Последовательное и параллельное соединение светодиодов

Пример расчета

Имеем напряжение питания 12В, зеленый светодиод. Нужно рассчитать сопротивление и мощность токоограничивающего резистора. Падение напряжения на нужном нам зеленом светодиоде равно 2,4 В, номинальный ток 20 мА. Отсюда вычисляем напряжение, падающее на балластном резисторе.

U (R) = E – U (Led) = 12В – 2,4В = 9,6В.

Значение сопротивления:

R = U (R)/ I = 9,6В/0,02А = 480 Ом.

Значение мощности:

P = U (R) ⋅ I = 9,6В ⋅ 0,02А = 0,192 Вт

Из ряда стандартных сопротивлений выбираем 487 Ом (ряд Е96), а мощность можно выбрать 0,25 Вт. Такой резистор нужно заказать.

В том случае, если нужно подключить несколько светодиодов последовательно, подключать их к источнику питания можно также с помощью только одного резистора, который будет гасить избыточное напряжение. Его расчет производится по указанным выше формулам, однако, вместо одного прямого напряжения U (Led) нужно взять сумму прямых напряжений нужных светодиодов.

Если требуется подключить несколько светоизлучающих элементов параллельно, то для каждого из них требуется рассчитать свой резистор, так как у каждого из полупроводников может быть свое прямое напряжение. Вычисления для каждой цепи в таком случае аналогичны расчету одного резистора, так как все они подключаются параллельно к одному источнику питания, и его значение для расчета каждой цепи одно и то же.

Этапы вычисления

Чтобы сделать правильные вычисления, необходимо выполнить следующее:

Выяснение прямого напряжения и тока светодиода.
Расчет падения напряжения на нужном резисторе.
Расчет сопротивления резистора.
Подбор сопротивления из стандартного ряда.
Вычисление и подбор мощности.

Расчет резистора для светодиода

Надежная работа светодиода зависит от тока, протекающего через него. При заниженных значениях, он просто не будет светить, а при превышении значения тока – характеристики элемента ухудшатся, вплоть до его разрушения. При этом говорят – светодиод сгорел. Для того чтобы исключить возможность выхода из строя этого полупроводника необходимо подобрать в цепь с включенным в нее, резистором. Он будет ограничивать ток в цепи на оптимальных значениях.

Вычисление номинала сопротивления

Для работы радиоэлемента на него нужно подать питание. По закону Ома, чем больше сопротивление отрезка цепи, тем меньший ток по нему протекает. Опасная ситуация возникает, если в схеме течет больший ток, чем положено, так как каждый элемент не выдерживает большей токовой нагрузки.

Сопротивление светодиода является нелинейным. Это значит, что при изменении напряжения, подаваемого на этот элемент, ток, протекающий через него, будет меняться нелинейно. Убедиться в этом можно, если найти вольт — амперную характеристику любого диода, в том числе и светоизлучающего. При подаче питания ниже напряжения открытия p – n перехода, ток через светодиод низкий, и элемент не работает. Как только этот порог превышен, ток через элемент стремительно возрастает, и он начинает светиться.

https://youtube.com/watch?v=hHZIrgozdHw

Если источник питания соединять непосредственно со светодиодом, диод выйдет из строя, так как не рассчитан на такую нагрузку

Чтобы этого не произошло – нужно ограничить ток, протекающий через светодиод балластным сопротивлением, или произвести понижение напряжения на важном для нас полупроводнике

https://youtube.com/watch?v=yEHgznYygDY

Рассмотрим простейшую схему подключения (рисунок 1). Источник питания постоянного тока подключается последовательно через резистор к нужному светодиоду, характеристики которого нужно обязательно узнать. Сделать это можно в интернете, скачав описание (информационный лист) на конкретную модель, или найдя нужную модель в справочниках. Если найти описание не представляется возможным, можно приблизительно определить падение напряжения на светодиоде по его цвету:

Инфракрасный — до 1.9 В.
Красный – от 1.6 до 2.03 В.
Оранжевый – от 2.03 до 2.1 В.
Желтый – от 2.1 до 2.2 В.
Зеленый – от 2.2 до 3.5 В.
Синий – от 2.5 до 3.7 В.
Фиолетовый – 2.8 до 4 В.
Ультрафиолетовый – от 3.1 до 4.4 В.
Белый – от 3 до 3.7 В.

