Параллельное и последовательное включение светодиодов
С целью совмещения параметров цепей питания и характеристик светодиодов широко распространены последовательное и параллельное соединение нескольких элементов. У каждого типа соединений есть как достоинства, так и недостатки.
Параллельное включение
Достоинством такого соединения является использование всего одного ограничителя на всю цепь. Следует оговориться, что данное достоинство является единственным, поэтому параллельное соединение практически нигде не встречается, за исключением низкосортных промышленных изделий. Недостатки таковы:
- Мощность рассеивания на ограничительном элементе растет пропорционально количеству параллельно включенных светодиодов.
- Разброс параметров элементов приводит к неравномерности распределения токов.
- Перегорание одного из излучателей ведет к лавинообразному выходу из строя всех остальных ввиду увеличения падения напряжения на параллельно включенной группе.
Несколько увеличивает эксплуатационные свойства соединение, где ток через каждый излучающий элемент ограничивается отдельным резистором. Точнее, это является параллельным соединением отдельных цепей, состоящих из светодиодов с ограничительными резисторами. Основное достоинство — большая надежность, поскольку выход из строя одного или нескольких элементов никаким образом не отражается на работе остальных.
Недостатком является тот факт, что из-за разброса параметров светодиодов и технологического допуска на номинал сопротивлений яркость свечения отдельных элементов может сильно различаться. Такая схема содержит большое количество радиоэлементов.
Параллельное соединение с индивидуальными ограничителями находит применение в цепях с низким напряжением, начиная с минимального, ограниченного падением напряжения на p-n переходе.
Последовательное включение
Последовательное включение излучающих элементов получило самое широкое распространение, поскольку несомненным достоинством последовательной цепи является абсолютное равенство тока, проходящего через каждый элемент. Поскольку ток через единственный ограничительный резистор и через диод одинаков, то и рассеиваемая мощность будет минимальной.
Существенный недостаток — выход из строя хотя бы одного из элементов приведет к неработоспособности всей цепочки. Для последовательного соединения требуется повышенное напряжение, минимальное значение которого растет пропорционально количеству включенных элементов.
Смешанное включение
Использование большого количества излучателей возможно при выполнении смешанного соединения, когда используют несколько параллельно включенных цепочек, и последовательного соединения одного ограничительного резистора и нескольких светодиодов.
Перегорание одного из элементов приведет к неработоспособности только одной цепи, в которой установлен данный элемент. Остальные будут функционировать исправно.
Обозначение резисторов на принципиальных схемах.
На принципиальных схемах постоянные резисторы, независимо от их типа, изображают в виде прямоугольника, а выводы резистора изображают в виде линий, проведенных от боковых сторон прямоугольника. Такое обозначение принято повсеместно, однако в некоторых зарубежных схемах используется обозначение резистора в форме зубчатой линии (пилы).
Рядом с условным обозначением ставят латинскую букву «R» и порядковый номер резистора в схеме, а также указывают его номинальное сопротивление в единицах измерения Ом, кОм, МОм.
Значение сопротивления от 0 до 999 Ом обозначают в омах, но единицу измерения не ставят:
15 — 15 Ом680 – 680 Ом920 — 920 Ом
На некоторых зарубежных схемах для обозначения Ом ставят букву R:
1R3 — 1,3 Ом33R – 33 Ом470R — 470 Ом
Значение сопротивления от 1 до 999 кОм обозначают в килоомах с добавлением буквы «к»:
1,2к — 1,2 кОм10к — 10 кОм560к — 560 кОм
Значение сопротивления от 1000 кОм и больше обозначают в единицах мегаом с добавлением буквы «М»:
1М — 1 МОм3,3М — 3,3 МОм56М — 56 МОм
Резистор применяют согласно мощности, на которую он рассчитан, и которую может выдержать без риска быть испорченным при прохождении через него электрического тока. Поэтому на схемах внутри прямоугольника прописывают условные обозначения, указывающие мощность резистора: двойной косой чертой обозначают мощность 0,125 Вт; прямой чертой, расположенной вдоль значка резистора, обозначают мощность 0,5 Вт; римскими цифрами обозначается мощность от 1 Вт и выше.
Резисторы постоянного сопротивления (постоянные резисторы).
Постоянным считается резистор, сопротивление которого в процессе работы остается неизменным. Конструктивно такой резистор представляет собой керамическую трубку, на поверхность которой нанесен токопроводящий слой, обладающий определенным омическим сопротивлением. По краям трубки напрессованы металлические колпачки, к которым приварены выводы резистора, сделанные из облуженной медной проволоки. Сверху корпус резистора покрыт влагостойкой цветной эмалью.
Керамическую трубку называют резистивным элементом и в зависимости от типа токопроводящего слоя, нанесенного на поверхность, резисторы разделяются на непроволочные и проволочные.
2.1. Непроволочные резисторы.
