Если на светодиод подать большее напряжение?
Как узнать напряжение питания светодиода
Светодиод — полупроводниковый прибор, который преобразует прямой электрический ток в световое излучение. Английское название LED расшифровывается, как light emitting diode. Если раньше светодиоды представляли интерес только для узкого круга ученых, то сейчас их активно используют оформители для украшения помещений и разработки концепции светодизайна. В отличие от ламп накаливания, светодиоды преобразуют ток в световое излучение с минимальными потерями, то есть LED-лампы практически не нагреваются при наличии хорошего теплоотвода.
Если еще в середине прошлого века ученым удавалось получить мизерный КПД только в 2%, то сейчас светодиоды в среднем выдают КПД 35-45%, хотя встречаются и настоящие рекордсмены, у которых КПД достигает фантастических 60%. Светодиоды могут работать на протяжении длительного времени. Приборы относятся к низковольтным, то есть безопасным для человека. Основное эстетическое достоинство светодиодов — свет, излучаемый им, «чистый», так как лежит в узком диапазоне спектра. У приборов есть несколько основных ТХ: мощность, сила потребляемого тока, цветовая температура и напряжение. О том, как определить напряжение и поговорим дальше.
Как определить напряжение питания светодиодов
Источник питания для светодиодов — основная комплектующая деталь, которая преобразует сетевое напряжение. Как известно светодиоды питаются током, но напряжение, которое подается в данном случае, значения не имеет. Это может быть как 12 В, так и 1000 В. Главное для светодиода — это ток. При его нехватке свет лампочек тускнеет, а при переизбытке они начинают нагреваться, и даже теплоотвод не всегда может справиться. Если простая лампа накаливания «самостоятельно» выбирает для себя ток, то светодиод сам выбирает напряжение. Если светодиод требует напряжение в 5 В, а блок питания подает ему, к примеру, 5 В, то высока вероятность того, что светодиод просто сгорит. Дело в том, что возникает «конфликт» между источником питания и светодиодом. Первый пытается честно выдать 5 В, а второй старается взять только положенные для себя 3 В. Светодиод может «просадить» напряжение до нужного, если блок питания слабенький, но чаще в этой схватке все же побеждает хаос и разрушение и светодиод перегорает.
Чтобы подобных проблем не возникло, необходимо стабилизировать ток. Самый простой вариант — резистор. Он подключается последовательно со светодиодами. Резистор помогает ослабить источник питания и заставить его выдавать светодиоду нужное напряжение. Если речь идет о мощных светодиодах, то слабенькому резистору с ними не справиться. В этой ситуации потребуется полноценный стабилизатор.
Расчет резистора провести довольно просто. Для вычислений необходимо знать напряжение питания, падение напряжения и ток. От значения напряжения питания отнимают падение напряжения, а получившуюся величину делят на ток. Теперь остается только выбрать резистор с ближайшим стандартным сопротивлением. Некоторые предпочитают вообще убирать из формулы падение напряжения, так как его точное значение не всегда известно, но ниже приведены два способа для определения этой величины.
Как узнать падение напряжения на светодиоде
Падение напряжения на светодиоде — это одна из его важных характеристик. С помощью падения напряжения можно узнать, на сколько вольт уменьшится напряжение во время прохождения через один светодиод, если соединение было последовательным. К примеру, если падение напряжения на светодиоде 2,3 вольта, а напряжение питания 24 вольт, то после первой лампочки остальным останется 24—2,3=21,7 вольт. После прохождения второго светодиода значение станет еще меньше: 21,7—2,3=19,4 вольт.
Подсчеты можно проводить до тех пор, пока полученное значение не будет меньше падения напряжения, то есть на следующий диод его уже не хватит. После проведения нехитрых подсчетов можно прийти к выводу, что запитать при таких условиях можно только 10 светодиодов, а 11-й сиротливо останется в сторонке. Если в ленте их больше, то на остальных уже не хватит. Падение напряжения можно измерить двумя способами: практическим и теоретическим.
Теоретический метод
Для теоретического метода определения падения напряжения в светодиоде необходимы таблицы. Изменения этой характеристики напрямую связаны с его цветом. Для изготовления светодиодов разных цветов используются разные полупроводниковые материалы. Здесь производители во мнении не сходятся, а единого стандарта нет, поэтому каждый делает из того, из чего считает нужным. Падение напряжения во многом определяется химическим составом полупроводника. Точных значений для светодиодов одного цвета нет, но существует определенный диапазон, в котором они варьируются. К примеру, для синих и белых 3—3,6 В, для красных 1,8—2В, для жёлтых и зелёных 2—2,4В. Эти данные можно посмотреть по даташиту.
