1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зачем нужны резисторы в светодиодных линейках

Почему светодиод нужно подключать через резистор

На светодиодной ленте есть резисторы, на печатных платах (где светодиоды служат индикаторами) есть резисторы, даже в светодиодных лампах — и то есть резисторы. В чем же дело? Почему светодиод обычно подключен через резистор? Для чего светодиоду резистор?

На самом деле все очень просто: светодиоду для работы необходимо очень маленькое постоянное напряжение, а если подать больше — светодиод перегорит. Если даже подать немного больше, на 0,2 вольта больше номинала — ресурс светодиода уже начнет стремительно уменьшаться, и очень скоро жизнь этого полупроводникового источника света закончится плачевно.

Например, красному светодиоду для нормальной работы нужно ровно 2,0 вольта, при этом ток его потребления составляет 20 миллиампер. А если подать 2,2 вольта — наступит пробой p-n-перехода. У разных производителей светодиодов, в зависимости от применяемых полупроводников и технологии создания светодиодов, рабочее напряжение может чуть-чуть в ту или иную сторону отличаться. Однако, взгляните для примера на вольт-амперную характеристику красного SMD светодиода одного известного производителя:

Здесь видно, что уже при 1,9 вольта светодиод начинает слабо светиться, а при подаче на его выводы ровно 2 вольт, свечение получится достаточно ярким, это его номинальный режим. Если теперь увеличивать напряжение до 2,1 вольт — светодиод начнет перегреваться, и стремительно терять свой ресурс. А при подаче более 2,1 вольта — светодиод перегорит.

Теперь вспомним Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямопропорциональна напряжению на концах этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Следовательно, если у нас сила тока через светодиод равна 20 мА при напряжении на его выводах в 2,0 В, значит какое светодиод имеет сопротивление в рабочем состоянии, исходя из этого закона? Правильно: 2,0/0,020 = 100 Ом. Светодиод в рабочем состоянии по своим характеристикам эквивалентен резистору номиналом 100 Ом, мощностью 2*0,020 = 40 мВт.

А что если в наличии на плате имеется лишь напряжение 5 вольт или 12 вольт? Как питать светодиод таким высоким напряжением, и чтобы он при этом бы не перегорел? Вот разработчики всюду и решили, что удобнее всего применить дополнительный резистор.

Почему резистор? Потому что это — наиболее выгодный, наиболее экономичный, наименее затратный по ресурсам и рассеиваемой мощности, путь решения проблемы ограничения тока через светодиод.

Итак, если в наличии 5 вольт, а необходимо получить 2 вольта на «резисторе» в 100 Ом, значит необходимо разделить эти 5 вольт между нашим полезным светящимся резистором в 100 Ом (в роли которого выступает ДАННЫЙ светодиод), и другим резистором, номинал которого сейчас предстоит вычислить исходя из того, что имеется в распоряжении:

В данной цепи ток постоянный, не переменный, элементы все в установившемся режиме линейные, следовательно ток по всей цепи будет одной и той же величины, в нашем примере 20 мА — так нужно светодиоду. Следовательно выберем резистор R1 такой величины, чтобы ток через него составил бы тоже 20 мА, а напряжение бы на него пришлось как раз 3 вольта, которые нужно куда-то деть. Итак: по закону Ома I=U/R, отсюда R=U/I = 3/0,02 = 150 Ом. А мощность? P=U^2/R = 9/150 = 60 мВт. Подойдет резистор на 0,125 Вт, чтобы не сильно грелся. Теперь всем ясно, для чего светодиоду резистор.

Зачем нужны резисторы на светодиодной ленте?

разве нельзя подобрать такие светодиоды, чтобы соединить их последовательно столько штук чтобы получить напряжение питания 12 вольт?

Если посмотрите схемы включения светодиодов, то во всех схемах стоят токоограничивающие резисторы. Исключение составляют только схемы питания светодиодов стабилизаторами токов. Их называют еще драйверами для светодиодов. Если включить светодиоды без ограничивающего резистора, то они скоро деградируют от перегрева. Если их включить последовательно, то выйдет один из цепочки. Вся цепочка перестанет гореть. При параллельном включении из строя будут выходить все поочередно. Теорию рассказывать долго. Если кратко, то в вашей схеме сопротивления нужны. Если его уменьшить, чтобы светодиоды горели поярче, то они проживут не долго.

