Последовательное и параллельное соединение светодиодов: что даёт включение

Светодиоды характеризуются рядом эксплуатационных параметров:

• Номинальный (рабочий) ток — Iн;
• падение напряжения при номинальном токе — Un;
• максимальная рассеиваемая мощность — Pmax;
• максимально допустимое обратное напряжение — Урев.

Самый важный из этих параметров — рабочий ток.

Когда через светодиод протекает номинальный рабочий ток, номинальный световой поток, рабочее напряжение и номинальная рассеиваемая мощность устанавливаются автоматически. Для установки режима работы светодиода достаточно установить номинальный ток светодиода.

В идеале светодиоды следует подключать к источникам питания постоянного тока. Однако на практике светодиоды подключаются к источникам постоянного напряжения: аккумуляторам, трансформаторам с выпрямителями или электронным преобразователям напряжения (драйверам).

Для установки режима работы светодиода используется простейшее решение — последовательно со светодиодом подключается токоограничивающий резистор. Их еще называют демпфирующими или балластными резисторами.

Посмотрим, как производится расчет сопротивления резистора для светодиода.

Расчет резистора светодиода (по формулам)

При расчете рассчитываются два значения:

• Сопротивление (номинал) резистора;
• рассеиваемая мощность p.

Источники напряжения, питающие светодиоды, имеют разное выходное напряжение. Чтобы выбрать резистор для светодиода, необходимо знать напряжение источника (Ust), падение рабочего напряжения на диоде и его номинальный ток. Формула расчета следующая:

R = (Усть — Ун) / В

Вычитая номинальное падение напряжения на светодиоде из напряжения источника, мы получаем падение напряжения на резисторе. Разделив полученное значение на ток, по закону Ома получим номинал токоограничивающего резистора. Подставляем напряжение, выраженное в вольтах, на ток в амперах, и получаем номинальное значение, выраженное в омах.

Электрическая мощность, рассеиваемая демпфирующим резистором, рассчитывается по следующей формуле:

P = (В) 2 ⋅ R

По полученному значению подбирается мощность балластного резистора. Для надежной работы устройства оно должно быть выше расчетного. Возьмем пример расчета.

Пример расчета резистора для светодиода 12 В

Рассчитаем сопротивление светодиода, питаемого от источника постоянного напряжения 12 В.

Допустим, у нас есть популярный сверхъяркий SMD 2835 (2,8 мм x 3,5 мм) с рабочим током 150 мА и падением напряжения 3,2 В. SMD 2835 имеет электрическую мощность 0,5 Вт. Подставляем исходные значения в формулу.

R = (12 — 3,2) / 0,15 ≈ 60

Получаем, что подойдет демпфирующий резистор сопротивлением 60 Ом. Ближайшее значение стандартной серии Е24 — 62 Ом. Итак, для выбранного нами светодиода можно применить балласт сопротивлением 62 Ом.

Теперь давайте посчитаем рассеиваемую мощность на резисторе.

P = (0,15) 2 62 ≈ 1,4

Выбранный нами резистор рассеивает почти полтора ватта электроэнергии. Итак, для наших целей можно использовать резистор с максимально допустимой рассеиваемой мощностью 2 Вт.

Осталось приобрести резистор подходящего номинала. Если у вас есть старые платы, из которых можно паять детали, вы можете выбрать резистор по цветовому коду.

Подбор резисторов по цветовой маркировке онлайн

Сопротивление:

На заметку! В приведенном выше примере резистор ограничения тока рассеивает почти в три раза больше энергии, чем светодиод. Это означает, что с учетом световой отдачи светодиода эффективность нашей конструкции составляет менее 25%.

Для уменьшения потерь энергии лучше всего использовать источник с более низким напряжением. Например, для источника питания можно использовать преобразователь постоянного / переменного тока 12/5 В. Даже с учетом КПД преобразователя потери будут значительно ниже.

Ограничение тока протекающего через светодиод

Итак, нам нужно ограничить ток светодиода. У нас есть два варианта:

• использовать источник питания со стабильным током (не более 30 мА по ТУ на светодиоды)
• ограничить ток иначе.

