По какой формуле производится расчет сопротивления для светодиода?

Современные светодиоды применяются повсеместно - от мобильных телефонов до уличных фонарей. Для надежной работы светодиодов нужно правильно рассчитать сопротивление резистора в цепи питания. В этой статье мы подробно разберем формулу расчета резистора и приведем различные примеры для одиночных светодиодов и их последовательного соединения.

Что такое светодиод и как он устроен

Светодиод (светоизлучающий диод) представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Принцип действия светодиода основан на явлении электролюминесценции, возникающем на границе р-n перехода в полупроводнике при протекании через него прямого тока.

Конструктивно светодиод состоит из следующих элементов:

• Полупроводниковый кристалл с р-n переходом;
• Катод - отрицательный электрод;
• Анод - положительный электрод;
• Корпус;
• Линза для формирования светового пучка.

При подаче на светодиод прямого напряжения через р-n переход начинает протекать ток и происходит испускание фотонов, т.е. возникает свечение. Цвет излучения зависит от химического состава используемого полупроводника.

Типы и характеристики современных светодиодов

В настоящее время выпускаются светодиоды различных типов, отличающиеся по цвету свечения, мощности, конструкции, областям применения.

По цвету свечения бывают:

• Красные;
• Зеленые;
• Синие;
• Белые;
• Желтые;
• Ультрафиолетовые.

Основные параметры светодиодов:

• Прямое падение напряжения - 1.5-3.5 В;
• Прямой ток - 10-30 мА для обычных, до 3000 мА для мощных;
• Световой поток - от 0.1 до 20000 лм;
• Цветовая температура - 2700-8000 К для белых.

Светодиоды могут иметь различную форму корпуса и исполнение. Например, для освещения применяются мощные светодиоды в алюминиевом корпусе с радиатором.

Почему нужен резистор в цепи светодиода

В отличие от ламп накаливания, светодиодам для нормальной работы требуется строго определенный ток. Если превысить максимально допустимый прямой ток, светодиод быстро выйдет из строя.

Причина в том, что вольт-амперная характеристика светодиода близка к идеальному диоду. При малых токах напряжение резко растет, а затем остается почти постоянным в широком диапазоне токов. Поэтому для ограничения тока через светодиод обязательно нужен резистор, подобранный по определенной формуле расчета резистора для светодиода.

Без резистора светодиод будет мгновенно выведен из строя протекающим через него большим током. Резистор может быть включен последовательно или параллельно, в зависимости от схемы.

Основная формула расчета резистора для светодиода

Для расчета сопротивления резистора, ограничивающего ток через светодиод, используется следующая формула, выводимая из закона Ома:

R = (Упит - Усд) / Исд

где:

R - сопротивление резистора, Ом;

Упит - напряжение источника питания, В;

Усд - прямое падение напряжения на светодиоде по паспорту, В;

Исд - прямой ток через светодиод, А.

Рассмотрим пример расчета резистора для одиночного красного светодиода при следующих исходных данных:

• Напряжение питания Упит = 12 В;
• Прямое напряжение светодиода Усд = 2 В;
• Прямой ток светодиода Исд = 0.02 А.

Подставляем значения в формулу:

R = (12 В - 2 В) / 0.02 A = 500 Ом

Таким образом, для данного светодиода нужно выбрать резистор номиналом 500 Ом.

Расчет резистора при последовательном соединении светодиодов

Если несколько одинаковых светодиодов соединены последовательно, то формула расчета резистора имеет вид:

R = (Упит - n·Усд) / Исд

где n - количество последовательно включенных светодиодов.

Например, необходимо рассчитать сопротивление резистора для 5 красных светодиодов со следующими параметрами:

• Упит = 24 В;
• Усд = 2 В;
• Исд = 0.02 А.

Подставляем значения в формулу:

R = (24 В - 5·2 В) / 0.02 A = 600 Ом

Следовательно, для 5 последовательно включенных светодиодов нужен резистор 600 Ом.

Таким образом, при последовательном соединении светодиодов их прямые напряжения суммируются, а ток через все диоды одинаков.

Выбор резистора с запасом по мощности

При расчете резистора для светодиода следует выбирать его мощность с небольшим запасом, чтобы избежать перегрева.

