник с искаженным спектром будет искажать человеческое цветовосприятие.

Для определения степени достоверности передачи цветов при освещении искусственным источником был разработан индекс цветопередачи (CRI). Степени значений индекса цветопередачи расположены в границах 0 – 100. Показатель 100 соответствует солнечному свету и является сравнительным эталоном.

Полноценный индекс CRI, при котором искажение будет минимальным, не должен быть ниже значения 90.

Цветовые характеристики

Свет имеет волновую природу, длина излучаемой волны определяет цвет и измеряется в нанометрах (нм). Человеческий глаз способен воспринимать диапазон от 380 до 760 нм, что соответствует видимому спектру.

Таблица цветовых характеристик

Примечательно, что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность при показателе 555 нм, следовательно, источник с таким параметром будет иметь наибольшую степень освещенности.

Цветовая температура

Данная характеристика выведена по аналогии цветовосприятия разогреваемого металла. Численные пределы размещены в рамках от 800 до 7500 и измеряются в Кельвинах (К). Наиболее низким показателем обладает красный свет – около 800 К, соответственно, наиболее высокий – у холодного синего.

Для освещения применяется белый свет. Цветные светодиоды в основном используются в декоративных и индикационных целях. Белый цвет по критериям цветовой температуры разделяется на три подкатегории:

1. Теплый – 2700 – 3500 К.
2. Нейтральный – 3500 – 5300 К (наиболее сбалансированный для восприятия).
3. Холодный – 5300 – 7500 К.

Максимальная рабочая температура

Рабочая температура — одна из важнейших характеристик светодиода. При работе выделяется большое количество тепла, переизбыток которого может привести для начала к падению интенсивности светоизлучения, а в дальнейшем и к полной порче светодиода. Некоторые сверхяркие кристаллы способны разогреваться до температуры 150˚ С.

Производители ввели понятие «максимальная рабочая температура» для определения пределов температурного режима, в котором работа лед источника будет оптимальной. Значение допустимой температуры обозначаются в общих паспортных данных.

Для борьбы с избыточной температурой применяются алюминиевые и медные термоотводящие радиаторы. Маломощные SMD светодиоды монтируются на плату (подложку), которая также выступает и в роли охладителя. Для улучшенной теплоотдачи место соединения светодиода и радиатора смазывается термопастой.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Вывод

При выборе светодиодов желательно отдавать предпочтение маркам, зарекомендовавших себя брендов. Стоимость данных источников света значительно выше традиционных, следовательно, срок окупаемости тоже увеличен. Позарившись на дешевое изделие с плохими характеристиками, можно просто выбросить деньги на ветер и, напротив, светодиодные изделия от проверенных производителей обычно отрабатывают заявленный срок. Более того, при приобретении брендовых осветительных приборов на основе LED, как правило, предоставляется гарантия.

Помогите решить / разобраться (Ф)

Т.е. выходит, что если у нас есть любая цепь в которой мы знаем 100% хотя бы для одной детали R и V, то I для всей цепи будет именно такой ?

При последовательном включении всех элементов цепи. Но бывают и другие цепи, не только исключительно последовательные, и там это утверждение уже неверно.

Хмм, выходит, мультиметр показал силу тока, посчитанного для резистора ?

Мультиметр показал силу тока в цепи. Точка. Который проходит и через резистор тоже. И лишь для него Вы знаете сопротивление и значит можете применить закон Ома для участка цепи. Обратите внимание, именно для участка цепи, не всей. В данном случае закон применим лишь для участка цепи из одного резистора и всё. Но ток во всей цепи одинаков, это и спасает в данном случае.

Ответ же на вопрос «куда делся ток» Вы так и не озвучили, сделаю это за вас, надеюсь теперь это уже очевидно и вам: «ток оказался меньше так как кроме резистора в цепи есть ещё и светодиод, на котором падает некоторое напряжение и потому на резистор приходится уже не 9В, а меньше».
То что на батарейке тоже оказалось не 9В, а меньше, это уже другой эффект, неидеальности батарейки, она имеет не нулевое внутреннее сопротивление и на нём под током в нагрузку тоже падает какое-то напряжение. Т.е. вся цепь состоит как бы из трёх «сопротивлений» (очень сильно упрощаю, и только одно из них реальное в виде отдельной детали): резистор, светодиод, внутреннее сопротивление батарейки. И на всех них падает какое-то напряжение от исходного ЭДС батареи. Ну а раз сопротивление всей цепи больше сопротивления одного резистора в 330Ом, то и ток в цепи меньше. Вот поэтому.

PS. И да, говорить о сопротивлении (свето)диода совсем не правильно. Я это сделал лишь для понимания что он тоже влияет на ток в цепи, падением напряжения на себе (которое хитрым образом зависит от тока и прочих параметров диода), уж про последовательное соединение резисторов Вы точно должны знать, а в установившемся режиме светодиод можно заменить на резистор эквивалентного сопротивления (какого — Вы теперь тоже можете посчитать зная ток в цепи и падение напряжения на диоде) без нарушения режима цепи.

Калькулятор светодиодов

Я уже прочитал статью, сразу перейти к калькулятору.

Для устойчивой работы светодиоду необходим источник постоянного напряжения и стабилизированный ток, который не будет превышать величины, допустимые спецификой конкретного светодиода. Если необходимо подключить светодиоды индикаторные, рабочий ток которых не превышает 50-100мА, можно ограничить ток посредством резисторов. Если речь идет о питании мощных светодиодов с рабочими токами от сотен миллиампер до единиц ампер, то не обойтись без специальных устройств – драйверов (подробнее об этих устройствах читайте в статье «Драйвера для светодиодов», готовые модели драйверов можно увидеть здесь.). Далее рассмотрим варианты, когда требуемый ток небольшой и обойтись резисторами все же можно.

Резисторы являются пассивными элементами – ток они просто ограничивают, но никак не стабилизируют. Сила тока будет меняться с изменением напряжения в соответствии с законом Ома. Ограничивается ток резистором банальным преобразованием «лишнего» электричества в тепло по формуле

P = I²R, где P — выделяемое тепло в ваттах, I — сила тока в цепи в амперах, R — сопротивление в омах.

Устройство при этом, естественно, греется. Способность резистора рассеивать тепло не безгранична и, при превышении допустимого тока, он сгорит. Допустимая рассеиваемая мощность определяется корпусом резистора. Это нужно учитывать при планировании подключения светодиодов и выбирать элементы с, как минимум, двойным запасом прочности.

Схема подключения одного светодиода

Если необходимо подключить один светодиод, то сопротивление резистора можно рассчитать, в соответствии с законом Ома, по простой формуле:

R = (U — UL) / I, где R — требуемое сопротивление в омах, U — напряжение источника питания, UL — падение напряжения на светодиоде в вольтах, I — нужный ток светодиода в амперах.

Очень часто нужно подключить не один, а несколько светодиодов. В этом случае возможно их последовательное или параллельное подключение.

Схема последовательного подключения светодиодов

Падение напряжения на последовательно соединенных светодиодах суммируется, через каждый из них протекает одинаковый ток. Напряжение источника питание должно быть больше, чем суммарное падение напряжения.

Рассчитывается сопротивление резистора по такому же принципу, как и в случае одного светодиода, только учитывается падение напряжения не на одном светляке, а суммарно для всей цепочки.