1. Ответ на основной и единственный вопрос, суть которого «Почему бы в цепочке не ограничиться одними светодиодами?», не получен, т.к. не описан стабилизирующий механизм резистора.

2. Объяснения про «драйверы» и про последовательное/пар­ аллельно включение вообще к вопросу отношения не имеет и еще больше сбивает с толку. — 5 месяцев назад

«Если включить светодиоды без ограничивающего резистора, то они скоро деградируют от перегрева. Теорию рассказывать долго.» — фееричный, классический бред, человека, не разбирающегося в предмете, но пытающегося умничать.

Читать еще:  Какие потолки в ванной комнате лучше сделать

Деградируют от перегрева — если дать на светодиоды ток выше номинала. Шесть последовательных двухвольтовых диодов будут прекрасно работать на 12-ти вольтах питания. А семь — даже с меньшим током. Смысл резисторов совсем в другом. Объясняю.

Светодиоды в любом случае могут выйти из строя от перегрева по самым разным причинам. Ну хотя бы — просто температура повысилась в помешщении, или лента от алюминивого направляющего отклеилась и т.д. Выходить из строя они будут либо с пробоем (короткое замыкание), либо с разрывом цепи. С разрывом всё просто — цепочка разорвалась, перестали светится, приходи хозяин и чини. С КЗ всё сложнее — последовательная цепочка светодиодов при этом теряет часть сопротивления, на оставшихся элементах растет ток, греются они сильнее и начинают также сгорать один за другим. При параллельном еще хуже — КЗ блока питания его может убить, либо вообще вызвать пожар.

Так вот. Резистор физически состоит из графитово-угольной трубочки, к которой пришпандорены с двух сторон металлические нашлепки с контактами. Графитовая трубочка не плавится по определению, если её насиловать ОЧЕНЬ большим перегревом, она максимум рассыпется теоретически. А на практике — сначала расплавятся металлические нашлепки с контактами. Поэтому резисторы по сути выполняют суть предохранителей, защищающих схему от КЗ.

Вот, собственно и весь смысл. Хотя по сути резисторы в нагрузке потребляют электричество, греются и снижают КПД всего светильника.

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

Основным параметром, влияющим на долговечность светодиода, является электрический ток, величина которого строго нормируется для каждого типа LED-элемента. Одним из распространенных способов ограничения максимального тока является использование ограничительного резистора. Резистор для светодиода можно рассчитать без применения сложных вычислений на основании закона Ома, используя технические значения параметров диода и напряжение в цепи включения.

Особенности включения светодиода

Работая по одинаковому принципу с выпрямительными диодами, светоизлучающие элементы, тем не менее, имеют отличительные особенности. Наиболее важные из них:

  1. Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
  2. Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
  3. Зависимость сопротивления перехода от температуры, что свойственно большинству полупроводниковых элементов.

На последнем пункте следует остановиться подробнее, поскольку он является основным для расчета гасящего резистора. В документации на излучающие элементы указывается допустимый диапазон номинального тока, при котором они сохраняют работоспособность и обеспечивают заданные характеристики излучения. Занижение величины не является фатальным, но приводит к некоторому снижению яркости. Начиная с некоторого предельного значения, прохождение тока через переход прекращается, и свечение будет отсутствовать.

Превышение тока сначала приводит к увеличению яркости свечения, но срок службы при этом резко сокращается. Дальнейшее повышение приводит к выходу элемента из строя. Таким образом, подбор резистора для светодиода преследует цель ограничить максимально допустимый ток в наихудших условиях.

Напряжение на полупроводниковом переходе ограничено физическими процессами на нем и находится в узком диапазоне около 1-2 В. Светоизлучающие диоды на 12 Вольт, часто устанавливаемые на автомобили, могут содержать цепочку последовательно соединенных элементов или ограничительную схему, включенную в конструкцию.

Зачем нужен резистор для светодиода

Использование ограничительных резисторов при включении светодиодов является пусть и не самым эффективным, зато самым простым и дешевым решением ограничить ток в допустимых пределах. Схемные решения, которые позволяют с высокой точностью стабилизировать ток в цепи излучателей достаточно сложны для повторения, а готовые имеют высокую стоимость.

Применение резисторов позволяет выполнять освещение и подсветку своими силами. Главное при этом — умение пользоваться измерительными приборами и минимальные навыки пайки. Грамотно рассчитанный ограничитель с учетом возможных допусков и колебаний температуры способен обеспечить нормальное функционирование светодиодов в течении всего заявленного срока службы при минимальных затратах.

