Как рассчитать номинал резистора для светодиода. Зачем нужен ограничивающий резистор при подключении светодиода. Какие факторы влияют на выбор сопротивления резистора для светодиода. Какие формулы использовать для расчета резистора светодиода.
Зачем нужен ограничивающий резистор для светодиода
Светодиоды являются полупроводниковыми приборами, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Однако для корректной и долговременной работы светодиода необходимо правильно ограничить протекающий через него ток. Для этого и используется ограничивающий резистор, который включается последовательно со светодиодом.
Основные причины, почему нужен ограничивающий резистор для светодиода:
- Защита светодиода от перегорания из-за слишком большого тока
- Обеспечение оптимальной яркости свечения
- Продление срока службы светодиода
- Стабилизация работы при колебаниях напряжения питания
Без ограничивающего резистора светодиод может быстро выйти из строя или работать нестабильно. Поэтому правильный расчет и подбор резистора является важной задачей при проектировании схем со светодиодами.
Основные параметры для расчета резистора светодиода
Для корректного расчета ограничивающего резистора необходимо знать следующие параметры:
- Напряжение источника питания (Vпит)
- Прямое напряжение светодиода (Vf)
- Прямой ток светодиода (If)
Прямое напряжение и ток светодиода указываются в его технической документации. Для типичных светодиодов эти параметры обычно находятся в следующих диапазонах:
- Vf = 1.8-3.4 В (зависит от цвета свечения)
- If = 10-30 мА (для маломощных индикаторных светодиодов)
Зная эти параметры, можно рассчитать необходимый номинал ограничивающего резистора.
Формула для расчета сопротивления резистора
Основная формула для расчета сопротивления ограничивающего резистора светодиода:
R = (Vпит — Vf) / If
где:
- R — сопротивление резистора (Ом)
- Vпит — напряжение источника питания (В)
- Vf — прямое напряжение светодиода (В)
- If — прямой ток светодиода (А)
Рассмотрим пример расчета. Допустим, у нас есть следующие параметры:
- Напряжение питания: 5 В
- Прямое напряжение светодиода: 2 В
- Прямой ток светодиода: 20 мА
Подставляем значения в формулу:
R = (5 В — 2 В) / 0.02 А = 150 Ом
Таким образом, для данного светодиода необходим ограничивающий резистор номиналом 150 Ом.
Выбор ближайшего стандартного номинала резистора
После расчета точного значения сопротивления необходимо выбрать ближайший стандартный номинал резистора. Резисторы выпускаются в виде рядов стандартных номиналов:
- E12: …100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680, 820…
- E24: …100, 110, 120, 130, 150, 160, 180, 200, 220, 240, 270, 300…
В нашем примере расчетное значение 150 Ом совпадает со стандартным номиналом. Если бы получилось, например, 163 Ом, то следовало бы выбрать ближайший больший номинал — 180 Ом.
Небольшое увеличение сопротивления приведет к незначительному уменьшению тока и яркости светодиода, что допустимо. А вот уменьшение сопротивления может быть опасным, так как приведет к увеличению тока.
Расчет мощности ограничивающего резистора
При выборе резистора важно также учитывать его мощность рассеивания. Мощность, выделяемая на резисторе, рассчитывается по формуле:
P = I^2 * R
где:
- P — мощность (Вт)
- I — ток через резистор (А)
- R — сопротивление резистора (Ом)
Для нашего примера:
P = (0.02 А)^2 * 150 Ом = 0.06 Вт
С учетом запаса следует выбрать резистор мощностью 0.125 Вт или 0.25 Вт. Использование резистора с большим запасом по мощности повысит надежность схемы.
Особенности расчета резисторов для последовательного и параллельного соединения светодиодов
При использовании нескольких светодиодов в схеме возможны различные варианты их соединения, что влияет на расчет ограничивающих резисторов:
Последовательное соединение светодиодов
При последовательном соединении светодиодов их прямые напряжения суммируются. Формула расчета резистора принимает вид:
R = (Vпит — n*Vf) / If
где n — количество последовательно соединенных светодиодов.
Параллельное соединение светодиодов
При параллельном соединении каждый светодиод должен иметь свой ограничивающий резистор. Расчет производится для каждой ветви отдельно по стандартной формуле.
Возможно также использование одного общего резистора для нескольких параллельных светодиодов, но это менее надежный вариант из-за возможного разброса параметров светодиодов.