Последовательное подключение удобно тем, что требует минимум дополнительных деталей, кроме того, от источника питания не требуется большой ток. Но при большом количестве светодиодов может потребоваться существенное напряжение. Кроме того, если один из последовательной цепочки сгорит, то цепь оборвется и светить перестанут все светодиоды. Также при таком варианте подключения важно использовать совершенно одинаковые светодиоды, иначе их разные параметры будут служить источником дисбаланса. В итоге они могут либо светить неравномерно, либо значительно быстрее выходить из строя.

Схема параллельного подключения светодиодов

Параллельное подключение равносильно одновременному подключению отдельных светодиодов, которым совсем «не обязательно знать» о наличии других светодиодов. При этом напряжение источника питания должно превышать падение напряжения на одном светодиоде. Сила тока каждого светодиода может регулироваться индивидуально, выбором сопротивления подсоединенного к нему резистора. Важно, чтобы источник питания «знал», сколько светодиодов к нему подключено, поскольку общая сила тока, которую потребуется от него предоставить, равна сумме токов, протекающих через все светодиоды. Если один из светодиодов выйдет из строя, со свечением остальных ничего не произойдет, поскольку работают они индивидуально. Учтите, что это не относится к параллельным светодиодам, которые питаются от токоограничивающего драйвера! Драйвер стабилизирует ток, выход из строя одной из веток приведет к общему снижению тока. Это снижение драйвер немедленно компенсирует, что приведет к повышению тока на оставшихся ветках. А они могут это и не пережить. По аналогичной причине следует избегать подключения нескольких параллельных светодиодов через один токоограничивающий резистор.

Схема правильного и неправильного параллельного подключения светодиодов

Сопротивление каждого резистора при параллельном подключении светодиодов рассчитывается, повторюсь, так же, как и при подключении одного светодиода.

Параллельное подключение светодиодов не требует высокого напряжения питания, но при его использовании необходимо обеспечить достаточную силу тока. Требуется большее количество деталей, но можно одновременно подключить светодиоды с разными параметрами. Также большее количество токоограничивающих резисторов, которые будут выделять тепло, даст более низкий общий КПД схемы по сравнению с последовательным подключением.

Быстро рассчитать сопротивление резистора при подключении одного или нескольких одинаковых светодиодов поможет предложенная ниже форма онлайн-калькулятора светодиодов.

Расчет резистора для светодиода

Тип подключения:

Выбрано: Один светодиод

Общая потребляемая мощность:

Общий ток источника питания:

На резисторах рассеивается:

На светодиодах рассеивается:

КПД схемы:

Требуемая мощность резисторов — очень большая!!

Выбирайте резисторы с номиналом не меньше рассчитанного!

Когда и зачем светодиодам нужны токоограничивающие резисторы?

Если вы работаете с какой-либо схемой, включающей светодиоды, вы могли столкнуться с предупреждениями или рекомендациями всегда использовать резистор, ограничивающий ток.

Мы составили это руководство, чтобы помочь любому, от новичка в домашних условиях до тех, кто занимается проектированием и изготовлением печатных плат для светодиодного освещения, полностью понять, когда, почему и как выбирать подходящий ограничивающий ток резистор.

Понимание кривой ВАХ светодиодов

Как и в случае с любым пассивным полупроводниковым компонентом, понимание кривой ВАХ (тока в зависимости от напряжения) имеет решающее значение при проектировании схемы вокруг них.

Светодиод, по сути, является диодом и имеет нелинейную кривую ВАХ. Другими словами, соотношение между входным напряжением и входным током не является прямой линией.

Например, давайте посмотрим на прямой ток при 2,7 В — примерно 20 мА. Если мы увеличим напряжение на 0,1 В до 2,8 В, прямой ток увеличится примерно на 30–50 мА. Если мы затем увеличим его еще на 0,1 В до 2,9 В, прямой ток увеличится на 35 мА до 85 мА.

По мере увеличения напряжения скорость увеличения прямого тока также увеличивается.Небольшие изменения прямого напряжения могут привести к очень большим изменениям прямого тока.

Таким образом, драйверы светодиодов с постоянным током являются предпочтительным методом управления светодиодами — они работают на одном токе и соответственно регулируют свое выходное напряжение, гарантируя, что прямой ток остается стабильным. Когда используется вход постоянного тока, токоограничивающий резистор не требуется.

Что делать, если вы используете источники питания постоянного напряжения

Однако источники питания постоянного тока обычно более дороги и ограничены в своей гибкости.В результате почти все светодиодные ленты и другие модули используют вход постоянного напряжения.

Источники питания постоянного напряжения имеют фиксированный уровень выходного напряжения и могут производить любой уровень выходного тока от 0 мА до его номинального максимума (который вполне может быть выше номинального максимума для светодиодов и светодиодной системы).

Но, как мы видели выше, из-за нелинейной зависимости между прямым током и прямым напряжением, входы питания постоянного напряжения нуждаются в дополнительной модификации для безопасного использования со светодиодными системами по следующим причинам:

1) Прямое напряжение светодиода не работает. обязательно соответствовать таковому по уровню напряжения блока питания. Например, на основе тех же технических характеристик светодиодов, что и выше, если у вас есть источник питания с постоянным напряжением 3,0 В, прямой ток также будет ограничен 135 мА.

Что, если мы хотим запустить светодиод на 20 мА, используя тот же источник питания? Нам нужно будет предоставить светодиоду только 2,7 В вместо 3,0 В. Однако, поскольку большинство блоков питания не имеют опции выхода переменного напряжения, невозможно достичь 2,7 В на светодиодах с помощью одного только блока питания. .

Что нам делать?

Ответ состоит в том, чтобы подключить резистор последовательно со светодиодом и позволить резистору «понизить» напряжение светодиода на 0.3 В.

Как рассчитать номинал резистора? Мы используем закон Ома, который гласит, что V = IR, и подставляем 0,3 В (падение напряжения) вместо V и 0,02 А (желаемый прямой ток) вместо I. Решение для R дает нам 15 Ом.

Подобные расчеты могут быть выполнены независимо от задействованного напряжения — например, для светодиодных лент 12В и 24В.

В условиях массового производства изменения прямого напряжения светодиодов неизбежны и приводят к появлению нескольких ячеек напряжения. В идеале светодиоды из каждого бункера напряжения имеют разные пары номиналов резистора, рассчитанные для обеспечения одинакового потребления прямого тока, независимо от бункера напряжения светодиода.В противном случае могут возникнуть более широкие вариации в потребляемом прямом токе и, следовательно, яркости.

Каждая из вышеперечисленных строк представляет собой отдельную ячейку напряжения. Чтобы получить 60 мА для всех светодиодных бункеров, необходимо использовать резисторы разных спецификаций, чтобы получить разные прямые напряжения, необходимые для достижения одинаковых 60 мА.

2) Токоограничивающие резисторы защищают от повышения напряжения

Мы видели выше, что светодиоды имеют нелинейную зависимость между прямым током и прямым напряжением.В результате небольшое увеличение напряжения может привести к значительному увеличению прямого тока, что приведет к потенциальной перегрузке по току и отказу устройства.

В отличие от диодов, резисторы имеют линейную зависимость между прямым током и прямым напряжением (как показано законом Ома).