В этой статье мы рассмотрим второй способ, то есть последовательно подключим резистор к светодиоду. Часть напряжения питания будет падать через этот резистор, который мы обозначим как VR:

В соответствии с упомянутым выше вторым законом Кирхгофа распределение напряжений будет определяться по формуле:

VCC = VR + VF

В нашем случае мы знаем типичное значение напряжения нашего светодиода, которое составляет 2 вольта, а также напряжение питания 5 вольт:

Таким образом, мы можем рассчитать необходимое падение напряжения на резисторе R, чтобы на диоде было только необходимое 2 вольта:

VR = VCC — VF

VR = 5 В — 2 В = 3 В

то есть мы стремимся получить в нашей цепи следующие напряжения:

Теперь воспользуемся первым законом Кирхгофа: сумма значений силы токов, поступающих в узел, равна сумме значений силы токов, текущих из этого узла

Наш узел — это место, где соединены резистор и светодиод, что означает, что через резистор будет протекать тот же ток, что и через светодиод. Поскольку мы предположили, что через светодиод может протекать ток IF = 20 мА, тогда:

Рассчитываем сопротивление резистора по закону Ома:

это в нашем случае:

и, наконец, мы можем вывести общую формулу:

После расчета сопротивления выбирается резистор из номинального диапазона. В нашем случае это резистор точно такой же расчетный, то есть 150 Ом, имеющийся в штатных линиях E24, E12 и E6.

А что делать, если сопротивление резистора не соответствует ни одному значению номинального диапазона? В этом случае следует выбрать одно из двух наиболее близких к расчетному сопротивлению, учитывая следующее:

Если сопротивление меньше расчетного, значение тока, протекающего через светодиод, увеличится.

Если сопротивление больше расчетного, это уменьшит световой поток, излучаемый светодиодом.

Расчет величины резистора-токоограничителя

На практике используются два типа расчета: графический, по ВАХ, ВАХ конкретного диода, и математический, по данным паспорта.

Принципиальная схема подключения излучателя к источнику питания.

На картинке:

• E — источник питания, имеющий выходное значение E;
• «+» / «-» — полярность подключения светодиода: «+» — анод, на схемах показан треугольником, «-» — катод, на схемах — поперечная черта;
• R — токоограничивающий резистор;
• Улед — прямое, оно же рабочее напряжение;
• I — рабочий ток через устройство;
• напряжение на резисторе обозначается как UR.

Тогда схема для расчета примет вид:

Схема для расчета сопротивления.

Рассчитываем сопротивление для ограничения тока. Напряжение U в цепи распределится следующим образом:

U = UR + Uled или UR + I × Rled, в вольтах,

где Rled — внутреннее дифференциальное сопротивление pn перехода.

Для математических преобразований получаем формулу:

R = (U-Uled) / I, в Ом.

Значение Uled можно выбрать из значений паспорта.

Рассчитаем номинал токоограничивающего резистора для светодиодов производства Cree, модель Cree XM — L, с бункером T6.

Его техническое описание: Типичный рейтинг ULED = 2,9 В, Максимальный ULED = 3,5 В, рабочий ток ILED = 0,7 А.

Для расчета используем ULED = 2,9 В.

R = (U-Uled) / I = (5-2,9) / 0,7 = 3 Ом.

Расчетное значение 3 Ом. Подбираем элемент с допуском точности ± 5%. Этой точности более чем достаточно, чтобы установить рабочую точку на уровне 700 мА.

Значение сопротивления необходимо округлить в большую сторону. Это снизит текущий световой поток диода и повысит надежность работы при более мягком тепловом режиме кристалла.

Рассчитаем рассеиваемую мощность, необходимую для этого резистора:

P = I² × R = 0,7² × 3 = 1,47 Вт

Для надежности округлим до ближайшего большего значения — 2 Вт.

Последовательные и параллельные схемы светодиодов широко используются и показывают характеристики этих типов подключения. Последовательное соединение одних и тех же элементов поровну делит напряжение источника между ними. С разными внутренними сопротивлениями — пропорционально сопротивлениям. При параллельном подключении напряжение одинаково, а ток обратно пропорционален внутренним сопротивлениям элементов.

При последовательном соединении LED

При последовательном включении первый диод в цепи подключается от анода к «+» источника питания, а катод подключается к аноду второго диода. И так до последнего звена цепи, катод которого подключен к «-» источника. Ток в последовательной цепи одинаков во всех ее элементах. Те, которые проходят через любой осветительный прибор, имеют одинаковую величину. Внутреннее сопротивление открытого, например, испускающего кристалл света, составляет десятки или сотни Ом. Если 15-20 мА пересекают цепь с сопротивлением 100 Ом, каждый элемент будет иметь 1,5-2 В. Сумма напряжений на всех устройствах должна быть меньше, чем у источника питания. Разницу обычно гасят специальным резистором, который выполняет две функции:

• ограничивает номинальный рабочий ток;
• обеспечивает номинальное прямое напряжение через светодиод.

Подключение светодиода на 12 вольт

При параллельном соединении

Параллельное подключение можно осуществить двумя способами.

