Расчет сопротивления резистора для светодиодов

Светодиод имеет очень небольшое внутреннее сопротивление, если его подключить напрямую к блоку питания, то сила тока будет достаточной высокой, чтобы он сгорел. Медные или золотые нити, которыми кристалл подключается к внешним выводам, могут выдерживать небольшие скачки, но при сильном превышении перегорают и питание прекращает поступать на кристалл. Онлайн расчёт резистора для светодиода производится на основе его номинальной рабочей силы тока.

Онлайн калькулятор

Предварительно составьте схему подключения, чтобы избежать ошибок в расчётах. Онлайн калькулятор покажет вам точное сопротивление  в Омах. Как правило окажется, что резисторы с таким номиналом не выпускаются, и вам будет показан ближайший стандартный номинал. Если не удаётся сделать точный подбор сопротивления, то используйте больший номинал. Подходящий номинал можно сделать подключая сопротивление параллельно или последовательно. Расчет сопротивления для светодиода можно не делать, если использовать мощный переменный или подстроечный резистор. Наиболее распространены типа 2019 на 0,5W. При использовании питания на 12В, последовательно можно подключить до 3 LED.

Резисторы бывают разного класса точности, 10%, 5%, 1%. То есть их сопротивление может погрешность в этих пределах в положительную или отрицательную сторону.

Не забываем учитывать и мощность токоограничивающего резистора, это его способность рассеивать определенное количество тепла.  Если она будет мала, то он перегреется и выйдет из строя, тем самым разорвав электрическую цепь.

Чтобы определить полярность можно подать небольшое напряжение или использовать функцию проверки диодов на мультиметре. Отличается от режима измерения сопротивления, обычно подаётся от 2В до 3В.

Основные параметры

Отличие характеристик кристаллов для дешевых ЛЕД

Так же при расчёте светодиодов следует учитывать разброс параметров, для дешевых они будут максимальны, для дорогих они будут более одинаковыми.  Чтобы проверить этот параметр, необходимо включить их в равных условиях, то есть последовательно. Уменьшая тока или напряжение снизить яркость до слегка светящихся точек. Визуально вы сможете оценить, некоторые будут светится ярче, другие тускло.  Чем равномернее они горят, тем меньше разброс. Калькулятор расчёта резистора для светодиода подразумевает, что характеристики светодиодных чипов идеальные, то есть отличие равно нулю.

Напряжение падения для распространенных моделей маломощных до 10W может быть от 2В до 12В. С ростом мощности увеличивается количество кристаллов в COB  диоде, на каждом есть падение. Кристаллы включаются цепочками последовательно, затем они объединяются в параллельные цепи. На мощностях от  10W до 100W снижение растёт с 12В до 36В.

Этот параметр должен быть указан в технических характеристиках LED чипа  и зависит от назначения:

  • цвета синий, красный, зелёный, желтый;
  • трёхцветный RGB;
  • четырёхцветный RGBW;
  • двухцветный, теплый и холодный белый.

Особенности дешёвых ЛЕД

Прежде чем подобрать резистор для светодиода на онлайн калькуляторе, следует убедится в параметрах диодов. Китайцы на Aliexpress продают множество led, выдавая их за фирменные. Наиболее популярны модели  SMD3014, SMD 3528, SMD2835, SMD 5050, SMD5630, SMD5730. Всё самое плохое обычно делается под брендом Epistar.

Например, чаще всего китайцы обманывают на SMD5630 и SMD5730. Цифры в маркировке обозначают лишь размер корпуса 5,6мм на 3,0мм. В фирменных такой большой корпус используется для установки мощных кристаллов на 0,5W , поэтому у покупателей диодов СМД5630 напрямую ассоциируется с мощностью 0,5W. Хитрый китаец этим пользуется, и в корпус 2019 устанавливает дешевый и слабенький кристалл в среднем на 0,1W , при этом указывая потребление энергии 0,5W.

