Głównym parametrem wpływającym na żywotność diody LED jest natężenie prądu elektrycznego, którego wartość jest ściśle określona dla każdego typu elementu LED. Jednym z popularnych sposobów ograniczenia prądu maksymalnego jest użycie rezystora ograniczającego. Rezystor dla diody LED można obliczyć bez skomplikowanych obliczeń na podstawie prawa Ohma, korzystając z wartości technicznych diody i napięcia obwodu.
Spis treści
Cechy przyłącza LED
Elementy emitujące światło, działające na tej samej zasadzie co diody prostownicze, mają jednak inne cechy charakterystyczne. Najważniejsze z nich to:
- Wyjątkowo niska czułość na napięcia o odwrotnej polaryzacji. Dioda LED w układzie, który nie ma prawidłowej polaryzacji, ulegnie uszkodzeniu niemal natychmiast.
- Wąski zakres dopuszczalnego prądu roboczego przez złącze p-n.
- Zależność rezystancji złącza od temperatury, która jest cechą charakterystyczną większości elementów półprzewodnikowych.
Ostatni punkt należy omówić bardziej szczegółowo, ponieważ jest on najważniejszy przy obliczaniu rezystora gaszenia. Dokumentacja elementów promieniujących określa dopuszczalny zakres prądu znamionowego, przy którym zachowują one swoje właściwości użytkowe i zapewniają określoną charakterystykę promieniowania. Niedoszacowanie wartości nie jest śmiertelne, ale spowoduje pewne zmniejszenie jasności. Od pewnej wartości granicznej prąd płynący przez złącze przestaje płynąć i nie pojawia się luminescencja.
Przekroczenie prądu początkowo prowadzi do wzrostu jasności, ale czas życia drastycznie się skraca. Dalszy wzrost temperatury prowadzi do uszkodzenia elementu. Dlatego dobór rezystora do diody LED ma na celu ograniczenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w najgorszych warunkach.
Napięcie na złączu półprzewodnikowym jest ograniczone przez procesy fizyczne zachodzące na złączu i mieści się w wąskim zakresie około 1-2 V. 12-woltowe diody elektroluminescencyjne często montowane w samochodach mogą zawierać łańcuch szeregowo połączonych elementów lub obwód ograniczający.
Dlaczego do diody LED potrzebny jest opornik?
Zastosowanie rezystora ograniczającego do włączania diody LED nie jest najskuteczniejszym, ale najłatwiejszym i najtańszym rozwiązaniem pozwalającym ograniczyć prąd w dopuszczalnych granicach. Rozwiązania obwodowe, które mogą ustabilizować prąd w obwodzie emitera z dużą dokładnością, są dość trudne do odtworzenia, a dostępne na rynku rozwiązania są bardzo drogie.
Zastosowanie rezystorów umożliwia wykonanie oświetlenia i iluminacji we własnym zakresie. Kluczem jest umiejętność posługiwania się przyrządami pomiarowymi i minimalna umiejętność lutowania. Dobrze zaprojektowany ogranicznik, uwzględniający możliwe tolerancje i wahania temperatury, zapewni prawidłowe działanie diod LED przez cały przewidziany okres eksploatacji przy minimalnych kosztach.
Równoległe i szeregowe łączenie diod LED
W celu połączenia parametrów obwodów zasilających i wydajności diod LED szeroko rozpowszechnione jest szeregowe i równoległe łączenie kilku elementów. Każdy typ połączenia ma wady i zalety.
Połączenie równoległe
Zaletą tego typu połączenia jest zastosowanie tylko jednego ogranicznika na obwód. Należy zaznaczyć, że jest to jedyna zaleta, dlatego połączenie równoległe jest prawie niespotykane, z wyjątkiem produktów przemysłowych niskiej klasy. Wady są następujące:
- Rozpraszanie mocy na elemencie ograniczającym rośnie proporcjonalnie do liczby równolegle połączonych diod LED.
- Zróżnicowanie parametrów elementów prowadzi do nierównomiernego rozkładu prądu.
- Przepalenie się jednego z emiterów prowadzi do lawinowego zniszczenia wszystkich pozostałych z powodu zwiększonego spadku napięcia na grupie połączonych równolegle emiterów.
Połączenie, w którym prąd przepływający przez każdy element promieniujący jest ograniczany przez oddzielny rezystor, nieco zwiększa wydajność. Dokładniej mówiąc, jest to równoległe połączenie poszczególnych obwodów składających się z diod LED i rezystorów ograniczających. Główną zaletą jest większa niezawodność, ponieważ awaria jednego lub kilku elementów nie ma wpływu na działanie pozostałych.
Wadą tego rozwiązania jest to, że jasność poszczególnych elementów może się znacznie różnić ze względu na różnice w diodach LED i tolerancję technologiczną wartości rezystancji. Taki obwód zawiera dużą liczbę elementów radiowych.
Połączenie równoległe z poszczególnymi ogranicznikami stosuje się w obwodach niskonapięciowych, gdzie wymagany jest minimalny spadek napięcia na złączu p-n.