Рисунок 1 – схема подключения светодиода

Ток в схеме можно сравнить с движением жидкости по трубе. Если есть только один путь протекания, то сила тока (скорость течения) во всей цепи будет одинакова. Именно так происходит в схеме на рисунке 1. Согласно закону Кирхгоффа, сумма падений напряжения на всех элементах, включенных в цепь протекания одного тока, равно ЭДС этой цепи (на рисунке 1 обозначено буквой Е). Отсюда можно сделать вывод, что напряжение, падающее на токоограничивающем резисторе должно быть равным разности напряжения питания и падения его на светодиоде.

Так как ток в цепи должен быть одинаковым, то и через резистор, и через светодиод ток получается одним и тем же. Для стабильной работы полупроводникового элемента, увеличения его показателей надежности и долговечности, ток через него должен быть определенных значений, указанных в его описании. Если описание найти невозможно, можно принять приблизительное значение тока в цепи 10 миллиампер. После определения этих данных уже можно вычислить номинал сопротивления резистора для светодиода. Он определяется по закону Ома. Сопротивление резистора равно отношению падения напряжения на нем к току в цепи. Или в символьной форме:

R = U (R)/ I,

где, U (R) — падение напряжения на резисторе

I – ток в цепи

Расчет U (R) на резисторе:

U (R) = E – U (Led )

где, U (Led) — падение напряжения на светодиодном элементе.

С помощью этих формул получится точное значение сопротивления резистора. Однако, промышленностью выпускаются только стандартные значения сопротивлений так называемые ряды номиналов. Поэтому после расчета придется сделать подбор существующего номинала сопротивления. Подобрать нужно чуть больший резистор, чем получилось в расчете, таким образом, получится защита от случайного превышения напряжения в сети. Если подобрать близкий по значению элемент сложно, можно попробовать соединить два резистора последовательно, или параллельно.

Подбор мощности резистора

Если подобрать сопротивление меньшей мощности, чем нужно в схеме, оно просто выйдет из строя. Расчет мощности резистора довольно прост, нужно падение напряжения на нём умножить на ток, протекающий в этой цепи. После чего нужно выбрать сопротивление с мощностью, не меньшей рассчитанной.

https://youtube.com/watch?v=MrsDSqIAun8

Пример вычисления

Мощность — это основная характеристика, где шкалой измерения является ватт. Для того чтобы подсчитать ее для определенной ленты, необходимо следовать такому алгоритму:

в первую очередь необходимо выяснить, какое количество электроэнергии потребляет один метр. Этот показатель можно с легкостью узнать с помощью специальной таблицы. Например, у изделий SMD 5050 на 1 м этот параметр составляет 7,3 Вт;
после можно определить мощность, которую в целом будет потреблять led-система. Для этого необходимо показатель для одного 1 м помножить на общий размер осветительного прибора. Например, при установке подсветки в 10 метров. В этом случае 7,3 Вт необходимо умножить на 10 метров, и получается 73 Вт.

Именно эту мощность в 73 Вт будет потреблять SMD 5050 длиной 10 метров. Однако в этом случае необходимо учитывать, что определенное количество ватт затрачивается на преобразование тока, поэтому желательно подбирать блок питания с немного большим количеством ватт, чтобы был незначительный запас. Он сможет компенсировать вероятные потери и сохранять работоспособность осветительных изделий на требуемом уровне.

Наименьший запас мощности, который обязан иметь преобразователь, обязан находиться в пределах 30% от окончательного значения подсчетов. То есть конечный результат расчетов для изделий с потреблением в 73 Вт, с учетом 30%, уже составляет 94,9 Вт.

Представленные на сегодняшний день в продаже светодиодные приборы питаются от постоянного тока. Причем им необходимо подать напряжение 12 либо 24 Вольт. Также можно встретить устройства, которые работают с показателем 36 В, однако они попадаются довольно редко.

