Ток и напряжение светодиодов – потребление тока, напряжение, мощность и светоотдача

Содержание

Напряжение светодиодных ламп | Te4h

Мы привыкли, что лампы накаливания работают от сети с переменным напряжением 220 вольт. Есть, конечно, и другие лампы накаливания, работающие от меньшего напряжения, но и свечение там тоже намного меньше. Здесь можно наблюдать зависимость — чем меньше напряжение светодиодного освещения, тем меньше света получаем от лампы. Но светодиодные лампы работают совсем по-другому. Для светодиода неважно напряжение, сила свечения зависит только от тока, проходящего через диод. В этой статье мы рассмотрим на каком напряжении могут работать светодиодные лампы, а также затронем ток светодиодных ламп.

Содержание статьи:

Напряжение светодиодных ламп

Я думаю что большинство людей давно закончивших школу и не имеющих дела с электричеством еще тогда забыли чем принципиально отличается ток от напряжения. А это желательно понимать.

Во многих книгах для пояснения разницы между током и напряжением проводится аналогия с водопроводной трубой. Но мне не очень нравится это сравнение. Любой предмет, брошенный из определенной высоты будет падать и в определенный момент достигнет поверхности земли. Его притягивает гравитация. Так вот напряжение — это сила, которая заставляет двигаться ток, как и гравитация притягивает предметы. А вот сила тока, если продолжить аналогию, это размер предмета, чем больше, тем сильнее ударит. Гравитация, как и напряжение не убьет если кто-то не будет предмета (тока).

А теперь вернемся к светодиодным лампам. Один светодиод или светодиодный чип, это вид полупроводника, который может пропускать ток только в одном направлении. Светодиоды могут работать от напряжения 4-12 Вольт. И даже больше, светодиодам нужно постоянное напряжение для нормальной работы. Но в стандартной электрической сети совсем другие условия.

В светодиодных лампах несколько светодиодов объединяются последовательно в один массив, и все они получают ток светодиодной лампы от общего блока питания. У многих светодиодных ламп, работающих от напряжения сети внутри есть специальное устройство, драйвер, который включает выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный, трансформатор, чтобы снизить очень высокое входящее напряжение, а также, возможно, стабилизационный компонент, чтобы уменьшить колебания тока.

Большинство современных светодиодных ламп, которые предназначены для домашнего использования и промышленности предназначены для напряжения питания 110-220 Вольт. Это достигается путем объединения нескольких чипов, как сказано выше. За остальное понижение напряжения и получение постоянного тока отвечает драйвер, встроенный в каждую лампу.

Но если у такой лампочки нет встроенного драйвера, а вы хотите запустить ее от обычной сети, вам потребуется внешнее устройство, которое будет выполнять те же функции, обеспечит нужное напряжение светодиодных ламп и выпрямит ток светодиодной лампы.

Стандартные настенные адаптеры, рассчитанные для другого оборудования, не подойдут, они не спалят светодиоды, но использовать их не рекомендуется. Они могут вызвать мерцание из-за неправильной светодиодной нагрузки, а также сокращают срок службы лампы. Поэтому нужно использовать драйверы, разработанные только для вашего вида ламп.

В последнее время появились светодиоды, работающие от переменного напряжения. Но так как светодиоды пропускают ток только в одну сторону, по своей природе они все равно остались устройствами, работающими на постоянном токе. В них одна честь диода светится при положительном токе, вторая при отрицательном цикле. Таким образом, мы получаем однородное свечение. Но для таких ламп тоже нужен драйвер, если они не приспособлены для работы от 220 вольт.

Ток светодиодных ламп

Яркость свечения светодиодных ламп зависит от тока, который будет проходить через сам диод. Это позволяет очень легко управлять яркостью таких ламп. Здесь подходит тот же принцип регулировки яркости что и для обычных ламп накаливания, изменяем силу тока — изменяется яркость. Но тут возникает одна проблема, в каждой лампе, которая будет работать от сети переменного напряжения встроен драйвер, который будет препятствовать изменению яркости. Поэтому если драйвер не поддерживает такую опцию регулировать яркость нельзя.

Потребление лампой электричества тоже зависит от тока и пропускаемого напряжения. Сила тока, с которой может работать лампа обычно указана на упаковке. Это может быть от 10-100 мА. Если же не указано и вам нужно знать этот параметр, его очень просто рассчитать по формуле:

I=(Р/U)*1000

Здесь I — это сила тока, P — потребляемая мощность и напряжение. Например, лампа на 220 вольт с потребляемой мощностью 12 Ватт будет иметь силу тока 54 мА. Рассчитанная сила тока может быть ниже, чем указанная на упаковке, потому что некоторые производители указывают на упаковке потребляемую мощность не самой лампы, а светодиода. Кроме светодиода, там есть еще резистор и другие компоненты, которым тоже нужно питание.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели что такое напряжение светодиодных ламп, а также как влияет сила тока на их работу.

Оцените статью:

Загрузка…

Об авторе

Администратор te4h.ru, интересуюсь новыми технологиями, криптовалютой, искусственным интеллектом, свободным программным обеспечением и Linux.

te4h.ru

Падение напряжения на белом светодиоде. Светодиод

Светоизлучающему диоду, как и человеку, необходимо питаться правильно. Только в этом случае он гарантирует многолетнюю и безотказную работу. Светодиоды имеют нелинейную вольтамперную характеристику, схожую с обычным диодом. Поэтому их питание должно осуществляться стабильным током – это один из ключевых принципов.
Если его не соблюдать, последствия для светодиодов могут быть самые плачевные.

Чтобы определить, какая схема питания будет оптимальной в том или ином случае, необходимо для начала узнать исходные данные:

  • параметры светодиода, нормируемые производителем;
  • параметры питающей сети (сеть 220 В, аккумулятор, батарейки или что-то другое).