У белых светодиодов показатель самый высокий, а в хвосте списке расположились красные. Хотя данные и приблизительные, этого обычно достаточно для проведения расчетов. Если светодиоды достались по наследству без документации, то можно поискать в интернете похожие, а после скачать документацию для них. Такой метод, к сожалению, совершенно ненадежен, так как под идентичными корпусами может скрываться разная начинка, соответственно и характеристики у нее будут другими.
Практический метод
В реальности проще это падение напряжения на светодиоде измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках и таблицах. Не нужно объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода. Если возникают трудности с идентификацией, то отличить их легко. Катод короче анода, что видно невооруженным глазом.
Итоги: что делать, если напряжение светодиода упало
Падение напряжения может сильно колебаться даже у одинаковых светодиодов от одного производителя в рамках одной партии. Этот показатель меняется по мере изнашивания светодиода. Также эта характеристика зависит от температуры. Сильный нагрев сокращает срок службы светодиода, поэтому необходим хороший теплоотвод и стабилизатор.
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.
Подробно о напряжении светодиода
Зачастую в руки ремонтника или радиолюбителя попадают светодиоды без приложения технической документации. Для правильного применения полупроводниковых приборов требуется знать их характеристики, в противном случае скорый выход из строя светоизлучающего элемента неизбежен. Хотя управляющим параметром для LED является ток, знание рабочего напряжения является важным – при его превышении жизнь p-n перехода окажется недолгой.
Как узнать какой светодиод стоит в лампе
Самый простой вариант – если лампа полностью исправна. В этом случае надо просто измерить падение напряжения на любом из элементов. Если при подаче питания один или несколько элементов не светят (или все), надо идти другим путем.
Если лампа построена по схеме с драйвером, то на драйвере указано выходное напряжение в виде верхнего и нижнего пределов. Это связано с тем, что драйвер стабилизирует ток. Для этого ему надо изменять напряжение в определенных границах. Фактическое напряжение придется измерить мультиметром и убедиться, что оно в норме. Далее визуально (по дорожкам печатной платы) определить количество параллельных цепочек светодиодов в матрице и количество элементов в цепочке. Напряжение драйвера нужно разделить на число последовательно соединенных элементов. Если напряжение на драйвере не обозначено, то его можно лишь замерить по факту.
Если светильник построен по схеме с балластным резистором и его сопротивление известно (или его можно измерить), то напряжение светодиода можно определить расчетным способом. Для этого надо знать рабочий ток. В этом случае надо рассчитать:
- падение напряжения на резисторе – Uрезистора=Iраб*Rрезистора;
- падение напряжения на цепочке LED – Uled=Uпитания – Uрезистора;
- разделить Uled на количество приборов в цепочке.
Если Iраб неизвестен, его можно принять равным 20-25 мА (схема с резистором применяется для маломощных фонарей). Точность будет приемлема для практических целей.
Сколько вольт имеет прямое напряжение светодиода
Если изучить стандартную вольт-амперную характеристику светодиода, можно заметить на ней несколько характерных точек:
- В точке 1 p-n переход начинает открываться. Через него начинает идти ток и LED начинает светиться.
- При увеличении напряжения ток достигает рабочего значения (в данном случае 20 мА), и в точке 2 напряжение является рабочим для данного LED, яркость свечения становится оптимальной.
- При дальнейшем увеличении напряжения ток растет, и в точке 3 достигает своего максимально допустимого значения. После этого он быстро выходит из строя, а кривая ВАХ растет только теоретически (штриховой участок).
Надо заметить, что после окончания перегиба и выхода на линейный участок ВАХ имеет большую крутизну, что ведет к двум последствиям:
- при увеличении тока (например, при неисправности драйвера или отсутствии балластного резистора) напряжение растет слабо, поэтому можно говорить о постоянном падении напряжения на p-n переходе, независимо от рабочего тока (эффект стабилизации);
- при небольшом увеличении напряжения ток растет быстро.
Поэтому заметно увеличивать напряжение на элементе относительно рабочего нельзя.