Схема параллельного подключения.

На изображении выше показано, насколько нежелательно его включение. При таком подключении резистор обеспечит равенство токов только при идеальных кристаллах и одинаковой длине силовых проводов. Но разброс параметров полупроводниковых приборов при производстве не позволяет им быть одинаковыми. И выбор такой же — значительно увеличивает цену. Разница может достигать 50-70% и более. Собрав конструкцию, вы получите разницу яркости не менее 50-70%. Также выход из строя одного излучателя изменит работу всех: при разрыве цепи один погаснет, остальные будут светить на 33% ярче и нагреваться. Перегрев поспособствует их деградации — изменению оттенка свечения и снижению яркости.

В случае короткого замыкания из-за перегрева и подгорания кристалла токоограничивающий резистор может выйти из строя.

Нижний вариант позволяет установить желаемую рабочую точку любого диода, даже с разной номинальной мощностью.

Схема последовательно-параллельного подключения устройств.

Три светодиодных элемента и токоограничивающий резистор включены последовательно на напряжение 4,5 В. Полученные цепочки соединены параллельно. 20 мА проходит через каждый диод и 60 мА проходит через все вместе. На каждом из них вы получите меньше 1,5 В, а на ограничителе тока — не менее 0,2-0,5 В. Интересно, что если вы используете блок питания на 4,5 В, то с ним могут работать только инфракрасные диоды с прямым напряжением ниже чем 1,5В, либо нужно увеличить блок питания минимум до 5В.

Параллельное соединение

Нередко к одному источнику необходимо подключить несколько диодов. Теоретически можно использовать один ограничивающий ток резистор для питания нескольких параллельно подключенных светодиодов. В этом случае формулы будут выглядеть так:

R = (Ust — Un) / (n ⋅ In)

P = (n ⋅ In) 2 ⋅ R

Где n — количество параллельно включенных светодиодов.

Почему нельзя использовать один резистор для нескольких параллельных диодов

Даже в «китайских» продуктах производители устанавливают на каждый светодиод отдельный токоограничивающий резистор. Дело в том, что в случае использования общего балласта на несколько светодиодов вероятность выхода из строя светодиодов возрастает многократно.

Если один из полупроводников сломается, его ток будет перераспределен через оставшиеся светодиоды. Мощность, рассеиваемая на них, увеличится, и они начнут сильно нагреваться. Из-за перегрева выйдет из строя следующий диод, и процесс примет лавинообразный характер.

Совет. Если по каким-то причинам вам нужен демпфирующий резистор, увеличьте его номинал на 20-25%. Это обеспечит большую надежность конструкции.

Пример правильного подключения резистора

Примеры расчетов сопротивления и мощности резистора

Чтобы помочь новичкам сориентироваться, вот пара практических примеров расчета сопротивления светодиодов.

Cree XM–L T6

В первом случае мы рассчитаем сопротивление, необходимое для подключения мощного светодиода Cree XM-L к источнику напряжения 5 В. Cree XM-L с бункером T6 имеет следующие параметры: типичный ULED = 2,9 В и максимальный ULED = 3,5 В при токе ILED = 0,7 А. Типичное значение ULED следует подставлять в расчетах, так как чаще всего оно соответствует действительности.
Расчетное значение резистора присутствует в серии E24 и имеет допуск 5%. Однако на практике часто бывает необходимо округлить полученные результаты до ближайшего значения стандартного ряда. Получается, что с учетом округления и допуска в 5% реальное сопротивление меняется, а впоследствии и ток изменяется обратно пропорционально. Следовательно, чтобы не превысить рабочий ток нагрузки, рассчитанное сопротивление необходимо округлить в большую сторону.

Используя самые распространенные резисторы серии Е24, не всегда удается подобрать нужное значение. Есть два способа решить эту проблему. Первый подразумевает последовательное включение дополнительного токоограничивающего резистора, который должен компенсировать недостающие Ом. Его выбор должен сопровождаться контрольными измерениями тока.

Второй способ обеспечивает большую точность, так как предполагает установку прецизионного резистора. Это элемент, сопротивление которого не зависит от температуры и других внешних факторов и имеет отклонение не более 1% (серия Е96). В любом случае лучше оставить реальный ток немного ниже номинального. На яркости это не сильно повлияет, но обеспечит щадящий режим работы кристалла.

Мощность, рассеиваемая резистором, будет:

Расчетную мощность резистора для светодиода следует увеличить на 20-30%.

Подсчитаем КПД собранного прибора:

Пример с LED SMD 5050

По аналогии с первым примером выясним, какой резистор нужен для светодиода SMD 5050. Здесь необходимо учесть конструктивные особенности светодиода, который состоит из трех независимых кристаллов.