Самые важные параметры – это номинальный и максимальный ток. При номинальном обычно нормируются световые характеристики – сила света в канделах или световой поток в люменах. Максимальный ток – это предельное значение, при котором можно эксплуатировать данный прибор. Значения этих параметров в современных однокристальных приборах варьируются от нескольких мА до 3 А.

Прямое падение напряжения – напряжение питания светодиодов, которое падает на p-n-переходе при номинальном токе. Его значение пригодиться при расчете выходных параметров источника питания.

Максимальная температура корпуса и p-n-перехода, максимальное обратное напряжение — параметры тоже важные, но в случаях, когда соблюдаются токовые режимы и схема не предусматривает обратного включения, на них можно не обращать внимания.

Параметры питающей сети

При изготовлении любого устройства своими руками, необходимо определить параметры источника, который будет осуществлять питание светодиодов. Сеть 220 В, автомобильный аккумулятор на напряжение 12 В или простые батарейки – в любом случае необходимо определить диапазон питающего напряжения, то есть минимальное и максимальное его значение. На сеть 220 В дается (но не всегда соблюдается) допуск ±10%. Для аккумулятора берется в расчет напряжение при полной зарядке и в разряженном состоянии. С батарейками и так всё понятно.

В случае с автономными источниками питания важно также узнать их емкость и максимальный выходной ток.

Простейшая схема

Пусть стоит задача сделать своими руками примитивный , питающийся от одной батарейки. Возьмем, к примеру, светодиод C503C (CREE) с номинальным током I LED =20 мА и падением напряжения U LED =3,2 В.

В качестве источника питания используем литиевую батарейку на 3,7В (если использовать пальчиковые батарейки, то одной не обойдешься).

Если включать светодиод напрямую, то сила тока через светодиод будет ограничиваться только внутренним сопротивлением батарейки, что в лучшем случае будет приводить к очень быстрому ее разряду, а в худшем к выходу из строя светодиода. Простейшая схема включения показана на рисунке ниже.

Для ограничения тока используется е R=(U Б -U LED)/ I LED . В нашем случае сопротивление составит 25 Ом.

При увеличении мощности диода, схема будет усложняться, т.к. при больших токах применять резистор нецелесообразно – слишком большие потери мощности. Если напряжение питания имеет большой диапазон, эта схема тоже не годится, потому что не обеспечивает стабилизацию тока.

Развиваем тему

Питание мощных светодиодов осуществляется с применением стабилизаторов тока – . Они могут быть выполнены как на основе дискретных компонентов, так и с применением специализированных микросхем. Драйвер можно приобрести в готовом виде, а можно изготовить своими руками – это не сложно, учитывая, что схем и рекомендаций в интернете с избытком.

Еще один важный момент организации питания полупроводниковых источников света: при объединении светодиодов в группы, рекомендуется их . Это обусловлено тем, что падение напряжения на p-n-переходе имеет определенный разброс от прибора к прибору, и при токи через них будут отличаться.

Питание светодиодов от 220 В сети, организуется с помощью так называемых сетевых драйверов. По сути, это импульсные источники питания для светодиодов, они преобразуют сетевое напряжение в стабильный постоянный ток. Изготавливать такой источник своими руками – довольно сложно, если вы не специалист в этой области, а учитывая широкую номенклатуру, представленную на современном рынке еще и нецелесообразно.

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод («минус»), а другой — анод («плюс»).

Светодиод будет «гореть» только
при прямом включении, как показано на рисунке

При обратном включении светодиод «гореть» не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения.

Зависимости тока от напряжения при прямом (синяя кривая) и обрат

levevg.ru

Светодиод | Электронные печеньки

Светодиод или светоизлучающий диод (англ. LED Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Иными словами, светится, когда через него течет ток. Похоже на простую лампу накаливания, но устроен светодиод сложнее. В статье рассказывается об особенностях светодиода, о том как правильно подключать светодиод и о способе расчёта резистора для светодиода.

Особенности светодиода

Что-бы понимать, как правильно подключать светодиоды нужно разбираться в некоторых особенностях:

  • светодиод питается током. Напряжение, подаваемое на светодиод не имеет значения. Это может быть и 3В, и 1000В. Главное — выдержать необходимый ток. При нехватке тока, светодиод светится тусклее, чем может. При превышении тока светодиод светит ярче, но сильно греется. Светодиод, через который пропускают ток больше, чем он ожидает, перегреется и проработает совсем недолго. В данном случае всегда лучше «недолить».
  • падение напряжения. Важная характеристика светодиода — падение напряжения. Это значение показывает, на сколько вольт уменьшится напряжение при прохождении через светодиод при последовательном соединении. Например, если падение напряжения на светодиоде 3,4 вольта, то при напряжении питания 12 вольт, после первого светодиода остается 12-3,4= 8,6 вольт. На втором потеряется еще 3,4 вольта. Останется 8,6-3,4=5,2В. А после третьего останется 5,2-3,4=1,8 вольта. Это меньше, чем падение напряжения светодиода. Значит, больше светодиодов запитать мы не сможем.
  • температурный режим. Светодиод нагревается во время свечения. Чем мощнее светодиод, тем сильнее он нагревается. В случае с маломощными светодиодами в пластиковом корпусе, их нагревом можно пренебречь. Если вы имеете дело со сверхмощными яркими светодиодами, нужно думать об охлаждении.
  • полярность. При подключении светодиода нужно соблюдать полярность. Если перепутать плюс и минус, то ничего особенно страшного не случится, но светодиод не будет светить, и ток через него не пройдёт. У светодиода 2 вывода: анод и катод. Анод — положительный вывод. Он подключается к положительному полюсу источника питания. Катод  — отрицательный. Его подключают к минусу (земле). Держа светодиод в руке выводы можно отличить по длине: анод делают длиннее катода. Внутри колбы светодиода выводы можно тоже отличить по размеру. Катод более массивен и по форме напоминает чашу.

