Маленький ликбез любителям пересветки, часть 2
И снова всем привет!
Как и обещал, в этот раз я в двух словах расскажу о правилах включения светодиодов в электрическую цепь, о расчете режима работы светодиодов, выборе токоограничительных резисторов для них, а также о расшифровке цветового кода выводных резисторов.
О питании светодиодов в интернете информации масса, но, к сожалению, многие авторы собственных конструкций часто допускают ошибки, главная из которых допускается при включении в общую цепь нескольких светодиодов одновременно. Для начала разберем включение одного светодиода для работы от напряжения 12В, но перед этим определимся в терминологии.
Как я успел заметить, народ часто путает последовательное и параллельное соединение каких-либо элементов электрической цепи. Рассмотрим, ху из ху.
1. Последовательное соединение
Последовательно — это цепочкой, друг за другом, когда один вывод предыдущей детали соединен только с одним выводом следующей. Наглядный пример — хоровод:)
Главные особенности такого соединения:
— в случае с лампочками или светодиодами, они должны быть одинаковыми, рассчитанными на одно и то же напряжение и ток, иначе одни из них гореть не будут, а другие станут гореть слишком ярко, вплоть до перегорания;
— сумма напряжений, на которые рассчитана каждая лампочка, должна быть равна (в идеале) или примерно равна (на практике) напряжению батареи. Или же, с другой стороны, на каждой лампочке будет напряжение, равное напряжению батареи, деленному на число лампочек. Или же с третьей стороны: сумма напряжений на всех элементах последовательной цепи равна напряжению питания;
— в любом участке цепи будет протекать один и тот же ток;
— при перегорании любой лампочки погаснут все сразу, потому как цепь разорвется.
2. Параллельное соединение — все элементы цепи соединены так, что из двух выводов одни соединяются в один проводник, другие в другой. Наглядный пример — девушка и молодой человек держат друг друга за руки, стоя лицом к лицу:))) Ну, или дети, играющие в «паровозик».
Главные особенности:
— лампочки могут быть разной мощности, на разные токи, но на одинаковое напряжение, равное (в идеале) или примерно равное (на практике) напряжению батареи;
— на любом элементе будет одно и то же напряжение;
— ток, потребляемый от батареи равен сумме токов всех лампочек;
— при перегорании любой лампочки остальные продолжат гореть.
Есть еще и третий вариант соединения — соединение смешанное, когда несколько последовательных цепей соединены параллельно и наоборот.
В таком соединении каждый тип цепи имеет те же главные особенности, что и по отдельности. Кстати, если присмотреться, то цепь, показанная на рисунке 1, тоже является примером смешанного соединения: последовательная цепь лампочек подключена параллельно батарее:)))
Переходим к главному — к светодиодам. Лампочки в подсветке, например, приборной панели VDO 2110, соединены параллельно, каждая лампа рассчитана на напряжение 12В (для лампочки ее рабочее напряжение — определяющий параметр, мощность и число их зависит только от мощности источника питания) и может подключаться к питанию напрямую. Со светодиодом все иначе. При работе светодиода в расчетном, штатном режиме напряжение на нем обычно равно 3…3,3В, но определяющим параметром для него является не напряжение, а ток. Свойства полупроводника таково, что при плавном подъеме напряжения на нем, скажем, с помощью реостата регулировки подсветки, оно начинает расти от нуля до определенной величины (для светодиода это упомянутые 3…3,3В), после чего напряжение остается практически неизменным, дальше растет только ток. И когда он превысит некоторую величину, светодиод перегорает. Если подать на светодиод напряжение прямо с аккумулятора, оно-таки будет составлять 12 вольт, но срок жизни диода будет определяться секундами, если не долями секунд.
Чтобы светодиод стал работать от 12В, необходимо ограничить его ток, чтобы он не превышал максимально допустимого для светодиода значения. Это можно сделать несколькими способами: с помощью токоограничивающего резистора, стабилизатора тока, широтно-импульсной модуляции. Так как все это я пишу в расчете на начинающих, два последних способа мы опустим — тем, кто «в танке», это все уже не нужно — и рассмотрим метод расчета токоограничивающего резистора.