Влияние температуры на параметры светодиода и выбор резистора
Температура оказывает существенное влияние на характеристики светодиодов. С повышением температуры:
- Уменьшается прямое напряжение светодиода
- Увеличивается прямой ток при фиксированном напряжении
- Снижается световая эффективность
Эти факторы необходимо учитывать при расчете ограничивающего резистора, особенно для мощных светодиодов и светодиодных матриц. Рекомендуется:
- Использовать несколько завышенное значение сопротивления резистора
- Обеспечивать хороший теплоотвод от светодиодов
- Для ответственных применений использовать схемы стабилизации тока вместо простого резистора
Правильный учет температурных эффектов позволит создать более надежную и долговечную схему со светодиодами.
Альтернативные методы ограничения тока светодиодов
Хотя резисторы являются самым простым и распространенным способом ограничения тока светодиодов, существуют и другие методы:
Линейные стабилизаторы тока
Используют активные компоненты (транзисторы, операционные усилители) для поддержания постоянного тока через светодиод независимо от колебаний напряжения питания.
Импульсные стабилизаторы тока
Обеспечивают высокую энергоэффективность за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Особенно эффективны для мощных светодиодов.
Специализированные драйверы светодиодов
Интегральные микросхемы, разработанные специально для управления светодиодами. Обеспечивают стабильный ток, защиту от перегрузок, возможность диммирования.
Эти методы сложнее в реализации, чем простой резистор, но обеспечивают более стабильную работу светодиодов в широком диапазоне условий.
Расчет сопротивления (резистора) для светодиода
Расчет сопротивления (резистора) для светодиода | Зарядные устройства | Металлоискатели | Основы электроники | Справка по электронным компонентам | Строительство | Прочее |
Светодиод — полупроводниковый прибор, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в светодиоде полупроводников.
- В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч.светодиодная лента).
- В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах).
- Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках.
Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами. - В оптопарах.
- Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах.
- Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет).
- В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.).
- В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочих.
- В светодиодных дорожных знаках.
- В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами.Сам по себе, без взаимодействия с внешним миром, микроконтроллер не интересен — кому интересно что он там внутри себя тикает? А вот если можно как то это отобразить или на это повлиять…
Итак, кнопка и светодиод подключаются следующим образом:
Для кнопки надо выбраную ножку подключить через кнопку на землю.
Пунктиром показан дополнительный подтягивающий резистор. Несмотря на то, что внутри AVR на порт можно подключить подтяжку, она слабоватая — 100кОм. А значит ее легко придавить к земле помехой или наводкой, что вызовет ложное срабатывание. А еще эти внутренние подтягивающие резисторы очень любят гореть от наводок. Поэтому, для ответственных схем я настоятельно рекомендую добавить внешнюю подтяжку на 10кОм — даже если внутреннюю накроет, внешняя послужит.
Светодиод подключается на порт двумя способами. По схеме Порт-земля или Порт-Питание. В первом случае для зажигания диода надо выдать в порт лог1 — высокий уровень (примерно равен Vcc). Во втором случае для зажжения диода требуется выдать в порт лог0 — низкий уровень (около нуля). Для AVR разницы вроде бы нет, а вот многие старые серии микроконтроллеров вниз тянули куда лучше чем вверх, так что схема Порт-Питание распространена чаще.
Светодиод надо подключать через резистор. Дело в том, что прямое сопротивление светодиода очень мало.
Так что, на вскидку, считаем:
- Напряжение на выходе ноги МК около 5 вольт, падение напряжени на светодиоде обычно около 2.5 вольт (выше нельзя, иначе диод сожрет тока больше чем надо и подавится, испустив красивый дым)
- Таким образом, напряжение которое должен взять на себя ограничительный резистор будет 5-2.5 = 2.5В.
- Ток нам нужен 5мА — нефига светодиод зря кормить, нам индикация нужна, а не освещение.
- R=U/I= 2.5/0.005 = 500 Ом. Ближайший по ряду это 510 Ом. Вот его и возьмем. В принципе, можно ставить от 220 Ом до 680 Ом что под руку попадется — гореть будет нормально.
Если надо подключить много светодиодов, то на каждый мы вешаем по собственному резистору.
Источник: http://easyelectronics.ru
Ардуино для начинающих. Урок 7. Основы схемотехники
7 1896
В этом уроке мы поговорим об основах схемотехники, применительно к Arduino. И начнем, конечно же, с закона Ома, так как это основа всей схемотехники. Так же в этом уроке мы поговорим о сопротивлении, стягивающих и подтягивающих резисторах, расчете силы тока и напряжения.
