Розрахунок опору для світлодіода

Онлайн програма для розрахунку резистора при підключенні світлодіодів

Світлодіод – нелінійний напівпровідниковий прилад, в якому для правильної і надійної роботи необхідний стабільний струм. Перевантаження по струму можуть вивести світлодіод з ладу. Найпростіший варіант схеми живлення в такому випадку – обмежувальний резистор, включений послідовно. Розрахунок номінального опору та потужності резистора для світлодіода не дуже складне завдання, якщо правильно розуміти фізику процесу. Розглянемо загальні принципи такого розрахунку, а потім розберемо кілька конкретних прикладів з практики.

Теорія

У загальному випадку схема виглядає так.

a677d5079baaac39bde857e027b58cde Розрахунок опору для світлодіода

Малюнок 1

Між контактами «+» і «-» прикладається напруга. Позначимо його буквою U. Струм через резистор і світлодіод буде протікати однаковий, т. к. послідовне з’єднання. Згідно із законом Ома отримуємо:

367cbefbf6df39cf21694a3024c4a7df Розрахунок опору для світлодіода

де R – опір резистора;

rLED– опір світлодіода (диференціальний).

Звідси висловлюємо формулу, за якою можна провести розрахунок опору резистора R при заданому струмі I:

176945a603799f53531857ff23967687 Розрахунок опору для світлодіода

Розберемося що таке диференціальний опір світлодіода rLED. Для цього нам буде потрібно його вольт-амперна характеристика (ВАХ).

3e53d096a1bc4bec43327c67e313e803 Розрахунок опору для світлодіода

Малюнок 2

Як видно з графіків ВАХ світлодіодів – нелінійна. Говорячи простою мовою, його опір постійному струму r=U/I є змінна величина, яка зменшується з ростом напруги. Тому вводиться поняття диференціального опору rLED=dU/dI, яке характеризує опір діода в окремо взятій точці кривої ВАХ.

Щоб зробити розрахунок резистора для світлодіода, визначаємо по графіку пряму напругу на світлодіоді ULED при заданому струмі I. Потім підставляємо отримане значення в формулу (2) і отримуємо

b5883a3ec71ce51e3770bea1a399f92e Розрахунок опору для світлодіода

Ще один спосіб розв’язання задачі – графічний.

Припустимо необхідно розрахувати опір резистора для забезпечення світлодіоду робочого струму величиною 100 мА при напрузі джерела живлення – 5 вольт.

Для цього спочатку на графіку ВАХ світлодіода відзначаємо точку відповідну струму 100 мА (див. малюнок 3), потім проводимо через цю точку і точку відповідну 5 вольтів на осі абсцис навантажувальну пряму до перетину з віссю ординат. Визначаємо значення струму, відповідне цього перетину (в нашому випадку 250 мА) і за законом Ома виробляємо розрахунок опору резистора R= U / i кз= 5 / 0,25 А =20 Ом. Перед розрахунком не забуваємо здійснювати переклад одиниць виміру до належного вигляду.

a519f123a7791ae56021775ba81788de Розрахунок опору для світлодіода

Малюнок 3

Наступним кроком буде визначення потужності, що розсіюється на резисторі. Формула повинна бути знайома всім з шкільної фізики (як і закон Ома):

P=I2×R. (4)

Практика

Розглянемо кілька конкретний приклад розрахунку.

Вихідні дані: напруга живлення 12В, білий світлодіод XPE (CREE) потрібно включити на номінальний струм 350 мА згідно зі схемою, представленої на малюнку 1.

Знаходимо в data sheet значення прямого падіння напруги при струмі 350 мА (малюнок 4).

f77a12d7bd49d01dfe7c2d7c16bd73ee Розрахунок опору для світлодіода

Малюнок 4

Типове значення з таблиці — 3,2 вольта. Максимальне значення може досягати 3,9 вольт. Тобто в результаті виробничого процесу може вийти як світлодіод з прямим напругою 3,2 так і 3,9 (або будь-яким іншим проміжним значенням), але ймовірність отримання 3,2 вольт найбільш висока (якщо хочете – це «математичне очікування» цієї величини). З цієї причини в розрахунок зазвичай береться типове значення.