Следовательно, увеличение прямого напряжения приведет к такому же пропорциональному увеличению прямого тока независимо от уровня напряжения. Это свойство резисторов, включенных в схему светодиода, может помочь смягчить эффекты повышения напряжения.

Почему должно увеличиваться напряжение?

Первая возможность — нестабильный источник питания со значительным шумом или пульсацией. Если есть проблемы с источником питания постоянного напряжения, обеспечивающим нестабильный постоянный ток, прямое напряжение и периодические всплески, и наличие резисторов, ограничивающих ток, поможет смягчить соответствующий всплеск прямого тока.

Второе, более предсказуемое и распространенное свойство самих светодиодных устройств.

По мере нагрева светодиода его прямое напряжение уменьшается, если прямой ток остается постоянным.Это обычно показано в технических характеристиках светодиодов на следующей диаграмме изменения температуры и прямого напряжения:

Это полезная информация при проектировании цепи постоянного тока, поскольку она дает нам информацию об истинном диапазоне прямых напряжений, которые мы можем увидеть в системе. Но давайте перефразируем тот же принцип с точки зрения постоянного напряжения:

Когда светодиод нагревается, его прямой ток увеличивается, если мы сохраняем постоянное прямое напряжение.

Графически мы можем показать тот же принцип на одной диаграмме (ниже).Если мы используем перспективу постоянного тока, мы можем сказать, что кривая сдвигается влево при повышении температуры. Или, если мы используем перспективу постоянного напряжения, мы можем сказать, что кривая смещается вверх с повышением температуры.

Тепловыделение светодиода зависит в первую очередь от его общего рассеивания мощности. Следовательно, тот факт, что прямой ток возрастает при повышении его температуры, потенциально катастрофичен, потому что более высокий прямой ток еще больше увеличит температуру светодиода, в свою очередь, еще больше увеличивая его прямой ток в контуре положительной обратной связи.Это называется тепловым разгоном светодиодной системы и в лучшем случае приведет к катастрофическим сбоям и, возможно, к возгоранию и задымлению.

Токоограничивающий резистор помогает смягчить эффект увеличения напряжения благодаря своей линейной ВАХ. Кроме того, резисторы ведут себя противоположно светодиодам в зависимости от их температуры — с повышением температуры увеличивается и сопротивление.

Эта простая, но полезная особенность резисторов побудила некоторых также называть резисторы, используемые таким образом, балластными резисторами.

Bottom Line

Светодиодные устройства по своей природе управляются током и плохо реагируют на колебания напряжения.

Если вы строите светодиодную систему с использованием источников питания постоянного напряжения, вы должны быть абсолютно готовы использовать токоограничивающие резисторы для обеспечения стабильной и безопасной работы светодиодных устройств.

Нужна помощь в создании светодиодной схемы? Свяжитесь с нами, чтобы обсудить сегодня!

кривых IV | LEDnique

Кривая IV для устройства — кривая зависимости тока от напряжения — это график зависимости тока, протекающего в устройстве, от напряжения на нем.

Рисунок 1. ВАХ для различных резисторов. Линии могут быть продлены до 0, 0, чтобы показать взаимосвязь при отрицательных напряжениях и токах.

Согласно закону Ома \ (V = IR \), зависимость между током и напряжением в резисторе линейна. Рисунок 1 ясно показывает, что ток линейно увеличивается с увеличением напряжения и что скорость изменения зависит от номинала резистора.

Светодиоды довольно разные:

1. Светодиоды — это диоды, у которых P-N переходы ведут себя нелинейно.Пока не будет достигнуто прямое напряжение, течет очень небольшой ток. Выше этого значения ток увеличивается экспоненциально с увеличением напряжения.

Светодиоды

2. , как и все диоды, проводят в одном направлении и не проводят (пока не будет достигнуто обратное напряжение пробоя) в противоположном направлении.
3. Поскольку цвет светодиодов определяется шириной запрещенной зоны полупроводника, а прямое напряжение \ (V_F \) также зависит от материала.

Рис. 2. Типичные ВАХ для различных цветов светодиодов.

Кривые ВАХ полезны для оценки тока, который будет протекать при определенных напряжениях и т. Д., А также для расчета номиналов резисторов.

Из кривых следует отметить несколько моментов:

• Прямое напряжение соответствует ширине запрещенной зоны, которая увеличивается от красного до фиолетового.
• Должно быть ясно, что попытка параллельного включения светодиодов — обычно не рекомендуется — особенно плохая идея, когда цвета смешаны. например Параллельное подключение красного, зеленого и синего светодиодов к 2.Подача напряжения 0 В приведет к:
  • Красный: 44 мА.
  • Зеленый: 12 мА.
  • Синий: 3 мА.

Рис. 3. Токи, которые протекают через красный, зеленый и синий светодиоды, подключенные напрямую к источнику питания 2 В.

Построение ВАХ

Это видео демонстрирует измерение тока с помощью зеленого светодиода при регулировке напряжения. Результаты нанесены на график для построения кривой ВАХ для светодиода.

Также можно наблюдать некоторое мерцание на мультиплексном дисплее во время гудения.Гудение вызывает вибрацию глаз в глазницах, что может создавать стробоскопические условия в глазу. Гудя с частотой от 70 до 72 Гц (около музыкальной ноты C2), я смог наблюдать мерцание на светодиодном дисплее.

Измерение прямого напряжения светодиода

Видеоклип выше демонстрирует измерение прямого напряжения светодиодов с помощью многофункционального тестера компонентов. Всего было:

Калькулятор резисторов серии

LED

Вычислитель резисторов серии

LED

Для всех светодиодов требуется некоторая форма ограничения тока . Подключение светодиода напрямую к источнику питания сгорит в мгновение ока. Даже кратковременная перегрузка значительно сократит срок службы и светоотдачу.

К счастью, управление одним или цепочкой светодиодов с низким током (20-30 мА) является простой задачей — добавление небольшого резистора в серию — самый простой и дешевый способ ограничить ток. Однако имейте в виду, что светодиоды с большим током (выше нескольких сотен мА) сложнее управлять, и, хотя они могут работать с последовательным резистором, для минимизации потерь мощности и обеспечения надежности рекомендуется использовать более дорогие переключатели регулятор тока .

Наш калькулятор светодиодов поможет вам определить номинал токоограничивающего последовательного резистора при подключении одного или нескольких слаботочных светодиодов. Для начала введите необходимые значения и нажмите кнопку «Рассчитать».

Программа нарисует небольшую схему, отобразит рассчитанное сопротивление и сообщит вам значение и цветовой код ближайшего стандартного резистора более низкого и высокого уровня. Он рассчитает мощность, рассеиваемую резистором и светодиодами, рекомендуемую мощность резистора, общую мощность, потребляемую схемой, и эффективность конструкции (мощность, потребляемая светодиодами / общая потребляемая мощность схемы) x 100. ).

Поля ввода

Напряжение питания : Введите напряжение, превышающее падение напряжения светодиода для одной цепи светодиода и параллельного подключения, или сумму всех падений напряжения при последовательном подключении нескольких светодиодов.

Ток светодиода : Введите ток одного светодиода в миллиамперах. Обычные светодиоды 3 мм и 5 мм обычно работают в диапазоне 10-30 мА, но силовые светодиоды, используемые в осветительных и автомобильных приложениях, могут иметь ток более 200 мА.Ток 20 мА обычно является безопасным значением, если у вас нет доступа к техническому описанию компонента.

