Какое сопротивление у диода

Применим ли закон Ома к диоду?

Задавались ли вы вопросом, выполняется ли известный закон Ома, который гласит, что ток, протекающий через проводник, пропорционален напряжению, действующему между концами проводника, например, для полупроводников? Оказывается, что не все элементы электрической цепи подчиняются этому закону. В этой статье вы узнаете больше об этом.

Что такое диод и как он работает?

Диод (англ. diode) — это двухконтактный (двухэлектродный) электронный компонент, который проводит электричество асимметрично, то есть больше в одном направлении, чем в другом. Исторически первыми диодами были кристаллические детекторы и вакуумные диоды. Сегодня наиболее распространенным типом являются полупроводниковые диоды, построенные из двух слоев по-разному легированного полупроводника, которые вместе образуют p-n-переход.

Диод (рис. 1.) — это электронный компонент, основным свойством которого является неравномерное проведение тока в двух направлениях. В направлении хорошей проводимости, при электрическом напряжении постоянной величины, электрический ток может быть более чем в миллион раз больше, чем в противоположном направлении — так называемом направлении прекращения проводимости.

Работа диода хорошо иллюстрируется характеристикой ток-напряжение, т.е. зависимостью тока, протекающего через диод, от приложенного электрического напряжения — рис. 2. Эта характеристика выглядит одинаково для большинства типов диодов.

Из рисунка видно, что в направлении проводимости (положительные напряжения) уже при небольшом напряжении — обычно ниже — 1 В через диод начинает протекать достаточно большой электрический ток. Напряжение, при котором диоды работают в направлении проводимости, составляет от примерно 0,3 В для германиевых диодов до примерно 4 В для фиолетовых светоизлучающих диодов.

Рабочие токи, используемые на практике, могут варьироваться от нескольких десятков миллиампер в светодиодах до нескольких килоампер в диодах, используемых в электротехнике. Все диоды имеют определенный максимальный ток, превышение которого чревато разрушением структуры диода.

В обратном направлении через диоды протекает очень маленький электрический ток, даже меньше 10 -6 A. После достижения напряжения пробоя ток быстро увеличивается и мало зависит от приложенного электрического напряжения.

Напряжение пробоя варьируется от нескольких вольт для обычного диода до нескольких тысяч вольт для диодов, используемых в электротехнике.

Почему диоды не подчиняются закону Ома?

Закон Ома гласит, что сила тока, протекающего через проводник или другой элемент электрической цепи, прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому проводнику (другому элементу цепи). Мы можем выразить этот закон формулой:

I = U / R

где U — электрическое напряжение, приложенное к проводнику, I — электрический ток, протекающий под действием этого электрического напряжения, а R — электрическое сопротивление проводника (или другого элемента цепи).

Закон Ома выполняется для тех элементов цепи, для которых сопротивление постоянно и не зависит от напряжения.

Закон Ома выполняется для металлических проводников, но не во всем диапазоне тока. При больших электрических токах проводники начинают нагреваться в результате протекания электрического тока, и повышение температуры приводит к увеличению их электрического сопротивления.

Для элементов цепи, в диапазоне напряжений, при которых выполняется закон Ома, график зависимости электрического тока от напряжения представляет собой прямую линию (рис. 3.), независимо от направления приложенного напряжения. Наклон графика зависит от электрического сопротивления рассматриваемого элемента.

Если график зависимости электрического тока от напряжения не является прямой линией, то данный элемент цепи не подчиняется закону Ома — электрическое сопротивление этих элементов изменяется с изменением напряжения (рис. 4.).

Как видно из характеристики ток-напряжение диода, показанной на рис. 2, диоды не подчиняются закону Ома, и их электрическое сопротивление изменяется в очень широком диапазоне и зависит как от величины электрического напряжения, так и от направления, в котором оно приложено. Причина таких свойств диода кроется в явлениях, происходящих на p-n переходе.

Как рассчитать резистор для светодиодов — формулы с примерами + онлайн калькулятор

Светодиоды разных оттенков цвета имеют разные по величине прямые рабочие напряжения. Они задаются выбором токоограничивающего сопротивления светодиода. Чтобы вывести световой прибор на номинальный режим, нужно запитать p-n переход рабочим током. Для этого производят расчет резистора для светодиода.