Изображение светодиода на схеме

Светодиод. Видна разница в длине катода и анода.

Светодиод. На крупном плане различим катод, напоминающий по форме чашу.

Необходимый ток и падение напряжения можно узнать из спецификации светодиода. Если у вас уже есть светодиод, но вы не знаете его характеристик, можно считать, что нужен ток 25мА, а падение напряжения считать равным 3В. Казалось бы, эти параметры идеально подходят для того, что-бы светодиод подключить напрямую к выводу Arduino. Но всё не так просто. Как отмечалось выше, светодиод токовый прибор. Если обычная лампочка сама себе выберет ток, то светодиод выбирает себе напряжение. То есть, если светодиод требует для себя 3В, а мы подадим на него 5В, то ток вырастет настолько, что светодиод сгорит. Это происходит потому, что он пытается удержать своё напряжение в 3V, а источник пытается выдать свои 5В. Начинается смертельная схватка. Если источник питания слабый, и светодиод сумеет просадить на нём напряжение до нужного — он уцелеет, а нет — источник питания выиграет битву, и светодиод сгорит. Для того, чтобы избежать проблем, нужно стабилизировать ток для светодиода. Простейший стабилизатор тока — резистор. Включаем последовательно со светодиодом резистор, резистор ослабляет источник питания, стабилизируя ток. При подключении больших и мощных светодиодов используют уже специальные стабилизаторы тока, вместо резисторов. Резистор нужно уметь расчитывать.

Ничего сложного в расчёте резистора нет. Из формул нам понадобится разве что закон Ома: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Для расчёта сопротивления резистора для светодиода (R) нужно знать: напряжение питания (Uпит), падение напряжения на светодиоде (Uсв) и необходимый светодиоду ток(I).

Формула очень простая: R = (Uпит — Uсв) / I

Для простоты расчёта принимается ряд «стандартных» параметров:

Uпит=5 В, Uсв=3 В, I=25 мА=0,025 А

Тогда:

R = 5 — 3 / 0.025 = 80 Ом

Ближайшее стандартное сопротивление резистора — 100 Ом.

Однако, поскольку часто приходится иметь дело со светодиодами, точные параметры которых неизвестны, лично моя рекомендация: исключить падение напряжения из формулы. Так мы получим универсальную формулу для расчёта резистора для любого светодиода, при этом ограничим ток с запасом и не сильно потеряем в яркости. Однако, если вы собираете осветительный прибор и вам важно добиться максимальной светимости светодиода, используйте полную формулу, описанную выше. Итак, по моей упрощённой формуле расчёт будет таким:

R = 5 / 0.025 = 200 Ом

Ближайшее стандартное сопротивление резистора — 220 Ом. С помощью него и будем подключать. Резистор следует включать в цепь между положительным полюсом источника и анодом светодиода.

Подключение одиночного светодиода

Теперь вы знаете, как правильно подключить один светодиод. Но что делать. когда вам нужно подключить несколько светодиодов к одному источнику питания?

При подключении одного светодиода ничего сложного нет. Мы только что обсудили это чуть выше. Но как правильно поступить, если одного светодиода недостаточно? Например, мы хотим подключить 15 светодиодов от источника питания 12В. Параметры светодиода для расчётов возьмём стандартные. Для дальнейших рассуждений придётся опять потормошить старика Ома и вспомнить, что при последовательном соединении напряжение складывается (в данном случае речь о падении напряжения на каждом светодиоде), а сила тока остаётся неизменной. При параллельном — наоборот. Теперь рассмотрим различные варианты подключения светодиодов.

Наиболее простой способ. Все светодиоды подключаем гирляндой друг за другом. Катод первого к аноду второго и т.д. Необходимый светодиодам при параллельном соединении ток не зависит от количества светодиодов и составляет 25мА.  Ещё потребуется учесть падение напряжения на каждом светодиоде. Пытливый читатель, дружащий с математикой, сейчас должен был запнуться. Падение напряжения рассчитывается как сумма падения напряжения для всех светодиодов. Да ещё и нужно оставить запас. Запас стоит оставлять из-за того, что светодиоды не идеальны. Падение напряжения сильно колеблется даже у светодиодов одного производителя и в одной партии. Падение зависит от температуры, да ещё и растёт по мере старения светодиода. У нас падение составит 15*3 = 45В. А источник всего на 12 вольт. Этот вариант отпадает. Последовательно мы можем позволить себе подключить только 12/4 = 4 светодиода. С запасом всего 3 светодиода в параллели. Теперь можно подключить перед цепочкой из трёх светодиодов токоограничительный резистор на 480 Ом (R = 12/0.025 = 480) и радоваться. Все три светодиода теперь получают ток в 25мА. Но неидеальность светодиодов означает, что нам может попасться экземпляр, который рассчитан на ток всего лишь в 20мА. Или чуть меньше. Или чуть больше. Неважно. Важно то, что наши рассчитанные 25mA окажутся избыточными. Такой светодиод начнёт греться и перегорит раньше других. Он перестанет пропускать через себя ток. Тогда все остальные светодиоды тоже погаснут. Последовательное подключение — недостаточно надёжная схема. Один перегоревший светодиод нарушает работу всей цепочки.

Достоинства: простая и дешёвая схема, низкое потребление тока.
Недостатки: необходимость в источнике питания с большим вольтажом, крайне низкая надёжность схемы.

Последовательное подключение трёх светодиодов

Итак, последовательно нам удалось соединить только 3 светодиода. Но что если требуется подключить все 15?

Параллельное подключение светодиодов

Здесь у нас всё наоборот. Силу тока нужно умножить на количество светодиодов, а падение напряжения посчитать только 1 раз.
Сила тока: I = 0,025 * 15 =0,375 А
Нам потребуется источник питания, способный выдать максимальный ток в 0,375 А. Округлим до 0,35 (помните, что лучше «недолить»?). По напряжению тоже укладываемся: 12 — 2 = 10. Остаётся с большим запасом.