На сколько вольт бывают светодиоды
Параметры светодиодов большей частью зависят от материала, из которого изготовлен p-n переход, хотя часть характеристик все же зависит от конструктива. Типовые значения рабочего напряжения и цвет свечения для маломощных элементов при токе 20 мА сведены в таблицу:
| Материал | Цвет свечения | Диапазон прямых напряжений, В |
| GaAs, GaAlAs | Инфракрасный | 1,1 – 1,6 |
| GaAsP, GaP, AlInGaP | Красный | 1,5 – 2,6 |
| GaAsP, GaP, AlInGaP | Оранжевый | 1,7 – 2,8 |
| GaAsP, GaP, AlInGaP | Желтый | 1,7 – 2,5 |
| GaP, InGaN | Зеленый | 1,7 – 4 |
| ZnSe, InGaN | Голубой | 3,2 – 4,5 |
| Люминофор | Белый | 2,7 – 4,3 |
Мощные осветительные светодиоды работают при больших токах. Так, кристалл популярного LED 5730 предназначен для длительной эксплуатации при токе 150 мА. Но из-за крутой ВАХ, стабилизирующей падение напряжения, его Uраб составляет около 3,2 В, что укладывается в указанное в таблице значение.
Как определить напряжение светодиода
Самый очевидный метод определения напряжения полупроводникового прибора – это использовать регулируемый источник питания. Если блок питания регулируется с нуля и при этом возможен контроль тока (а еще лучше – его ограничение), то больше ничего не нужно.
Надо подключить LED к источнику, строго соблюдая полярность. Дальше надо плавно поднимать напряжение (до 3..3,5 В). При определенном напряжении светодиод вспыхнет в полную силу. Этот уровень будет примерно соответствовать рабочему току, который можно считать по амперметру. Если у прибора нет встроенного амперметра, то крайне желательно контролировать ток по внешнему прибору.
Такой метод применим к приборам оптического диапазона. Свечение УФ- и ИК-светодиодов не видно человеческим зрением, но в последнем случае можно наблюдать за включением LED через камеру смартфона. Таким методом можно отследить появление инфракрасного излучения.
Важно! При подъеме напряжения не превышать предел 3..3,5 В! Если светодиод при таких условиях не горит, возможна неверная полярность подключения прибора. Он может выйти из строя из-за превышения предела обратного напряжения.
Если регулируемого источника нет, можно взять обычный блок питания с фиксированным выходом, заведомо превышающим предполагаемое напряжение светодиода. Или даже батарейку на 9 В, но в этом случае можно будет проверить только светодиод небольшой мощности. К светоизлучающему элементу надо последовательно припаять резистор так, чтобы ток в цепи не превысил верхний предел. Если предполагается, что LED маломощный и работает при токе не более 20 мА, то для источника с выходным напряжением 12 В резистор должен быть около 500 Ом. Если используется мощный осветительный прибор (например, типоразмера 5730) с током 150 мА (батарейка такой ток обеспечит не всегда), то резистор должен быть около 10 Ом. Надо подключить цепочку к источнику постоянного напряжения, убедиться в зажигании LED и замерить падение напряжения на нем.
Существуют и альтернативные способы узнать, на сколько вольт рассчитан светодиод .
Мультиметром
У некоторых мультиметров напряжение, подаваемое на клеммы в режиме тестирования диодов, достаточно велико для зажигания LED. Такой измерительный прибор можно использовать для определения рабочего напряжения светодиода, одновременно проверяя цоколевку полупроводникового элемента. При верном подключении p-n переход начнет светиться, а тестер покажет какое-то сопротивление (зависит от типа LED). Проблема этого метода в том, что для замера фактического значения Uрабочего на выводах светодиода потребуется второй мультиметр. И другой момент: измерительного напряжения мультиметра вряд ли будет достаточно для вывода светодиода в рабочую точку по току. Визуально это заметно по недостаточно яркому свечению, а для замеров это будет означать, что светодиод не вышел на линейную часть ВАХ и фактическое значение рабочего напряжения будет выше.
По внешнему виду
Рабочее напряжение приблизительно можно оценить по внешнему виду и цвету свечения LED (иногда цвет можно определить даже не подавая питание на прибор). Для этого можно воспользоваться таблицей, приведенной выше. Но однозначно определить напряжение по цвету свечения светодиода не получится. Зачастую производители подкрашивают компаунд, чтобы цвет излучения p-n перехода сложился с цветом линзы и получился новый оттенок. К тому же даже в пределах одного цвета существует разброс параметров (см. таблицу) для светодиодов разных типов. Так, для LED белого свечения разница напряжений может достигать более 50%.
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.
