Виды и принцип действия
В данной публикации подробно рассмотрен резистивный делитель напряжения. Подразумевается линейность характеристики цепи. В таких схемах упрощен расчет сопротивления для понижения напряжения до необходимого уровня. При подключении источника постоянного тока происходит деление напряжений прямо пропорционально значениям электрических сопротивлений нижнего и верхнего плеча.
Цепи с реактивными характеристиками
Если составить аналогичную схему с конденсаторами, то на вход для поддержания нормальной функциональности придется подать синусоиду. В этом случае также будет выполнено распределение напряжений на элементах с емкостными характеристиками. Однако этот процесс надо рассматривать в динамике, с учетом частоты и соответствующего изменения амплитуды. Аналогичную методику применяют при работе с индуктивными компонентами.
Значения реактивных сопротивлений:
- Rc=1/(2*f*π*C);
- RL=2*f*π*C.
По формулам видно, что сопротивление конденсатора/ катушки обратно (прямо) пропорционально емкости/ индуктивности. Соответственно выбирают значения элементов для деления напряжения.
В представленных примерах принимают бесконечно большим внутреннее сопротивление нагрузки. Для реальных расчетов пользуются более сложными формулами с поправочными коэффициентами. Учитывают действительные комплексные характеристики цепей.
К сведению. В стабилизаторах напряжения и некоторых иных устройствах сопротивление плеча делителя обладает нелинейными параметрами.
Расчёт параметров схемы
Расчёт параметров схемы заключается в нахождении неизвестных токов и напряжений всех ветвей на участках электрической цепи. Имея эти данные, можно рассчитать мощность каждого резистора, входящего в схему. Простые методы расчёта были показаны выше, на практике же дело обстоит сложнее.
В реальных схемах часто встречается соединение резисторов звездой и треугольником, что создаёт значительные трудности при расчётах. Для упрощения таких схем были разработаны методы преобразования звезды в треугольник, и наоборот. Этот метод проиллюстрирован на схеме, представленной ниже:
Первая схема имеет в своём составе звезду, подключенную к узлам 0-1-3. К узлу 1 подсоединён резистор R1, к узлу 3 – R3, а к узлу 0 – R5. На второй схеме к узлам 1-3-0 подключены резисторы треугольника. К узлу 1 подключены резисторы R1-0 и R1-3, к узлу 3 – R1-3 и R3-0, а к узлу 0 – R3-0 и R1-0. Эти две схемы полностью эквивалентны.
Для перехода от первой схемы ко второй рассчитываются сопротивления резисторов треугольника:
R1-0=R1+R5+R1∙R5/R3;
R1-3=R1+R3+R1∙R3/R5;
R3-0=R3+R5+R3∙R5/R1.
Дальнейшие преобразования сводятся к вычислению параллельно и последовательно соединённых сопротивлений. Когда будет найдено полное сопротивление цепи, находят по закону Ома ток через источник. Используя этот закон, несложно найти токи во всех ветвях.
Как определить мощность резисторов после нахождения всех токов? Для этого используют общеизвестную формулу: P=I2∙R, применяя её для каждого сопротивления, найдём их мощности.
Резистивный делитель напряжения
В общем случае устройства этого типа выполняют преобразование по формуле Uвых=Uвх*К, где:
- Uвх (вых) – напряжения на входе и выходе, соответственно;
- К – корректирующий множитель, обозначающий передающие способности узла.
Если взять первый пример из рис. выше, для уточнения сути процессов подойдет второй закон Кирхгофа. В соответствии с этим правилом, общее значение напряжений на последовательно соединенных резисторах будет равно сумме ЭДС на каждом элементе. Так как ток не изменяется в замкнутом контуре, для расчета можно использовать закон Ома:
U (напряжение) = I (ток) * R (электрическое сопротивление)
Нижнюю часть схемы (плечо) используют для получения необходимого изменения входного параметра.
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!
Программы для расчета сопротивления
При большом количестве подключаемых led, особенно если они включены и последовательно, и параллельно, рассчитывать сопротивление каждого резистора вручную может быть проблематичным. Проще всего в таком случае воспользоваться одной из многочисленных программ расчета сопротивления.