Цвет светодиода и Падение напряжения : Выберите цвет светодиода. Падение напряжения Поле автоматически заполнится типичным значением для выбранного цвета (например, 2 В для стандартного красного светодиода; 3,6 В для белого светодиода, используемого в освещении, стробоскопе и т. Д .; 1,7 В для инфракрасного светодиода, используемого в пульты дистанционного управления и т. д.). Однако падение напряжения сильно различается между разными типами светодиодов, а также незначительно изменяется в зависимости от тока, поэтому, пожалуйста, измените его, если вы знаете правильное значение для вашего компонента.

Количество светодиодов : Выберите количество светодиодов, которое вы хотите использовать в своей цепи. Для нескольких светодиодов появится второй раскрывающийся список, в котором вы можете выбрать соединение серии или параллельное соединение .

Примечание. Не следует подключать светодиоды параллельно с одним общим резистором. Идентичные светодиоды могут быть успешно подключены параллельно, но у каждого светодиода может быть немного разное падение напряжения, и яркость светодиодов будет отличаться.Если вы хотите подключить светодиоды параллельно, у каждого из них должен быть свой резистор. Рассчитайте значение для одного светодиода и подключите все пары светодиод-резистор параллельно.

Точность резистора : выберите желаемую стандартную точность резистора: 10% (E12), 5% (E24), 2% (E48) или 1% (E96). Воспользуйтесь нашим калькулятором цветового кода резистора, чтобы узнать цветовые полосы для различных (20%, 0,5% …) прецизионных резисторов.

Как интерпретировать результаты

Простая схема генерируется при каждой загрузке страницы.На схеме показано только ближайшее значение стандартного резистора, и показаны только два подключения светодиодов, независимо от того, сколько светодиодов находится в цепи (но я уверен, что вы легко можете заполнить недостающие биты).

Справа показаны два резистора . Это ближайшие (верхние и нижние) стандартные значения, наиболее близкие к исходному рассчитанному сопротивлению. Вы должны использовать только один в своей схеме — лучше выбрать тот, который ближе (тот, который отмечен * после значения).

Рекомендуемая мощность резистора рассчитана с небольшим запасом прочности, так что рассеиваемая мощность остается в пределах 60% от номинального значения.

Эффективность [%] покажет вам, какая часть общей мощности, потребляемой схемой, фактически используется светодиодами.

Как определить выводы светодиода

Светодиод имеет два вывода: положительный (анод) и отрицательный (катод). На схематических диаграммах его символ похож на простой диод, с двумя стрелками, направленными наружу.Анод (+) отмечен треугольником, а катод (-) — линией. Иногда встречаются дополнительные метки: A или + для анода и K или — для катода.

Есть несколько способов определить выводы светодиода:

1. Катод (отрицательный) обычно маркируется плоской кромкой в нижней части корпуса светодиода.
2. Большинство светодиодов изготавливаются с одной длинной ножкой, указывающей на плюс (анод).
3. Загляните внутрь самого светодиода — меньшая металлическая деталь внутри светодиода подключается к положительному электроду, а большая — к отрицательному.

Учебное пособие по

LED — изучение основ

Практически каждое потребительское устройство использует светоизлучающий диод (LED). Это универсальное устройство предлагает простой способ добавить индикатор в любой проект, потребляя при этом относительно небольшой ток.Как только их принцип работы будет понят, добавить их в любой проект — простая задача. Это руководство представляет собой упрощенное объяснение того, как работает светодиод и как выбрать резистор, ограничивающий ток. Учебного пособия по светодиодам здесь достаточно для использования светодиодов в проекте, но оно не предназначено для исчерпывающего объяснения.

Диод — это электронный компонент, который проводит электричество только в одном направлении. Номинальное «прямое напряжение» диода определяет минимальную разницу напряжений между анодом и катодом, позволяющую току течь.Например, рассмотрим диод с прямым напряжением 0,7 В. Если вы подадите +1 вольт на анод и 0 вольт на катод, то ток будет течь. Однако реверсирование напряжений для подачи 0 В на анод и + 1 В на катод предотвращает протекание тока!

«Светоизлучающий диод» (LED) — это вариант стандартного диода с такими же характеристиками. Очевидная разница в том, что когда ток проходит через светодиод, он генерирует видимый (невидимый) свет.

При рассмотрении технических характеристик светодиода следует обратить внимание на два основных показателя: «прямое напряжение» и «прямой ток».”

Прямое напряжение определяет величину напряжения, необходимого для протекания тока через диодный переход. Любое напряжение ниже этого уровня приводит к тому, что светодиод остается «разомкнутым» или непроводящим. Это открытое состояние также означает, что любые компоненты, включенные последовательно со светодиодом, также не будут иметь тока, протекающего через них!

Ток может проходить через светодиод, когда падение напряжения на нем достигает прямого напряжения. Более того, в любой момент времени на светодиодах падает только прямое напряжение.Это то, что отличает диод или светодиод от резистора.

Резистор называется линейным устройством, потому что ток, протекающий через него, напрямую зависит от приложенного напряжения и его сопротивления. (Возможно, вы знаете это как закон Ома.) Диод или светодиод — другое дело. Напряжение и ток имеют нелинейную зависимость.

А теперь рассмотрим практический пример. Рассмотрим светодиод с прямым напряжением 3,0 В. Что произойдет, если вы присоедините анод к положительной (+) клемме батареи AA (LR-6), а катод — к отрицательной (-) клемме? Светодиод что-нибудь сделает? Нет! Батарея AA (LR-6) имеет номинальное напряжение 1.5 вольт. Пока вы не добавите вторую батарею, светодиод не загорится.

Значит, если вы последовательно подключите две штатные батарейки AA (LR-6) и подключите их к этому диоду, он загорится, и все в порядке, верно? Ну, нет. Внутри светодиода диодный переход превращается в (почти) короткое замыкание при приложении прямого напряжения. Такое поведение означает, что светодиод может потреблять ВЕСЬ ток, который он может от батареи. Это не очень хорошо, потому что вы закорачиваете аккумулятор! Это не только повредит аккумулятор, но и приведет к перегреву или разрушению светодиода!

Как упоминалось ранее, подача прямого напряжения приводит к короткому замыканию светодиода.Короче говоря, светодиод потребляет весь ток, который позволяет источник питания, и повредит себя. Таким образом, вы должны ограничить количество прямого тока, который может проходить через светодиод. Здесь появляется название «резистор ограничения тока ». Резистор, установленный последовательно со светодиодом, ограничивает ток, протекающий через него.

Диоды и светодиоды понижают постоянное напряжение независимо от протекающего через них тока. Таким образом, резистор и светодиод работают вместе. Резистор поддерживает постоянную величину тока, а светодиод удерживает падение напряжения на каждой константе.Следующий вопрос, который нужно решить, — какой резистор необходим?