Пытливый читатель, запнувшийся парой абзацев ранее, может воскликнуть: «Погодите! Так зачем нам 12 вольт, если мы можем обойтись и пятью?». «Можем!» — ответим ему мы. Но не торопитесь с выводами, это ещё не конец.

Мы определились, что светодиоды будут подключены параллельно. Необходимо ограничить ток в цепи. Допустим, специального драйвера у нас нет. Возьмём резистор. Рассчитаем необходимое сопротивление по давно известной формуле: 12 В * 0,35 А = 4,2 Ом. Подключим его между источником питания и анодами светодиодов:

Неправильное параллельное подключение трёх светодиодов

Вот, казалось бы, и всё. Но есть проблема:

Как отмечалось выше, светодиоды не обязательно имеют те характеристики, которые заявлены производителем. Всегда есть разброс. И вот мы задали ток в 0,35 ампер и смотрим на светящуюся линейку светодиодов. Но всем им нужен разный ток. Одному , как мы и рассчитывали 25мА, другому — 20мА, третьему 21мА, а вот нашёлся совсем кривой светодиод, ему нужно всего 15мА. А мы пропускаем через него 25 — почти в 2 раза больше. Светодиод греется и быстро перегорает. В линейке стало на 1 светодиод меньше. Теперь для питания оставшихся светодиодов нам требуется 35мА. Пока всё не выглядит особенно плохо. Мы ограничили ток с запасом. Мы молодцы. Но не выдержал ещё один светодиод. Осталось 13. Теперь весь наш ток делится не на 15, а на 13 светодиодов. На каждый из них приходится по 26мА. Теперь абсолютно все светодиоды работают на повышенном токе. Очень скоро перегреется следующий. Самые стойкие получат уже по 29мА — 116% от номинала. Всего 2 перегоревших светодиода запустили цепную реакцию. Скоро вся линейка перегорит, а вы так и не поймёте почему (ну или поймёте, мы же только что всё разобрали). Собственно, избавиться от такого печального сценария просто. Нужно к каждому светодиоду поставить по собственному токоограничительному резистору. Для тока в 25мА и напряжения 12В нужен резистор на 480 Ом. Это не спасёт от проблемы «кривых» светодиодов, но их перегорание никак не повлияет на остальные.

Достоинства: высочайшая надёжность.
Недостатки: высокое потребление тока, высокая стоимость схемы.

Правильное параллельное подключение трёх светодиодов

Параллельное подключение светодиодов — идеальный вариант. Всегда стремитесь к тому, чтобы подключать светодиоды параллельно и ограничивать ток каждого светодиода по отдельности своим резистором.  Если вы используете светодиодные драйверы (стабилизаторы тока), то каждому светодиоду нужно подключать свой драйвер. Именно поэтому параллельные схемы с большим количеством светодиодов становятся слишком дорогими. В реальности приходится идти на компромисс и объединять светодиоды в цепочки.

Комбинированный способ подключения светодиодов

Итак. Подключим наши 15 светодиодов комбинированным способом. Вспомним расчёт для последовательного подключения. Там мы выяснили, что от 12 вольт можем безболезненно запитать 3 светодиода. На каждый из 3-х светодиодов потребуется резистор в 480 Ом. Это и будет наша цепочка — 3 светодиода и резистор. Теперь мы параллельно подключим 5 таких цепочек. При параллельном соединении напряжение питания остаётся неизменным, а сила тока для каждой цепочки умножается на количество цепочек. Получается, нужен источник на 12В и 5*0,025=0,125А. Как видим, такой способ подключения сильно экономит ток.

Достоинства: низкое потребление тока при большой плотности светодиодов, каждая цепочка не зависит от соседних, благодаря наличию собственного токоограничительного резистора.
Недостатки: внутри цепочки мы получаем те же проблемы, что и при обычном параллельном соединении. При наличии «кривых» светодиодов в цепочке, она выйдет из строя раньше других.

Комбинированное подключение светодиодов. 3 цепочки по 3 светодиода.

При подключении светодиодов к источнику питания предпочтительно использовать параллельное соединение, снабжая каждый светодиод отдельным стабилизатором. При подключении большого количества светодиодов, для удешевления конструкции возможно комбинирование последовательного и параллельного способов соединения светодиодов для достижения оптимального результата.

Поделиться ссылкой:

Похожее

uscr.ru

Как правильно подключать светодиоды

Новиков М.Г.
09.02.2007

Те, кому лень изучать данный материал, могут ознакомиться с более
компактной версией этой статьи,
где просто изложены правила подключения светодиодов без их объяснений. Также там есть глава часто
задаваемых вопросов по подключению светодиодов. Остальным предлагаю ознакомится с этой
статьёй, где подробно расписана сущность каждого правила, а также очень доступно объяснены основные
понятия электротехники.

Сразу хочу заметить, что современные светодиоды зачастую содержат в себе не только сам светоизлучающий кристалл, но и целые схемы по стабилизации тока и прочие навороты. О таких светодиодах в этой статье речь не пойдёт. Здесь будет рассмотрено лишь подключение классических светодиодов, не включающих в себя никакие дополнительные сборки.

Правило 1. Светодиод нельзя подключать к питающему напряжению
напрямую. Это делается только через ограничивающий ток резистор или специальную микросхему,
автоматически ограничивающую ток (драйвер светодиода), например, CL1, CL2 и т.п.

Правило 2. Светодиоды не различают по напряжению питания!
Нет такой характеристики у светодиода, и ближайшая к ней по смыслу характеристика — прямое
падение напряжения. Именно так и следует расценивать неграмотное упоминание питающего напряжения на многих сайтах, если только светодиод не снабжён встроенным стабилизатором.