Przyłącze szeregowe
Szeregowe łączenie elementów promieniujących jest najczęściej stosowane, ponieważ oczywistą zaletą obwodu szeregowego jest absolutna równość prądów przepływających przez każdy element. Ponieważ prąd płynący przez pojedynczy opornik końcowy i przez diodę jest taki sam, rozpraszanie mocy będzie minimalne.
Istotną wadą jest to, że uszkodzenie nawet jednego elementu powoduje, że cały łańcuch nie działa. Połączenie szeregowe wymaga wyższego napięcia, którego minimalna wartość rośnie proporcjonalnie do liczby połączonych elementów.
Tryb mieszany
Wykorzystanie dużej liczby emiterów jest możliwe dzięki połączeniu mieszanemu, zastosowaniu kilku równoległych łańcuchów oraz szeregowemu połączeniu jednego rezystora ograniczającego i kilku diod LED.
Spalenie się jednego z elementów spowoduje, że nie będzie działał tylko jeden obwód, w którym element ten jest zainstalowany. Pozostałe będą działać prawidłowo.
Wzory do obliczania rezystorów
Obliczanie rezystancji oporników dla diod LED opiera się na prawie Ohma. Parametry wejściowe do obliczania rezystora dla diody LED to:
- napięcie w obwodzie;
- prąd roboczy diody LED;
- to spadek napięcia na diodzie emitującej (napięcie zasilające diodę LED).
Wartość rezystancji jest wyznaczana na podstawie wyrażenia:
R = U/I,
gdzie U to spadek napięcia na oporniku, a I to prąd stały płynący przez diodę LED.
Spadek napięcia diody LED wyznacza się z wyrażenia:
U = Upit - Usv,
gdzie Upit jest napięciem obwodu, a Uc jest znamionowym spadkiem napięcia na diodzie emitującej.
Obliczenie diody LED dla rezystora daje wartość rezystancji, która nie mieści się w standardowym zakresie wartości. Weź rezystor o rezystancji najbardziej zbliżonej do obliczonej wartości po większej stronie. W ten sposób uwzględnia się możliwy wzrost napięcia. Lepiej jest wziąć następną wartość z szeregu rezystancji. Spowoduje to nieznaczne zmniejszenie prądu płynącego przez diodę i zmniejszenie jasności świecenia, ale zaneguje wszelkie zmiany napięcia zasilania i rezystancji diody (np. spowodowane zmianą temperatury).
Przed wyborem wartości rezystancji należy oszacować możliwe zmniejszenie natężenia prądu i jasności w porównaniu z wartością ustawioną, korzystając ze wzoru:
(R - Rst)R-100%.
Jeśli uzyskana wartość jest mniejsza niż 5%, należy przyjąć większą rezystancję, jeśli od 5 do 10%, można ograniczyć się do mniejszej.
Równie ważnym parametrem wpływającym na niezawodność działania jest moc rozpraszana przez element ograniczający prąd. Prąd płynący przez część rezystora powoduje jego nagrzewanie się. Stosuje się wzór do wyznaczania mocy rozpraszanej:
P = U-U/R
Używany jest rezystor ograniczający, którego dopuszczalne rozproszenie mocy przekracza obliczoną wartość.
Przykład:
Dioda LED ma spadek napięcia 1,7 V i prąd znamionowy 20 mA. Musi być podłączony do obwodu o napięciu 12 V.
Spadek napięcia na rezystorze ograniczającym wynosi:
U = 12 - 1,7 = 10,3 V
Rezystancja opornika:
R = 10,3/0,02 = 515 omów.
Najbliższa wyższa wartość w standardowym zakresie to 560 Ω. Przy tej wartości spadek prądu w stosunku do wartości odniesienia wynosi nieco mniej niż 10%, więc wyższa wartość nie jest konieczna.
Rozproszenie mocy w watach:
P = 10,3-10,3/560 = 0,19 W
W tym obwodzie można więc zastosować element o dopuszczalnym rozproszeniu mocy 0,25 W.
Okablowanie taśm LED
Taśmy LED są dostępne w wersjach o różnym napięciu zasilania. Listwa ma obwód złożony z szeregowo połączonych diod. Liczba diod i rezystancja rezystorów terminujących zależy od napięcia zasilania listwy.
Najczęściej spotykane typy taśm LED są przeznaczone do podłączania do obwodu o napięciu 12 V. W tym przypadku możliwe jest również zastosowanie wyższego napięcia roboczego. Aby prawidłowo obliczyć rezystory, należy znać natężenie prądu płynącego przez pojedynczy odcinek taśmy.
Zwiększenie długości taśmy powoduje proporcjonalny wzrost natężenia prądu, ponieważ minimalne odcinki są technologicznie połączone równolegle. Na przykład, jeśli minimalna długość odcinka wynosi 50 cm, to pas o długości 5 m składający się z 10 takich odcinków będzie miał 10-krotnie zwiększony pobór prądu.
Powiązane artykuły:
