Светодиод

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

Изображение светодиода на схеме

Светодиод

Светодиод. Видна разница в длине катода и анода.

Светодиод

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

Необходимый ток и падение напряжения можно узнать из спецификации светодиода. В нашем магазине такая информация обязательно указывается на странице товара. 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.

Расчёт резистора для светодиода

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

Подключение одиночного светодиода

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

Подключение нескольких светодиодов

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.

Последовательное соединение

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

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

Неправильное параллельное подключение трёх светодиодов

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

ТАК ДЕЛАТЬ НЕЛЬЗЯ!!!

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

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

Комбинированное подключение светодиодов. 3 цепочки по 3 светодиода.

Выводы

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.

Светодиод: 5 комментариев

  1. Уведомление: Arduino, watchdog, bootloop и прошивка загрузчика optiboot | Электронные печеньки

Добавить комментарий