Параллельное и последовательное включение светодиодов

С целью совмещения параметров цепей питания и характеристик светодиодов широко распространены последовательное и параллельное соединение нескольких элементов. У каждого типа соединений есть как достоинства, так и недостатки.

Параллельное включение

Достоинством такого соединения является использование всего одного ограничителя на всю цепь. Следует оговориться, что данное достоинство является единственным, поэтому параллельное соединение практически нигде не встречается, за исключением низкосортных промышленных изделий. Недостатки таковы:

  1. Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
  2. Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
  3. Перегорание одного из излучателей ведет к лавинообразному выходу из строя всех остальных ввиду увеличения падения напряжения на параллельно включенной группе.

Несколько увеличивает эксплуатационные свойства соединение, где ток через каждый излучающий элемент ограничивается отдельным резистором. Точнее, это является параллельным соединением отдельных цепей, состоящих из светодиодов с ограничительными резисторами. Основное достоинство — большая надежность, поскольку выход из строя одного или нескольких элементов никаким образом не отражается на работе остальных.

Недостатком является тот факт, что из-за разброса параметров светодиодов и технологического допуска на номинал сопротивлений яркость свечения отдельных элементов может сильно различаться. Такая схема содержит большое количество радиоэлементов.

Параллельное соединение с индивидуальными ограничителями находит применение в цепях с низким напряжением, начиная с минимального, ограниченного падением напряжения на p-n переходе.

Читать еще:  Как проверить металлогалогенную лампу

Последовательное включение

Последовательное включение излучающих элементов получило самое широкое распространение, поскольку несомненным достоинством последовательной цепи является абсолютное равенство тока, проходящего через каждый элемент. Поскольку ток через единственный ограничительный резистор и через диод одинаков, то и рассеиваемая мощность будет минимальной.

Существенный недостаток — выход из строя хотя бы одного из элементов приведет к неработоспособности всей цепочки. Для последовательного соединения требуется повышенное напряжение, минимальное значение которого растет пропорционально количеству включенных элементов.

Смешанное включение

Использование большого количества излучателей возможно при выполнении смешанного соединения, когда используют несколько параллельно включенных цепочек, и последовательного соединения одного ограничительного резистора и нескольких светодиодов.

Перегорание одного из элементов приведет к неработоспособности только одной цепи, в которой установлен данный элемент. Остальные будут функционировать исправно.

Формулы расчета резистора

Расчет сопротивления резистора для светодиодов базируется на законе Ома. Исходными параметрами для того, как рассчитать резистор для светодиода, являются:

  • напряжение цепи;
  • рабочий ток светодиода;
  • падение напряжения на излучающем диоде (напряжение питания светодиода).

Величина сопротивления определяется из выражения:

где U — падение напряжения на резисторе, а I — прямой ток через светодиод.

Падение напряжения светодиода определяют из выражения:

где Uпит — напряжение цепи, а Uсв — паспортное падение напряжения на излучающем диоде.

Расчет светодиода для резистора дает значение сопротивления, которое не будет находиться в стандартном ряду значений. Брать нужно резистор с сопротивлением, ближайшим к вычисленному значению с большей стороны. Таким образом учитывается возможное увеличение напряжения. Лучше взять значение, следующее в ряду сопротивлений. Это несколько уменьшит ток через диод и снизит яркость свечения, но при этом нивелируется любое изменение величины питающего напряжения и сопротивления диода (например, при изменении температуры).

Перед тем как выбрать значение сопротивления, следует оценить возможное снижение тока и яркости по сравнению с заданным по формуле:

Если полученное значение составляет менее 5%, то нужно взять большее сопротивление, если от 5 до 10%, то можно ограничиться меньшим.

Не менее важный параметр, сказывающийся на надежности работы — рассеиваемая мощность токоограничительного элемента. Ток, проходящий через участок с сопротивлением, вызывает его нагрев. Для определения мощности, которая будет рассеиваться, используют формулу:

Используют ограничивающий резистор, чья допустимая мощность рассеивания будет превосходить расчетную величину.

Имеется светодиод с падением напряжения на нем 1.7 В с номинальным током 20 мА. Необходимо включить его в цепь с напряжением 12 В.

Падение напряжения на ограничительном резисторе составляет:

U = 12 — 1.7 = 10.3 В

R = 10.3/0.02 = 515 Ом.