Введение
Светодиод (Light Emitting Diode, LED) — это полупроводниковый диод, способный излучать свет, когда к нему приложено напряжение в прямом направлении. По сути, это диод, преобразующий электрическую энергию в световую. В зависимости от материала из которого изготовлен светодиод, он может излучать свет разной длины волны (разного цвета) и иметь различные электрические характеристики.
Светодиоды применяются во многих сферах нашей жизни в качестве средств отображения визуальной информации. Например, в виде одиночных излучателей или в виде конструкций из нескольких светодиодов — семисегментных индикаторов, светодиодных матриц, кластеров и так далее. Также в последние годы светодиоды активно занимают сегмент осветительных приборов. Их используют в автомобильных фарах, фонарях, светильниках и люстрах.
Обозначение светодиода на схеме
На электрических схемах светодиод обозначается символом диода с двумя стрелками. Стрелки направлены от диода, символизируя световое излучение. Не путай с фотодиодом, у которого стрелки направлены к нему.
На отечественных схемах буквенное обозначение одиночного светодиода — HL.
Выводы и маркировка светодиода
Стандартный одноцветный светодиод имеет два вывода — это анод и катод. Определить какой из выводов является анодом, можно визуально. У светодиодов с проволочными выводами анод обычно длиннее катода.
У SMD светодиодов выводы одинаковые, но на обратной стороне обычно есть маркировка в виде треугольника или подобия буквы T. Анодом является вывод, к которому обращена одна сторона треугольника или верхняя часть буквы Т.
Если не получается определить визуально где какие выводы, можно прозвонить светодиод. Для этого понадобится источник питания или адаптер, способный давать напряжение около 5 Вольт. Подключаем любой вывод светодиода к минусу источника, а второй подключаем к плюсовой клемме источника через сопротивление 200 — 300 Ом. Если светодиод подключен правильно, он засветится. В противном случае меняем выводы местами и повторяем процедуру.
Можно обойтись без резистора, если не подключать плюсовую клемму источника питания, а быстро «чиркнуть» ей по выводу светодиода. Но вообще подавать большое напряжение на светодиод, не ограничивая при этом ток, нельзя — он может выйти из строя!
Напряжение светодиода
Светодиод испускает свет, если к нему приложить напряжение в прямом направлении: к аноду — плюс, а к катоду — минус.
Минимальное напряжение, при котором светодиод начинает светится, зависит от его материала. В таблице ниже приведены значения напряжений светодиодов при тестовом токе 20 мА и цвета, которые они излучают. Эти данные я взял из каталога светодиодов фирмы Vishay, различных даташитов и Википедии.
Самое большое напряжение требуется для голубых и белых светодиодов, а самое маленькое для инфракрасных и красных.
Излучение инфракрасного светодиода не видно человеческим глазом, поэтому такие светодиоды не применяются в качестве индикаторов. Они используются в различных датчиках, подсветках видеокамер. Кстати, если инфракрасный светодиод запитать и посмотреть на него через камеру мобильного телефона, то его свечение будет хорошо видно.
В показанной таблице даны примерные значения напряжения светодиода. Обычно этого достаточно, чтобы его включить. Точную величину прямого напряжения конкретного светодиода можно узнать в его даташите в разделе Electrical Characteristics. Там указано номинальное значение прямого напряжения при заданном токе светодиода. Для примера заглянем в даташит на красный SMD светодиод фирмы Kingbright.
Вольт-амперная характеристика светодиода
Вольт-амперная характеристика светодиода показывает взаимосвязь между приложенным напряжением и током светодиода. На рисунке ниже показана прямая ветвь характеристики из того же даташита.
Если светодиод подключить к источнику питания (к аноду +, к катоду -) и с нуля постепенно повышать на нем напряжение, то ток светодиода будет меняться согласно этому графику. По нему видно, что после прохождения точки «загиба», ток через светодиод будет резко возрастать при небольших изменениях напряжения. Это как раз та причина, по которой светодиод нельзя подключать к любому источнику питания без резистора, в отличии от лампочки накаливания.
Чем выше ток, тем ярче светится светодиод. Однако повышать ток светодиода до бесконечности, естественно, нельзя. При большом токе светодиод перегреется и сгорит. Кстати, если сразу подать на светодиод высокое напряжение он даже может шлепнуть, как слабенькая петарда!
Остальные характеристики светодиода
Какие еще характеристики светодиода представляют интерес с точки зрения практического использования?
Максимальная мощность рассеяния, максимальные значения постоянного и импульсного прямых токов и максимальное обратное напряжение. Эти характеристики показывают предельные значения напряжений и токов, которые не стоит превышать. Они описаны в даташите в разделе Absolute Maximum Ratings.