Если светодиод SMD 5050 одноцветный, прямое напряжение в открытом состоянии на каждом кристалле будет отличаться не более чем на 0,1 В. Это означает, что светодиод можно запитать от одного резистора, объединив 3 анода в одну группу и три катода в одной группе другой. Подбираем резистор для подключения SMD 5050 белого цвета со следующими параметрами: типовой ULED = 3,3 В при токе однокристального ILED = 0,02 А.
Ближайшее стандартное значение — 30 Ом.

Принимаем к установке ограничительный резистор мощностью 0,25Вт и сопротивлением 30 Ом ± 5%.

Светодиод SMD 5050 RGB имеет разное прямое напряжение для каждого кристалла. Следовательно, вам придется проверять красный, зеленый и синий цвета с помощью трех резисторов разной мощности.

Последовательное соединение светодиодов

Часто несколько светодиодов подключаются последовательно к одному источнику напряжения. Когда идентичные светодиоды соединены последовательно, их общий потребляемый ток равен рабочему току одного светодиода, а общее напряжение равно сумме падающих напряжений всех светодиодов в цепи.

Следовательно, в этом случае нам нужно использовать только один резистор для всей светодиодной матрицы.

Пример расчета сопротивления резистора при последовательном подключении.

В этом примере два светодиода соединены последовательно. Один красный светодиод на 2 В и один УФ-светодиод на 4,5 В. Допустим, у них обоих номинальный ток 30 мА.

Из правила Кирхгофа следует, что сумма падений напряжения во всей цепи равна напряжению источника питания. Следовательно, напряжение на резисторе должно равняться напряжению источника питания за вычетом суммы падений напряжения на светодиодах.

По закону Ома рассчитываем величину сопротивления ограничивающего резистора:

Сопротивление резистора должно быть не менее 183,3 Ом.

Обратите внимание, что после вычитания падения напряжения у нас все еще остается 5,5 В. Это дает возможность подключить еще один светодиод (разумеется, после пересчета сопротивления резистора)

Основные параметры

Кроме того, при расчете светодиодов необходимо учитывать разброс параметров, у дешевых они будут максимальными, у дорогих — более равными. Чтобы проверить этот параметр, их необходимо включить таким же образом, то есть по порядку. Уменьшая ток или напряжение, уменьшите яркость до слегка ярких пятен. Визуально вы сможете оценить, одни засияют ярче, другие потускнеют. Чем ровнее горят, тем меньше разброс. Калькулятор резисторов для светодиода предполагает, что характеристики светодиодных микросхем идеальны, то есть разница равна нулю.

Падение напряжения для обычных маломощных моделей мощностью до 10 Вт может составлять от 2 В до 12 В. По мере увеличения мощности количество кристаллов в диоде COB увеличивается, каждый из которых имеет падение. Кристаллы соединены в цепочки последовательно, поэтому они объединяются в параллельные цепочки. При мощности от 10 Вт до 100 Вт снижение увеличивается с 12 В до 36 В.

Этот параметр обязательно указывается в технических характеристиках светодиодного чипа и зависит от назначения:

• цвета синий, красный, зеленый, желтый;
• rGB триколор;
• четырехцветный rGBW;
• двухцветный, теплый и холодный белый.

В каких случаях допускается подключение светодиода через резистор?

возможно подключение светодиода через резистор, если проблема эффективности схемы не является первостепенной. Например, использование светодиода в качестве индикатора для включения выключателя или индикатора сетевого напряжения в электроприборах. В таких устройствах яркость не важна, а потребляемая мощность не превышает 0,1 Вт. При подключении светодиода с потреблением более 1 Вт необходимо следить за тем, чтобы блок питания подавал стабилизированное напряжение.

Если входное напряжение схемы не стабилизировано, все помехи и скачки будут передаваться на нагрузку, прерывая работу светодиода. Яркий пример — электрическая сеть автомобиля, где напряжение на аккумуляторе теоретически составляет всего 12 В. В простейшем случае светодиодную подсветку автомобиля нужно производить через линейный стабилизатор из серии LM78XX. А чтобы хоть как-то повысить КПД схемы необходимо последовательно включить 3 светодиода. Кроме того, цепь питания через резистор требуется в лабораторных целях для тестирования новых моделей светодиодов. В остальных случаях рекомендуется использовать стабилизатор тока (драйвер). Особенно когда стоимость эмиттерного диода соизмерима со стоимостью драйвера. Вы получаете готовое устройство с известными параметрами, которое вам просто необходимо правильно подключить.