Китайские светодиодные лампы кукурузы

Наглядным примером будут автомобильные лампы и светодиодные кукурузы, в которых поставлено большое количество слабеньких и некачественных ЛЕД чипов. Обычный покупатель считает, чем больше светодиодов чем лучше светит и выше мощность.

Автомобильные лампы на самых слабых лед 0,1W

Чтобы сэкономить денежку, мои  светодиодные коллеги ищут приличные ЛЕД на Aliexpress. Ищут хорошего продавца, который обещает определённые параметры, заказывают , ждут доставку месяц. После тестов оказывается, что китайский продавец обманул, продал барахло. Повезёт, если на седьмой раз придут приличные диоды, а не барахло.  Обычно сделают 5 заказов, и не добившись результата и идут делать заказ в отечественный магазин, который может сделать обмен.

Современные светодиодные источники света хорошо приспособлены к длительной эксплуатации в сложных условиях. Однако для защиты по току применяют ограничительное электрическое сопротивление. Точный расчет резистора для светодиода поможет подбирать функциональные компоненты схемы без ошибок.

Применение токоограничивающего резистора для светодиода

Резистор применяют для ограничения силы тока

Для декоративного украшения, обеспечения хорошей видимости в затемненном коридоре и решения других практических задач используют светодиоды. Они намного экономичнее по сравнению с классическими лампами накаливания. Высокая прочность предотвращает заражение окружающей среды вредными химическими соединениями, что не исключено после повреждения колбы газоразрядного источника света.

С учетом односторонней проводимости полупроводникового перехода понятна необходимость подключения светодиода к аккумуляторной батарее, другому источнику питания постоянного тока.  Напряжение стандартной бытовой сети выпрямляют, снижают до номинального уровня. Резистором ограничивают силу тока.

Особенности работы и расчеты

Использование резистора при проверке светодиода

Несмотря на существенные преимущества, внимательные пользователи рекомендуют обращать внимание на существенные недостатки светодиодных приборов:

  • полупроводниковые технологии определяют нелинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ);
  • повышение напряжения выше определенного порога сопровождается деградацией p-n перехода;
  • на определенном уровне (при прямом или обратном включении) резкое увеличение силы тока повреждает изделие.

Особое значение имеет собственное небольшое сопротивление в рабочем режиме. Относительно небольшое изменение основных параметров источника питания способно повредить полупроводниковый переход. По этой причине в цепь добавляют токоограничительный резистор.

Дополнительный пассивный элемент увеличивает потребление энергии. По этой причине рекомендуется применять такие решения в комбинации со светодиодами небольшой мощности, либо для создания устройств с небольшими рабочими циклами.

Математический расчет

Таблица зависимости напряжения светодиода от его цвета

В простейшей цепи к источнику постоянного тока (I) с определенным напряжением (Uи) на выходных клеммах подключают последовательно токоограничивающий резистор (R) и светодиод. Рассчитать электрическое сопротивление можно с применением известной формулы закона Ома (I = U/R).

Также пригодится второй постулат Кирхгофа. В данном примере он определяет следующее равенство: Uи = Ur + Uc, где Ur (Uc) – напряжение на резисторе (светодиоде) соответственно. Простым преобразованием этих выражений можно получить базовые зависимости:

  • Uи = I*R + I*Rc;
  • R = (Uи – Uc)/ I.

Здесь Rc обозначает дифференциальное сопротивление полупроводникового прибора, которое изменяется по нелинейному закону в зависимости от напряжения и тока. На обратной части вольт-амперной характеристики можно выделить область запирания. Существенное увеличение Rc на этом участке предотвращает движение электронов (Iобр = 0). Однако при последующем увеличении напряжения на определенном уровне (Uобр-м) возникает пробой p-n перехода.

Расчет сопротивления резистора для светодиода при 5 В

Так как драйвер обеспечивает питание постоянным током, особо внимательно нужно изучить соответствующее «прямое» включение. Особенности ВАХ:

  • на первом участке до плавно уменьшается сопротивление и соответствующим образом увеличивается ток;
  • от до – рабочая зона (излучение в световом диапазоне);
  • далее – резкое уменьшение сопротивление провоцирует экспоненциальный рост силы тока с последующим выходом изделия из строя.

Расчет светодиодов выполняют на основе значения рабочего напряжения Uc. Этот параметр производители указывают в сопроводительной документации. Для вычисления электрического сопротивления подходящего токоограничивающего резистора применяют формулу: R = (Uи – Uc)/ I.

Графический расчет

Вольтамперная характеристика светодиодов

Если взять ВАХ, можно применить графическую методику. Исходную графическую и цифровую информацию берут из паспорта, либо на официальном сайте производителя. Алгоритм действий (пример):

  • по исходным данным номинальный ток светодиода (In) составляет 25 мА;
  • от соответствующей точки (1) на вертикальной оси ординат проводят пунктир до пересечения с кривой ВАХ (2);
  • отмечают напряжение источника питания (Uи = 5,5 V) на оси абсцисс (3);
  • проводят линию через точки (2) и (3);
  • пересечение с осью ординат покажет значение максимально допустимого тока (Im = 60 мА).

Расчет сопротивления резистора для обеспечения диоду тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт

Далее по классической формуле не сложно рассчитать, какой резистор нужен для светодиода в этом случае: R = Uи /Im = 5,5/ 0,06 ≈ 91,7. В серийном ряду надо выбрать ближайший номинал с небольшим запасом – 100 Ом. Это решение несколько уменьшит КПД. Но в щадящем режиме функциональные компоненты будут меньше греться. Соответствующим образом снизятся нагрузки на полупроводниковый переход. Следует рассчитывать на увеличение длительности срока службы источника света.

Для корректного выбора резистора надо знать мощность (P). Стандартные значения (Вт): 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5. Вычисления можно сделать по любым известным параметрам с применением формул: P = Im2 * R = Ur2 / R. Если взять исходные данные рассматриваемого примера: P = 0,06 * 0,06 * 100 = 0, 36 Вт. С учетом типового модельного ряда выбирать надо резистор сопротивлением 100 Ом с мощностью рассеивания 0,5 Вт.

Допуски по точности электрического сопротивления резисторов составляют от 0,001 до 30% от номинала. В маркировке по международным стандартам соответствующие классы обозначают латинскими буквами (D – 0,5%; G – 2%; J – 5%).

Подключение светодиода через резистор

Схема подключения светодиода

С учетом представленных данных можно сделать несколько важных промежуточных выводов:

  • резистивные защитные схемы применяют при маленькой мощности;
  • они не выполняют функции стабилизации;
  • пассивный элемент не способен гасить импульсные броски напряжения.

Приемлемые показатели эффективности можно получить при создании:

  • датчиков;
  • индикаторов;
  • сигнализаторов.

Для маленькой локальной подсветки аквариума такое решение подойдет. Однако вряд ли будет приемлемым длительное потребление большого количества энергии. Отсутствие стабилизации проявляется заметным изменением яркости при увеличении/уменьшении напряжения.

Специалисты рекомендуют при суммарном потреблении больше 1,5-2 Вт использовать источники питания с надежной стабилизацией по току. Эти устройства (диммеры) применяют для подключения групп осветительных приборов и полупроводниковых приборов высокой мощности.

Расчет резистора для светодиода

Программа расчета сопротивления резистора для светодиода

Сделать необходимые вычисления можно в режиме онлайн с помощью специализированного калькулятора. Полноценное использование таких программ предлагается бесплатно.

Однако не всегда имеется доступ к сети Интернет. После изучения достаточно простой методики любой человек сможет оперативно подобрать резистор для светодиода без поиска соответствующего программного обеспечения.

Для наглядной демонстрации алгоритма нужно рассмотреть подключение защитного резистора в цепь питания (5 В) определенного светодиода (Epistar 1W HP).

Технические параметры:

  • мощность рассеивания, Вт – 1;
  • ток, мА – 350;
  • прямое напряжение (типовое/макс.), В – 2,35/2,6.

Для ограничения тока светодиода с учетом рекомендаций производителя подойдет резистор с электрическим сопротивлением R = (5-2,35)/0,35 = 7,57 Ом. По стандарту E24 ближайшие значения – 7,5 и 8,2 Ом. Если воспользоваться стандартными правилами придется выбрать больше значение, которое отличается от расчетного почти на 8,5%. Дополнительную погрешность создаст 5% допуск серийных недорогих изделий. При таком отклонении трудно получить приемлемые по защитным функциям и потребляемой мощности характеристики цепи.

Первый способ решения проблемы – выбор нескольких резисторов с меньшими номиналами. Далее применяют последовательный, параллельный или комбинированный вариант соединения для получения необходимого эквивалентного сопротивления участка цепи. Второй метод – добавление подстроечного резистора.

Расчет мощности рассеивания

Условные обозначения резисторов на схемах

В любом из вариантов при выборе электрического сопротивления цепи следует устанавливать несколько меньший ток, чтобы продлить срок службы светодиода. Чтобы предотвратить повреждение нагревом, изделие применяют в рекомендованном температурном диапазоне. Для Epistar 1W HP – от -40°C до +80°C. При необходимости – применяют монтаж на специализированном радиаторе «звезда». Это дополнение увеличивает эффективную площадь рассеивания тепла.

Для точного подбора оценивают рассеиваемую мощность резистора: P = I2 * R = (0,35)2 * 7,57 = 0,1225 * 7,57 ≈0,93 Вт. Запас по этому параметру делают не менее 20-25%. Номинала 1 Вт недостаточно, поэтому выбирают следующий номинал в стандартном ряду – 2Вт.

Экономичность собранной схемы проверяют отношением Uc/Uи = 2,35/5 = 0,47 (47%). Итоговый результат показывает, что более половины электроэнергии в данном случае используется впустую. На самом деле показатель еще хуже, так как не вся мощность потребления расходуется светодиодом на излучение в видимой части спектра. Значительная часть – электромагнитные волны ИК диапазона.

Параллельное соединение

Параллельное соединение светодиодов

В любой точке последовательной цепи сила тока одинаковая. Это упрощает расчет, предотвращает аварийные ситуации. При выходе одного элемента из строя отключаются все светодиоды. Поэтому исключено повреждение повышением напряжения. Отмеченные причины объясняют популярность применения данного способа при создании ленточных светильников, иных конструкций.

Определенные преимущества предоставляет применение параллельного соединения. В этом варианте изделие сохраняет частичную работоспособность при повреждении одной цепи. Такое решение обеспечивает одинаковое напряжение в местах подсоединения к источнику питания каждой ветки.

Параллельное подключение подходит для организации независимых схем управления. На этой технологии основаны принципы работы новогодних гирлянд. Отдельные ветки подключаются к источнику питания по заданному программой алгоритму.

Использовать один резистор для нескольких параллельных диодов нельзя. Тщательный выбор сопротивления объясняется необходимостью точной регулировки тока. В некоторых ситуациях ошибки на 0,1-0,5 А становятся причиной поломок, радикального сокращения ресурса.

Реальные технические характеристики светодиодов значительно отличаются даже в одной товарной партии. По этой причине каждую цепь защищают отдельным резистором.

Особенности дешёвых ЛЕД

Сравнение китайской и фирменной светодиодной ленты

Низкая стоимость сама по себе не является доказательством плохого качества. Расширение масштабов производства и совершенствование технологических процессов снижает издержки. Однако в соответствующем сегменте рынка представлены изделия производителей, которые в действительности не соответствуют заявленным характеристикам.

Для определения возможных проблем обращают внимание на следующие параметры:

  • в дешевых моделях основные части конструкции делают из алюминия;
  • медные аналоги тяжелее, эффективнее отводят тепло, отличаются стойкостью к механическим воздействиям;
  • в качественном изделии размер кристалла соответствует стандарту (0,762 х 0,762 мм или другому);
  • о недостатках косвенно свидетельствует искажение пропорций рабочей зоны (прямоугольник вместо квадрата);
  • для повышения надежности ответственные производители увеличивают количество проводников, применяют нити из благородных металлов.

Качественные светодиоды создают световой поток 150-220 люмен в расчете на 1 Вт потребления. Подделки – не более 50-70 лм. При возникновении сомнений следует особенно тщательно выбирать компоненты защиты.

Расчет резистора для светодиода выполняется довольно просто, быстро и не содержит ничего «военного», только закон Ома. Хотя во всемирной сети существует множество онлайн-калькуляторов, помогающие определить различные параметры, но, по моему личному мнению, лучше один раз разобраться самому и понять физику процесса, чем слепо пользоваться подобными калькуляторами.

Самый частый пример – это подключение светодиода к источнику питания с напряжением 5 В, например к USB порту компьютера. Второй пример – подключение к аккумуляторной батарее автомобиля, номинальное значение напряжения которой 12 В. Если к такому источнику питания напрямую подсоединить полупроводниковый прибор, то последний попросту выйдет из строя под действием протекающего тока, превышающего допустимое значение, ‑ произойдет тепловой пробой полупроводникового кристалла. Поэтому нужно ограничивать величину тока.

С целью лучшей наглядности возьмем два типа светодиодов с наиболее распространенными характеристиками:

напряжение:

UVD1 = 2,2 В;

UVD2 = 3,5 В;

ток:

IVD1 = 0,01 А;

IVD2 = 0,02 А.

Расчет резистора для светодиода

Определим сопротивление R1,5 для VD1 при Uип = 5 В.

Для расчета величины сопротивления, согласно закону Ома нужно знать ток и напряжение:

R=U/I.

Величина тока, протекающего в цепи и в том числе через VD нам известна из заданного условия IVD1 = 0,01 А, поэтому следует определить падение напряжения на R1,5. Оно равно разности подведенного Uип = 5 В и падения напряжения на светодиоде UVD1 = 2,2 В:

Теперь находим R1,5

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в сторону увеличения, поэтому принимаем R1,5 = 300 Ом.

Таким же образом выполним расчет R для VD2:

Произведем аналогичные вычисления при значении Uип = 12 В.

Принимаем R1,12 = 2019 Ом = 1 кОм.

Принимаем R2,12 = 430 Ом.

Для удобства выпишем полученные значения сопротивлений всех резисторов:

Следует заметить, что сопротивление, выбранное из стандартного ряда, превышает расчетное, поэтому ток в цепи будет насколько снижен. Однако этим снижением можно пренебречь в виде его малого значения.

Расчет мощности рассеивания

Определить сопротивление – это только полдела. Еще резистор характеризуется важным параметром, который называется мощность рассеивания P – это мощность, которую он способен выдержать длительное время, при этом, не перегреваясь выше определенной температуры. Она зависит ток в квадрате, так как последний протекая в цепи, вызывает нагрев ее элементов.

P = I2R.

Визуально резистор более высокой Р отличается большими размерами.

Выполним расчет P для всех 4-х резисторов:

Из стандартного ряда мощностей выбираем ближайшие номиналы в сторону увеличения: первые три сопротивления можно взять с мощностью рассеивания 0,125 Вт, а четвертый – с 0,250 Вт.

Запишем общий расчет резистора для светодиода. Следует определить всего три параметра:

1) падение напряжения

2) сопротивление

3) мощность рассеивания.

Как видно, понять и запомнить данный алгоритм достаточно просто. Теперь, в случае применения специальных калькулятор, вы будете понимать, что и как они считают. Кстати, алгоритмы многих подобных калькуляторов не учитывают стандартный ряд номинальных значений, поэтому будьте внимательны, а лучше считайте все сами – это очень полезно делать для приобретения ценного опыта.