Mebelhoff.ru

Мебель HOFF
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет и подбор сопротивления для светодиода

Расчет и подбор сопротивления для светодиода

Светодиод является полупроводниковым прибором с нелинейной вольт-амперная характеристикой (ВАХ). Его стабильная работа, в первую очередь, зависит от величины, протекающего через него тока. Любая, даже незначительная, перегрузка приводит к деградации светодиодного чипа и снижению его рабочего ресурса.

Чтобы ограничить ток, протекающий через светодиод на нужном уровне, электрическую цепь необходимо дополнить стабилизатором. Простейшим, ограничивающим ток элементом, является резистор.

Важно! Резистор ограничивает, но не стабилизирует ток.

Расчет резистора для светодиода не является сложной задачей и производится по простой школьной формуле. А вот с физическими процессами, протекающими в p-n-переходе светодиода, рекомендуется познакомиться ближе.

Как подобрать резистор для одиночного светодиода

Для ограничения тока светоизлучающего диода можно использовать резистор, включенный таким образом:

схема подключения светодиода через резистор

Теперь определяем, какой резистор нужен. Для расчета сопротивления используется формула:

формула расчета сопротивления

где U пит — напряжение питания,

U пад- падение напряжения на светодиоде,

I — требуемый ток светодиода.

При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, будет пропорциональна квадрату тока:

формула мощности

Например, для красного светодиода Cree C503B-RAS типовое падение напряжения составляет 2.1 В при токе 20 мА. При напряжении питания 12 В сопротивление резистора будет составлять

пример расчета сопротивления

Из стандартного ряда сопротивлений Е24 подбираем наиболее близкое значение номинала – 510 Ом. Тогда мощность, рассеиваемая на резисторе, составит

пример расчета мощности светодиода

Таким образом, потребуется гасящий резистор номиналом 510 Ом и мощностью рассеивания 0.25 Вт.

Может сложиться впечатление, что при низких напряжениях питания можно подключать led без резистора. На этом видео наглядно показано, что произойдет со светоизлучающим диодом, включенного таким образом, при напряжении всего 5 В:

Светодиод сначала будет работать, но через несколько минут просто перегорит. Это вызвано нелинейным характером его ВАХ, о чем говорилось в начале статьи.

Никогда не подключайте светодиод без гасящего резистора даже при низком напряжении питания. Это ведет к его выгоранию и, в лучшем случае, к обрыву цепи, а в худшем – к короткому замыканию.

Параметры питающей сети

При изготовлении любого устройства своими руками, необходимо определить параметры источника, который будет осуществлять питание светодиодов. Сеть 220 В, автомобильный аккумулятор на напряжение 12 В или простые батарейки – в любом случае необходимо определить диапазон питающего напряжения, то есть минимальное и максимальное его значение. На сеть 220 В дается (но не всегда соблюдается) допуск ±10%. Для аккумулятора берется в расчет напряжение при полной зарядке и в разряженном состоянии. С батарейками и так всё понятно.

Читайте так же:
Выключатель света двойной с разными фазами

В случае с автономными источниками питания важно также узнать их емкость и максимальный выходной ток.

Содержание

Светодиоды, в отличие от других излучающих свет приборов (ламп, светильников), не могут быть напрямую включены в бытовую сеть. Более того, светодиоды не могут питаться фиксированным напряжением, которое указано в паспорте. Устройство питания светодиода должно иметь элементы, ограничивающие ток через светодиод в соответствии с его характеристиками, или балласт. Именно поэтому диод называется «токовым прибором», и использование традиционных преобразователей напряжения неприменимо. Светодиод, как и любой полупроводниковый диод, имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, которая меняется под воздействием температуры и, хоть и незначительно, но отличается у разных излучателей, даже выпущенных в одной партии. Поэтому ограничивающие ток элементы должны учитывать как разброс параметров светодиодов, температурный и временной уход, так и изменения питающего напряжения.