Для того, чтобы уменьшить, ограничить ток в цепи светодиода, нам нужно увеличить сопротивление этой цепи. Вспоминаем закон господина Ома:
где: I — ток, U — напряжение, R — сопротивление
Напряжение у нас всегда одно — 12В. Кто-то возразит — не 12, а 14,4В. Скажем, так: напряжение у нас всегда равно напряжению бортовой сети автомобиля, но чтобы уберечь светодиоды от выхода из строя, все расчеты будем делать для максимального напряжения — 14,4В. Так вот, напряжение у нас всегда одно и то же — 14,4В. Номинальный ток современных светодиодов обычно составляет 10…20 мА. Это (как, впрочем, и рабочее прямое падение напряжения на светодиоде — 3…3,3В величина, усредненная для основной массы белых-синих-красных-зеленых-RGB светодиодов в SMD исполнении) лучше уточнить по даташиту, если известен тип светодиода. Если же тип неизвестен, лучше принять значение 10 мА — светить будет послабее, зато точно не сгорит от перегрузки по току.
Чтобы увеличить сопротивление цепи светодиода, последовательно с ним включается токоограничивающий резистор:
Для определения его номинала узнаем, сколько вольт должно упасть на резисторе. Вспоминаем правило последовательной цепи: сумма напряжений на всех элементах равна напряжению питания. Питание у нас 14,4В. Номинальное напряжение на светодиоде — 3,3В.
14,4В — 3,3В = 11,1В
Именно такое напряжение должно быть на резисторе — 11,1В. Ток, протекающий в цепи (в том числе, и через светодиод) равен 10…20 мА. Например, для SMD-светодиода типоразмера 3528 номинальный ток равен обычно 20 мА, но для пущей сохранности возьмем немного меньше — 15мА. Выведем сопротивление из формулы закона Ома:
Напряжение на резисторе мы посчитали — 11,1В, ток через светодиод, а следовательно, и через резистор, мы выбрали — 15мА. Сопротивление резистора R = 11,1В / 15мА = 0,74 кОм. Вообще, если делать все по всем правилам, ток должен быть задан в амперах, при этом значение сопротивления получится в омах: 11,1В / 0,015А = 740 Ом. Что, по сути, то же самое:) Ближайший стандартный номинал к рассчитанной величине — 750 Ом. Расчет закончен.
Полезно бывает посчитать мощность резистора для уверенности, что он выдержит. Для этого нужно ток через резистор (на этот раз удобнее уже в амперах:) ) умножить на напряжение на нем: 11,1В * 0,015А = 0,17 Вт (округленно). Теперь расчет совсем закончен — чтобы запитать один светодиод, нам нужен резистор мощностью 0,25 Вт (ближайшее вверх стандартное значение) сопротивлением 750 Ом.
Для удобства сведу все в одну кучу, пусть шпаргалка будет:
Вместо резистора в цепь можно включить стабилизатор тока, простых схем сейчас много в сети. Может быть, когда-нибудь руки дойдут до их описания.
Чаще всего при пересветке всяческих панелей (приборных, печек и т.п.) светодиоды объединяют в группы (обычно по три, реже — по два), при этом экономятся резисторы. И вот тут самое главное правило: светодиоды в группе необходимо соединять только последовательно!
Почему? Все просто. В последовательной цепи через все элементы течет один и тот же ток, который мы можем точно определить и задать с помощью резистора. В параллельной же мы можем задать только общий ток всей цепи, он будет равен сумме токов через светодиоды. Идеального на свете ничего нет, светодиоды тоже имеют разброс параметров: одни потребляют меньший ток, другие больший и может получиться так, что при токе через три «неправильных» светодиода 45 мА (по 15 мА на каждого — вроде справедливо, правда?), но сильном разбросе их параметров на два из диодов может прийтись по 10 мА, а вот третьему достанутся оставшиеся 25, он обидится один раз — и все. А в сумме получатся те же 45 мА.
Так что вот оно, самое железное правило: несколько светодиодов с одним резистором — только последовательно. А вот эти группы между собой соединяем уже параллельно, потому как каждая из них будет рассчитана на 14,4В.
Расчет для группы из двух-трех диодов ничем не отличается от приведенного, только при расчете напряжения на резисторе из напряжения питания нужно вычитать сумму напряжений всех светодиодов в группе (6,6В — для двух, 9,9 — для трех). Сопротивление и мощность вычисляются одинаково.
На этом, собственно, все:)
Ну и напоследок, обещанная таблица цветовой кодировки резисторов и онлайн-сервис для ее расшифровки.
Спасибо за внимание! Всем правильных схем и хорошего настроения:) До новых встреч в эфире!