Таблица напряжения светодиодов в зависимости от цвета

Рабочие напряжения светодиодов разные. Они зависят от материалов полупроводникового p-n перехода и связаны с длиной волны излучения света, т.е. оттенка цвета свечения.

Таблица номинальных режимов разных оттенков цвета для расчета гасящего сопротивления приведена ниже.

Цвет свечения	Прямое напряжение, В
Оттенки белого	3–3,7
Красный	1,6-2,03
Оранжевый	2,03-2,1
Желтый	2,1-2,2
Зеленый	2,2-3,5
Синий	2,5-3,7
Фиолетовый	2,8-4,04
Инфракрасный	Не более 1,9
Ультрафиолетовый	3,1-4,4

Из таблицы видно, что на 3 вольта можно включать излучатели всех видов свечения, кроме устройств с белым оттенком, частично фиолетовых и всех ультрафиолетовых. Это вязано с тем, что нужно какую-то часть напряжения источника питания «израсходовать» на ограничение тока через кристалл.

При источниках питания 5, 9 или 12 В можно питать единичные диоды или последовательные их цепочки из 3 и 5-6 штук.

Последовательные цепочки снижают надежность устройств, в которых они используются, примерно в число раз, соответствующее количеству светодиодов. А параллельное включение повышает надежность в той же пропорции: 2 цепочки – в 2 раза, 3 – в 3 раза и т.д.

Но небывалая для источников света длительность их работы от 30-50 до 130-150 тысяч часов оправдывает падение надежности, т.к. от нее зависит срок службы устройства. Даже 30-50 тыс. часов работы по 5 часов в сутки – 4 часа вечером и 1 утром каждый день — это 16-27 лет работы. За это время большинство светильников морально устареет и будет утилизировано. Поэтому последовательное соединение широко используется всеми производителями светодиодных устройств.

Онлайн калькулятор для расчета светодиодов

Для автоматического расчета понадобятся следующие данные:

• напряжение источника или блока питания, В;
• номинальное прямое напряжение устройства, В;
• прямой номинальный рабочий ток, мА;
• количество светодиодов в цепочке или включенных параллельно;
• схема подключения светодиода(ов).

Исходные данные можно взять из паспорта диода.

После введения их в соответствующие окна калькулятора нажмите на кнопку «Рассчитать» и получите номинальное значение резистора и его мощность.

Расчет величины резистора-токоограничителя

На практике используют два вида расчета – графический, по ВАХ – вольтамперной характеристике конкретного диода, и математический – по его паспортным данным.

• Е – источник питания, имеющий на выходе величину Е;
• «+»/«–» – полярность подключения светодиода: «+» – анод, на схемах показывается треугольником, «-» – катод, на схемах – поперечная черточка;
• R – токоограничивающее сопротивление;
• U_led – прямое, оно же рабочее напряжение;
• I – рабочий ток через прибор;
• напряжение на резисторе обозначим как U_R.

Тогда схема для расчета примет вид:

Рассчитаем сопротивление для ограничения тока. Напряжение U в цепи распределится так:

U = U_R + U_led или U_R + I × R_led, в вольтах,

где R_led – внутреннее дифференциальное сопротивление p-n перехода.

Математическими преобразованиями получаем формулу:

R = (U-U_led)/I, в Ом.

Величину U_led можно подобрать из паспортных значений.

Проведем расчет величины токоограничивающего резистора для LED производства компании Cree модели Cree XM–L, имеющий бин T6.

Его паспортные данные: типовое номинальное U_LED = 2,9 В, максимальное U_LED = 3,5 В, рабочий ток I_LED=0,7 А.

Для расчета используем U_LED = 2,9 В.

R = (U-U_led)/I = (5-2,9)/0,7 = 3 Ом.

Рассчитанная величина равна 3 Ом. Выбираем элемент с допуском точности ± 5%. Этой точности с избытком хватит чтобы установить рабочую точку на 700 мА.