Известно множество схем питания светодиодов. Наиболее простым решением для ограничения тока светодиода является резистор, включённый последовательно с светодиодом, однако, такой вариант не слишком экономичен. Немалая часть подводимой мощности будет выделяться на этом резисторе в виде тепла. Можно уменьшить эту «паразитную» мощность снижением напряжения питания системы и уменьшением сопротивления резистора. Чем меньше выбрать сопротивление резистора, тем меньше он будет греться. Но и тем больше будет меняться ток светодиода при изменении его параметров, вызванных например, изменениями температуры, а при слишком малом сопротивлении резистора, ток может выйти из рабочего диапазона и снизить долговечность светодиода вплоть до выхода его из строя.

Наиболее популярные на данный момент эффективные схемы питания — на основе импульсных преобразователей (электронный балласт) и на основе реактивного сопротивления ёмкостных элементов (ёмкостной балласт).

Другой способ питания — стабилизация тока через светодиод с помощью электронной схемы. Для таких целей выпускаются специальные микросхемы, содержащие один или несколько стабилизирующих ток выходов. При использовании такого решения, напряжение питания может быть подобрано таким, что выделяемая на драйвере активная мощность была минимальной. Драйверы со стабилизацией тока и с управлением от микроконтроллера используются в электронных светодиодных табло, где требуется управлять не только включением, выключением и яркостью каждого пикселя, но и его цветом [3] .

В некоторых применениях, например батарейном питании, напряжения источника не хватает для включения светодиода. В таких устройствах используются повышающие преобразователи, специально разработанные для эффективного использования светодиодных излучателей [4] .

Для питания мощных белых светодиодов в осветительных устройствах применяются специальные блоки — электронные драйверы светодиодов, представляющие собой эффективные преобразователи питания, которые стабилизируют не напряжение на своём выходе, а ток [5] [6] .

Читайте так же:
Как сделать автоматический выключатель света

Такие драйверы позволяют включить один или несколько светодиодов, соединённых в одну последовательную цепочку. Несколько параллельных цепочек таким драйвером питаться не могут, поскольку ток в отдельных цепочках может сильно отличаться [2] .

Светодиод в импульсном режиме

В статье "ИК светодиод в предельных режимах работы" описана работа конкретной модели светодиода. Но все светодиоды способны работать в импульсном режиме. В связи с тем что статья вызвала Ваш интерес, который по не вполне понятным причинам замкнулся на описанном ИК светодиоде АЛ106, я решил написать эту статью расширив ее на применение современных мощных светодиодов.

Области применения современных мощных светодиодов

Светодиоды большой мощности выпускаются в нескольких спектральных диапазонах со все более широкой номенклатуре мощности. Они все больше применяются в нашей жизни, от различных сигнальных устройств (в том числе и в автотехнике), технических подсветок до местного освещения и освещения открытых пространств.

В этих случаях условия применения полностью соответствуют рекомендациям производителей.

Для их питания применяются специальные источники питания (драйверы), которые позволяют преобразовать напряжение питающей сети переменного тока в низкое напряжения постоянного тока.

Импульсный режим режим работы мощных светодиодов

Для некоторых применений требуется использование светодиодов в импульсном режиме. Это:

  • Стробоскопы,
  • Датчики охранных систем,
  • Специальные осветители,
  • Импульсных осветителях (вспышках).

Импульсный режим (1, 2), позволяет выделить необходимый импульсный сигнал на фоне внешних засветок. Кроме того импульсный режим позволяет светодиоду выдать большую световую мощность или световой поток, чем в непрерывном режиме при той же мощностью тепловыделения.

  1. Импульсные режимы работы источников света применяются в стробоскопических системах для подсветки при съемках и наблюдении быстрых циклических процессов.
  2. В охранных системах, для увеличения их помехозащищенности в условиях внешних засветок и увеличения дальности работы.
  3. В специальных осветителях для увеличения световой мощность на объекте наблюдаемом с помощью оптико-электронных устройств и их освещения синхронного с частотой работы съемочного оборудования (в том числе и ИК мощных осветителей).
  4. В импульсных осветителях для фотосъемки (фото вспышках) для получения многократного превышения световой мощности на снимаемом удаленном объекте.

( В фотовспышках на светодиодах работающих в импульсном режиме возможно применение применение оптического формирование светового потока на удаленном объекте )

Особенности работы светодиода в импульсном режиме

В связи с тем, что наибольшее тепловыделение на любом коммутирующем электронном приборе работающем в импульсном режиме происходит на фронтах питающего тока, для заметного выигрыша при переходе в этот режим необходимо максимально снижать время переключения.