Ближайшее большее значение в стандартном ряду составляет 560 Ом. При таком значении уменьшение тока по сравнению с заданным составляет чуть менее 10%, поэтому большее значение брать нет необходимости.

Рассеиваемая мощность в ваттах:

P = 10.3•10.3/560 = 0.19 Вт

Таким образом, для данной цепи можно использовать элемент с допустимой мощностью рассеивания 0.25 Вт.

Подключение светодиодной ленты

Светодиодные ленты выпускаются на различное напряжение питания. На ленте располагается цепь из последовательно включенных диодов. Количество диодов и сопротивление ограничительных резисторов зависят от напряжения питания ленты.

Наиболее распространенные типы светодиодных лент предназначены для подключения в цепь с напряжением 12 В. Использование для работы большего значения напряжения здесь также возможно. Для правильного расчета резисторов необходимо знать ток, идущий через единичный участок ленты.

Увеличение длины ленты вызывает пропорциональное увеличение тока, поскольку минимальные участки технологически соединены параллельно. Например, если минимальная длина отрезка составляет 50 см, то на ленту 5м из 10 таких отрезков придется возросший в 10 раз ток потребления.

Все про резисторы

Резистор – это самая распространенная деталь в электронике. Он гасит лишнее напряжение, ограничивает ток, изменяет и фильтрует сигналы. Резисторы применяются везде, от процессоров, где их миллионы, до энергетических систем. где их размеры с напольный шкаф.

Свойства в теории и практике

Основное свойство этой радиодетали – это сопротивление. Измеряется в омах (Ом).

Разберем для начала понятие активного сопротивления. Оно так называется потому, что есть у всех материалов (даже у сверхпроводников, пусть и 0,00001 Ом). И именно оно является основным у резисторов.

Что говорит теория

В теории у резистора есть постоянное сопротивление, которое на зависит от внешних условий (температуры, давления, напряжения и т.п.).

График зависимости тока от напряжения прямолинеен.

В идеальных и математических условиях у резистора только активное сопротивление. По типам бывают нелинейные и линейные резисторы.

Что на самом деле

На самом у всех резисторов непрямолинейная зависимость тока от напряжения. То есть, его сопротивление тоже зависит от внешних условий, конкретно от температуры.

Конечно, эта зависимость не такая, как у полупроводников, но она есть. И самое главное, у этой радиодетали есть емкость и индуктивность. Помимо активного сопротивления, есть еще и реактивное.

Реактивное сопротивление отличается от активного тем, что оно по разному пропускает электрический ток на разных частотах.

Например, для постоянного тока сопротивление 200 Ом, а если есть высокие значения индуктивности, то на частотах выше 2 кГц, сопротивление будет уже 250 Ом.

Именно поэтому резисторы делаются из разных материалов. Они бывают керамическими, углеродными, проволочными и у них разные допуски и погрешности. SMD деталь обладает меньшей емкостью и индуктивностью, чем DIP.

Читать еще:  Как утеплить кран на улице

Еще существует специальные типы резисторов с более выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. Если у обычных резисторов вольт-амперный график чуть-чуть не линейный, то у такого типа деталей он лавинообразный.

У них сопротивление резко зависит от внешних условий, не так. как у обычных:

    • Терморезистор. Повышает или понижает сопротивление из-за влияния температуры;
    • Варистор. Изменяет свои свойства в зависимости от приложенного напряжения;
    • Фоторезистор. Уменьшается сопротивление, если на него действует свет;
    • Тензорезистор. При деформировании (сжатии, механических воздействиях) изменяет свое сопротивление.

Кроме того, еще одна особенность активного сопротивления – выделение тепла, когда проходит электрический ток. Когда протекает электрический ток замкнутой цепи, электроны ударяются об атомы. И поэтому выделяется тепло. Тепло измеряется в мощности. Она рассчитывается исходя из напряжения и тока.

Одна из популярных функций резисторов это снижение напряжения и ограничения тока. Например, если через резистор проходит ток 0,25 А и на нем есть падение напряжения 1 В, то мощность, которая будет на нем рассеиваться это 0,25 Вт.

И из-за этого и существуют резисторы с разной рассеиваемой мощностью. Нельзя ставить резистор 0,125 Вт на место 1 Вт. Он начнет греться, трескаться, чернеть. А потом и сгорит. Потому, что не рассчитан на такую мощность.