Непроволочные резисторы используются для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока, в которых протекают сравнительно небольшие токи нагрузки. Резистивный элемент резистора выполнен в виде тонкой полупроводящей пленки, нанесенной на керамическое основание.
Полупроводящая пленка называется резистивным слоем и изготавливается из пленки однородного вещества толщиной 0,1 – 10 мкм (микрометр) или из микрокомпозиций. Микрокомпозиции могут быть выполнены из углерода, металлов и их сплавов, из окислов и соединений металлов, а также в виде более толстой пленки (50 мкм), состоящей из размельченной смеси проводящего вещества.
В зависимости от состава резистивного слоя резисторы разделяются на углеродистые, металлопленочные (металлизированные), металлодиэлектрические, металлоокисные и полупроводниковые. Наиболее широкое применение получили металлопленочные и углеродистые композиционные постоянные резисторы. Из резисторов отечественного производства можно выделить МЛТ, ОМЛТ (металлизированный, лакированный эмалью, теплостойкий), ВС (углеродистые) и КИМ, ТВО (композиционные).
Непроволочные резисторы отличаются малыми размерами и массой, низкой стоимостью, возможностью применения на высоких частотах до 10 ГГц. Однако они недостаточно стабильны, так как их сопротивление зависит от температуры, влажности, приложенной нагрузки, продолжительности работы и т.п. Но все же положительные свойства непроволочных резисторов настолько значительны, что именно они получили наибольшее применение.
2.2. Проволочные резисторы.
Проволочные резисторы применяются в электрических цепях постоянного тока. При изготовлении резистора на его корпус в один или два слоя наматывается тонкая проволока, сделанная из никелина, нихрома, константана или других сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением. Высокое удельное сопротивление провода позволяет выполнить резистор с минимальным расходом материалов и небольших размеров. Диаметр применяемых проводов определяется плотностью тока, проходящего через резистор, технологическими параметрами, надежностью и стоимостью, и начинается с 0,03 – 0,05 мм.
Для защиты от механических или климатических воздействий и для закрепления витков резистор покрывается лаками и эмалями или герметизируется. Вид изоляции влияет на теплостойкость, электрическую прочность и наружный диаметр провода: чем больше диаметр провода, тем толще слой изоляции и тем выше электрическая прочность.
Наибольшее применение нашли провода в эмалевой изоляции ПЭ (эмаль), ПЭВ (высокопрочная эмаль), ПЭТВ (теплостойкая эмаль), ПЭТК (теплостойкая эмаль), достоинством которой является небольшая толщина при достаточно высокой электрической прочности. Распространенными резисторами большой мощности являются проволочные эмалированные резисторы типа ПЭВ, ПЭВТ, С5-35 и др.
По сравнению с непроволочными резисторами проволочные отличаются более высокой стабильностью. Они могут работать при более высоких температурах, выдерживают значительные перегрузки. Однако они сложнее в производстве, дороже и малопригодны для использования на частотах выше 1- 2 МГц, так как обладают высокой собственной емкостью и индуктивностью, которые проявляются уже на частотах в несколько килогерц.
Поэтому в основном их применяют в цепях постоянного тока или тока низких частот, там, где требуются высокие точности и стабильность работы, а также способность выдерживать значительные токи перегрузки вызывающие значительный перегрев резистора.
С появлением микроконтроллеров современная техника стала более функциональнее и одновременно с этим намного миниатюрнее. Использование микроконтроллеров позволило упростить электронные схемы и тем самым уменьшить потребление тока устройствами, что сделало возможным миниатюризировать элементную базу. На рисунке ниже показаны SMD резисторы, которые припаиваются на плату со стороны печатного монтажа.
Вычисление светодиодного резистора с использованием Закон Ома
Закон Ома гласит, что сопротивление резистора R = V / I, где V = напряжение через резистор (V = S – V L в данном случае), I = ток через резистор. Итак R = (V S – V L) / I. Если вы хотите подключить несколько светодиодов сразу – это можно сделать последовательно. Это сокращает потребление энергии и позволяет подключать большое количество диодов одновременно, например в качестве какой-то гирлянды. Все светодиоды, которые соединены последовательно, долдны быть одного типа. Блок питания должен иметь достаточную мощность и обеспечить соответствующее напряжение.
Пример расчета: Красный, желтый и зеленый диоды – при последовательном соединении необходимо напряжение питания – не менее 8V, так 9-вольтовая батарея будет практически идеальным источником. V L = 2V + 2V + 2V = 6V (три диода, их напряжения суммируются). Если напряжение питания V S 9 В и ток диода = 0.015A, Резистором R = (V S – V L) / I = (9 – 6) /0,015 = 200 Ом. Берём резистор 220 Ом (ближайшего стандартного значения, которое больше).
Избегайте подключения светодиодов в параллели!