Мощность резистора рекомендуется брать в 2-3 раза больше рассчитанной по формуле:

Пр = (Упит - Усд) · Исд

Например, для светодиода с током 20 мА при напряжении 12 В по формуле получаем:

Пр = (12 В - 3 В) · 0.02 A = 0.18 Вт

Следовательно, лучше выбрать резистор мощностью 0.25-0.5 Вт.

Предпочтительнее использовать проволочные или пленочные резисторы, которые лучше рассеивают тепло. Нежелательно применять керамические резисторы.

Подобрав резистор по мощности, выбирают ближайшее стандартное значение сопротивления из ряда E24.

Расчет резистора для автомобильных светодиодов

Для автомобильных светодиодов расчет резистора производится аналогично, с учетом напряжения бортовой сети автомобиля (12-14 В).

Например, для подключения габаритных огней на светодиодах со следующими параметрами:

• Напряжение бортсети Упит = 13.5 В;
• Прямое напряжение светодиода Усд = 3 В;
• Прямой ток светодиода Исд = 0.03 А.

Вычисляем сопротивление резистора:

R = (13.5 В - 3 В) / 0.03 A = 333 Ом

Выбираем ближайшее стандартное значение 330 Ом.

Мощность резистора должна составлять не менее Пр = 0.35 Вт. Подходит резистор 330 Ом 0.5 Вт.

При установке автомобильных светодиодов нужно обеспечить хороший отвод тепла от резисторов, в противном случае они будут перегреваться.

Онлайн-калькуляторы для расчета резисторов

Для упрощения расчета резистора можно воспользоваться специальными онлайн-калькуляторами. Они позволяют быстро вычислить нужное значение резистора по заданным параметрам светодиодов и источника питания.

Калькуляторы удобны для простых схем. В сложных случаях лучше производить расчет вручную.

Типичные ошибки при выборе резистора

Часто встречающиеся ошибки при подборе резистора для светодиода:

• Выбор резистора с меньшим сопротивлением. Приводит к превышению тока через светодиод.
• Установка резистора недостаточной мощности. Вызывает перегрев и преждевременный выход резистора из строя.
• Неправильный расчет при последовательном соединении светодиодов. Необходимо суммировать напряжения всех светодиодов.
• Пренебрежение погрешностями и отклонениями параметров реальных компонентов.

Чтобы избежать ошибок, нужно внимательно проверять расчеты и параметры выбранных компонентов.

Проверка расчетов резистора на практике

После теоретического расчета резистора для светодиодов важно проверить результаты на практике. Для этого собирается пробная схема и замеряются параметры.

Необходимо измерить:

• Напряжение питания светодиода;
• Ток через светодиод;
• Яркость свечения светодиода.

Если напряжение и ток не превышают паспортные значения, а яркость свечения достаточна, значит резистор подобран верно.

При выявлении отклонений резистор заменяется на подходящий по результатам повторных расчетов и замеров.

Подбор резисторов для светодиодной ленты

Особенности расчета резисторов для светодиодных лент:

• Учитывается общее количество светодиодов в ленте;
• Рассчитывается нужное число резисторов;
• Резисторы должны рассеивать большую мощность.

Для светодиодной ленты длиной 5 метров с 60 светодиодами на метр потребуется:

• 5 * 60 = 300 светодиодов;
• Соответственно, мощность резисторов должна быть порядка 300 * 0,5 = 150 Вт.

В таком случае разумно использовать несколько резисторов меньшей мощности, чтобы распределить нагрузку.

Учет погрешностей при выборе резистора

Номиналы реальных резисторов имеют определенный допуск от заявленного значения. Это нужно учитывать.

Например, для резисторов с допуском 5% при расчетном значении 1000 Ом реальное сопротивление может быть в диапазоне 950-1050 Ом.

Чтобы компенсировать погрешность, рекомендуется выбирать резистор с небольшим запасом сопротивления.

Способы регулировки яркости свечения светодиодов

Для регулировки яркости свечения светодиодов можно использовать:

• Резисторы с переменным сопротивлением;
• Специальные микросхемы-драйверы;
• ШИМ-регуляторы.

Подбор резисторов в данном случае производится аналогично, но учитывается диапазон регулировки параметров.

Расчет охлаждения светодиодов

При эксплуатации мощных светодиодов важно правильно организовать отвод тепла, чтобы избежать перегрева.

Необходимо рассчитать теплоотдачу радиатора исходя из потребляемой мощности светодиодов.

Кроме того, следует учесть максимальную температуру кристалла светодиода, указанную в инструкции.