Желтый светодиод Пример

Чтобы рассчитать требуемый токоограничивающий резистор , необходимо знать два свойства светодиода: его прямой ток (If) и прямое напряжение (Vf). В последнем разделе упоминается, что светодиод будет поддерживать постоянное падение напряжения на нем. Независимо от приложенного напряжения, он снизит только прямое напряжение (Vf) на себе. Используя таблицу для желтого светодиода (доступного на Sparkfun), мы видим эти два значения:

А также…

Цель состоит в том, чтобы установить ток в прямом направлении для светодиода на уровне 20 мА, что означает, что светодиод опускается на 1.8-2,2 В. В этом случае сделайте предположение, что на ЭТОМ светодиоде упадет 2 В.

Распространенное заблуждение — это то, как определяется прямой ток. В таблице данных светодиода указан максимальный прямой ток, который может выдержать светодиод. В большинстве случаев этот ток составляет 20 мА. Использование светодиода на этом максимуме сокращает срок службы. Кроме того, он обеспечивает максимальную яркость светодиода. Если вам просто нужен световой индикатор, подумайте о гораздо меньшем значении, например 5 мА или даже 1 мА.

Закон Ома определяет значение R_LIMIT.R_LIMIT и светодиод включены последовательно. Это соединение означает, что их напряжения складываются, и величина тока, проходящего через них, одинакова. Светодиод падает на 2 вольта, оставляя 3 вольта для падения на R_LIMIT. Поскольку эти два компонента подключены последовательно, через оба будет протекать ток 20 мА.

Закон

Ома гласит, что сопротивление = напряжение / ток. Это означает, что R_LIMIT = 3,0 В / 20 мА = 150 Ом.

Значение используемого резистора зависит от того, какой светодиод выбран. Обычно он находится в диапазоне 150–470 Ом.В случае сомнений выберите немного большее значение сопротивления.

Диоды — это простые, но универсальные компоненты. Светодиоды расширяют эти свойства, включая свет. У светодиодов есть множество интересных проектов на основе Матрицы, а также более практических применений, таких как индикаторы состояния. Информация, показанная здесь, показывает, как найти прямое напряжение и прямой ток светодиода из его таблицы данных. Затем показан закон Ома для расчета правильного ограничивающего резистора.

Это видео AddOhms о светодиодах и токоограничивающих резисторах может быть интересно.Вы можете увидеть, что произойдет, если не ограничить ток!

У вас есть вопрос, который здесь не был рассмотрен? Оставьте это ниже.

Расчет значений резисторов, ограничивающих ток для светодиодных цепей

Светодиод — это один из тех компонентов продукта, который просто обязан работать. Если я смотрю на свой компьютер через комнату и не вижу, как его светодиодный индикатор мигает мне в ответ, я предполагаю, что он выключен; Никогда не ожидал, что светодиод мог перегореть. Для этого есть веская причина: при работе в соответствии со спецификациями срок службы светодиода составляет 100000 часов или более.

Ключом к увеличению срока службы светодиода является ограничение протекающего через него тока. Часто это делается с помощью простого резистора, значение которого рассчитывается по закону Ома. В этой статье рассматривается, как применить закон Ома к одиночным и кластерным схемам светодиодов. Я также предоставил электронную таблицу Excel, чтобы упростить и ускорить процесс.

Одинарные светодиоды

При вычислении значения резистора, ограничивающего ток для одного светодиода, основная форма закона Ома — V = IR — становится:

где:

• В _batt — напряжение на резисторе и светодиодах.
• В _led — прямое напряжение светодиода.
• I _led — прямой ток светодиода.

На рисунке 1 (а) показан пример схемы с одним светодиодом. Между прочим, V _batt — V _led — это падение напряжения на резисторе, а (I _led ) ² R — мощность, рассеиваемая резистором. Расчет рассеиваемой мощности — это шаг, который многие люди — как любители, так и профессионалы — склонны пропускать.Итак, что вы называете резистором на 1/8 Вт, который должен рассеивать 1/2 Вт? Уголь.

светодиодов в серии

Приведенное выше уравнение становится лишь немного сложнее, если вы соедините несколько светодиодов последовательно. Падение напряжения на светодиодах увеличивается, уменьшая падение напряжения на резисторе. Ток через резистор (и светодиоды) остается прежним:

, где n — количество последовательно включенных светодиодов. Рисунок 1 (b) показывает пример с тремя последовательно включенными светодиодами.Падение напряжения на светодиодах в три раза больше, чем у одного светодиода.

светодиодов параллельно

Если вы подключаете несколько светодиодов параллельно, ток через резистор увеличивается (хотя ток через каждый светодиод остается неизменным). Падение напряжения на светодиодах не изменяется, как и падение напряжения на резисторе:

, где m — количество параллельно включенных светодиодов. Рисунок 1 (c) показывает пример с тремя светодиодами, подключенными параллельно.Ток в цепи в три раза превышает ток одного светодиода.

РИСУНОК 1. Простые светодиодные схемы. (а) Схема с одним светодиодом. (б) светодиоды последовательно. (c) светодиоды параллельно.

Светодиодные массивы

Если вы соединяете несколько светодиодов в массив, вам просто нужно объединить последовательную и параллельную формы уравнений:

Важно, чтобы в каждой из m параллельных ветвей цепи было n светодиодов (соединенных последовательно) и чтобы все светодиоды имели одинаковый светодиод V и светодиод I .В противном случае все ставки отменены. Рисунок 2 (a) показывает четыре светодиода, подключенных таким образом, что предыдущее уравнение не применяется. Рисунок 2 (b) показывает один из нескольких «правильных» способов подключения четырех светодиодов.

РИСУНОК 2. светодиодных матриц.

Регулировка яркости

Управление яркостью полезно для гаджетов, которые могут использоваться в различных условиях окружающего освещения (снаружи / внутри, ночью / днем ​​и т. Д.). Для этой функции требуется два резистора — один фиксированный (R _f ) и один переменный (R _v ).R _f ограничивает ток, когда R _v имеет минимальное значение — обычно 0 Ом — что позволяет максимальному току протекать через светодиод. Значение R _f рассчитывается, когда R _v = 0:

.

, где Iled (max) — это максимальный ток, который вы хотите через светодиод.

Увеличение значения R _v добавляет сопротивление цепи, уменьшая ток через светодиод. Когда R _v установлен на максимальное значение, через светодиод проходит минимальный ток.Значение _{рэндов против} определяется по формуле:

, где I _{led (min)} — минимальный ток, который вы хотите через светодиод.

РИСУНОК 3. Регулировка яркости.

Этапы проектирования

Существует четыре шага для выбора подходящего номинала (значений) токоограничивающего резистора:

• Используя желаемые рабочие характеристики и спецификации светодиодов, решите соответствующие уравнения для «идеальных» номиналов резистора.
• Выберите подходящие «реальные» значения резистора.Если в расчетах указан резистор 132,27 Ом, ближайшие «реальные» значения резистора составляют 130 Ом и 150 Ом (допуск 5%). Конечно, вы можете выбрать другие значения в зависимости от того, что у вас есть под рукой.
• Вставьте значения резисторов, которые вы выбрали, снова в вычисления, чтобы увидеть, будут ли они удовлетворять желаемым рабочим характеристикам.
• Выполните вычисления, используя выбранные значения резисторов с крайними допусками. Резистор 150 Ом с допуском 5% может иметь диапазон от 142 Ом.От 5 Ом до 157,5 Ом и редко бывает точно 150 Ом. Также рассчитайте ток, потребляемый схемой, и необходимую мощность, рассеиваемую резисторами.