Выбрать правильный блок питания очень легко. Вначале нужно посмотреть на маркировку прибора освещения. На нем непременно обязано указываться напряжение. Как правило, потребителю представлены изделия на 12 В. Преобразователь обязан непременно соответствовать этому значению. Не нужно выбирать блок питания с высоким запасом мощности. Чем этот показатель выше, тем дороже обойдется устройство.

Точное определение мощности

Вам понадобятся:

Мультиметр
Блок питания, в котором можно плавно повышать напряжение
Резистор на 500 Ом

К лазерным светодиодам эта техника неприменима! Подключаете светодиод к резистору и блоку питания. Соблюдайте полярность! Ее тоже можно определить с помощью мультиметра. Плавно увеличивайте напряжение на блоке питания, сравнивая показатели на нем и на светодиоде. Удобнее будет использовать блок питания, который показывает рабочее напряжение, или использовать два вольтметра. Что будет происходить? одинаковое изначально напряжение будет постепенно изменяться на блоке и светодиоде

Важно, чтобы светодиод светился с нормальной яркостью

Мощность – одна из главных характеристик светодиода

На сегодняшний день мощность светодиодов просто ошеломляюща. От нескольких милливатт до сотен ватт. В нашем случае для общего освещения будут самыми оптимальными диоды мощностью 1, 3, 5 Вт. В некоторых случаях не плохо применять 10 Вт матрицы. В гараже я сделал освещение именно на 10 Вт. Их и потребовалось не много и света достаточно для ремонта.

Мы остановимся на 1, 3 Вт диодах, т.к. именно эти типы наиболее распространены в лампах и светильниках. Да и в домашних условиях их легко монтировать. Не смотря на то, что много производителей используют SMD диоды 5050, 3528 и т.п. их паять достаточно сложно и «неприятно», поэтому опущу рассказ о них. Но принцип остается один – ВЫБИРАЕМ диоды по мощности. Чем больше мощность, тем ярче мы получим свет.

Но все не так гладко. Большая мощность дает большой нагрев. И в этом случае стоит четко представлять о том, что для долгой жизни диода необходим хороший теплоотвод, радиатор. 5 Вт светодиод в единичном экземпляре не требует большого охлаждения. Но если Вы решитесь собрать светильник на 5-10 штуках, то радиатор будет весомый. И об эстетике даже не стоит говорить.

Но вернемся к нашим «баранам»… 1Вт светодиоды выпускают на номинальный ток 350 мА, а 3 Вт на 700 мА. Под них уже выпускают готовые драйверы. Запитывать светодиоды необходимо только от драйверов. Они постоянно держут заданное значение тока

А так как диоды очень чутко относятся именно к амперам, то важно питать их постоянным током, чего мы можем добиться именно драйверами, а не блоками питания от мобильников, компьютеров и т.п

Количество диодов стоит выбирать из расчета, что аналог 100 Вт лампы накаливания – от 12 до 14 Вт диодного света. В этом случае нам понадобится 12 одноваттников и драйвер под эти диоды на 350 мА. Я не хочу вдаваться в расчеты как подбирать драйверы. Кому интересно, задайте вопрос, я посчитаю. Ну или когда-нибудь напишу отдельный опус).

Скажу еще одно: деление по ваттам условное. Во всех характеристиках светодиодов есть две величины – рабочий и максимальный ток. Допустим в одноваттниках он составляет 350 и 700 мА. Казалось бы, «сейчас как дам этому диоду на полную и он как засветит!». Но нет. Согласно зависимости освещенности от тока все светодиоды показывают одну диаграмму – чем больше ток от рабочего, тем больше падает сила света. Поэтому я никогда «не разгоняю» свои кристаллы. А питаю их только тем, на что они рассчитаны.

Производители светодиодов

Монтаж светодиодов.

В рейтинге производителей лидируют несколько фирм с мировым именем. Именно они выпускают самые качественные изделия на рынке.