Використовуючи формулу (3) і калькулятор отримуємо:

R=(12-3,2)/0,35»25,1 Ом.

Найближче значення з ряду Е24 – 24 Ом. Значення струму при цьому опорі вийде 367 мА, що на 5% перевищує потрібне значення. Якщо врахувати ще й допуск на номінал резистора, який для ряду Е24 також 5%, то в гіршому випадку виходить взагалі 386 мА. Якщо таке відхилення не допустимо, то можна додати в ланцюг послідовно ще один резистор номіналом 1 Ом. Всі ці дії рекомендується супроводжувати реальними вимірами опорів резисторів і виходять струмів, інакше ні про яку точності не може йти і мови. Резистор 24 Ом може мати похибку в бік збільшення до 25,2 Ом, додавши 1 Ом, отримаємо 26, 2 і «перекіс» сили струму через світлодіод в протилежну сторону.

Припустимо, що нам не потрібна висока точність завдання струму і резистор 24 Ом нас влаштовує.

Визначимо потужність, яка буде розсіюватися на резисторі за формулою (4):

P=0,3672×24»3,2 Вт.

Номінальна потужність розсіювання резистора повинна бути із запасом не менше 30%, інакше він буде перегріватися. А якщо умови відводу тепла ускладнені (наприклад, в корпусі погана конвекція), то запас повинен бути ще більше.

У підсумку вибираємо резистор потужністю 5 Вт з номінальним опором 24 Ом.

Для того щоб оцінити ефективність отриманого світлотехнічного пристрою необхідно розрахувати ККД схеми живлення:

9ce39f6ac313480b83db2b577fef5712 Розрахунок опору для світлодіода

Таким чином, ККД такої схеми живлення становить всього 27%. Така низька ефективність обумовлена занадто високим годує напругою 12 вольт, а точніше різницею між U і ULED. Виходить, що 8,8 вольт ми змушені «гасити» на резисторі за рахунок марного розсіювання потужності в навколишній простір. Для підвищення ККД потрібно або зменшити напруги живлення, або знайти світлодіод з великим прямим напругою. Як варіант можна включити кілька світлодіодів послідовно, виконавши підбір таким чином, щоб сумарне падіння було ближче до напруги живлення, але ні в якому разі не перевищувало його.

Необхідне значення опору для резистора можна і підібрати, якщо є в наявності магазин опорів і амперметр. Включаємо магазин і амперметр в ланцюг послідовно світлодіоду (на місце передбачуваного резистора), встановлюємо максимальне значення опору і підключаємо до джерела напруги. Далі починаємо зменшувати значення опору до тих пір, поки сила струму не досягне потрібного значення або світлодіод потрібної яскравості (в залежності від того, що буде критерієм). Залишиться тільки вважати значення опору з магазину і виконати підбір найближчого номіналу.

Ремарка

У даних розрахунках ми знехтували залежність прямої напруги світлодіода від його температури, однак не слід забувати, що така залежність існує і характеризується параметром «температурний коефіцієнт напруги» або скорочено ТКН. Його значення відрізняється для різних видів світлодіодів, але завжди має від’ємне значення. Це означає, що при підвищенні температури кристала, пряме напруга на ньому стає менше. Наприклад, для розглянутого вище білого світлодіода XPE значення ТКН (воно приводиться виробником data sheet) становить -4 мВ/°С. Отже при збільшенні температури кристала на 25°С, пряме напруга на ньому зменшиться на 0,1 В.

76e1b269d105f5385347e6cbe90aca5e Розрахунок опору для світлодіода

Малюнок 5

Багато провідні виробники світлодіодів мають на офіційних сайтах спеціальний сервіс – «онлайн калькулятор», призначений для обчислення параметрів світлодіодів в різних режимах експлуатації (в залежності від температури, струму тощо). Цей інструмент значно полегшує процедури розрахунку та економить час розробнику.