Он включает в себя небольшую базу данных самых распространенных светодиодов, поэтому необязательно вручную набирать значения падения напряжения и тока, достаточно указать напряжение питания и выбрать из списка нужный светоизлучающий диод. Программа рассчитает сопротивление и мощность резисторов, а также нарисует схему подключения или принципиальную схему.
www.led-obzor.ru
www.www.casemods.ru
www.katod-anod.ru
www.radiostorage.net
www.ledno.ru
Предыдущая
РезисторыЧто такое делитель напряжения и как он используется на резисторах?
Следующая
РезисторыКак отличается параллельное и последовательное соединение резисторов?
Расчет для мощного светодиода
В этом разделе будет представлена инструкция, как выбрать ограничитель на основании расчетов. Все нижеприведенные числа теоретические. Для получения точной информации о своих светодиодах изучите техническую документацию, предоставляемую производителем или поставщиком.
Как рассчитать резистор для светодиода? В качестве примера будет использован расчет сопротивления теоретического светодиода белого цвета, который необходимо подключить к источнику тока 12 В (обозначим его буквой U). Сопротивление токоограничивающего резистора будет обозначаться буквой R – наша искомая величина. Белые и голубые светодиоды обычно имеют напряжение питания 4 В, все остальные цвета – не более 2 В. Наш источник света будет иметь максимальную мощность Umax=3.8 В, и минимальную Umin=3.1 В.
Ни в коем случае не используйте для расчета значение максимальной мощности, т. к. это все равно заставит работать светодиод на пределе вне зависимости от наличия ограничительного резистора. Обязательно необходимо узнать ток самого LED, он измеряется в амперах и обозначается буквой I. Наше устройство будет иметь ток 50 мА, или же 0.05 А. На этом сбор данных о LED заканчивается, их нужно подставить в простую формулу вида:
R = (U — Umin) / I
Проводим элементарное вычисление, в ходе которого выясняем, что:
R = (12 — 3.1) / 0.05 = 178 Ом.
Однако эта формула не дает нам конечного значения, т. к. не существует резисторов под каждое точно найденное число. Для поиска необходимого элемента нужно воспользоваться специальной таблицей, которая поможет подобрать резистор с максимально приближенным значением сопротивления. Для этого можно взглянуть на ниже представленные картинки. На них стрелочкой будет показан метод определения резистора, который нужно спросить у продавцов или поискать у себя.
Таблица подбора резистора с максимально приближенным значением сопротивления
Проанализировав таблицу, видим, что нам очень повезло – существует именно такой резистор для LED, который нам нужен.
Однако именно его выбирать не стоит. Существует такое понятие, как запас – лучше прибавьте к этому значению 10–15% для амортизации, мало ли что в электропроводке может произойти. Выполняем действие:
R = 178 + (178 × 0.15) ≈ 205 Ом.
Подберем необходимый вариант, снова просмотрев таблицу. Видим, что существует именно такой элемент. Его и следует использовать для ограничения подаваемого тока для светодиодов.
Зачем нужен резистор?
Токоограничительный светодиодный резистор нужен в тех случаях, когда на первом месте стоит именно стабильность и продолжительность работы источников света, а не мощность их излучения. Такие цели преследуются в различных бытовых приборах с мигающими индикаторами, указателями и кнопками включения, а также в автомобилях, где стабильность тока в системе оставляет желать лучшего. Также он незаменим во время тестирования новых моделей светодиодов в производственных лабораториях.
В случаях, когда важна яркость света, которую выдает кристалл, нужно использовать именно стабилизатор тока – драйвер. Чаще всего драйвер имеет точные параметры и продается в комплекте с конкретным LED-изделием – светильником, лентой, или же сразу встраивается в лампочку. Также драйвер используется, если мы выбираем очень мощные источники света с огромной яркостью.
Как подключить сопротивление к светодиоду
Технические характеристики устройств
Основная характеристика резистора – номинальное сопротивление Rн, которое указывается на схеме возле резистора и на его корпусе. Единица измерения сопротивления – ом, килоом и мегаом. Изготавливаются резисторы с сопротивлением от долей ома и до сотен мегаомов. Существует немало технологий производства резисторов, все они имеют и преимущества, и недостатки. В принципе, не существует технологии, которая позволила бы абсолютно точно изготавливать резистор с заданным значением сопротивления.