Некоторые люди не выполняют ни одного из этих шагов и просто угадывают значение. Большинство из них проходят первые два шага, что обычно нормально, если вы не работаете слишком близко к пределам светодиода, где допуски могут подтолкнуть вас к краю. Выполнив все четыре шага, вы можете гарантировать, что ваши светодиоды, по крайней мере, работают безопасно и прослужат долгое время.

Множественные итерации — это перетаскивание

Подсчитать резисторы для цепей светодиодов довольно просто. Это займет всего несколько минут, даже если вы пройдете все четыре этапа проектирования. В этом нет ничего страшного, если вам нужно сделать это только один раз, но что, если вы хотите увидеть влияние различных резисторов в цепи? Что делать, если у вас есть набор светодиодов, и вы хотите определить, как лучше всего их подключить? ( Рисунок 4 иллюстрирует четыре способа подключения шести светодиодов.) Расчеты по-прежнему просты; вам просто нужно повторить их еще несколько раз.Это утомительно, и именно тогда люди склонны совершать ошибки.

Чтобы избавиться от скуки и связанных с ней ошибок, я составил электронную таблицу Excel, в которой выполняются все необходимые вычисления, включая поиск «реальных» значений резисторов. Это реальная экономия времени!

РИСУНОК 4. Способы подключения шести светодиодов.

Использование электронной таблицы

Электронная таблица (доступна на веб-сайте Nuts & Volts по адресу www.nutvolts.com ) разбит на три раздела. В первом разделе «Характеристики цепи» вы вводите параметры цепи. Во втором разделе, «Расчетные значения I & R и предлагаемые резисторы», вычисляются необходимые номиналы резисторов и предлагаются «настоящие» резисторы для использования в схеме. Последний раздел, «Расчетная производительность с использованием выбранных резисторов», позволяет вам подключать значения резисторов (предлагаемые значения или значения по вашему выбору) и рассчитывать токи светодиодов, токи источника питания и рассеиваемую мощность резистора.Также учитывается допуск резистора. Примечание. Вам следует изменить только значения, выделенные синим жирным шрифтом. Обычный черный текст изменять нельзя. NV

РИСУНОК 5. Вид электронной таблицы.

Загрузки

Что в почтовом индексе? Таблица калькулятора резистора

Основы

: Подбор резисторов для светодиодов

Итак … вы просто хотите зажечь светодиод. Какой резистор использовать?

Может быть, вы знаете ответ, или, может быть, все уже считают, что вы должны знать, как добраться до ответа.В любом случае, это вопрос, который вызывает больше вопросов, прежде чем вы действительно сможете получить ответ: какой тип светодиода вы используете? Какой блок питания? Батарея? Плагин? Часть более крупной схемы? Серии? Параллельно?

Предполагается, что играть со светодиодами — это весело, и выяснение ответов на эти вопросы на самом деле является частью забавы. Есть простая формула, которую вы используете для выяснения этого — закон Ома. Эта формула: В = I × R , где В, — напряжение, I — ток, а R — сопротивление.Но как узнать, какие числа использовать в этой формуле, чтобы получить правильное значение резистора?

Чтобы получить В, в нашей формуле, нам нужно знать две вещи: напряжение нашего источника питания и напряжение наших светодиодов.

Начнем с конкретного примера. Предположим, что мы используем держатель батареек 2 × AA (например, этот из нашего магазина), который обеспечит нас питанием 3 В (с двумя последовательно соединенными элементами AA 1,5 В; мы складываем напряжения), и мы планирую подключить желтый светодиод (как один из этих).

Светодиоды

имеют характеристику, называемую «прямым напряжением», которая часто обозначается в технических данных как Vf. Это прямое напряжение представляет собой величину напряжения, «потерянного» в светодиоде при работе с определенным опорным током, обычно определяемым как около 20 миллиампер (мА), то есть 0,020 ампер (А). Vf зависит в первую очередь от цвета светодиода, но на самом деле немного отличается от светодиода к светодиоду, иногда даже в пределах одного пакета светодиодов. Стандартные красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды имеют Vf около 1,8 В, тогда как чисто зеленые, синие, белые и УФ-светодиоды имеют Vf около 3.3 В. Итак, падение напряжения с нашего желтого светодиода будет около 1,8 В.

В в нашей формуле находится путем вычитания прямого напряжения светодиода из напряжения источника питания.

3 В (источник питания) — 1,8 В (падение напряжения светодиода) = 1,2 В

В этом случае у нас осталось 1,2 В, которые мы подключим к нашей формуле В = I × R .

Следующее, что нам нужно знать, это I , ток, на котором мы хотим управлять светодиодом.Светодиоды имеют максимальный номинальный непрерывный ток (часто обозначается как If или Imax в таблицах данных). Часто это около 25 или 30 мА. На самом деле это означает, что типичное значение тока, к которому нужно стремиться со стандартным светодиодом, составляет от 20 мА до 25 мА, что немного ниже максимального тока.

Помимо: Вы всегда можете дать светодиоду меньше тока . Работа светодиода, близкая к номинальному максимальному току, дает вам максимальную яркость за счет рассеиваемой мощности (тепла) и срока службы батареи (если, конечно, вы разряжаете батареи.) Если вы хотите, чтобы ваши батареи прослужили в десять раз дольше, вы можете просто выбрать ток, который составляет только одну десятую от номинального максимального тока.

Итак, 25 мА — это «желаемый» ток — то, что мы надеемся получить, когда выбираем резистор, а также I , который мы подключим к нашей формуле V = I × R .

1,2 В = 25 мА × R

или перефразируя:

1,2 В / 25 мА = R

и когда мы решаем это, получаем:

1.2 В / 25 мА = 1,2 В / 0,025 А = 48 Ом

Где «48 Ом» — 48 Ом. (Единицы измерения таковы, что 1 В / 1 А = 1 Ом; один вольт, разделенный на один ампер, равен одному ому. Если вы имеете дело с током в мА, преобразуйте его в А, разделив на 1000.)

Наша версия формулы теперь выглядит так:

(напряжение источника питания — напряжение светодиода) / ток (в амперах) = требуемое значение резистора (в омах)

Получаем сопротивление резистора 48 Ом. И это хорошее значение пускового резистора для использования с желтым светодиодом и источником 3 В.

Давайте на мгновение посмотрим на номиналы резисторов. Резисторы обычно доступны в таких номиналах, как 10 Ом, 12 Ом, 15 Ом, 18 Ом, 22 Ом, 27 Ом, 33 Ом, 39 Ом, 47 Ом, 51 Ом, 56 Ом, 68 Ом, 75 Ом и 82 Ом. (и их кратные 510 Ом, 5,1 кОм, 51 кОм и т. д.), и (если вы не укажете более высокую точность при совершении покупок) имеют значение допуска около ± 5%.

Если вы занимаетесь большим количеством проектов в области электроники, у вас, скорее всего, будет валяться куча резисторов. Если вы только начинаете, возможно, вам захочется приобрести ассортимент, чтобы было что-нибудь под рукой.Резисторы также рассчитаны на работу с различной мощностью — резисторы, рассчитанные на большую мощность (больше ватт), могут безопасно рассеивать больше тепла, выделяемого внутри резистора. Резисторы на 1/4 ватта, вероятно, являются наиболее распространенными и обычно подходят для простых светодиодных схем, подобных тем, которые мы здесь рассматриваем. (Мы обсуждали рассеяние мощности ранее — обратите внимание на это, когда вы начнете выходить за рамки этих основ.)

