Как рассчитать резистор для светодиодов — формулы с примерами + онлайн калькулятор

Светодиоды разных оттенков цвета имеют разные по величине прямые рабочие напряжения. Они задаются выбором токоограничивающего сопротивления светодиода. Чтобы вывести световой прибор на номинальный режим, нужно запитать p-n переход рабочим током. Для этого производят расчет резистора для светодиода.

Таблица напряжения светодиодов в зависимости от цвета

Рабочие напряжения светодиодов разные. Они зависят от материалов полупроводникового p-n перехода и связаны с длиной волны излучения света, т.е. оттенка цвета свечения.

Таблица номинальных режимов разных оттенков цвета для расчета гасящего сопротивления приведена ниже.

Цвет свечения	Прямое напряжение, В
Оттенки белого	3–3,7
Красный	1,6-2,03
Оранжевый	2,03-2,1
Желтый	2,1-2,2
Зеленый	2,2-3,5
Синий	2,5-3,7
Фиолетовый	2,8-4,04
Инфракрасный	Не более 1,9
Ультрафиолетовый	3,1-4,4

Из таблицы видно, что на 3 вольта можно включать излучатели всех видов свечения, кроме устройств с белым оттенком, частично фиолетовых и всех ультрафиолетовых. Это вязано с тем, что нужно какую-то часть напряжения источника питания «израсходовать» на ограничение тока через кристалл.

При источниках питания 5, 9 или 12 В можно питать единичные диоды или последовательные их цепочки из 3 и 5-6 штук.

Но небывалая для источников света длительность их работы от 30-50 до 130-150 тысяч часов оправдывает падение надежности, т.к. от нее зависит срок службы устройства. Даже 30-50 тыс. часов работы по 5 часов в сутки – 4 часа вечером и 1 утром каждый день — это 16-27 лет работы. За это время большинство светильников морально устареет и будет утилизировано. Поэтому последовательное соединение широко используется всеми производителями светодиодных устройств.

Онлайн калькулятор для расчета светодиодов

Для автоматического расчета понадобятся следующие данные:

• напряжение источника или блока питания, В;
• номинальное прямое напряжение устройства, В;
• прямой номинальный рабочий ток, мА;
• количество светодиодов в цепочке или включенных параллельно;
• схема подключения светодиода(ов).

Исходные данные можно взять из паспорта диода.

После введения их в соответствующие окна калькулятора нажмите на кнопку «Рассчитать» и получите номинальное значение резистора и его мощность.

Расчет величины резистора-токоограничителя

На практике используют два вида расчета – графический, по ВАХ – вольтамперной характеристике конкретного диода, и математический – по его паспортным данным.

На рисунке:

• Е – источник питания, имеющий на выходе величину Е;
• «+»/«–» – полярность подключения светодиода: «+» – анод, на схемах показывается треугольником, «-» – катод, на схемах – поперечная черточка;
• R – токоограничивающее сопротивление;
• U_led – прямое, оно же рабочее напряжение;
• I – рабочий ток через прибор;
• напряжение на резисторе обозначим как U_R.

Тогда схема для расчета примет вид:

Рассчитаем сопротивление для ограничения тока. Напряжение U в цепи распределится так:

U = U_R + U_led или U_R + I × R_led, в вольтах,

где R_led – внутреннее дифференциальное сопротивление p-n перехода.

Математическими преобразованиями получаем формулу:

R = (U-U_led)/I, в Ом.

Величину U_led можно подобрать из паспортных значений.

Проведем расчет величины токоограничивающего резистора для LED производства компании Cree модели Cree XM–L, имеющий бин T6.

Его паспортные данные: типовое номинальное U_LED = 2,9 В, максимальное U_LED = 3,5 В, рабочий ток I_LED=0,7 А.

Для расчета используем U_LED = 2,9 В.

R = (U-U_led)/I = (5-2,9)/0,7 = 3 Ом.