Содержание

Введение

Всем нам с детства знакомы эти красивые яркие лампочки. Сегодня они присутствуют практически
в любой аппаратуре. Те, кто постарше, помнят, как покупали их по 40–50 копеек за штуку и вставляли
в магнитофоны «Электроника 302».

Сегодня их тоже используют «самоделкины», но в основном для создания красивой подсветки автомобилей,
компьютеров или других устройств (т.н. моддинг). Но правильно ли их подключают? Почему они то
работают годами, а то сгорают в первые же дни, хотя подключены к одинаковому напряжению? Ответы
на эти вопросы вы найдёте в этой статье.

Статья рассчитана на дилетантов в электронике, простым языком объясняя основные её понятия,
необходимые для осмысленного подключения светодиодов к различным источникам питания.

[Вернуться в начало]

Терминология русским языком

Последовательное включение радиодеталей — это когда детали
соединены между собой только одной стороной, т.е. последовательно:

Параллельное включение радиодеталей — это когда детали соединены между собой в двух точках
— в начале и в конце.

Напряжение — сила, с которой электричество «вдавливается» в
провод, чтобы создать его ток.
Аналогична разности давления в начале и конце трубопровода, зависящей от силы насоса,
загоняющего воду в трубу.
Измеряется в вольтах (В).

Ток — «количество электричества», проходящее по проводу
в единицу времени.
Аналогичен количеству проходящей воды в трубе.
Измеряется в Амперах (А).

Сопротивление — сила, препятствующая прохождению электричества.
Аналогично сужению трубы, препятствующему свободному протоку воды.
Измеряется в омах (Ом).

Мощность — характеристика, отражающая способность, например,
резистора без вреда для себя (перегрева или разрушения) пропускать электрический ток.
Аналогична толщине стенок места сужения трубы.

Постоянный ток — это когда электричество течёт постоянно в
одну сторону, от плюса к минусу.
Это батарейки, аккумуляторы, ток после выпрямителей.
Аналогичен потоку воды, гоняемой насосом по закольцованной трубе в одну сторону.

Падение напряжения — разность потенциалов до и после детали,
дающей сопротивление электрическому току, то есть напряжение, замеренное на контактах этой детали.
Аналогично разности давления воды, гоняемой насосом по кругу, до и после одного из сужений трубы.

Переменный ток — это когда электричество течёт
то вперёд, то назад, меняя направление движения на противоположное с определённой частотой, например,
50 раз в секунду.
Это электрическая сеть освещения, розетки.
В них один провод (ноль) является общим,
относительно которого в другом проводе (фазе) напряжение то положительное, то отрицательное. В
результате при включении в розетку, например, электрочайника, ток в нём течёт то в одну, то в
другую сторону.
Аналогичен движению воды, которую
насос через трубу (фазу), опущенную сверху, то выдавливает в бак (ноль), то всасывает из него.

Частота переменного тока — число полных циклов (периодов) изменения
направления тока (туда-обратно) за секунду.
Измеряется в герцах (Гц). Один период за секунду равен частоте в 1 герц.
Переменный ток имеет прямой и обратный (т.е. положительный и отрицательный) полупериод.
В Российских
бытовых электросетях (в розетках и в лампочках) частота равна 50 герцам.

[Вернуться в начало]

Важнейшие характеристики светодиодов

1. Полярность.

Светодиод — это полупроводник. Он пропускает через себя ток только в одном направлении
(также, как и обычный диод). В этот момент он и зажигается. Поэтому, при подключении светодиода
важна полярность его подключения. Если же светодиод подключается к переменному току (полярность
которого меняется, например, 50 раз в секунду, как в розетке), то светодиод будет пропускать
ток в одном полупериоде и не пропускать в другом, то есть быстро мигать, что, впрочем, практически
незаметно для глаза.

Замечу, что при подключении светодиода к переменному току необходимо обезопасить
его от действия напряжения обратного полупериода, поскольку максимально допустимое обратное напряжение
большинства индикаторных светодиодов лежит в пределах единиц вольт. Для этого параллельно
светодиоду, но с обратной полярностью, нужно включить любой кремниевый диод, который даст току
течь в обратном направлении и организует на себе падение напряжения, не превышающее
максимально допустимое обратное напряжение светодиода. В качестве такого диода можно использовать и такой же светодиод, просто включённый обратно первому.

Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса
или более коротким выводом. При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным
путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор.
Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового
пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность
«методом тыка» без соответствующего резистора!

2. Напряжение питания и падение напряжения.

Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов
такой характеристики, потому что нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное,
чтобы напряжение, от которого (через резистор) питается светодиод,
было выше прямого
падения напряжения светодиода
(прямое падение напряжения указывается
в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в
среднем от 1,8 до 3,6 вольт).

Напряжение питания не может являться характеристикой светодиода, поскольку для каждого
экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может
быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив
их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни
экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение,
а ток.

3. Ток.

Номинальный ток большинства индикаторных светодиодов соответствует либо
10, либо 20
миллиамперам (у зарубежных светодиодов чаще указывают 20 мА),
и регулируется он индивидуально для каждого светодиода сопротивлением последовательно
включённого резистора. Кроме того, мощность резистора
не должна быть ниже расчётного уровня, иначе он может перегреться. Местоположение резистора (со
стороны плюса светодиода или со стороны минуса) безразлично.

Поскольку светодиоду важно, чтобы его ток соответствовал номинальному, становится ясно, почему
его нельзя подключать к напряжению питания напрямую. Если, например, при напряжении 1,9 вольта
ток равен 20 миллиамперам, то при напряжении 2 вольта ток будет равен уже 30 миллиамперам.
Напряжение изменилось всего на десятую часть вольта, а величина тока подскочила на 50% и существенно
сократила жизнь светодиоду. А если включить в цепь последовательно со светодиодом даже приблизительно
рассчитанный резистор, то он произведёт гораздо более тонкую регулировку тока.