Калькулятор токоограничительного резистора для одноцветного светодиода
История развития светодиодов длится уже 100 лет. В начале XX века описывалось явление излучения света из материалов при воздействии электрических полей и эффект был назван «фотолюминесценция». Cовершенно случайно британский радиоинженер, капитан Генри Джозеф Раунд открыл прообраз современного светодиода. Раунд рассказал об этом интересном эффекте в 1907 г. в своей заметке, где описал только сам эффект желтого свечения от двухполярной структуры. В 1923 г. советский ученый Олег Владимирович Лосев, детально изучил детектор на основе карбида-кремния и смог сфотографировать свечение, испускаемое детектором, содержащим случайно созданный p-n переход.
Прогресс в исследованиях и производстве СИД последовал в 60-70х гг. прошлого века с развитием новых материалов для светодиодов красного, желтого, оранжевого и зеленого цветов свечения. В 1960 г. были созданы первые СИД(свето-излучающие диоды) и лазеры ближнего ИК-диапазона на основе GaAs. Параллельно с этим появились фотоприемники на основе полупроводников. Первый синеватозеленый СИД со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) создал Жак Панков (Яков Исаевич Панченков) с соавторами в 1971 г. Эти СИД изготовляли путем эпитаксиального осаждения нитрида галлия, обладающего электронной проводимостью, на сапфировую подложку, после наносили изолирующий слой из нитрида галлия с примесью цинка.
Современные светодиоды выпускаются в очень широком диапазоне цветов в том числе ИК и УФ диапазонов. Могут быть как одноцветными, так и многоцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разных цветов), — например, RGB. Светодиоды характеризуются электрическими и световыми параметрами. Электрические характеристики: прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность, вольт-амперная характеристика. Световые параметры: световой поток, сила света, угол рассеяния, цвет (или длина волны), цветовая температура, световая отдача.
Типы светодиодов
DIP-светодиоды
SMD-светодиоды
Технические характеристики
Прямой номинальный ток — рабочий ток, при котором светодиод будет нормально работать и p-n-переход не будет пробит и не перегреется.Величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, типа полупроводника, цвета свечения.
Прямое напряжение — падение напряжения на p-n-переходе светодиода при рабочем токе.По значению напряжения можно определить химический состав полупроводника.
- красные (галлия фосфид) — от 1,63 до 2,03 В
- оранжевые (галлия фосфид) — от 2,03 до 2,1 В;
- желтые (галлия фосфид) — от 2,1 до 2,18 В;
- зеленый (галлия фосфид) — от 1,9 до 4 В;
- синий (селенид цинка) — от 2,48 до 3,7 В;
- фиолетовый (индия-галлия нитрид) — от 2,76 до 4 В.
Максимальное обратное напряжение светодиода — это напряжение обратной полярности, при котором происходит пробой кристалла и светодиод выходит из строя.
Максимальная мощность рассеяния — мощность, которую корпус светодиода способен рассеивать в рабочем режиме.
Сила света количественно отражает интенсивность светового потока в определенном направлении и указывается в милликанделах.Чем меньше угол рассеяния — тем больше будет сила света светодиода.
Под световым потоком в один люмен понимают световой поток, испускаемый точечным изотропным источником с силой света, равной одной канделе, в телесный угол в один стерадиан.
Длина волны измеряется в нанометрах и характеризует цвет излучаемого светодиодом света. Зависит от химического состава полупроводникового кристалла, например:
- красные — от 610 нм до 760 нм;
- оранжевые — от 590 до 610 нм;
- желтые — от 570 до 590 нм;
- зеленый — от 500 до 570 нм;
- синий — от 450 до 500 нм;
- фиолетовый — от 400 до 450 нм.
Угол рассеяния светодиода измеряется в градусах.
Формула расчета токоограничительного резистора для светодиода
Для ограничения прямого тока через светодиод в цепь включают резистор. Требуемое значение находят из соотношения:
Расчёт резистора для светодиода. Подключение светодиодов к бортовой сети. Часть 1. Заповедь 1 — не сожги.
Вот тут я обещал рассказать о том, как можно рассчитать номинал резистора для того, чтобы бортовая сеть вашего автомобиля не сожгла светодиоды, которые вы к ней подключите.
Для начала определимся с терминологией (люди, знакомые с электроникой, могут перейти к следующему пункту).
Падение напряжения — напряжение U (измеряется в вольтах, V) — которое потребляет светодиод (да-да, совершенно нагло съедает его!).