Philips. Пожалуй, производитель, с самым известным именем. Под этой маркой выпускается множество изделий от лампочек, до телефонов. Фирма имеет заводы более чем в шестидесяти странах. Активно вкладывается в новейшие разработки. Покупает другие, более мелкие заводы и производства, которые изготавливают светодиоды.
Cree. Американская фирма, которая начинала свой путь с производства чипов для телефонов. Специализируется на производстве led-изделий разного назначения. РРаРазработали и выпускают светодиоды из карбида кремния, которые ярко светят.
Nichia. Японская компания. Одна из старейших в области изготовления светодиодной техники. Именно она разработала и внедрила выпуск синих и белых цветов led. Специализируется на производстве кристаллов. Лидер на рынке по доходам от продаж.
Osram. Немецкий изготовитель. Работает более ста лет в паре с Siemens. Выпускает светоизлучающие диоды, которые соответствуют мировым стандартам качества.

Из российских производителей можно отметить «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». Обе фирмы располагаются в Санкт-Петербурге и производят светотехнические изделия. Впрочем, кристаллы для выпуска продукции закупаются за рубежом.

Схемы соединения

При последовательной схеме расстановки светодиодов, когда они располагаются один за одним, обычно хватает одного резистора, если получится правильно рассчитать его сопротивление. Это объясняется тем, что в электрической цепи имеется один и тот же ток

, в каждом месте установки электрических приборов.

Но в случае параллельного соединения, для каждого светодиода требуется свой резистор. Если пренебречь этим требованием, то все напряжение придётся тянуть одному, так называемому «ограничивающему» светодиоду, то есть тому, которому необходимо наименьшее напряжение. Он слишком быстро выйдет из строя

, при этом напряжение будет подано на следующий в цепи прибор, который точно так же скоропостижно перегорит. Такой поворот событий недопустим, следовательно, в случае параллельного подключения какого-либо числа светодиодов требуется использование такого же количества резисторов, характеристики которых подбираются расчётом.

Рассеяние мощности и тепла

Когда падение U на сопротивлении важно, нужно правильно подобрать резистор, способный рассеивать требуемую мощность. Потребление тока в 20 мА может показаться низким, но рассчитанная мощность говорит об обратном

Так, например, для падения напряжения на 30 В резистор должен рассеивать 1400 Ом. Расчет рассеиваемой мощности P = (Ures x Ures) / R,

P — значение мощности, рассеиваемой резистором, которая ограничивает ток в светодиоде, Вт;
U — напряжение на резисторе (в вольтах);
R — значение резистора, Ом.

P = (28 x 28) / 1400 = 0,56 Вт.

Напряжение питания светодиода 1 вт не выдержало бы перегрев в течение длительного времени, да и 2 Вт тоже слишком быстро выходили бы из строя. Для этого случая необходимо параллельно подключить два резистора 2700 Ом / 0,5 Вт (или два резистора 690 Ом / 0,5 Вт в ряд) для равномерного распределения рассеивания тепла.

Как проверить мощность светодиодов?

Светодиод – это кристалл, который имеет полупроводниковую конструкцию. Эти элементы производятся в специальном корпусе или без него, но в любом из этих вариантов прибор будет иметь два вывода: один отрицательный, а другой положительный по режиму работы. Многих людей интересует вопрос, как узнать мощность светодиода, чтобы на него ответить, потребуется подробно рассмотреть, какие показатели мощности существуют у этих приборов. Потребляемая мощность светодиода, чаще всего указывается в Ваттах. Но, такое определение не совсем верное, потому как у данного элемента имеется важный рабочий показатель, указывающий на допустимые значения тока, когда светодиод может исправно работать. При этом значение мощности, будет зависеть именно от показателей тока, который подан на полупроводниковый элемент.

Какие бывают светодиоды

Светодиод (обозначается СД, СИД, LED в англ.) представляет собой прибор, в основе которого лежит искусственный полупроводниковый кристаллик. При пропускании через него электротока создается явление испускания фотонов, что приводит к свечению. Данное свечение имеет очень узкий диапазон спектра, и цвет его находится в зависимости от материала полупроводника.

Светодиоды вполне могут заменить обычные лампы накаливания

Светодиоды с красным и желтым свечением производят из неорганических полупроводниковых материалов на базе арсенида галлия, зеленые и синие изготавливают на основе индия-галлия-нитрида. Чтобы увеличить яркость светового потока используют различные присадки или применяют метод многослойности, когда слой чистого нитрида алюминия размещают между полупроводниками. В результате образования в одном кристаллике нескольких электронно-дырочных (p-n) переходов, яркость его свечения возрастает.

Различают два типа светодиодов: для индикации и освещения. Первые используют для индикации включения в сеть различных приборов, а также как источники декоративной подсветки. Они представляют собой цветные диоды, помещенные в просвечивающийся корпус, каждый из них имеет четыре вывода. Приборы, излучающие инфракрасный свет, используют в устройствах для удаленного управления приборами (пульт ДУ).

В области освещения используют светодиоды, излучающие белый свет. По цвету различают светодиоды с холодным белым, нейтральным белым и теплым белым свечением. Существует классификация применяемых для освещения светодиодов по способу монтажа. Маркировка светодиода SMD означает, что прибор состоит из алюминиевой или медной подложки, на которой размещен кристаллик диода. Сама подложка располагается в корпусе, контакты которого соединены с контактами светодиода.

Применение светодиодной подсветки в интерьере кухни

Другой тип светодиодов обозначается OCB. В таком приборе на одной плате размещается множество кристаллов, покрытых люминофором. Благодаря такой конструкции достигается большая яркость свечения. Такую технологию используют при производстве светодиодных ламп с большим световым потоком на относительно малой площади. В свою очередь это делает производство светодиодных ламп наиболее доступным и недорогим.

Стандарты электроосвещения

Первый шаг калькуляции – не замеры и умножения, а ознакомление с принятыми стандартами. Согласно принятым нормам, уровень освещенности помещений должен быть таким (в Люксах):

50-100 – коридоры, холлы, лестницы, ванные комнаты,
150 – комнаты жилого назначения и места приготовления пищи,
200 – детские, конференц-залы, комнаты для совещаний,
300 – кабинеты, офисы, читальные залы,
100-400 – производственные цеха в зависимости от их направленности.

Точные значения для разных объектов можно посмотреть в официальном документе «СНиП 23-05-95», который можно найти в Электронном фонде правовой и нормативной информации.

Электрические параметры светодиодов

Первым делом заметим, что светодиод характеризуется тремя электрическими параметрами (световые характеристики мы рассматривать не будем):

падение напряжения, измеряемое в вольтах. Когда говорят 2-х вольтный или 3-х вольтный светодиод, то это имеется в виду данный параметр;
номинальный ток. Часто его значение приводится в справочниках в миллиамперах. 1 мА = 0,001 А;
мощность рассеяния – это мощность, которую способен рассеять (выделить в окружающую среду) полупроводниковый прибор не перегреваясь. Измеряется в ваттах. Значение данного параметра с высокой точностью можно определить самостоятельно, умножив ток на напряжение.

Таблица использования светодиодных источников с разной температурой свечения.

В большинстве случае достаточно знать два первых параметра, а то и вовсе только номинальный ток. Условно я выделил два основных способа, с помощью которых можно с высокой долей вероятности узнать или определить указанные параметры. Первый способ – информационный. Это наиболее быстрый и простой способ. Одна он не всегда дает положительный результат. Второй способ, нам – электронщикам, более интересный. Я назвал его «электрический», так как ток и напряжение будут определяться с помощью мультиметра (тестера). Рассмотрим подробно оба варианта.

Светодиодная лента в квартиру для основного освещения

Если с помощью ленты нужно обеспечить качественное освещение комнаты, то подбирать ее надо особенно тщательно. В этом случае главным аспектом будет яркость света. Этот показатель зависит от типа используемых светодиодов, всего есть 3 варианта:

SMD3528. Цифры обозначают размер светового элемента, то есть в этом случае он 3,5х2,8 мм. Яркость одного светодиода составляет 5 люмен, что не очень много.
SMD5050. Более крупный вариант, в котором диод размером 5х5 мм обеспечивает световой поток в 15 люмен.
SMD5630. Самые мощные световые элементы из тех, что есть в продаже. При размере диода 5,6х3 мм дают световой поток в 18 люмен.

разнообразие типов светодиодных лент.

Но яркость одного диода – не главный показатель, важнее всего их количество на погонный метр ленты. Именно от этого и зависит общая мощность. Тут также у каждого варианта есть свои особенности, их необходимо учесть:

Для SMD3528 наименьшее количество на метр равно 30 шт., а наибольшее – 240. То есть, суммарная мощность может составить от 150 до 1200 Люмен.
У SMD5050 на метре может располагаться до 120 элементов. Максимальная мощность светового потока равна 1800 Лм.
А у SMD 5630 предел – 72 светодиода на метр, что дает свет в 1296 Люмен.

Плотность расположения светодиодов на ленте.

Не стоит подбирать варианты как можно мощнее, вначале надо определить, для каких целей будет применяться подсветка:

Если нужно обеспечить освещение полок, ниш или отдельных частей комнаты, то не стоит выбирать варианты с общей мощность на метр более 10 Ватт. Этого вполне достаточно для создания комфортной обстановки.
При общем освещении комнаты или ее части нет ограничений по максимальной мощности. При этом минимальная не должна быть меньше 14,5 Ватт на погонный метр.

Светодиодные ленты можно устанавливать как на потолках, так и на стенах.

На что обратить внимание при выборе

Кроме яркости есть ряд факторов, которые также нужно учесть. Все они влияют на работу ленты:

Блок питания. Его стоит подбирать в зависимости от длины используемой светодиодной ленты и общей мощности светодиодов (она всегда указана в инструкции или на упаковке, поэтому посчитать несложно). Блок обязательно должен иметь запас мощности не меньше, чем в 20%. Например, если лента потребляет 20 Вт в час, то понадобится оборудование на 24 Вт или немного мощнее.
Качество изготовления. Оценить этот момент может каждый: если светодиоды припаяны криво или пайка неаккуратная и с наплывами, то лучше искать другое изделие. Также надо оценить характеристики резисторов, в хороших лентах используют варианты с маркировкой 151 или 301, в дешевых – 101. Стоит слегка согнуть ленту, чтобы оценить упругость — если она очень мягкая, то основание и токоведущие дорожки тонкие, что плохо скажется на качестве света и на сроке службы.
Защищенность от влаги и пыли. Этот показатель не имеет особого значения в жилых комнатах, но если лента нужна для влажного помещения или улицы (например, неотапливаемый балкон или терраса), то понадобится защищенный вариант. В обычных комнатах подойдут ленты с маркировкой IP20, для ванных, кухонь и санузлов лучше использовать класс не ниже IP44, а для улицы – IP65.
Количество цветов. Для общего освещения обычно используют монохромные ленты, выбирая теплый свет. Есть и многоцветные варианты, в которых могут чередоваться разные оттенки. Они дороже, но для создания декоративного эффекта применяются все чаще. В этом случае придется дополнительно приобрести контроллер, чтобы менять цвета.
Тип соединения ленты. Если нужно скрепить между собой два куска или более, то лучше купить изделия с коннекторами. Так называют специальные соединители, с помощью которых можно стыковать части без специального инструмента. Если коннекторов нет, то придется паять контакты, что не очень просто для тех, кто не умеет делать это.

С помощью коннектора подключить светодиодную ленту можно за минуту.

Управлять светом можно выключателем или пультом. Второй вариант намного удобнее, позволяет регулировать цвета и яркость с любого места в комнате.

Как узнать на какое напряжение рассчитан светодиод

Все вышесказанное относится к обычным LED, работающим без дополнительных встроенных элементов. Существующие технологии позволяют встраивать в корпус прибора добавочные комплектующие. Например, гасящие резисторы. Так получают светодиоды на большее напряжение – 5,12 или 220 В. Визуально определить напряжение зажигания таких приборов практически невозможно. Поэтому остается один путь.

Если предыдущие способы не дали результата и есть уверенность, что LED исправен, надо пробовать подавать на него повышенное напряжение. Сначала 5 В, потом увеличить напряжение до 12 В, если результата нет – можно попробовать повышать далее, вплоть до 220 В. Но до таких величин лучше не экспериментировать – это напряжение опасно для человека. Кроме того, в случае ошибки можно получить разрушение корпуса светодиода. При этом может произойти небольшой хлопок, оплавление изоляции проводов, возгорание и т.д. В настоящее время технологии шагнули далеко вперед, и светодиод стоит не настолько дорого, чтобы из-за него рисковать оборудованием и здоровьем.

Особенности параллельного и последовательного соединений светодиодов