Округлять величину сопротивления следует в большую сторону. Это уменьшит ток, световой поток диода и повысит надежность работы более щадящим тепловым режимом кристалла.

Рассчитаем требуемую мощность рассеивания для этого резистора:

P = I² × R = 0,7² × 3 = 1,47 Вт

Для надежности округлим ее до ближайшей большей величины – 2 Вт.

Схемы последовательного и параллельного включения LED широко используются и показывают особенности этих видов соединения. Последовательное включение одинаковых элементов делит напряжение источника поровну между ними. При разных внутренних сопротивлениях – пропорционально сопротивлениям. При параллельном соединении напряжение одинаковое, а ток – обратно пропорционален внутренним сопротивлениям элементов.

При последовательном соединении LED

При последовательном соединении первый в цепочке диод анодом соединен с «+» источника питания, а катодом – с анодом второго диода. И так до последнего в цепочке, катод которого соединен с «-» источника. Ток в последовательной цепи один и тот же во всех ее элементах. Т.е. через любой световой прибор он одной и той же величины. Внутреннее сопротивление открытого, т.е. излучающего свет кристалла, составляет десятки или сотни ом. Если через цепочку течет 15-20 мА при сопротивлении 100 Ом, то на каждом элементе будет по 1,5-2 В. Сумма напряжений на всех приборах должна быть меньше, чем у источника питания. Разницу обычно гасят специальным резистором, который выполняет две функции:

• ограничивает номинальный рабочий ток;
• обеспечивает номинальное прямое напряжение на светодиоде.

Подключение светодиода к 12 вольтам

При параллельном соединении

Параллельное включение может быть выполнено двумя способами.

Верхняя картинка показывает как включать не желательно. При таком подключении одно сопротивление обеспечит равенство токов только при идеальных кристаллах и одинаковой длине подводящих проводников. Но разброс параметров полупроводниковых приборов при изготовлении не позволяет сделать их одинаковыми. А подбор одинаковых – резко увеличивает цену. Разница может достигать 50-70% и более. Собрав конструкцию, получите разницу в свечении не менее 50-70%. Кроме того, выход из строя одного излучателя изменит работу всех: при обрыве цепи один погаснет, остальные станут светить ярче на 33% и станут больше греться. Перегрев будет способствовать их деградации – изменению оттенка свечения и уменьшению яркости.

В случае короткого замыкания в результате перегрева и сгорания кристалла возможен выход из строя токоограничивающего сопротивления.

Нижний вариант позволяет задать нужную рабочую точку любого диода даже при их разной номинальной мощности.

На напряжение 4,5 В последовательно подсоединяют по три LED-элемента и одно токоограничивающее сопротивление. Получившиеся цепочки соединяют параллельно. Через каждый диод течет 20 мА, а через все вместе – 60 мА. На каждом из них получается меньше, чем 1,5 В, а на токоограничителе – не менее, чем 0,2-0,5 В. Интересно, что если использовать источник питания 4,5 В, то с ним работать смогут только инфракрасные диоды с прямым напряжением менее 1,5 В, или нужно увеличивать питание хотя бы до 5 В.

Непосредственно параллельное соединение LED-элементов (верхняя часть схемы) использовать не рекомендуется из-за разброса параметров в 30-50% и более. Используют схему с индивидуальными сопротивлениями на каждый диод (нижняя часть) и соединяют уже пары диод-резистор параллельно.

Когда один светодиод

Резистор для одиночного LED используется только при их мощностях до 50-100 мВт. При больших значениях мощности заметно уменьшается КПД схемы питания.

Если прямое рабочее напряжение диода значительно меньше напряжения источника питания, применение ограничительного резистора ведет к большим потерям. Электроэнергия высокого качества и стабильности, с тщательно отфильтрованными пульсациями, обеспеченная 3-5 видами защиты блока питания не преобразуется в свет, а просто пассивно рассеивается в виде тепла.

На больших мощностях в ход идут драйверы – стабилизаторы тока номинальной величины.

Использование токоограничивающего резистора для задания рабочих характеристик светодиода – простой и надежный способ обеспечить его работу в оптимальном режиме.

Видео-примеры простейшего расчета сопротивления.