Читайте так же:
Выключатели освещения движения разновидности

Не все светодиоды удовлетворяют этому требованию, прежде всего потому что применяемое параллельное их соединение приводит к суммированию их и так не малой емкости. А для питания устройств с собственной большой емкостью необходимо применять специальные схемы, способные работать на высокие емкости нагрузки . Поэтому выбирая светодиод для эксперимента с повышенным током питания в импульсном режиме необходимо проверить время переключения.

При большом времени переключения падает КПД системы СД + ключ управления (может достигать 50%), получаем дополнительное тепловыделение на управляющем ключе.

для надежной работы светодиода в импульсном режиме должно выполняться соотношение :
P ср/ Q < P и
импульсная мощность не должна превышать допустимую среднюю для данного светодиода, умноженную на скважность импульсов.
Или
для одиночного импульса
температура перехода светодиода (к окончанию импульса тока) не должна превышать предельную, указанную для данной модели в его документации.

Применение мощного светодиода KPXX-080-5 в импульсном режиме

Рассмотрим применение мощного светодиода KPXX-080-5 (5Вт) в импульсном режиме. В паспортных характеристиках указывается, что данный светодиод работает в импульсном режиме при импульсном прямом токе 2000 мА и скважности 1/10 на частота 1 кГц. Его характеристики:

Абсолютные максимальные значения. Таблица 1.

ПараметрМаксимальное значение
Постоянный прямой ток1500 мА
Импульсный прямой ток
(Скважность Q = 1/10, частота 1 кГц)
2000 мА
Среднее значение прямого тока1500 мА
Чувствительность к электростатическому разряду±16000 В
Температура p-n перехода135°С
Температура алюминиевой печатной платы105°С
Диапазон рабочих температур-40°С / +100°С
Тепловыделение Вт< 6,8

Электрические характеристики (IF=1500 мА, Tj=25°C). Таблица 2.

ЦветПрямое напряжение
(В)
Динамическое сопротивление (Ом)Температурный коэффициент VF (мВ/°С)Тепловое сопротивление переход-корпус
(°С/Вт)
Световой поток
(Лм)
Доминирующая длина волны (нм) / Цветовая температура (К)
Мин.Тип.Макс.
Белый3.23.84.51.0-2103005500K
Белый теплый3.23.84.51.0-2102803300K
Синий3.23.84.51.0-21068468

Как было написано выше, одним из ограничений рабочего тока светодиода является ограничение его мощности тепловыделения на уровне — P ср < P и* Q , что приводит к превышению допустимой температуры перехода. Для данного светодиода в связи с его большим тепловым сопротивлением (10°С/Вт) и одновременного с ростом тока — ростом напряжения на светодиоде предельная мощность достигается уже при токе 2 А. Прирост светового потока при этом токе может достигать 30%. Но экспериментальная оптимизация режима (отбор экземпляра, подбор максимального тока при соблюдении указанных выше ограничений, усиление охлаждения с помощью дополнительного теплоотвода) может позволить поднять рабочий ток до 3А и соответственно световой поток в 2 раза.

Читайте так же:
Выключатели освещения монтажная панель

Можно предположить, что в режиме одиночного импульса (фото-вспышка) световой поток может достигать 600 — 1000 Лм, а при принятии оговоренных выше дополнительных мер возможно и до 3000 Лм.

Предельные характеристики мощных светодиодов на начало 2010 года

Не вдаваясь в конкретные конструкции светодиодов существующих в настоящее время можно отметить:

ПараметрТип светодиодаВеличина
Тепловое сопротивлениеSST-800,5 — 0,64 °С/Вт
МощностьARPL — 30W30 W
Световой потокSST-80до 2250 Лм
ARPL — 30Wдо 1100 Лм
СветоотдачаSST-80до 100 Лм/Вт
ARPL — 30Wдо 36 Лм/Вт
Напряжение питанияARPL — 30Wдо 24 Вт

На рисунке 1 схематически изображена конструкция светодиодов SST-80 :

Необходимой принадлежностью мощных светодиодов является теплоотвод, поскольку тепловыделение достигает 40 Вт на кристалл (светодиод).

