Подключаем светодиод правильно
Без светодиодов сегодня никуда, это свет, подсветка, индикация, украшение. Светодиоды буквально везде и встает вопрос, как подключить светодиод или линейку светодиодов правильно. Чаще всего такой вопрос стоит при использовании светодиодов излеченных из различных устройств или при ремонте таких устройств.
Светодиод, это практически тот же самый диод, точнее разновидность диода, но с другими характеристиками. И основное отличие светодиода от обычного диода состоит в том, что светодиод способен излучать энергию, точнее в данном случае световую, хотя существуют светодиоды излучающие не только в видимом спектре, но и в инфракрасном и в ультрафиолетовом. И второе отличие, на светодиоде, при прямом прохождении тока через него, падает гораздо большее напряжение. чем на обычном диоде. Это падение напряжения является очень важной характеристикой для подключения светодиода, зависит от конкретного светодиода. И если характеристики или тип светодиода неизвестен, падение напряжения берут приближенно 3В (для белых светодиодов), а еще лучше пользоваться соответствующими таблицами. Существует табличка с примерными цифрами падения напряжениями на светодиоде в зависимости от цвета свечения.
И сразу нужно оговорится, светодиодов на напряжение питания 12В или 220В не бывает, если в объявлении на каком либо интернет ресурсе написано, что светодиод 12В, то быстрее всего это уже готовое устройство и там есть как минимум сопротивление ограничивающее ток на светодиод, рассчитанный для работы того самого светодиода при напряжении 12В или это сборка из светодиодов под одним пятном люминофора, так называемый COB. Но тема на сегодня подключение именно одиночных светодиодов или сборок из одиночных светодиодов.
Светодиоды питаются на напряжением, а током, и это главное правило или условие. Тут же стоит вспомнить, что ток протекающий в замкнутой цепи будет одинаков в любой точке этой цепи. Амперметр включается в разрыв цепи и если его включать в различных точках цепи, показания будут одинаковы.
На схеме выше я установил батарею напряжением 12В, от этого и буду отталкивается в расчете сопротивления R1, а именно R1 и является единственной величиной которую нужно рассчитать в этой цепи, для того, что бы светодиод LED1 светился в полную силу и при этом не сгорел.
И тут опять все просто, вспоминаем самый главный закон, закон Ома: I=U/R, открываем документацию на светодиод или страницу интернет магазина, где он продается и смотрим рабочий ток (и падение напряжения на нем — иногда обозначается как «Рабочее напряжение»).
Отсюда:
Uрезистора=Uпитания-Uсветодиода => U=12-3.2=8,8 В.
Теперь рассчитываем номинал или сопротивление токоограничительного резистора:
R=U/I => R1=8,8 В/0.02 A=440 Ом,
ближайшее стандартное значение сопротивления 470 Ом (всегда выбираем ближайшее значение в сторону увеличения). Схема в итоге будет иметь вот такой вид:
При таких номиналах, этот светодиод будет светится с заданным производителем для него током и не сгорит. И тут есть любопытный момент, если посмотреть на скриншот со страницы товара, то ток указан для это светодиода 20мА, если открыть документацию на него, то рекомендуемый ток указан 25мА. Однако в той же документации указано, что все измерения которые там приводятся, производились при токе 20мА. Двоякая ситуация, с одной стороны рекомендуемый ток (не максимальный) чуть выше, для того, что бы светодиод проработал достаточно долго, но не вечно. С другой стороны указано, что они то свои измерения все проводят на более низком токе, и вот этот момент, на мой взгляд, имеет очень большое значение, если есть такая оговорка в даташите, то стоит поступить так как поступил производитель во время испытаний и тестов, а если таких данных нет, то можно занизить немного ток, относительно рекомендуемого. Хотя это мое личное мнение, а с рекомендуемым током, светодиод проработает тоже достаточно долго.
Для «линейки» светодиодов, расчет будет точно такой же, нужно только учесть падение напряжения на всех, в данном случае трех, светодиодах.
Uрезистора=Uпитания-Uсветодиодов => U=12В-(3.2В*3шт)=2,4 В
R=U/I => R1=2,4 В/0.02 A=120 Ом
Есть небольшой нюанс, это допустимое количество последовательно соединённых светодиодов в «линейке». С точки зрения теории, ограничений тут нет, главное, что бы сумма падений напряжений на всех светодиодах не превышала напряжение питания, иначе светодиоды просто не загорятся. Но сточки зрения практики, не все так просто. Дело в том, что светодиоды имеют разброс параметров, как все остальные радиодетали, а это значит, что и падение напряжения на них будет отличатся, а это в свою очередь означает, что «кто-то» будет светить ярче, а «кто-то» тусклее. Тем самым, кроме разной яркости, наработка на отказ у более яркого светодиода будет меньше. Чем длиннее цепочка из светодиодов тем больший разброс параметров можно встретить, а если вышел один светодиод в цепочке, погаснут все. Я для себя принял за максимум 3-4 светодиода в линейке, но в заводских изделиях можно встретить довольно длинные цепочки, я встречал до 12 светодиодов и они работают годами. Быстрее всего, светодиоды в таких заводских устройствах проходят жесткий отбор по характеристикам.
Итак, подключить светодиод, на который можно найти документацию, очень легко. А что делать если светодиод неизвестен? Тут нет точных рекомендаций, падение напряжения можно примерно подсмотреть в таблице выше исходя из цвета свечения (если он известен), рабочий ток для маленьких светодиодов (3-5мм) принимают 20 мА, для мощных осветительных 50 или 100 мА. Далее производят расчеты токоограничительного резистора, подключают светодиод, если это сигнальный светодиод и он светится с приемлемой яркостью, так и оставляют, если это светодиод который должен светить и освещать — поднимают ток до достижения необходимой яркости.
В этих условиях, для определения падения напряжения на светодиоде, можно включить его в качестве стабилитрона в параметрическом стабилизаторе напряжения, напряжение стабилизации и будет напряжением падения на светодиоде.
При таком номинале резистора R1, ток через светодиод будет незначительным, а напряжение стабилизации мы увидим на вольтметре.
А для определения рабочего тока, очень удобно использовать интегральный стабилизатор LM317 включенный в режиме стабилизации тока. Как рассчитывать такой стабилизатор на нужный ток я писал в этой статье.
В этой схеме резистор R1 можно установить переменным, в разрыв цепи установить амперметр и регулируя ток с помощью R1 определить приблизительное значение рабочего тока для испытуемого светодиода по яркости его свечения.
Определить напряжение падения напряжения на светодиоде удобно специальным прибором, он впрочем тоже построен по принципу параметрического стабилизатора:
И несколько слов о мощных светодиодах, которые в сущности являются сборками светодиодов. Для них работают все выше перечисленные принципы питания и подключения, но желательно знать параметры. И еще один момент, светодиоды в осветительных приборах довольно сильно греются, поэтому эксплуатация их возможна только при обеспечении нормального отведения тепла. Именно перегрев является наиболее частой причиной выхода из строя светодиодных осветительных приборов. Вторая, наиболее часто встречающаяся причина, это выход из строя светодиодов из-за повышенного рабочего тока. Т.е. в первом случае экономят на мощности теплоотвода (радиатора) и/или качестве монтажа (нет или мало термопасты). Во втором случае завышают ток ради поднятия мощности отдачи светового потока, светодиод дешевый и менее мощный работает на токах более дорого и более мощного, но не долго.