Оно же — напряжение питания. Не путать с напряжением источника питания.
Рабочий ток — ток I (измеряется в амперах, А. мы будем измерять в миллиамперах — 1 мА = 0.001 А).
Сопротивление — R измеряется в омах — Ом. Именно в этих единицах измеряются резисторы (сопротивления).
Напряжение источника питания — в нашем случае напряжение бортовой сети автомобиля и равно примерно 12V при заглушенном двигателе и 14V при заведённом (при условии исправной работы генератора).
С терминологией вроде всё. Перейдём к теории.
Вот примерное падение напряжения для каждого из основных цветов светодиодов.
Красный — 1,6-2,03
Оранжевый — 2,03-2,1в
Жёлтый — 2,1-2,2в
Зелёный — 2,2-3,5в
Синий — 2,5-3,7в
Фиолетовый — 2,8-4в
Белый — 3-3,7в
Реальные значения могут немного колебаться в ту или иную сторону. О том, как точно выяснить сколько потребляет конкретный светодиод — ссылка ниже.
Разница связана с использованием в них разных материалов кристалла, что и даёт, собственно говоря, разную длину испускаемой волны, а равно и разный цвет.
Средний же рабочий ток для маломощных светодиодов составляет около 0.02А = 20мА.
В чём же, спросите вы, загвоздка? Всё ведь просто — подключил светодиод соблюдая полярность и он светит тебе.
Да, всё так, но светодиод – предмет тёмный, изучению не подлежит интересный.
Тогда как напряжения питания он забирает на себя ровно столько, сколько ему требуется, ток превышающий его рабочий ток, попросту сожжёт кристалл.
Давайте возьмём пример. Имеется светодиод оранжевого цвета, который, согласно приведённой выше таблице, имеет напряжение питания порядка 2,1V, и рабочий ток 20мА. Если мы обрушим на него всю мощь бортовой сети нашего автомобиля, то напряжение в цепи, в которую он включен, снизится на ~2.1V, правда, избыточный ток тут же его сожжёт…
Как же быть, если нам, например, нужно установить светодиод для подсветки замка зажигания?
Всё просто – нужно лишить участок цепи, в которую включен светодиод, избыточного тока.
Как? – спросите вы. Всё просто. Был такой дядя, Георг Ом, который вывел известную любому старшекласснику формулу (закон Ома для участка цепи) – U=I*R (где U – напряжение, I – ток, R – сопротивление.)
Переворачиваем эту прекрасную формулу, получая R=U/I.
В нашем случае R – сопротивление (номинал резистора), которое нам потребуется; U – напряжение в участке цепи, I – рабочий ток нашего светодиода.
Vs – напряжение источника питания
Vl – напряжение питания светодиода
Таким образом R=(Vs-Vl)/I=(12-2.1)/0.02=9.9/0.02=495 Ом – номинал резистора, который необходимо включить в цепь, дабы напрямую подключить светодиод к бортовой сети при выключенном двигателе.
Для работы при включенном двигателе рассчитываем так же, только Vs берём уже 14В.
Настоятельно рекомендую производить расчёты для авто, беря за напряжение бортовой сети 14В, иначе ваши светодиоды достаточно быстро выйдут из строя.
Если взять номинал больше, например 550-600 Ом, то светодиод будет светить чуть менее ярко.
Если номинал будет меньше, то «свет твоей звезды будет коротким, хоть и очень ярким».
Достоверно узнать, сколько вольт потребляет конкретный светодиод, можно подключив его к источнику постоянного напряжения в 3-5 вольт, подсоединив последовательно вольтметр (можно использовать электронный мультиметр, включив его в соответствующий режим), после чего посчитать насколько снизилось напряжение в цепи. И исходя уже их этих, конкретных данных, рассчитать требуемый вам резистор. Подробнее об этом методе читайте здесь. (потребляемый ток можно вычислить так же).
В конце хочу сказать вам, что настоятельно рекомендую использовать номинал резистора немного выше чем расчётный, что, несомненно, продлит жизнь светодиодам.
Для определения резистора по цветовой маркировке (а именно так обозначаются современные резисторы, за исключением тех, что в SMD-корпусах) рекомендую использовать этот онлайн-калькулятор.
www.chipdip.ru/info/rescalc
Спасибо, что читаете мой БЖ, мне очень приятно. Если остались вопросы — задавайте не стесняясь — всем отвечу.