Если приложить к светодиоду напряжение в обратном направлении, светодиод не засветится, да и вообще может выйти из строя. Дело в том, что при обратном напряжении может наступить пробой, в результате которого обратный ток светодиода резко возрастет. И если выделяемая на светодиоде мощность (обратный ток * на обратное напряжение) превысит допустимую — он сгорит. В некоторых даташитах дополнительно приводится и обратная ветвь вольт-амперной характеристики, из которой видно, при каком напряжении наступает пробой.
Интенсивность излучения (сила света)
Грубо говоря, это характеристика, определяющая яркость свечения светодиода при заданном тестовом токе (обычно 20 мА). Обозначается — Iv, а измеряется в микроканделах (mcd). Чем ярче светодиод, тем выше значение Iv. Научное определение силы света есть в википедии.
Также представляет интерес график зависимости относительной интенсивности излучения светодиода от прямого тока. У некоторых светодиодов, например, при увеличении тока интенсивность излучения растет все меньше и меньше. На рисунке приведено несколько примеров.
Спектральная характеристика
Она определяет в каком диапазоне длин волн излучает светодиод, грубо говоря цвет излучения. Обычно приводится пиковой значение длины волны и график зависимости интенсивности излучения светодиода от длины волны. Я редко смотрю на эти данные. Знаю, например, что светодиод красный и мне этого достаточно.
Климатические характеристики
Они определяют диапазон рабочих температур светодиода и зависимости параметров светодиода (прямого тока и интенсивности излучения) от температуры. Если светодиод планируется использовать при высоких или низких температурах, стоит обратить внимание и на эти характеристики.
Как работает светодиод?
Материал статьи рассчитан на начинающих электронщиков, а потому я намеренно не касаюсь физики работы светодиода. Осознание того, что светодиод излучает фотоны в результате рекомбинации носителей заряда в области p-n перехода, не несет никакой полезной информации для практического использования светодиодов. Да и не только для использования, но и для понимания в принципе.
Однако, если вам хочется покопаться в этой теме, то даю направление, куда рыть — Пасынков В.В, Чиркин Л.К. «Полупроводниковые приборы» или Зи.С «Физика полупроводниковых приборов». Это ВУЗ`овские учебники — там все по-взрослому.
О подключении светодиодов в следующем материале.
Поделился статьей — получил светодиодный луч добра!
Какая схема подключения светодиодов лучше — последовательная или параллельная
Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.
Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).
Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.
Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:
Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.
Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.
Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.
Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).
Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожжёте его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).
К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.
Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:
А самое неприятное то, что проводимость любого светодиода (который по сути является p-n-переходом) находится в очень сильной зависимости от температуры. На практике это приводит к тому, что по мере разогрева светодиода, ток через него начинает неумолимо возрастать. Чтобы вернуть ток к требуемому значению, придется понижать напряжение. В общем, как ни крути, а без контроля тока никак не обойтись.
Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.
Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.
Параллельное подключение
При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).
Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.
Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:
Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.
Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.
В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:
Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.
Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.
Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):
| Uпит | ILED | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 мА | 10 мА | 20 мА | 30 мА | 50 мА | 70 мА | 100 мА | 200 мА | 300 мА | |
| 5 вольт | 340 Ом | 170 Ом | 85 Ом | 57 Ом | 34 Ом | 24 Ом | 17 Ом | 8.5 Ом | 5.7 Ом |
| 12 вольт | 1.74 кОм | 870 Ом | 435 Ом | 290 Ом | 174 Ом | 124 Ом | 87 Ом | 43 Ом | 29 Ом |
| 24 вольта | 4.14 кОм | 2.07 кОм | 1.06 кОм | 690 Ом | 414 Ом | 296 Ом | 207 Ом | 103 Ом | 69 Ом |
При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.
Последовательное подключение
При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.
Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).
Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:
Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!
Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.
Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.
Вот пример готового устройства:
Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64. 106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.
И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.
Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.
Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:
Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.
Как выбрать нужный драйвер?
Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:
- выходной ток;
- максимальное выходное напряжение;
- минимальное выходное напряжение.
Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.
Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:
Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.
Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3. 4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.
Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).
Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.
Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:
Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.
Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:
| Светодиоды | Какой нужен драйвер |
|---|---|
| 60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835) | см. схему на TL431 |
| 150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730) | драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов) |
| 300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) | драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода) |
| 700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды) | драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов) |
| 3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6) | драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему |
Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.
Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.