В этом уроке используется:
| Большая макетная плата на 1600 точек с 4 шинами питания: | Купить |
| Набор резисторов из 100 штук на все случаи: | Купить |
| Набор светодиодов из 100 штук: | Купить |
| 5 штук кнопок в удобной форме: | Купить |
| Соединительные провода 120 штук: | Купить |
| Потенциометры с колпачками 5 штук: | Купить |
Закон Ома
Закон Ома гласит следующее: V = IR.
V — это напряжение (измеряется в вольтах). I — это сила тока (измеряется в амперах). R — это сопротивление (измеряется в омах). Определение вы можете почитать на википедии.
В прошлых уроках мы подключали светодиод через резистор. Давайте разберемся зачем нужен этот резистор и как рассчитать необходимый номинал. Дело в том что пин Arduino Uno выдает 5 В, а светодиоду нужно всего 3 В. Если резистор не ставить то светодиод будет потреблять гораздо больше тока чем ему необходимо. Это приведет к более быстрой разрядке аккумулятора (если ваша ардуино питается от него), к неправильному цвету свечения (если светодиод цветной) и к быстрому перегоранию светодиода. Для того что бы рассчитать номинал резистора надо знать напряжение и силу тока необходимую для конкретного светодиода. Светодиоды бывают разные, но с ардуино используются светодиоды потребляющие 20 мА и работающие от 2 В. Эти параметры можно посмотреть на сайте производителя или узнать у продавца.
Теперь нам надо просто подставить эти данные в формулу и вычислить сопротивление: R = V / I = 3 В / 20 мА = 150 Ом.
Вот и все. Теперь мы знаем какой резистор необходим для подключения светодиода к плате Ардуино.
Подтягивающее и стягивающее сопротивление
В одном из прошлых уроков при подключении кнопки к ардуино, мы использовали стягивающий резистор. Сейчас самое время разобраться зачем он там нужен.
подключение кнопки к ардуиноМы использовали резистор номиналом 10 кОм, который стягивал вход ардуино с землей. Так мы избавились от электрического шума, который мог давать помехи и мешать точно отслеживать нажатие кнопки. Для стягивания необходимо использовать резистор большого номинала. Можно взять и 1 кОм, но рекомендуется использовать больше.
Подтягивающее сопротивление мы пока не использовали в уроках. Оно работает по такому же принципу как и стягивающее, но подключается к линии 5 В. Подключенная таким образом кнопка по умолчанию будет отдавать сигнал HIGH.
led — Использование резисторов большего номинала
Выбор последовательного резистора для светодиода:
Вам необходимо знать прямое напряжение вашего светодиода (Vf в техническом описании).
Оно зависит от цвета. Например, типичный красный светодиод имеет Vf ~ 2 В, синий светодиод Vf ~ 3,5 В.Затем вам нужно решить, какой ток вы хотите использовать для своего светодиода. Он должен быть ниже максимального продолжительного тока (Imax), указанного в техническом описании. Типичный светодиодный индикатор диаметром 5 мм (как показано в руководстве) имеет Imax 20 мА.
В качестве приблизительного ориентира для этого типа светодиода он будет виден только при 1-2 мА и вполне пригоден для внутреннего индикатора при 5-10 мА. При токе 20 мА он будет очень ярким (мучительно, если смотреть слишком близко на сверхъяркий светодиод)Допустим, вы выбираете 10 мА и имеете красный светодиод с VF 2 В. Я предполагаю, что напряжение питания Rpi составляет 3,3 В, поэтому высокий уровень выходного сигнала будет 3,3 В. Резистор идет последовательно со светодиодом. Напряжение на резисторе будет равно напряжению питания за вычетом напряжения светодиода Vf.
Имея эту информацию, для расчета номинала резистора мы используем закон Ома:
R = V/I = (3,3 В — 2 В) / 0,010 A = 130 Ом
В случае, если напряжение питания ниже, чем Vf светодиода, приведенная выше формула не применяется (напряжение питания V должно быть >
Оно зависит от цвета. Например, типичный красный светодиод имеет Vf ~ 2 В, синий светодиод Vf ~ 3,5 В.
Имея эту информацию, для расчета номинала резистора мы используем закон Ома: Таким образом, вы можете использовать резистор 100 Ом и получить ток светодиода 13 мА ((3,3 В — 2 В) / 100 Ом = 13 мА), что должно соответствовать спецификациям большинства стандартных светодиодов. С резистором 1 кОм светодиод будет довольно тусклым при токе всего 1,3 мА.
На случай, если вам интересно, почему напряжение светодиодов кажется фиксированным на определенном уровне, это не так просто, но полезное приближение. Поскольку светодиод представляет собой тип диода, когда напряжение на нем ниже, чем его Vf, светодиод выглядит как очень высокий импеданс, и ток не проходит.