Итак, значение резистора, которое мы вычислили выше, было 48 Ом, что не является одним из наших обычных значений.Но это нормально, потому что мы будем использовать резистор с допуском ± 5%, так что в любом случае это значение не обязательно будет точно таким. На всякий случай мы обычно выбираем следующее более высокое значение, которое у нас есть; 51 Ом в этом примере.

Давайте подключим:
батарейный блок 3 В, резистор 51 Ом и желтый светодиод.

Это небольшая симпатичная светодиодная схема, но как мы можем сделать это с помощью большего количества светодиодов? Можем ли мы просто добавить еще один резистор и еще один светодиод? Ну да, в точку.Каждому светодиоду потребуется 25 мА, поэтому нам нужно выяснить, какой ток могут отдавать наши батареи.

Помимо : Немного покопавшись, можно найти полезный технический справочник (pdf) по щелочным батареям от Energizer. Оказывается, чем сильнее вы их водите, тем быстрее вы их истощаете. Часть этого очевидна: если вы постоянно потребляете 1000 мА из батареи, вы ожидаете, что батарея прослужит 1/10 того времени, как если бы вы потребляли 100 мА. Но на самом деле есть второй эффект, заключающийся в том, что общая выходная энергия батареи (измеряемая в ватт-часах) уменьшается, когда вы приближаетесь к пределу того, какой ток может выдавать батарея.На практике, с щелочными батареями AA, если вы разрядите их при токе 1000 мА, они прослужат только около 1/20 того времени, как если бы вы разрядили их при 100 мА.

Для нашего одиночного светодиода 25 мА элементы AA прослужат чертовски долго. Если мы запустим четыре светодиода параллельно, потребляя 100 мА, у нас все равно должно получиться довольно приличное время автономной работы. Если ток превышает 500 мА, следует подумать о подключении к розетке. Итак, мы можем добавить несколько наших желтых светодиодов, каждый с собственным резистором 51 Ом, и успешно управлять ими с помощью держателя батареи 2xAA.

Хорошо, а как насчет батареи на 9 В? Давайте остановимся на желтых светодиодах. Если мы хотим отключить один светодиод от батареи 9 В, это означает, что мы должны потреблять колоссальные 7,2 В с нашим резистором, который должен быть 288 Ом (или ближайшее удобное значение: 330 Ом, в моей мастерской). .

9 В (питание) — 1,8 В (желтый светодиод) = 7,2 В

7,2 В / 25 мА = 288 Ом (округлить до 330 Ом)

Использование резистора для падения напряжения любого размера рассеивает эту энергию в виде тепла.Это означает, что мы просто тратим эту энергию на тепло, вместо того, чтобы получать больше света от нашей светодиодной схемы. Итак, можем ли мы использовать несколько светодиодов, соединенных вместе? Да! Давайте соединим четыре светодиода 1,8 В последовательно, в сумме получим 7,2 В. Когда мы вычтем это из напряжения питания 9 В, у нас останется 1,8 В, для чего потребуется только резистор 72 Ом (или ближайшее значение. : 75 Ом).

9 В — (1,8 В × 4) = 9 В — 7,2 В = 1,8 В

1,8 В / 25 мА = 72 Ом (затем округляем до 75 Ом)

Наша обобщенная версия формулы с несколькими последовательно включенными светодиодами:

[Напряжение источника питания — (напряжение светодиода × количество светодиодов)] / ток = номинал резистора

Мы даже можем подключить пару цепочек из четырех светодиодов плюс резистор параллельно, чтобы получить больше светового потока, но чем больше мы добавляем, тем больше мы сокращаем срок службы батареи.

А можно ли сделать пять последовательно с батареей 9 В? Ну, может быть. Значение 1,8 В, которое мы использовали, является всего лишь «типичным практическим правилом». Если вы уверены, что прямое напряжение равно 1,8 В, он будет работать. Но что, если это не совсем так? Если прямое напряжение ниже, вы можете перегрузить их до более высокого тока, что может сократить срок их службы (или полностью убить). Если прямое напряжение выше, светодиоды могут быть тусклыми или даже не гореть. В некоторых случаях вы можете подключить светодиоды последовательно без резистора, как в нашей схеме светодиодного обеденного стола, но в большинстве случаев предпочтительнее и безопаснее использовать резистор.

Давайте сделаем еще один пример, на этот раз с белым светодиодом (вы можете найти его здесь) и батарейным отсеком 3xAA (например, этот). Напряжение источника питания составляет 4,5 В, а напряжение светодиода — 3,3 В. Мы по-прежнему стремимся к току 25 мА.

4,5 В — 3,3 В = 1,2 В

1,2 В / 25 мА = 48 Ом (округлить до 51 Ом)

Итак, вот примеры, которые мы рассмотрели, и еще несколько примеров с некоторыми другими распространенными типами источников питания:

Все эти значения основаны на тех же предположениях о прямом напряжении и желаемом токе, которые мы использовали в первых примерах.Вы можете проработать их и проверить математику или просто использовать ее как удобную таблицу, если считаете, что наши предположения разумны. 😉

Так вот, в какой-то момент кто-то мог сказать вам: «Просто воспользуйтесь онлайн-калькулятором светодиодных резисторов». И действительно, такие вещи есть — даже у нас есть одна (ну, версия для печати из бумаги) — так зачем вообще работать над всем этим? Во-первых, гораздо лучше понять, что и почему этот калькулятор делает то, что он делает. Но также почти невозможно использовать эти калькуляторы, если вы не знаете, какие переменные вам нужно будет ввести.Надеюсь, теперь вы сможете вычислить значения, которые вам понадобятся (напряжение источника питания, напряжение светодиода и ток) для использования светодиодного калькулятора. Но что более важно (1) он вам на самом деле не нужен: вы можете сделать это сами и (2) если вы его используете, вы можете подвергнуть сомнению основные предположения, которые он может сделать от вашего имени.

Надеюсь, вы также заметили, что есть гораздо больше, чем просто один способ зажечь светодиод. И мы даже не добрались до таких вещей, как объединение светодиодов разного номинала в цепи! Теперь, можете ли вы вернуться к наклеиванию светодиодов на батареи CR2032, чтобы сделать светодиодные броски? Да, определенно можно.Но вы можете вернуться и прочитать о том, когда вам следует добавить резистор даже в эту маленькую схему!

Наконец, отметим, что в этой статье мы говорили о вашем основном сквозном маломощном (хотя, возможно, очень ярком) светодиодах. Специализированные типы, такие как светодиоды высокой мощности, могут иметь несколько другие характеристики и требования.

Обновление : исправлен список общих значений резисторов, чтобы включить более общие значения.

Понимание мощности светодиодного освещения в ваттах и ​​эффективности светодиодного освещения в люменах / ватт и коэффициента мощности

Мощность светодиода

Мощность (P) любого электрического устройства, включая светодиодный светильник, измеряется в ваттах (Вт), что равно потребляемому току или электричеству (I), измеренному в амперах, умноженному на напряжение (В).