Второй важной характеристикой является отклонение сопротивления. Оно измеряется в % от номинального R
Существует стандартный ряд отклонения сопротивления: ±20, ±10, ±5, ±2, ±1% и далее вплоть до значения ±0,001%.
Следующей важной характеристикой является мощность резисторов. При работе они нагреваются от проходящего по ним тока
Если рассеиваемая мощность будет превышать допустимое значение, то устройство выйдет из строя.
Резисторы при нагревании изменяют своё сопротивление, поэтому для устройств, работающих в широком диапазоне температур, вводится ещё одна характеристика – температурный коэффициент сопротивления. Он измеряется в ppm/°C, то есть 10-6 Rн/°C (миллионная часть от Rн на 1°C).
Закон Ома и резистор
Резисторы являются пассивными элементами, которые оказывают сопротивление потоку электрического тока в цепи. Резистор, который функционирует в соответствии с законом Ома, называется омическим сопротивлением. Когда ток проходит через такой резистор, то падение напряжения на его выводах пропорционально величине сопротивления.
Формула Ома остается справедливой и для цепей с переменным напряжением и током. Для конденсаторов и катушек индуктивности закон Ома не подходит, так как их ВАХ (вольт-амперная характеристика) по сути, не является линейной.
Формула Ома действует так же для схем с несколькими резисторами, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или иметь смешанное соединение. Группы резисторов, соединенные последовательно или параллельно могут быть упрощены в виде эквивалентного сопротивления.
В статьях о параллельном и последовательно соединении более подробно описано как это сделать.
Теоретическая часть
Светодиод – полупроводниковый элемент, который излучает свет при прохождении сквозь него тока с определенными параметрами. Долговечность подключенного устройства и стабильность его работы напрямую зависит от величины тока, которая на него подается. Именно стабильность, а не сила тока; вопреки распространенному мнению, даже незначительные превышения в этом параметре значительно увеличивают скорость паспортной деградации кристаллов, излучающих светодиодный свет.
Во избежание нежелательных перегрузок была предложена система ограничения подаваемого тока, которая называется «токоограничивающий резистор»
Важно отметить, что он именно ограничивает ток, поступающий в устройство, но не стабилизирует его, поэтому при неправильно подобранном резисторе его наличие может оказаться бесполезным. Для правильного подбора сопротивления к конкретному источнику света необходимо узнать некоторые технические данные и провести расчет сопротивления резистора
Светодиод и ограничитель для него
Светодиод как нелинейный элемент
Рассмотрим семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) для светодиодов различных цветов. Эта характеристика показывает зависимость тока, проходящего через светоизлучающий диод, от напряжения, приложенного к нему. Как видно на рисунке, характеристики имеют нелинейный характер.
Это означает, что даже при небольшом изменении напряжения на несколько десятых долей вольта, ток может измениться в несколько раз. Однако при работе со светодиодами обычно используют наиболее линейный участок (т.н. рабочую область) ВАХ, где ток изменяется не так резко. Чаще всего производители указывают в характеристиках светодиода положение рабочей точки, то есть значения напряжения и тока, при которых достигается заявленная яркость свечения.
Представленные выше характеристики были получены для светоизлучающих диодов, включенных в прямом направлении. То есть отрицательный полюс питания подключен к катоду, а положительный – к аноду
Как правильно подключать?
При параллельном соединении светодиодов нужно пользоваться ограничительным резистором для каждого из диодов, как изображено на рисунке ниже. Это даёт возможность установить ток для каждого из элементов электрический схемы.
Схема параллельного соединения светодиодов
Ниже схема НЕ правильного подключения резистора в цепь.
Так подключать не правильно
При параллельном подключении светодиодов и любых других потребителей, напряжение на их выводах будет равным. С одной стороны это хорошо, но не для диодов. Каждый светодиод, даже набор взятый из одной партии, имеет небольшой технологический разброс параметров. Напряжение, необходимое для достижения номинального тока, может незначительно отличаться в пределах десятых долей вольта.