[Вернуться в начало]

Расчёт ограничивающего ток резистора

Сопротивление резистора:

R = (Uпит. − Uпад.) / (I * 0,75)

  • R — сопротивление резистора в омах.
  • Uпит. — напряжение источника питания в вольтах.
  • Uпад.— прямое падение напряжения на светодиоде в
    вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При
    последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
  • I — максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в
    характеристиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера).
    При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
  • 0,75 — коэффициент надёжности для светодиода.

Минимальная мощность резистора:

P = (Uпит. − Uпад.)2 / R

  • P — мощность резистора в ваттах.
  • Uпит. — действующее (эффективное, среднеквадратичное)
    напряжение источника питания в вольтах.
  • Uпад.— прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах
    (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном
    включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
  • R — сопротивление резистора в омах.

Пример 1:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение
напряжения 2 В) от автомобильного
аккумулятора 12 В.

R = (12 − 2) / (0,01 * 0,75) = 1333

То есть последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 1,333 кОм. Ближайшим по номиналу
будет резистор 1,3 кОм (1300 Ом).

Теперь посчитаем минимальную мощность такого резистора.

Сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального
светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения
сопротивления. Итак,

I = U / (Rрез.+ Rсветодиода), где

Rсветодиода = Uпад.номин. / Iномин. = 2 /
0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 12 / (1300 + 200) = 0,008 А

Отсюда фактическое падение напряжения на светодиоде будет:

Uпад.светодиода = Rсветодиода * I = 200 * 0,008 = 1,6
В

Теперь посчитаем мощность:

P = (Uпит. − Uпад.)2 / R =
(12 −1,6)2 /
1300 = 0,0832 Вт).

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (0,0832 Вт), а лучше немного больше, чтобы
избежать его нагрева. Ближайшим большим по мощности
будет резистор 0,125 Вт.

Результат: Для подключения светодиода с указанными характеристиками
к автомобильному аккумулятору нам потребуется резистор 1,3 кОм мощностью 0,125 Вт.

Пример 2:

Запитать светодиод (характеристики: ток 10 мА т.е. 0,01 А, падение напряжения
2 В) от сети переменного
тока 220 В. Поскольку физика светодиода несколько отличается от физики простого теплоизлучателя, то для расчёта номинала резистора мы берём не среднеквадратичные 220 вольт, а настоящие присутствующие в розетке амплитудные 311 вольт.

R = (311 − 2) / (0,01 * 0,75) = 41200

То есть, последовательно со светодиодом нужно ставить резистор 41,2 кОм. Такой номинал существует в номинальном ряду Е96, но можно взять и более распространённый резистор из номинального ряда Е24 — 43 кОм и даже 39 кОм из номинального ряда Е12. Последний вариант даже более предпочтителен, поскольку напряжение питания достигает 311 вольт лишь в кратком пике, и поэтому имеет смысл округлить номинал резистора вниз.

Теперь посчитаем минимальную мощность такого резистора.

Сначала посчитаем фактический ток, ибо он будет отличаться от номинального
светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности и соответствующего увеличения сопротивления.
Поскольку мы рассчитываем мощность резистора, а резистор является простым теплоизлучателем, то в расчётах используем среднеквадратичное напряжение 220 вольт. Итак,

I = U / (Rрез.+ Rсветодиода), где

Rсветодиода = Uпад.номин. / Iномин. = 2 /
0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 220 / (39000 + 200) ≈ 0,006 А

Отсюда фактическое падение напряжения на светодиоде будет:

Uпад.светодиода = Rсветодиода * I = 200 * 0,006 = 1,2
В

Теперь посчитаем мощность:

P = (Uпит. − Uпад.)2 / R = (220 −1,2)2 /
39000 ≈ 1,23 Вт).

Мощность резистора должна быть не менее этой величины (1,23 Вт), а лучше немного больше, чтобы
избежать его нагрева. Ближайшим по мощности будет
резистор 2 Вт.

Результат: Для включения светодиода с указанными характеристиками
в сеть переменного тока 220 В нам потребуется резистор 39 кОм мощностью 2 Вт. Кроме того, следует
оградить светодиод от вредного воздействия обратного напряжения, о чём подробно будет рассказано
в следующей главе.

Замечание: Поскольку светодиод
питается только одним полупериодом, а второй полупериод по идее пропускать
не должен, то мощность резистора можно было бы уменьшить в 2 раза. Но, во-первых,
при напряжении 220 вольт у светодиода на каждой волне обратного полупериода происходит
электрический пробой, а значит ток будет проходить и в обратном направлении, а во вторых, мы
в конце концов будем специально пропускать обратный полупериод (другим обратно включённым
параллельным диодом), чтобы не насиловать светодиод электрическими пробоями. Поэтому нагрузку
на резистор всё равно надо рассчитывать исходя из двухполупериодных 220 вольт, что мы и сделали.

[Вернуться в начало]

Ограничение обратного напряжения при подключении светодиода к переменному току

При подключении светодиода к переменному току необходимо ограничить влияние опасного для него
напряжения обратного полупериода. У большинства светодиодов предельно допустимое обратное
напряжение составляет всего около 2 вольт, а поскольку светодиод в обратном направлении заперт
и ток по нему практически не течёт, то падение напряжения на нём становится полным, то есть равным
напряжению питания. В результате на выводах диода оказывается полное напряжение питания обратного
полупериода.

Для того, чтобы создать на светодиоде приемлемое падение напряжения для обратного полупериода,
надо пропустить «через него» обратный ток. Для этого параллельно светодиоду, но с обратной
полярностью, надо включить любой кремниевый диод (маркировка начинается на 2Д… или КД…), который
рассчитан на прямой ток не менее того, что течёт в цепи (напр. 10 мА).