Расчет резистора для светодиода при различных соединениях
Подключать светодиоды – дело не из сложных. Для правильного подключения достаточно знать школьный курс физики и соблюсти ряд правил.
Сегодня рассмотрим как правильно рассчитать резистор для светодиода и подключить его, чтобы он горел долго и на радость потребителю.
Главный параметр у любого светодиода – ток, а не напряжение, как считают многие. Светодиод необходимо питать стабилизированным током, величина которого всегда указана производителем на упаковке или в datasheet.
Ток на светодиодах ограничивается резистором – это самый дешевый вариант. Но есть и более “продвинутый” – использовать светодиодный драйвер.
По факту, использование резисторов – пережиток прошлого, ведь на сегодняшний день драйверов на любой вкус и цвет полным-полно и по самой привлекательной цене. К примеру, самые дешевые можно приобрести тут.
Драйверы обеспечивают стабильный ток на светодиодах независимо от изменения напряжения на его входе.
Существует несколько типов подключения светодиодов:
Расчет резистора для светодиода
Вспомним закон Ома:
U=I*R
R=U/I где,
R – сопротивление – измеряется в Омах
U – напряжение- измеряется в вольтах (В)
I – ток- измеряется в амперах (А)
Пример расчета резистора для светодиода:
Допустим, источник питания выдает 12 В: Vs=12 В
Светодиод – 2 В и 20 мА
Чтобы рассчитать резистор нам необходимо преобразовать миллиамперы в амперы:
20 мА=0,02 А.
R=10/0.02=500 Ом
На сопротивление рассеивается 10 В (12-2)
Посчитаем мощность сопротивления:
P=U*I
P=10*0.02 A=0.2 Вт
Необходимый резистор – R=500 Ом и Р=0,2 Вт
Расчет резистора для светодиода при последовательном соединение светодиодов
Минус светодиода подключается с плюсом последующего. Так соединить можно до бесконечности. При таком соединении падение напряжения на светодиоде умножается на количество диодов в цепи. Т.е. если у нас 5 светодиодов с номинальным током 700 мА и падением напряжения 3,4 Вольта, то и драйвер нам необходим на 700 мА 3,4*5=17В
Это мы рассмотрели какие можно подбирать драйверы, а теперь вернемся непосредственно к тому, как произвести расчет резистора для светодиода при таких соединениях.
Выше мы рассмотрели расчет резистора для светодиода (одного). Пр последовательном соединении расчет аналогичный, но необходимо учитывать, что падение напряжения на резисторе меньше. Если “на пальцах”, то от источника питания Мы отнимается суммарное падение напряжения на светодиодах Vl=3*2=6В. При условии, что у нас источник выдает 12В, то 12-6=6В.
R=6/0.02=300 Ом.
Р=6*0,02=0,12Вт
Т.е. нам нужен резистор на 300 Ом и 0,125 Вт.
Характеристики светодиода и источника питания аналогичные предыдущему примеру.
Расчет резистора для светодиода при параллельном соединении
При таком соединении плюс светодиода соединяется с плюсом другого, минус с минусом. При таком соединении ток суммируется, а падение остается неизменным. Т.е. если мы имеем 3 светодиода 700 мА и падением 3,4 В, то 0,7*3=2,1А, то нам потребуется драйвер с параметрами 4-7 В и не менее 2,1А.
Расчет резистора для светодиода в этом случае аналогичен первому случаю.
Расчет резистора для светодиода при последовательно-параллельное соединении
Интересное соединение. При таком расположении диодов несколько последовательных цепочек соединяются параллельно. Необходимо знать, что количество светодиодов в цепочках должно быть равным.
Драйвер подбирается с учетом падения напряжения на одной цепочке и произведению тока на количество цепочек. Т.е. 3 последовательные цепи с параметрами 12В и 350 мА подключаются параллельно, напряжение остается 12В, а ток 350*3=1,05А.
Для долгой работы чипов нам нужен светодиодный драйвер с 12-15В и током 1050мА.
Расчет резистора для светодиода в этом случае будет таким:
Резистор аналогичен при последовательном соединении, однако, стоит учитывать, что потребление от источника питания увеличится в три раза (0,2+0,2+0,2=0,06А).
При подключении светодиодов через резистор нужен стабилизированный источник питания, т.к. при изменении напряжения будет изменяться и ток, идущий через диод.
Существует еще один способ соединения светодиодов – параллельно-последовательное с перекрестным соединением. но это достаточно сложная тема в расчетах, поэтому не буду ее тут раскрывать. Если потребуется, конечно, опишу, но думаю это нужно только узкому кругу специалистов.
В сети можно найти много онлайн-калькуляторов, которые Вам рассчитают сразу резисторы. Но слепо верить им не стоит, а лучше перепроверить, следуя поговорке: “Хочешь сделать это хорошо, сделай это сам”.