Выше вы видели вольт-амперную характеристику прибора и легко сделаете вывод, что незначительное превышение номинального напряжения ведет к лавинообразному росту тока и перегреву. Некоторые предлагают исключить и резистор из этой схемы, такое соединение светодиодов самое неудачное!
Общий ток в цепи равен сумме токов в каждой из ветвей параллельной цепи. Если выбирать, как соединять светодиоды для работы в цепи с повышенным напряжением (6 и более вольт), лучше использовать последовательное соединение.
Повреждения в конденсаторах
Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.
Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.
Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.
Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.
Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).
Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.
Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.
Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.
Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.
Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.
Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.
Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.
Ограничения в применении
Из приведенных в таблице примеров расчетов хорошо видно, как значительно увеличиваются потери при уменьшении сопротивления цепи. Энергия расходуется впустую для нагрева окружающей среды. При большой мощности рассеивания приходится использовать принудительные системы охлаждения, пассивные радиаторы.
В приведенных расчетах не учитывалась нагрузка. Если добавить соответствующее реальным условиям сопротивление, образуются дополнительные потери в параллельной цепи.
Влияние сопротивления нагрузки
На первой части рисунка изображен типовой делитель, обеспечивающий выходное напряжение 5 V. При потреблении тока 0,01 А сопротивление нагрузки составит 0,5 кОм. Пользуясь формулой расчета для параллельной цепи, несложно выяснить суммарное значение R = 1/(1/R2 + 1/Rнагрузки) = 0,25 кОм. Это добавление уменьшит плановое значение Uвых до 3,46 V.
Уменьшением R2 можно снизить вредное влияние на выходное напряжение (4,75 V). Однако такой способ, приведенный на второй части рисунка, сопровождается значительными потерями энергии. Ток будет проходить по участку с меньшим сопротивлением, не выполняя полезные функции. В данном примере необходимо выбрать R1, рассчитанный на мощность не менее 2 Вт, чтобы обеспечить надежную работу устройства.
Альтернативный тип подключения
Последовательно-параллельное соединение светодиодов – встречается в прожекторах и других мощных светильниках, работающих как от постоянного, так и от переменного напряжения.
Как видите, матрица поделена на ветки, каждая из которых имеет токоограничивающий резистор. Конкретный экземпляр предназначен для замены штатной лампы плафона в салоне автомобиля. Если один диод выйдет из строя – одна цепь перестанет гореть, а остальные цепочки продолжат свечение.
Если вы не можете определиться, как подключить светодиоды последовательно или параллельно, есть альтернативный вариант — гибридное соединение. С первого взгляда непонятно в чем смысл.
Гибридный вариант принял достоинства от последовательного и параллельного соединения светодиодов. Схема будет работать полностью, даже если один из элементов в цепи перегорит, в тоже время остальные элементы не испытают перегрузки. Напряжение на каждом сегменте будет ограничено светодиодом с наименьшим падением.
Чтобы собрать светильник правильно, а LED работали долго и не перегревались, нужно определиться как подключать светодиоды — последовательно или параллельно. Вы ознакомились с сильными и слабыми сторонами каждого из вариантов. Благодаря полученным знаниям можно выполнить ремонт LED лампы или прожектора.
Закон Ома — калькулятор
Данный онлайн калькулятор закона Ома позволяет определить взаимосвязь между силой тока, электрическим напряжением, сопротивлением проводника и мощностью. Для расчета введите любые два параметра и нажмите кнопку расчет:
Для закрепления понимания работы закона Ома, приведем несколько задач для самостоятельного решения.
| Какая должна быть минимальным мощность этого резистора? Ответ:В соответствии с круговой диаграммой Р = I2*R = 0,12*50 = 0,5 Вт. Таким образом, минимальная мощность должна быть не менее 0,5 Вт, но рекомендуется взять более мощный для дополнительной надежности и долговечности. | ||
| Какой будет ток в цепи? Ответ:Это простой пример закона Ома. Напряжение и сопротивление известны, так что мы можем вычислить ток по формуле:I = V / R = 6 / 1,2 = 5 А. | ||
|
Электронагреватель (резистор) мощностью 1 кВт подключен в цепь с током 10A. Какое будет падение напряжения на нагревателе? Ответ:Напряжение может быть выражено через ток и мощность по формуле: V = P / I = 1000/10 = 100 В |