Но при мощности диода более сотни милливатт нужно применять автономные или встроенные источники стабилизации тока или драйверы.

Панков Алексей

Инженер-электрик. Специалист по проектированию и эксплуатации электротехнических изделий.

факторы от которых зависит сопротивление диода?

Важнейшим параметром является внутреннее сопротивление диода, т. е. сопротивление промежутка анод — катод, который проводит ток, поскольку в нем имеются свободные электроны. Величина этого сопротивления вследствие нелинейных свойств диода различна для постоянного и переменного тока. Сопротивление диода при постоянном токе Ro, иначе называемое статическим, определяется отношением анодного напряжения к анодному току:

В разных точках характеристики диода, т. е. для разных значений тока, величина Ro различна. Это является особенностью всех нелинейных приборов.
Внутреннее сопротивление диода для переменного тока Ri (точнее, для изменений тока) , называемое обычно просто внутренним сопротивлением, а иногда дифференциальным, является основным параметром. На среднем участке характеристики, который приближенно, можно считать прямолинейным, Ri практически не изменяется. Величину Ri определяют как отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока. Если некоторому анодному напряжению Uа соответствует ток Iа1 а при новом значении напряжения Ua2 ток становится равным Ia2, то:

Изменение или, как говорят в математике, приращение той или иной величины обозначают символом Δ (греческая буква дельта) и поэтому формулу для определения Ri можно записать так:

Какого сопротивление светодиода? И какое сопротивление источника при ЭДС в 9В?

9 вольт. . если имел ввиду крону то у нее от 10 (свежая) 50 (стабильно) 100 (старая) .
На светодиод лучше ставить резистор. Рассчитать можно.
Правильно:
Если знаешь марку светодиода, ищешь на нее даташит в интернете. смотришь ВАХ там видно что есть ток насыщения т. е. ярче он светить не будет. Ну и берешь считаешь U=IR; R=U/I; R=Rвн+Rр
Rр=9/Iнас-50 ну и подбираешь ближайший стандартный

Обычно:
На мелкие светодиодики ставишь резистор 270 — 560 ом если питаешь от кроны. Подбираешь так чтобы ярко светили и не сильно грелись. Если просто подключить к свежей кроне то через минуту он расплавится.

И это делается потому что прямое сопротивление диода равно почти нулю.

Артём ТроицкийГуру (3318) 13 лет назад
Спасибо. Так при таком сопротивлении гореть небудет если у меня 11 свето диодов при 9-ти Вольтах
Остальные ответы

1. Светодиод является нелинейным элементом, поэтому в каждой точкке его вольт-амперной характеристики у него разное сопротивление. К тому же у разных типов и даже экземпляров светодиодов характеристики разные. В справочниках можно найти только усредненные характеристики.
2. ЭДС источника и его внутреннее сопротивление — независимые параметры. Для каждого источника ЭДС они свои. Если мы говорим о конкретном химическом источнике, в справочниках можно найти его усредненное значение внутреннего сопротивления, но, как правило, по мере разряда химического источника его внутреннее сопротивление возрастает.

У светодиода есть прямое и обратное сопротивление. Прямое сопротивление порядка 1. 2 Ом. Обратное ровно единицам МегаОм (потому то и диод, в т. ч. световый, пропускают ток только в одном направлении. А сопротивление источника может быть от нескольких десятков Ом (аккумуляторы, гальвника) и до МОм (блоки питания из выпрямителем, фильтром, стабилизатором и прочими наворотами.

1). Для упрощенных расчетов можно считать сопротивление светодиода ничтожно малым.
2). Желательно соединять несколько светодиодов последовательно обязательно с «гасящим» резистором.
Пример. Резистору дадим 20% от E, остальное 80% «погасят» светодиоды.
Количество светодиодов 0,8*Е вольт / 3 вольта (на каждом светодиоде три вольта) .
Резистор 0,2*Е / 0,01 ампера (ток через светодиоды) .
Резистор следует уменьшать контролируя ток светодиода (боятся перегрузки) .
Осторожнее с питанием от авто: аккумулятор 12,6 вольт, а генератор может дать более 16в.