Рассчитанная величина равна 3 Ом. Выбираем элемент с допуском точности ± 5%. Этой точности с избытком хватит чтобы установить рабочую точку на 700 мА.

Рассчитаем требуемую мощность рассеивания для этого резистора:

P = I² × R = 0,7² × 3 = 1,47 Вт

Для надежности округлим ее до ближайшей большей величины – 2 Вт.

Схемы последовательного и параллельного включения LED широко используются и показывают особенности этих видов соединения. Последовательное включение одинаковых элементов делит напряжение источника поровну между ними. При разных внутренних сопротивлениях – пропорционально сопротивлениям. При параллельном соединении напряжение одинаковое, а ток – обратно пропорционален внутренним сопротивлениям элементов.

При последовательном соединении LED

При последовательном соединении первый в цепочке диод анодом соединен с «+» источника питания, а катодом – с анодом второго диода. И так до последнего в цепочке, катод которого соединен с «-» источника. Ток в последовательной цепи один и тот же во всех ее элементах. Т.е. через любой световой прибор он одной и той же величины. Внутреннее сопротивление открытого, т.е. излучающего свет кристалла, составляет десятки или сотни ом. Если через цепочку течет 15-20 мА при сопротивлении 100 Ом, то на каждом элементе будет по 1,5-2 В. Сумма напряжений на всех приборах должна быть меньше, чем у источника питания. Разницу обычно гасят специальным резистором, который выполняет две функции:

• ограничивает номинальный рабочий ток;
• обеспечивает номинальное прямое напряжение на светодиоде.

При параллельном соединении

Параллельное включение может быть выполнено двумя способами.

Верхняя картинка показывает как включать не желательно. При таком подключении одно сопротивление обеспечит равенство токов только при идеальных кристаллах и одинаковой длине подводящих проводников. Но разброс параметров полупроводниковых приборов при изготовлении не позволяет сделать их одинаковыми. А подбор одинаковых – резко увеличивает цену. Разница может достигать 50-70% и более. Собрав конструкцию, получите разницу в свечении не менее 50-70%. Кроме того, выход из строя одного излучателя изменит работу всех: при обрыве цепи один погаснет, остальные станут светить ярче на 33% и станут больше греться. Перегрев будет способствовать их деградации – изменению оттенка свечения и уменьшению яркости.

Нижний вариант позволяет задать нужную рабочую точку любого диода даже при их разной номинальной мощности.

На напряжение 4,5 В последовательно подсоединяют по три LED-элемента и одно токоограничивающее сопротивление. Получившиеся цепочки соединяют параллельно. Через каждый диод течет 20 мА, а через все вместе – 60 мА. На каждом из них получается меньше, чем 1,5 В, а на токоограничителе – не менее, чем 0,2-0,5 В. Интересно, что если использовать источник питания 4,5 В, то с ним работать смогут только инфракрасные диоды с прямым напряжением менее 1,5 В, или нужно увеличивать питание хотя бы до 5 В.

Непосредственно параллельное соединение LED-элементов (верхняя часть схемы) использовать не рекомендуется из-за разброса параметров в 30-50% и более. Используют схему с индивидуальными сопротивлениями на каждый диод (нижняя часть) и соединяют уже пары диод-резистор параллельно.

Когда один светодиод

Резистор для одиночного LED используется только при их мощностях до 50-100 мВт. При больших значениях мощности заметно уменьшается КПД схемы питания.

Если прямое рабочее напряжение диода значительно меньше напряжения источника питания, применение ограничительного резистора ведет к большим потерям. Электроэнергия высокого качества и стабильности, с тщательно отфильтрованными пульсациями, обеспеченная 3-5 видами защиты блока питания не преобразуется в свет, а просто пассивно рассеивается в виде тепла.

Использование токоограничивающего резистора для задания рабочих характеристик светодиода – простой и надежный способ обеспечить его работу в оптимальном режиме.

Видео-примеры простейшего расчета сопротивления.

Но при мощности диода более сотни милливатт нужно применять автономные или встроенные источники стабилизации тока или драйверы.