Другие характеристики светодиода приведены на рис. 2 — 5.

Заключение

Главным недостатком светодиодов является достаточно высокое падение напряжения на светодиоде, которое определяется физикой генерации света в p-n переходе любого светодиода. Для видимого света это напряжение составляет (для одного светодиода) около 3,2 — 3,8 В, и с ростом тока растет (см. рис. 3.). Это определяет высокое тепловыделение на светодиоде. Это с ростом мощности светодиода приведет к увеличению размера светильника.

Например — при мощности тепловыделения 10 Вт для отвода выделяемого тепла требуется порядка 200 см 2 площади теплоотвода, при естественном охлаждении.

Применение низкого напряжения и достаточно большого тока для питания мощного светодиода требует применение специального источника питания который еще увеличивает размеры осветительного устройства с применением мощного светодиода и одновременно снижает его КПД. И увеличивает тепловыделение.

Особенности подключения светодиодов

В большинстве случаев для подключаемых светодиодов требуется ограничение тока с помощью резисторов. Но, иногда вполне возможно обойтись и без них. Например, фонарики, брелоки и другие сувениры со светодиодными лампочками питаются от батареек, подключенных напрямую. В этих случаях ограничение тока происходит за счет внутреннего сопротивления батареи. Ее мощность настолько мала, что ее попросту не хватит, чтобы сжечь осветительные элементы.

Однако при некорректном подключении эти источники света очень быстро перегорают. Наблюдается стремительное падение яркости свечения, когда на них начинает действовать нормальный ток. Светодиод продолжает светиться, но в полном объеме выполнять свои функции он уже не может. Такие ситуации возникают, когда отсутствует ограничивающий резистор. При подаче питания светильник выходит из строя буквально за несколько минут.

Читайте так же:
Как подключить торшер через выключатель

Одним из вариантов некорректного подключения в сеть на 12 вольт является увеличение количества светодиодов в схемах более мощных и сложных устройств. В этом случае они соединяются последовательно, в расчете на сопротивление батарейки. Однако при перегорании одной или нескольких лампочек, все устройство выходит из строя.

Существует несколько способов, как подключить светодиоды на 12 вольт схема которых позволяет избежать поломок. Можно подключить один резистор, хотя это и не гарантирует стабильную работу устройства. Это связано с существенными различиями полупроводниковых приборов, несмотря на то, что они могут быть из одной партии. Они обладают собственными техническими характеристиками, отличаются по току и напряжению. При превышении током номинального значения один из светодиодов может перегореть, после этого остальные лампочки также очень быстро выйдут из строя.

В другом случае предлагается соединить каждый светодиод с отдельным резистором. Получается своеобразный стабилитрон, обеспечивающий корректную работу, поскольку токи приобретают независимость. Однако данная схема получается слишком громоздкой и чрезмерно загруженной дополнительными элементами. В большинстве случаев ничего не остается, как подключить светодиоды к 12 вольтам последовательно. При таком подключении схема становится максимально компактной и очень эффективной. Для ее стабильной работы следует заранее позаботиться об увеличении питающего напряжения.

Виды подключения светодиодов

В сети часто встречаются схемы параллельного или последовательного подключения светодиодов, при которых задействуется всего 1 резистор. Схемы имеют право на жизнь, но лишь в случае низкого тока через светодиоды и только при условии одинаковости всех диодов. Допустим, несколько светодиодов для индикации какого-либо события так подключить можно, но только обычных (часто применяемых, 3 или 5мм диодов с током до 20мА и напряжением примерно 2-3В) и с маленьким током (около 5мА). Мощные светики по 200мА не рекомендуется подключать таким образом – во-первых, у них могут сильнее различаться характеристики из-за неравномерного нагрева кристаллов, а вот-вторых понадобится мощный резистор, который и то, возможно, будет греться.

Лучше подключать каждый светодиод со своим резистором, или использовать линейные или импульсные стабилизаторы тока. Из-за уникальности каждого светодиода при подключении большого их количества может накопиться довольно большое отклонение от теоретических
расчётов параметров, чему будут результатом сгоревшие диоды.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector