Почему светодиод нужно подключать через резистор
На светодиодной ленте есть резисторы, на печатных платах (где светодиоды служат индикаторами) есть резисторы, даже в светодиодных лампах — и то есть резисторы. В чем же дело? Почему светодиод обычно подключен через резистор? Для чего светодиоду резистор?
На самом деле все очень просто: светодиоду для работы необходимо очень маленькое постоянное напряжение, а если подать больше — светодиод перегорит. Если даже подать немного больше, на 0,2 вольта больше номинала — ресурс светодиода уже начнет стремительно уменьшаться, и очень скоро жизнь этого полупроводникового источника света закончится плачевно.
Например, красному светодиоду для нормальной работы нужно ровно 2,0 вольта, при этом ток его потребления составляет 20 миллиампер. А если подать 2,2 вольта — наступит пробой p-n-перехода.
У разных производителей светодиодов, в зависимости от применяемых полупроводников и технологии создания светодиодов, рабочее напряжение может чуть-чуть в ту или иную сторону отличаться. Однако, взгляните для примера на вольт-амперную характеристику красного SMD светодиода одного известного производителя:
Здесь видно, что уже при 1,9 вольта светодиод начинает слабо светиться, а при подаче на его выводы ровно 2 вольт, свечение получится достаточно ярким, это его номинальный режим. Если теперь увеличивать напряжение до 2,1 вольт — светодиод начнет перегреваться, и стремительно терять свой ресурс. А при подаче более 2,1 вольта — светодиод перегорит.
Теперь вспомним Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямопропорциональна напряжению на концах этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению:
Следовательно, если у нас сила тока через светодиод равна 20 мА при напряжении на его выводах в 2,0 В, значит какое светодиод имеет сопротивление в рабочем состоянии, исходя из этого закона? Правильно: 2,0/0,020 = 100 Ом. Светодиод в рабочем состоянии по своим характеристикам эквивалентен резистору номиналом 100 Ом, мощностью 2*0,020 = 40 мВт.
А что если в наличии на плате имеется лишь напряжение 5 вольт или 12 вольт? Как питать светодиод таким высоким напряжением, и чтобы он при этом бы не перегорел? Вот разработчики всюду и решили, что удобнее всего применить дополнительный резистор.
Почему резистор? Потому что это — наиболее выгодный, наиболее экономичный, наименее затратный по ресурсам и рассеиваемой мощности, путь решения проблемы ограничения тока через светодиод.
Итак, если в наличии 5 вольт, а необходимо получить 2 вольта на «резисторе» в 100 Ом, значит необходимо разделить эти 5 вольт между нашим полезным светящимся резистором в 100 Ом (в роли которого выступает ДАННЫЙ светодиод), и другим резистором, номинал которого сейчас предстоит вычислить исходя из того, что имеется в распоряжении:
В данной цепи ток постоянный, не переменный, элементы все в установившемся режиме линейные, следовательно ток по всей цепи будет одной и той же величины, в нашем примере 20 мА — так нужно светодиоду. Следовательно выберем резистор R1 такой величины, чтобы ток через него составил бы тоже 20 мА, а напряжение бы на него пришлось как раз 3 вольта, которые нужно куда-то деть.
Итак: по закону Ома I=U/R, отсюда R=U/I = 3/0,02 = 150 Ом. А мощность? P=U 2 /R = 9/150 = 60 мВт. Подойдет резистор на 0,125 Вт, чтобы не сильно грелся. Теперь всем ясно, для чего светодиоду резистор.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подбор токоограничивающего резистора для светодиода
Светодиод – это полупроводниковый элемент электрической схемы. Его особенностью является нелинейная вольт-амперная характеристика. Стабильность и срок службы прибора во многом обусловлены силой тока. Малейшие перегрузки приведут к ухудшению качества светодиода (деградации) или его поломке.
Зачем резистор перед светодиодом.
В идеале для работы диоды следует подключать к источнику постоянного тока. В этом случае элемент будет работать стабильно. Но на практике для подключения чаще всего используют более распространенные блоки питания с постоянным напряжением. При этом для ограничения силы тока, которая протекает через LED элемент, нужно включать в электрическую цепь дополнительное сопротивление − резистор. В статье рассмотрены методы расчета резистора для светодиода.
Когда следует подключать светодиод через резистор
Существует несколько случаев, когда такая электрическая схема уместна. Во-первых, токоограничивающий резистор стоит использовать, если эффективность схемы не первоочередная задача. В качестве примера можно привести применение светодиода в качестве индикатора в приборах. В таком случае важно самом свечение, а не его яркость.
Во-вторых, применение резистора оправдано в случаях, когда необходимо выяснить полярность и работоспособность LED элемента. Одним из методов является подключение прибора к блоку питания. В этом качестве часто используют аккумуляторы от мобильных телефонов или батарейки. Напряжение на них может достигать 12 В. Это очень высокая величина, и прямое подключение светодиода приведет к поломке. Для ограничения напряжения в цепь вставляют резистор.
В-третьих, резистор используют в исследовательских целях для изучения работы новых образцов светодиодов.
В других случаях можно воспользоваться драйвером – прибором, стабилизирующим ток.
Математический расчет.
Для подбора сопротивления придется вспомнить школьный курс физики. 
На рисунке представлена простая последовательная электрическая схема соединения резистора и диода. На схеме применены следующие обозначения:
- U – входное напряжение блока питания;
- R – резистор с падением напряжения UR;
- LED – светодиод с падением напряжения ULED (паспортное значение) и дифференциальным сопротивлением RLED;
Поскольку элементы соединены последовательно, то сила тока I в них одинакова.
По второму закону Кирхгофа:
Одновременно используем закон Ома:
Подставим формулу (2) в формулу (1) и получим:
Путем простых математических преобразований из формул (1) и (3) найдем искомое сопротивление резистора R:
Для более точного подбора можно рассчитать мощность рассеивания резистора Р.
Примем напряжение блока питания U = 10 В.
Характеристики диода: ULED = 2В, I = 40 мА = 0,04A.
Подставим нужные цифры в формулу (4), получим: R = (10 — 2) / 0,04 = 200 (Ом).
Мощность рассеивания (5): составит Р = (10 – 2) * 0,04 = 0,32 (Вт).
Графический расчет. 
При наличии вольт-амперной характеристики несложно определить сопротивление резистора графическим способом. Метод применяется редко, но полезно про него знать.
Для определения искомого сопротивления нужно знать ток нагрузки ILED и напряжение блока питания U. Далее следует перпендикуляр, соответствующий значению тока, до пересечения с вольт-амперной кривой. Затем через точку на графике и значению U провести прямую, которая покажет на оси тока максимальное его значение IMAX. Эти цифры подставляем в закон Ома (2) и вычисляем сопротивление резистора.
Например, ILED = 10 мА, а U = 5 В. По графику IMAX примерно равна 25 мА.
По закону Ома (2) R = U / IMAX = 5 / 0,025 = 200 (Ом).
Примеры вычислений сопротивления для светодиода.
Разберем некоторые наглядные случаи вычисления сопротивления элемента в конкретных схемах.
Вычисление токоограничивающего сопротивления при последовательном соединении нескольких светодиодов.
Из курса физики известно, что в такой схеме значение тока постоянное, а напряжение на LED элементах суммируется.
Возьмем напряжение источника питания U = 12 В.
Характеристики диодов одинаковы: ULED = 2В, ILED = 10 мА.
Преобразуем формулу (4), учитывая три LED элемента.
R = (12 – 3* 2) / 0,01 = 600 (Ом).
Мощность рассеивания (5) составит: Р = (12 – 2 * 3) * 0,01 = 0,6 (Вт).
Вычисление сопротивления при параллельном соединении светодиодов.
В этом случае постоянным сохраняется напряжение, а силы тока складываются. Поэтому при тех же входных данных (напряжение источника питания U = 12 В, напряжение и ток на диодах ULED = 2В, ILED = 10 мА), расчет будет несколько другим.
Используем формулу (4), учитывая три LED элемента.
R = (12 – 2) / 3*0,01 = 333,3 (Ом).
Мощность рассеивания (5) составит: Р = (12 – 2) * 3*0,01 = 0,3 (Вт).
Однако данное подключение не стоит применять на практике. Даже светодиоды из одной партии не гарантируют одинакового падения напряжений. Из-за этого ток на отдельном LED элементе может превысить допустимый, что может спровоцировать выход элементов из строя.
Для параллельного соединения светодиодов необходимо к каждому из них подключать свой резистор.
Вычисление сопротивления при параллельно-последовательном соединении LED элементов.
Для подключения большого количества светодиодов уместно использовать параллельно-последовательную электрическую схему. Поскольку в параллельных ветках напряжение одинаковое, то достаточно узнать сопротивление резистора в одной цепи. А количество веток не имеет значения. 
Напряжение блока питания U = 12 В.
Характеристики диодов одинаковы: ULED = 2В, ILED = 10 мА.
Максимальное количество LED элементов n для одной ветки рассчитывается так:
Маленький ликбез любителям пересветки, часть 2
И снова всем привет!
Как и обещал, в этот раз я в двух словах расскажу о правилах включения светодиодов в электрическую цепь, о расчете режима работы светодиодов, выборе токоограничительных резисторов для них, а также о расшифровке цветового кода выводных резисторов.
О питании светодиодов в интернете информации масса, но, к сожалению, многие авторы собственных конструкций часто допускают ошибки, главная из которых допускается при включении в общую цепь нескольких светодиодов одновременно. Для начала разберем включение одного светодиода для работы от напряжения 12В, но перед этим определимся в терминологии.
Как я успел заметить, народ часто путает последовательное и параллельное соединение каких-либо элементов электрической цепи. Рассмотрим, ху из ху.
1. Последовательное соединение
Последовательно — это цепочкой, друг за другом, когда один вывод предыдущей детали соединен только с одним выводом следующей. Наглядный пример — хоровод:)
Главные особенности такого соединения:
— в случае с лампочками или светодиодами, они должны быть одинаковыми, рассчитанными на одно и то же напряжение и ток, иначе одни из них гореть не будут, а другие станут гореть слишком ярко, вплоть до перегорания;
— сумма напряжений, на которые рассчитана каждая лампочка, должна быть равна (в идеале) или примерно равна (на практике) напряжению батареи. Или же, с другой стороны, на каждой лампочке будет напряжение, равное напряжению батареи, деленному на число лампочек. Или же с третьей стороны: сумма напряжений на всех элементах последовательной цепи равна напряжению питания;
— в любом участке цепи будет протекать один и тот же ток;
— при перегорании любой лампочки погаснут все сразу, потому как цепь разорвется.
2. Параллельное соединение — все элементы цепи соединены так, что из двух выводов одни соединяются в один проводник, другие в другой. Наглядный пример — девушка и молодой человек держат друг друга за руки, стоя лицом к лицу:))) Ну, или дети, играющие в "паровозик".
Главные особенности:
— лампочки могут быть разной мощности, на разные токи, но на одинаковое напряжение, равное (в идеале) или примерно равное (на практике) напряжению батареи;
— на любом элементе будет одно и то же напряжение;
— ток, потребляемый от батареи равен сумме токов всех лампочек;
— при перегорании любой лампочки остальные продолжат гореть.
Есть еще и третий вариант соединения — соединение смешанное, когда несколько последовательных цепей соединены параллельно и наоборот.
В таком соединении каждый тип цепи имеет те же главные особенности, что и по отдельности. Кстати, если присмотреться, то цепь, показанная на рисунке 1, тоже является примером смешанного соединения: последовательная цепь лампочек подключена параллельно батарее:)))
Переходим к главному — к светодиодам. Лампочки в подсветке, например, приборной панели VDO 2110, соединены параллельно, каждая лампа рассчитана на напряжение 12В (для лампочки ее рабочее напряжение — определяющий параметр, мощность и число их зависит только от мощности источника питания) и может подключаться к питанию напрямую. Со светодиодом все иначе. При работе светодиода в расчетном, штатном режиме напряжение на нем обычно равно 3…3,3В, но определяющим параметром для него является не напряжение, а ток. Свойства полупроводника таково, что при плавном подъеме напряжения на нем, скажем, с помощью реостата регулировки подсветки, оно начинает расти от нуля до определенной величины (для светодиода это упомянутые 3…3,3В), после чего напряжение остается практически неизменным, дальше растет только ток. И когда он превысит некоторую величину, светодиод перегорает. Если подать на светодиод напряжение прямо с аккумулятора, оно-таки будет составлять 12 вольт, но срок жизни диода будет определяться секундами, если не долями секунд.
Чтобы светодиод стал работать от 12В, необходимо ограничить его ток, чтобы он не превышал максимально допустимого для светодиода значения. Это можно сделать несколькими способами: с помощью токоограничивающего резистора, стабилизатора тока, широтно-импульсной модуляции. Так как все это я пишу в расчете на начинающих, два последних способа мы опустим — тем, кто "в танке", это все уже не нужно — и рассмотрим метод расчета токоограничивающего резистора.
Для того, чтобы уменьшить, ограничить ток в цепи светодиода, нам нужно увеличить сопротивление этой цепи. Вспоминаем закон господина Ома:
где: I — ток, U — напряжение, R — сопротивление
Напряжение у нас всегда одно — 12В. Кто-то возразит — не 12, а 14,4В. Скажем, так: напряжение у нас всегда равно напряжению бортовой сети автомобиля, но чтобы уберечь светодиоды от выхода из строя, все расчеты будем делать для максимального напряжения — 14,4В. Так вот, напряжение у нас всегда одно и то же — 14,4В. Номинальный ток современных светодиодов обычно составляет 10…20 мА. Это (как, впрочем, и рабочее прямое падение напряжения на светодиоде — 3…3,3В величина, усредненная для основной массы белых-синих-красных-зеленых-RGB светодиодов в SMD исполнении) лучше уточнить по даташиту, если известен тип светодиода. Если же тип неизвестен, лучше принять значение 10 мА — светить будет послабее, зато точно не сгорит от перегрузки по току.
Чтобы увеличить сопротивление цепи светодиода, последовательно с ним включается токоограничивающий резистор:
Для определения его номинала узнаем, сколько вольт должно упасть на резисторе. Вспоминаем правило последовательной цепи: сумма напряжений на всех элементах равна напряжению питания. Питание у нас 14,4В. Номинальное напряжение на светодиоде — 3,3В.
14,4В — 3,3В = 11,1В
Именно такое напряжение должно быть на резисторе — 11,1В. Ток, протекающий в цепи (в том числе, и через светодиод) равен 10…20 мА. Например, для SMD-светодиода типоразмера 3528 номинальный ток равен обычно 20 мА, но для пущей сохранности возьмем немного меньше — 15мА. Выведем сопротивление из формулы закона Ома:
Напряжение на резисторе мы посчитали — 11,1В, ток через светодиод, а следовательно, и через резистор, мы выбрали — 15мА. Сопротивление резистора R = 11,1В / 15мА = 0,74 кОм. Вообще, если делать все по всем правилам, ток должен быть задан в амперах, при этом значение сопротивления получится в омах: 11,1В / 0,015А = 740 Ом. Что, по сути, то же самое:) Ближайший стандартный номинал к рассчитанной величине — 750 Ом. Расчет закончен.
Полезно бывает посчитать мощность резистора для уверенности, что он выдержит. Для этого нужно ток через резистор (на этот раз удобнее уже в амперах:) ) умножить на напряжение на нем: 11,1В * 0,015А = 0,17 Вт (округленно). Теперь расчет совсем закончен — чтобы запитать один светодиод, нам нужен резистор мощностью 0,25 Вт (ближайшее вверх стандартное значение) сопротивлением 750 Ом.
Для удобства сведу все в одну кучу, пусть шпаргалка будет:
Вместо резистора в цепь можно включить стабилизатор тока, простых схем сейчас много в сети. Может быть, когда-нибудь руки дойдут до их описания.
Чаще всего при пересветке всяческих панелей (приборных, печек и т.п.) светодиоды объединяют в группы (обычно по три, реже — по два), при этом экономятся резисторы. И вот тут самое главное правило: светодиоды в группе необходимо соединять только последовательно!
Почему? Все просто. В последовательной цепи через все элементы течет один и тот же ток, который мы можем точно определить и задать с помощью резистора. В параллельной же мы можем задать только общий ток всей цепи, он будет равен сумме токов через светодиоды. Идеального на свете ничего нет, светодиоды тоже имеют разброс параметров: одни потребляют меньший ток, другие больший и может получиться так, что при токе через три "неправильных" светодиода 45 мА (по 15 мА на каждого — вроде справедливо, правда?), но сильном разбросе их параметров на два из диодов может прийтись по 10 мА, а вот третьему достанутся оставшиеся 25, он обидится один раз — и все. А в сумме получатся те же 45 мА.
Так что вот оно, самое железное правило: несколько светодиодов с одним резистором — только последовательно. А вот эти группы между собой соединяем уже параллельно, потому как каждая из них будет рассчитана на 14,4В.
Расчет для группы из двух-трех диодов ничем не отличается от приведенного, только при расчете напряжения на резисторе из напряжения питания нужно вычитать сумму напряжений всех светодиодов в группе (6,6В — для двух, 9,9 — для трех). Сопротивление и мощность вычисляются одинаково.
На этом, собственно, все:)
Ну и напоследок, обещанная таблица цветовой кодировки резисторов и онлайн-сервис для ее расшифровки.
Спасибо за внимание! Всем правильных схем и хорошего настроения:) До новых встреч в эфире!