Чтобы проиллюстрировать это, взгляните на эту диаграмму, которая отображает типичную кривую ВАХ диода (ток по отношению к напряжению):
Вы можете видеть, когда напряжение достигает точки Vd, ток резко возрастает при очень небольшом изменении в напряжении, поэтому мы можем «выбрать» ток в любом месте этого диапазона и получить аналогичное напряжение.
Как насчет управления светодиодами с более высоким Vf, чем доступное напряжение питания?
В этом случае нам нужно увеличить напряжение, и, к счастью, есть много дешевых ИС, которые могут сделать это за нас. Они имеют различные типы конусов и используют линейную топологию, постоянный ток, понижающий/повышающий (переключаемый индуктор) и зарядный насос (переключаемый конденсатор).
Например, NCP5006 будет управлять до 5 белыми/синими светодиодами последовательно от источника питания 2,7–5,5 В: управлять до 7 белых/синих светодиодов от входа до 3V. I2C используется для интерфейса управления:
Они были выбраны случайным образом из более чем 700 вариантов на Farnell (в разделе «Драйвер светодиодов» и выбраны варианты подкачки/зарядного насоса)
Нужен ли мне резистор в этой конструкции серии светодиодов ?
спросил
Изменено 2 года, 5 месяцев назад
Просмотрено 3к раз
\$\начало группы\$
Я разрабатываю алюминиевую печатную плату, содержащую ряд светодиодов мощностью 1 Вт. Серия светодиодов будет получать питание 24 В постоянного тока, а N-MOSFET будут размещены между землей и каждой серией светодиодов.
Ворота будут подключены к контактам PWM Arduino.
Вот пример схемы:
Количество светодиодов в серии определяется путем деления постоянного напряжения 24 В на прямое напряжение каждого светодиода. Например, белый светодиод имеет диапазон прямого напряжения 2,8–3,4 В и прямой ток 350 мА. Разделив 24 В на прямое напряжение, я могу последовательно подключить 8 белых светодиодов. Теперь вопрос: нужен ли резистор, добавленный в серию, или количества светодиодов достаточно, чтобы ограничить ток в диапазоне 350 мА?
- светодиод
- резисторы
\$\конечная группа\$
12
\$\начало группы\$
Прямое напряжение светодиодов может несколько различаться — достаточно, чтобы было трудно установить точный ток, когда они просто подключены последовательно к фиксированному напряжению.
Общее Vf для цепочки может варьироваться на несколько вольт. Вы можете очень легко взорвать нить, просто привязав ее к источнику питания, как вы показали.
Итак, да, у вас должен быть гасящий резистор.
Еще лучше рассмотрите драйвер постоянного тока. Это не только защитит светодиоды от перегрузки по току, но и обеспечит постоянную яркость, несмотря на изменения Vf.
Имеются импульсные драйверы постоянного тока, которые могут делать это эффективно и по низкой цене, а также поддерживают ШИМ-диммирование.
\$\конечная группа\$
12
\$\начало группы\$
достаточно ли количества светодиодов, чтобы ограничить ток до диапазона 350 мА?
Абсолютно нет.
мне все еще нужен резистор, добавленный в серию?
Да, или что-то вроде резистора.
МОП-транзистор, который у вас есть, будет работать нормально, если у него есть обратная связь для эффективной работы в качестве источника постоянного тока, которого у вас сейчас нет. Примеров много (в том числе и на этом сайте).
\$\конечная группа\$
1
\$\начало группы\$
Если вам нужна надежная цепочка светодиодов, то вам не нужна цепочка светодиодов без резистора. В этом случае вы не хотите соответствовать 24 В только по падению напряжения на светодиодах. Было бы намного лучше использовать 6 светодиодов и, скажем, резистор на 18 Ом для ограничения тока. Светодиоды очень зависят от температуры, и вы не хотите, чтобы тепловой разгон привел к перегоранию светодиодов. Теперь вы не указали номер детали и не указали техническое описание, поэтому нет определенного способа сказать, как будет работать ваша схема.
\$\конечная группа\$
1
\$\начало группы\$
Также важно, что прямое падение напряжения светодиода снижается по мере увеличения температуры перехода, что может привести к тепловому разгону.
Простейшим подходом может быть установка резистора около 5 Ом между истоком полевого транзистора и землей; когда ток светодиода достигает 350 мА, напряжение затвор-исток упадет с 5 В (я предполагаю, что вы используете 5 В Arduino) до примерно 3 В или около того. В зависимости от вашего полевого транзистора (проверьте спецификацию), он начнет отключаться и ограничивать ток. Если это уместно, вы можете использовать делитель между Arduino и затвором, чтобы вы могли запустить полевой транзистор, близкий к его пороговому напряжению, и использовать меньший токоизмерительный резистор.