P = V x I

Следовательно, мощность светодиодной лампы пропорциональна напряжению и / или току, так что устройство может иметь низкое напряжение, но все же может потреблять очень высокий ток и иметь высокое энергопотребление. Например, традиционный дихроичный галогенный светильник мощностью 50 Вт потребляет всего 12 В переменного тока, но потребляет 4,167 А.

Светодиодные лампы

по своей природе имеют низкое напряжение, но также относительно малый ток, что делает их менее мощными и более эффективными, чем традиционные лампы накаливания и галогенные потолочные светильники.Обычно мы говорим о диапазоне от 100 до 750 мА в зависимости от прямого напряжения, необходимого для включения светодиода. В этом отношении то, что светодиодный светильник использует более высокий ток, не означает, что он будет ярче. Скорее это зависит от мощности, которая пропорциональна увеличению напряжения и / или тока. Есть некоторое преимущество в наличии светодиодов с более высоким напряжением там, где между светодиодом и источником питания большие расстояния, например, в полосовом светодиодном освещении. Однако для большинства приложений это не имеет особого значения.

Типичные диапазоны мощности для бытовых и коммерческих ламп общего назначения составляют от 3 Вт до 15 Вт. Обычно чем выше мощность, тем больше ток и, следовательно, больше светоотдача. Однако это не всегда так и подводит нас к концепции эффективности и коэффициента мощности.

Эффективность светодиодного освещения

Эффективность светодиодной лампы измеряется в люменах на ватт (лм / Вт), что относится к общему количеству света, производимого светодиодной лампой на 1 Вт энергии.

КПД = общий световой поток / общая мощность

Старые светодиодные чипы, используемые в светодиодных лампах старого поколения с 2008 по 2010 год, производят меньше света на ватт, чем светодиодные чипы 2011-2012 годов, используемые в более современных светодиодных лампах. Например, лампа мощностью 7 Вт 2012 года с микросхемой CREE XT-E может производить больше света или светового потока, чем лампа мощностью 12 Вт с более старой микросхемой CREE XP-E. Более современные светодиодные лампы также имеют улучшенную конструкцию радиатора, которая обеспечивает более высокую светоотдачу.

Важное сообщение заключается в том, что более высокая мощность не всегда означает больше света, а «больше — не всегда лучше». В конечном итоге для потребителя важно провести исследование или «попробовать перед покупкой». Рассмотрите возможность обращения к нашему контрольному списку руководства по покупке светодиодов в разделе Срок службы светодиодов как способ отсеять потенциально неэффективные или ненадежные продукты.

Зависимость эффективности светодиода от эффективности лампы

Как обсуждалось в разделе «Уровни светового потока» статьи «Что такое светодиодное освещение», вы также должны быть осторожны, чтобы убедиться, что в информации продавца указывается КПД лампы, а не КПД светодиода.Из-за неизбежных потерь в лампе КПД лампы всегда будет меньше КПД светодиода в зависимости от конструкции. Это включает в себя тепловые эффекты, потери в драйвере и оптическую неэффективность, которые в совокупности снижают общую эффективность светодиодной лампы или светильника по сравнению с внутренним светодиодным корпусом или микросхемой. В совокупности эти потери могут снизить эффективность более чем на 30%. В таких случаях производитель может указать, что светодиодная лампа MR16 имеет 720 лм, но на самом деле для светодиодной лампы это только приблизительно 500 лм.

Светодиодное освещение и коэффициент мощности

Еще одна сложность — это коэффициент мощности (PF), значение которого меньше 1.0, которое измеряет эффективность драйвера светодиода или источника питания. По сути, электрическое устройство может быть рассчитано на мощность 100 Вт, но на самом деле потребляет более 100 Вт из-за фазовой задержки между мгновенным напряжением и мгновенным током. Помните, что питание от сети — это переменный или переменный ток, и он состоит из солнечно-периодических форм колебательного напряжения и колебательного тока.В идеале эти две формы волны являются синхронными (PF = 1), но из-за характера электроники или индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, возникает задержка между формой волны напряжения и формой волны тока, что приводит к потере электроэнергии или реактивной мощности, которая неспособен выполнять какую-либо работу. Следовательно, устройство может иметь номинальную мощность 1000 Вт, но потреблять полную или активную мощность 1500 Вт из-за коэффициента мощности 0,67 и в конечном итоге тратить впустую 500 Вт или 1/3 общей потребляемой мощности из-за того, что ток не совпадает по фазе.Отметим, что для электрического устройства, чтобы использовать ток, он должен быть в фазе с напряжением, заданная мощность равна напряжению x ток или P = VI.

PF обычно представляет собой проблему только в промышленных приложениях в индуктивных устройствах, которые используют очень большую мощность, так что задержки между током и напряжением в сумме приводят к значительным потерям мощности. Другие компоненты, которые вызывают задержки между током и напряжением, включают трансформаторы, регуляторы напряжения и балласты в люминесцентном освещении.В жилых помещениях такие потери относительно минимальны, и электроэнергетические компании в любом случае будут взимать плату только за реальную мощность. Тем не менее, потери все еще есть, поэтому те, кто заботится о энергии или экологи, могут захотеть проверить коэффициент мощности своих источников питания для светодиодного освещения, чтобы убедиться, что коэффициент мощности превышает 0,8 для обеспечения минимальных потерь энергии. Фактически, программа Energy Star Министерства энергетики США требует минимально допустимого коэффициента мощности 0,7 и 0,9 соответственно для домашних и коммерческих светодиодных фонарей.

Большинство устройств питания в наши дни будут иметь ту или иную форму пассивной или активной коррекции коэффициента мощности, приводящей к коэффициенту мощности> 0,9, что позволяет достичь минимальных потерь мощности. Единственным исключением являются драйверы сверхвысокой яркости, которые снижают яркость до 1%. Из-за высоких емкостных нагрузок, необходимых для стабилизации тока при очень низких уровнях затемнения, чтобы избежать мерцания, коэффициент мощности плохой, обычно около 0,65, что означает, что светодиодная лампа мощностью 10 Вт будет потреблять примерно 15,4 Вт (или ВА, полная мощность) при почти полной нагрузке.Однако на практике это не является большой проблемой, поскольку эти драйверы обычно используются в приложениях, где лампы будут уменьшаться до низкого уровня в течение большей части их срока службы, так что реальная мощность составляет 2 или 3 Вт, а кажущаяся мощность остается очень низкой на до 4,6 Вт.

Если диммирование будет только случайным, мы предлагаем компенсировать минимальный эффект диммирования драйвером с коэффициентом мощности> 0,9. Хотя, как уже отмечалось, это в основном проблема коммерческого освещения, когда лампы включены от 8 до 24 часов в сутки.Если вы проживаете в домашнем хозяйстве, это может не волновать вас. Тем не менее, пожалуйста, обратите внимание на рейтинги PF на вкладке характеристик наших продуктов, чтобы получить представление об эффективности.

Если вы являетесь коммерческим клиентом, в бизнесе которого особенно доминируют высокоиндуктивные нагрузки, такие как электродвигатели, или большой набор емкостных нагрузок с плохим коэффициентом мощности, то вам следует подумать о коррекции коэффициента мощности (PFC) и посетить наш раздел о государственных скидках. и схемы субсидирования таких проектов.Если вы потребляете очень много энергии, то PFC может привести к очень большой экономии на электричестве и счетах за электроэнергию.

Артикул:

Энергоэффективность светодиодов.