Диод пропустит проблемный полупериод и создаст на себе падение напряжения, являющегося обратным
для светодиода. В результате обратное напряжение светодиода станет равным прямому падению напряжения
диода (для кремниевых
диодов это примерно в 0,5–0,7
В), что ниже ограничения большинства светодиодов в 2 вольта. Обратное же максимально
допустимое напряжение для диода значительно выше 2 вольт, и в свою очередь с успехом снижается
прямым падением напряжения светодиода. В результате все довольны.

Исходя из соображения экономии места, предпочтение следует отдать малогабаритным диодам (например,
диоду КД522Б, который используется, кстати, в сетевых фильтрах «Пилот» именно для этой цели). Вместо
кремниевого диода можно также поставить второй светодиод с аналогичным или более высоким максимальным
прямым током, но при условии, что для обоих светодиодов падение напряжения одного светодиода
не будет превышать максимально допустимое обратное напряжение другого.

Примечание: Некоторые радиолюбители не защищают светодиод от обратного напряжения, аргументируя
это тем, что светодиод и так не перегорает. Тем не менее такой режим опасен. При обратном напряжении
свыше указанного в характеристиках светодиода (обычно 2 В) при каждом обратном полупериоде в
результате воздействия сильного электрического поля в р-n-переходе, происходит электрический пробой светодиода и через него проходит ток в обратном направлении.

Сам по себе электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении
обратного напряжения свойства диода восстанавливаются. Для стабилитронов, например, это вообще
рабочий режим. Тем не менее, этот дополнительный ток, хоть он и ограничен резистором, может вызвать
перегрев р-n-перехода светодиода, в результате чего произойдёт необратимый тепловой пробой
и дальнейшее разрушение кристалла. Поэтому не стоит лениться ставить шунтирующий диод. Тем более,
для этого подходит практически любой кремниевый диод, поскольку у них (в
отличие от германиевых)
малый обратный ток, а, следовательно, он не будет забирать его на себя, снижая яркость шунтируемого
светодиода.

[Вернуться в начало]

Наиболее распространённые ошибки при подключении светодиодов

1. Подключение светодиода напрямую к источнику питания без ограничителя
тока (резистора
или специальной микросхемы-драйвера). Обсуждалось выше. Светодиод быстро выходит из
строя из-за плохо контролируемой величины тока.

2. Подключение параллельно включённых светодиодов к общему резистору.
Во-первых, из-за возможного разброса параметров, светодиоды будут гореть с разной яркостью. Во-вторых,
что более существенно, при выходе из строя одного из светодиодов, ток второго возрастёт вдвое,
и он может тоже сгореть. В случае использования одного резистора целесообразнее подключать светодиоды
последовательно. Тогда при расчёте резистора ток оставляем прежним (напр.
10 мА),
а прямое падение напряжения светодиодов складываем (напр.
1,8 В + 2,1 В = 3,9 В).

3. Включение последовательно светодиодов, рассчитанных на разный ток.
В этом случае один из светодиодов будет либо работать на износ, либо тускло светиться — в
зависимости от настройки тока ограничивающим резистором.

4. Установка резистора недостаточного сопротивления. В результате
текущий через светодиод ток оказывается слишком большим. Поскольку часть энергии из-за дефектов
кристаллической решётки превращается в тепло, то при завышенных токах его становится слишком
много. Кристалл перегревается, в результате чего значительно снижается срок его службы. При ещё
большем завышении тока из-за разогрева области p-n-перехода снижается внутренний квантовый выход,
яркость светодиода падает (это особенно заметно у красных светодиодов)
и кристалл начинает катастрофически разрушаться.

5. Подключение светодиода к сети переменного тока (напр.
220 В)
без принятия мер по ограничению обратного напряжения. У большинства светодиодов предельно допустимое
обратное напряжение составляет около 2 вольт, тогда как напряжение обратного полупериода при
запертом светодиоде создаёт на нём падение напряжения, равное напряжению питания. Существует
много различных схем, исключающих разрушающее воздействие обратного напряжение. Простейшая
рассмотрена выше.

6. Установка резистора недостаточной мощности. В результате резистор сильно нагревается и начинает
плавить изоляцию касающихся его проводов. Потом на нём обгорает краска, и в конце концов он разрушается
под воздействием высокой температуры. Резистор может безболезненно рассеять не более той мощности,
на которую он рассчитан.

[Вернуться в начало]

Если нет нужного резистора

Нужное сопротивление (R) и мощность (P) резистора можно получить, комбинируя в последовательно-параллельном
порядке резисторы других номиналов и мощностей.

Формула сопротивления для последовательного соединения резисторов

R = R1 + R2

Формула сопротивления для параллельного соединения резисторов

двух:

R = (R1 * R2) / (R1 + R2)   или   R
= 1 / (1 / R1 + 1 / R2)

неограниченного количества:

R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + … + 1 / Rn)

Мощности резисторов

Мощности резисторов в сборке рассчитываются исходя из тех-же формул, что и одиночные резисторы.
При последовательном включении, в формулу вычисления мощности подставляется напряжение источника
питания за вычетом падения напряжения на других последовательно стоящих резисторах и светодиоде.
Подробнее это будет показано на нижеследующих примерах.

Примеры

1. Заменим резистор 1,3 кОм 0,125 Вт из первого примера последовательной сборкой.