\$\конечная группа\$
12
\$\начало группы\$
Сделав это самостоятельно с помощью одной из многих готовых светодиодных печатных плат, которые вы можете получить на aliexpress, я предлагаю вам приобрести несколько резисторов мощностью 1 Вт 0,5 Ом, временно соединить их последовательно, чтобы обеспечить безопасный ток, а затем удалить их, пока вы немного ниже номинальной мощности светодиодов.
Если они рассчитаны на 350 мА, то где-то в диапазоне 300-325 мА звучит хорошо.
Затем оставьте тестовую сборку включенной с амперметром в цепи примерно на час, чтобы проверить ее поведение при нагреве и убедиться, что вы все еще находитесь в пределах номинального диапазона.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Ответ сложнее, чем кажется, потому что функция ШИМ Arduino будет мешать обратной связи источника питания. Если вы используете драйвер постоянного тока, блок питания попытается компенсировать относительное падение тока за счет увеличения напряжения. Если вы используете драйвер постоянного напряжения, он не будет реагировать достаточно быстро, чтобы поддерживать стабильное напряжение на уровне 24 В между двумя циклами ШИМ.
Если бы время включения было стабильным, я бы сказал, что безопасно соединить эти 8 светодиодов последовательно без резистора, потому что при 24 В это уже находится в нижнем диапазоне их номинального напряжения.
Но он не всегда будет давать одинаковое количество света, поскольку ток может быть меньше 350 мА. Безопасно не значит оптимально.
С частотой ШИМ все становится сложнее, потому что у вас очень частые падения и скачки напряжения. Я предлагаю вам изучить схемы, используемые для создания модулей ШИМ. Просто мосфета недостаточно.
Предложение в комментариях использовать существующий источник питания со встроенным входом ШИМ является идеальным решением, поскольку он использует источник питания в качестве модуля ШИМ. Это не только гарантия, но и экономия энергии.
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
Теоретически можно настроить Vgs так, чтобы ток был правильным. Для логического выхода нужен последовательный резистор. Выход PWM с RC-фильтром нижних частот может установить правильное значение Vgs, имея правильный рабочий цикл (и достаточно высокую частоту по сравнению с полосой пропускания фильтра).
Но это было бы похоже на танец на канате. Феты — это личности, правый Вгс не достаточно точно читается из даташитов. Вполне вероятно, что светодиоды получат слишком большой ток. Итак, используйте последовательный резистор и пусть Vgs будет выше, чем на самом деле необходимо для определенного тока светодиода.
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
Все ваши светодиоды в данной цепочке могут нуждаться в 3,4 В, поэтому теоретически максимум, на который вы можете рассчитывать в цепочке, составляет 7 диодов.
Но все они могут быть на уровне 2,8 В. Допустим, 100 мВ на полевом транзисторе во включенном состоянии, это означает, что вам придется отбросить оставшиеся 24 — (7 x 2,8) — 0,1 = 4,3 В на резисторе (4,3 В / 0,35 А = 12 Ом) или что-то еще. Это рассеет 4,3 В x 0,35 А = 1,5 Вт. Рабочий цикл выхода ШИМ снизит среднеквадратичное значение, но, возможно, ненамного при полном возбуждении.
Если уровни яркости имеют значение (и зачем использовать ШИМ, если они не имеют значения), то у простого гасящего резистора есть еще одна проблема. В то время как цепочка из 2,8-вольтовых диодов будет в порядке, цепочка из 3,4-вольтовых примеров будет иметь максимальное значение 100 мВ на резисторе 12 Ом, что дает только (100 мВ / 12 Ом) = 8,3 мА или около того.
Таким образом, цепочка из шести диодов — это максимум, на который вы можете надеяться.
Что еще более важно, если вы хотите согласовать цепи диодов по яркости, т. е. по току, вам потребуется последовательный токоизмерительный резистор, падение напряжения на котором подается обратно для ограничения уровня включения. В этом случае изменение напряжения в открытом состоянии между диодными цепями будет не более 6 x (3,4–2,8) = 3,6 В, поэтому даже при оптимальной настройке полевого транзистора, возможно, придется рассеивать 3,6 В x 0,35 А = 1,3 Вт. Его максимальный рабочий цикл может снизить это, но ненамного, в то время как любое отклонение от оптимальных значений компонентов увеличит его.