Калькулятор токоограничительного резистора для RGB-светодиода
История развития светодиодов длится уже 100 лет. В начале XX века описывалось явление излучения света из материалов при воздействии электрических полей и эффект был назван «фотолюминесценция». Cовершенно случайно британский радиоинженер, капитан Генри Джозеф Раунд открыл прообраз современного светодиода. Раунд рассказал об этом интересном эффекте в 1907 г. в своей заметке, где описал только сам эффект желтого свечения от двухполярной структуры. В 1923 г. советский ученый Олег Владимирович Лосев, детально изучил детектор на основе карбида-кремния и смог сфотографировать свечение, испускаемое детектором, содержащим случайно созданный p-n переход.
Прогресс в исследованиях и производстве СИД последовал в 60-70х гг. прошлого века с развитием новых материалов для светодиодов красного, желтого, оранжевого и зеленого цветов свечения. В 1960 г. были созданы первые СИД(свето-излучающие диоды) и лазеры ближнего ИК-диапазона на основе GaAs. Параллельно с этим появились фотоприемники на основе полупроводников. Первый синеватозеленый СИД со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) создал Жак Панков (Яков Исаевич Панченков) с соавторами в 1971 г. Эти СИД изготовляли путем эпитаксиального осаждения нитрида галлия, обладающего электронной проводимостью, на сапфировую подложку, после наносили изолирующий слой из нитрида галлия с примесью цинка.
Современные светодиоды выпускаются в очень широком диапазоне цветов, в том числе ИК и УФ диапазонов. Светодиоды характеризуются электрическими и световыми параметрами. Электрические характеристики: прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность, вольт-амперная характеристика. Световые параметры: световой поток, сила света, угол рассеяния, цвет (или длина волны), цветовая температура, световая отдача. По мере развития, появились уникальные RGB-светодиоды,в корпусе которых расположены сразу три светодиода: красный, зеленый и синий. Таким образом, изменяя яркость свечения отдельных цветов: красного, зеленого или голубого спектра, мы можем генерировать разные цвета свечения. Поскольку светодиоды очень близки, расположены на кристалле друг к другу, мы можем видеть только конечный результат цвета, а не три цвета по отдельности.
Цветовая модель RGB: «Red-Green-Blue» (красный-зеленый-голубой)
Технические характеристики RGB-светодиода
Прямой номинальный ток — рабочий ток, при котором светодиод будет нормально работать и p-n-переход не будет пробит и не перегреется.Величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, типа полупроводника, цвета свечения.
Прямое напряжение — падение напряжения на p-n-переходе светодиода при рабочем токе.По значению напряжения можно определить химический состав полупроводника.
- красные (галлия фосфид) — от 1,63 до 2,03 В
- оранжевые (галлия фосфид) — от 2,03 до 2,1 В;
- желтые (галлия фосфид) — от 2,1 до 2,18 В;
- зеленый (галлия фосфид) — от 1,9 до 4 В;
- синий (селенид цинка) — от 2,48 до 3,7 В;
- фиолетовый (индия-галлия нитрид) — от 2,76 до 4 В.
Максимальное обратное напряжение светодиода — это напряжение обратной полярности, при котором происходит пробой кристалла и светодиод выходит из строя.
Максимальная мощность рассеяния — мощность, которую корпус светодиода способен рассеивать в рабочем режиме.
Сила света количественно отражает интенсивность светового потока в определенном направлении и указывается в милликанделах.Чем меньше угол рассеяния — тем больше будет сила света светодиода.
Под световым потоком в один люмен понимают световой поток, испускаемый точечным изотропным источником с силой света, равной одной канделе, в телесный угол в один стерадиан.
Длина волны измеряется в нанометрах и характеризует цвет излучаемого светодиодом света. Зависит от химического состава полупроводникового кристалла, например:
- красные — от 610 нм до 760 нм;
- оранжевые — от 590 до 610 нм;
- желтые — от 570 до 590 нм;
- зеленый — от 500 до 570 нм;
- синий — от 450 до 500 нм;
- фиолетовый — от 400 до 450 нм.
Угол рассеяния светодиода измеряется в градусах.
Типовое размещение (распиновка) контактов
Внимание! Проверяйте назначение выводов по техническому описанию производителя перед монтажом светодиода!
Расчет токоограничительного резистора для RGB-светодиода
Для расчета введите необходимые технические параметры или введите НОМЕНКЛАТУРНЫЙ НОМЕР светодиода с нашего сайта.