1,3 кОм = 1 кОм + 100 Ом + 100 Ом + 100 Ом

Рассчитаем минимальные мощности для каждого резистора. Для этого посчитаем
фактическое падение напряжения на каждом резисторе, для чего сначала посчитаем фактический ток,
ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента надёжности
и соответствующего увеличения сопротивления. Итак,

I = U / (Rрез.+ Rсветодиода), где

Rсветодиода =
Uпад.номин. / Iномин. = 2 / 0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 12 / (1300 + 200) = 0,008 А

Теперь вычисляем фактическое падение напряжения на резисторах и светодиоде:

Uпад.рез_1000 =
Rрез_1000 * I = 1000 * 0,008 = 8 В

Uпад.рез_100 = Rрез_100 * I = 100 * 0,008 = 0,8 В

Uпад.светодиода = Rсветодиода * I = 200 * 0,008 = 1,6
В

Теперь у нас есть все данные для расчёта мощностей:

Pрез_1000 = (12 −(0,8 + 0,8 + 0,8 + 1,6))2 / 1000
= 0,064 Вт

Pрез_100 = (12 −(8 + 0,8 + 0,8 + 1,6))2 / 100 ≈
0,0064 Вт

Итого, исходя из стандартных мощностей резисторов, получаем
1 кОм 0,125 Вт и 3 резистора 100 Ом по 0,05 Вт. Включив резисторы указанного номинала последовательно,
мы получим общее сопротивление 1,3
кОм нужной нам мощности.

2. Заменим резистор 39 кОм 2 Вт из второго примера параллельной сборкой.

Занеся формулу R = 1 / (1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3) в Excel, выясним,
что
41,2 кОм ≈ параллельному соединению 100 кОм, 130 кОм и 150 кОм. Точнее это будет сопротивление
41053 Ом.

Рассчитаем минимальные мощности для каждого резистора. Для этого посчитаем
фактическое падение напряжения на каждом резисторе, для чего сначала посчитаем фактический
ток, ибо он будет отличаться от номинального светодиодного 0,01 А за счёт коэффициента
надёжности и соответствующего увеличения сопротивления. Итак,

I = U / (Rрез.+ Rсветодиода), где

Rсветодиода = Uпад.номин. / Iномин. = 2 /
0,01 = 200 Ом, значит ток в цепи будет:

I = 220 / (41053 + 200) ≈ 0,005 А

Теперь вычисляем фактическое падение напряжения на светодиоде:

Uпад.светодиода = Rсветодиода * I = 200 * 0,005 = 1
В

Теперь у нас есть все данные для расчёта мощностей:

Pрез_68 = (220 −1)2 / 100000 ≈ 0,48
Вт

Pрез_100 = (220 –1)2 / 130000 ≈ 0,37
Вт

Pрез_110 = (220 –1)2 / 150000 ≈ 0,32
Вт

Итого, исходя из стандартных мощностей резисторов, получаем все резисторы по 0,5 Вт. Включив резисторы указанного номинала параллельно,
мы получим общее сопротивление 41
кОм нужной нам мощности.

Указанные выше параллельный и последовательный способы можно комбинировать, без проблем создавая
вот такие сборки, которые также легко рассчитываются при их разбивании на фрагменты:

[Вернуться в начало]

Полезные ссылки:

Физика работы светодиода — моя статья о физических процессах на уровне электронов,
вызывающих свечение светодиода.

novikov.gq

Преобразователь напряжение-ток для питания белого светодиода

EDN, June 27, 2002

Иногда возникает необходимость зажечь белый светодиод от одной 1,5 вольтовой батарейки. К сожалению, прямое напряжение белых светодиодов лежит в диапазоне от 3 до 4 вольт. Поэтому необходимо применить преобразователь напряжения, что бы светодиод мог работать от одной батарейки. Используя схему, изображённую на рисунке 1, содержащую всего несколько компонентов, можно заставить светиться один белый светодиод или два последовательно соединённых зелёных. Схема является преобразователем напряжение-ток и преобразует напряжение батареи в ток, питающий светодиод. Изменяя номинал резистора R3 можно регулировать ток, и как следствие яркость свечения светодиода. При включении переключателя S через резистор R2 на базу транзистора Q2 подаётся ток смещения. Транзистор Q2 включается, и его коллекторный ток через резистор R3, включает транзистор on Q1. Теперь ток, идущий через индуктивность L1 будет увеличиваться. Скорость роста тока зависит от величины индуктивности и напряжения питания. Ток через индуктивность L1 будет увеличиваться до тех пор, пока он не достигнет максимального значения, зависящего от коэффициента усиления транзистора Q1. Поскольку величина сопротивления R3 задаёт базовый ток транзистора Q1, то ток коллектора транзистора Q1 будет тоже ограничен.

Как только ток через индуктивность L1 достигнет максимального значения, то скорость изменения тока изменится. В этот момент полярность напряжения на индуктивности L1 поменяется на противоположную. Это отрицательное напряжение, пройдя через конденсатор C1, закроет транзистор Q2, а транзистор Q2 в свою очередь закроет транзистор Q1. Отрицательное напряжение на катушке L1 будет расти до тех пор, пока оно не достигнет прямого напряжения светодиода D1. Теперь всплеск тока, протекающего через индуктивность L1 и светодиод D1 падает до нуля. Далее транзистор Q2 снова включается током, проходящим через сопротивление R2, и цикл повторяется. Изменяя сопротивление резистора R3, можно установить максимальный ток, проходящий через индуктивность L1 и светодиод. Яркость светодиода линейно зависит от тока, протекающего через него. Поэтому изменяя значение резистора R3 можно регулировать яркость свечения.

Рис. 1.

Не важно, какой светодиод используется; прямое напряжение на светодиоде будет увеличивается до тех пор, пока пиковый ток через катушку L1 не потечёт через светодиод. Различные величины падения напряжения у различных светодиодов приводят к разной скважности импульсов, но пиковый ток, протекающий через светодиод, не меняется. С параметрами элементов, указанными на рисунке 1, схема генерирует на частоте примерно 30 кГц и даёт ток величиной 20 мА, протекающий через светодиод. Скважность импульсов зависит от отношения напряжения питания к прямому напряжению на светодиоде.

Преимущество данной схемы по сравнению с другими в том, что не требуется устанавливать токоограничительный резистор последовательно со светодиодом. Пиковый ток, проходящий через светодиод зависит от величины резистора R3 и коэффициента усиления транзистора Q1.

Сюзанна Нелл, г. Брайтенфурт, Австрия;
Под редакцией Билла Тревиса.

BACK

zpostbox.ru