Обозначения на схемах

На схемах в Европе и СНГ обознается прямоугольником и латинской букой R. Согласно ГОСТу, на отечественных схемах не указывается номинал сопротивления, а только номер детали (R). Однако, если под изображением детали указано число, например 120, оно по умолчанию читается как 120 Ом.

Как подключить светодиод без драйвера (через резистор)

Чтобы обеспечить долгую и бесперебойную работу светодиода, необходимо обеспечить «правильные» напряжение и ток. Для мощных светодиодов нужно использовать драйвер — стабилизированный источник тока. Но можно обойтись и токоограничивающим резистором, особенно если нужно подключить маломощный светодиод типа тех, что используются в LED-лентах или ставшие уже классикой 5 мм светодиоды.

Теория

Чтобы подобрать резистор правильно нужно вспомнить закон Ома для участка цепи:

Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Что в виде формул выглядит так:

Здесь: I — ток, U — напряжение, R — сопротивление.

Далее рассмотрим как подключить светодиод к источнику постоянного тока с резистором.

В таблице ниже приведены типовые падения напряжений для светодиодов разных цветов.

Токи для маломощных светодиодов обычно лежат в пределах 20-50 мА или 0.02-0.05А. Чаще всего 20 мА, это номинальный ток до большинства индикаторных светодиодов, некоторых SMD-светодиодов из светодиодных лент типа 2835, 5050 и прочих, таблицу с типовыми параметрами которых вы также можете увидеть ниже.

В других случаях вы можете посчитать ток светодиода, если известно номинальное падение напряжения (обозначается буквой U) на нем (см. таблицу выше) и его мощность (обозначается буквой Р или W) по формуле:

Практика

Всё сказанное выше содержит основные сведения о том, что нам нужно знать, чтобы рассчитать резистор для светодиода. Итак, разберем на примере ситуации, представим, что вы хотите подключить маломощный 5 мм белый светодиод к бортовой сети автомобиля. Допустим, что среднее напряжение на заведенном двигателей находится в районе 14.2 вольт. В таблице 1 видно, что на нем может падать напряжение в диапазоне 3-3.7 вольт (см. последнюю строку таблицы 1).

Усредненно возьмем падение напряжения на светодиоде (Uпад) 3,3 Вольта, номинальный ток (Iном) пятимиллиметровых светодиодов 20 мА, в амперах это 0,02А. Напряжение питания (Uпит) у нас 14,2 вольта. Тогда считаем сопротивление исходя из того, сколько должно оказаться на светодиоде, а сколько на резисторе, тогда сопротивление токоограничивающего резистора равно:

На резисторе должно упасть 10,9 вольта при токе в 20 мА. Расчетное значение — 545 Ом, но таких резисторов не бывает, однако, в ряду номиналов Е24 (распространенный) ближайшие к нему на 510 и 560 Ом. В этом случае лучше взять на шаг больше — 560 Ом (ток через светодиод будет немного ниже, и он дольше проживет).

Далее считаем какой мощности нужен резистор, по падению напряжения и току на нём.

Значит нам нужен резистор мощностью не менее 0,25 ватт.

После этого нужно припаять резистор к светодиоду и замерить реальный ток потребления, потому что в таблице указаны типовые напряжения с разбросом в 0,7 вольта, а мы считали по среднему значению. Если ток светодиода равен или немного меньше номинального — оставляем как есть, если больше — увеличиваем сопротивление резистора на один шаг, до тех пор, пока не получим нужную силу тока.

Для подключения светодиодов мощностью 1-3 Вт и более ватта и более лучше использовать драйверы, они бывают как на 220В переменного тока, так и для использования в цепях постоянного тока 12В и 3,7 В (для портативных фонарей, работающих от литиевых аккумуляторов. Но и подключать через резистор без драйвера их тоже можно, но в этом случае резистор нужен большей мощности, потому что через него будет протекать больший ток.

Источники:

http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/2006-pochemu-svetodiod-nuzhno-podklyuchat-cherez-rezistor.html
http://www.bolshoyvopros.ru/questions/2275646-zachem-nuzhny-rezistory-na-svetodiodnoj-lente.html
http://odinelectric.ru/osveshhenie/kak-pravilno-rasschitat-rezistor-dlya-svetodioda
http://tyt-sxemi.ru/vse-o-rezistorah/
http://zen.yandex.ru/media/id/5c9ca52b27839400b33cc158/5d5cecebcfcc8600ac8946ab

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector