Как последовательно соединить светодиоды?

Особенности параллельного и последовательного соединений светодиодов

Соединение светодиодов – несложная процедура даже для человека без профессиональных навыков.

Соединение в LED цепочку компонентов может быть нескольких видов – последовательное и параллельное.

Эти схемы могут выполняться в различных вариациях, каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Принципы подключения

Светоизлучающие диоды активно применяются в подсветке, индикации. Своими руками можно создать устройства, поэтому важно знать, как производить соединение светодиодов.

К основным способам подключения относятся:

параллельное;
последовательное;
комбинированное.

Основные причины выхода из строя светодиодных цепочек:

неправильное соединение;
некачественные диоды или блоки питания.

Конструкция излучающего диода подразумевает его подключение к источнику постоянного тока. При соединении важно соблюдать полярность компонента – если перепутать катод и анод, диод не будет излучать световой поток.

Важно! Любой компонент имеет техдокументацию, в которой указывается полярность. Ее узнать можно по маркировке компонента или визуально.

Полярность

Определить, какой из электродов является плюсом, а какой – минусом, можно несколькими способами.

Первый – конструктивно. Обычный LED компонент имеет две ножки, длинная является плюсом (анодом), а короткая – катодом.

При помощи тестера. Для этого нужно взять мультиметр, перевести его в положение «Прозвонка» и прикладывать щупы к электродам. Когда красный щуп коснется анода, а черный катода – светодиод загорится. Если при перестановке на шкале высвечивается и не меняется «бесконечное» сопротивление, есть неполадка с элементом. Так что мультитестер используется и для проверки работоспособности излучающих приборов.

Визуальный осмотр. Можно посмотреть внутрь колбы. Широкая часть – это катод, а узкая – анод. Мощные светодиоды сверхъяркого типа имеют маркировку выводов «+» и «–». Компоненты для поверхностного монтажа обычно имеют специальный скос, который указывает на катод.

Включение в источник питания. Диод можно подключить к аккумулятору, батарее или другому блоку. Нужно постепенно повышать электропитание, которое вызовет свечение. Если компонент не горит, полярность следует поменять. Собирается такая схема проверки обязательно с использованием токоограничивающего резистора.

По технической документации. В паспорте прибора будет написано, какая полярность.

После определения плюса и минуса электродов нужно разобраться с методом подсоединения.

Способы подключения

Этапы соединения:

определение полярности;
составление схемы подключения;
подбор драйвера и блока питания;
расчет резистора;
сбор цепи;
тестирование подключенной системы.

Можно выделить 2 метода соединения – к электросети 220 Вольт и 12 Вольт. Осуществить подключение можно последовательно или параллельно. Наилучшим способом считается последовательное соединение светодиодов.

Подключение к напряжению 220 В

Чтобы светодиод загорелся, через него должен проходить ток в 20 мА и выше, а падение напряжения не должно превышать 2,2 – 3 В в зависимости от материалов кристалла. С учетом указанных параметров выбирается токоограничивающий резистор по закону Ома. Его формула:

R=(Uпит-Uпад)/(I*0,75), где R – номинал резистора, Uпит – напряжение источника, Uпад – падение на диоде, I – номинальный ток, 0,75 – коэффициент надежности.

Падением напряжения называют уровень напряжения, которое светодиод преобразует в свечение.

Также требуется знать мощность резистора. Она вычисляется как P=I*I*R=(Uпит-Uпад)*(Uпит-Uпад)/R.

Таким образом, для тока в 20 мА, сети 220 В и падения напряжения на диоде 2,2-3 В номинал сопротивления должен быть равен 30 кОм. Мощность сопротивления равняется 2 Вт.

Упрощенная схема подключения будет состоять из светодиода, диода, конденсатора и резисторов.

Но такое соединение используется все реже. Чтобы подключить светодиоды к электросети, используются специальные устройства – драйверы. Они преобразуют переменное напряжение 220 В в постоянное, пригодное для работы элемента. В большинстве светодиодных лент драйверы уже имеются в конструкции. В основе драйвера находятся диодный мост, делитель напряжения и стабилизатор. Основное преимущество – простота исполнения и надежность эксплуатации.

Как выбрать нужный драйвер, зависит от трех параметров:

выходной ток;
максимальное и минимальное напряжение на выходе;

Рабочий ток является важнейшей характеристикой. Ток драйвера должен быть чуть меньше или равен току светодиода.

Подключение к сети 12 в

Напряжение 12 В является оптимальным для работы светоизлучающего диода. Оно безопасно, и используется для включения в особо опасных помещениях (ванная, смотровые ямы гаража, бани).

Для подключения к 12 В нужен резистор. Он рассчитывается по той же формуле, что и для 220 В.

Важное преимущество 12 В – оно постоянное. Это позволяет упростить схему соединения.

Последовательное подключение

Чтобы подключить светодиоды последовательно, нужно к катоду одного устройства припаять анод другого, и так до нужной длины цепочки. Соединение производится через токоограничивающий резистор. По схеме будет протекать один и тот же ток через все элементы. Уровень напряжения будет суммой падений на каждом участке.

Так, для подключения к источнику питания с напряжением 12 Вольт потребуется не более четырех светодиодов 3 Вольт (3*4=12). Для большего числа диодов нужен более мощный аккумулятор.

Преимущества и недостатки

одинаковый уровень тока;
простота.

количество светодиодов ограничено падением напряжения;
если сломается один элемент, непригодной становится вся цепочка.

Схема раньше использовалась в гирляндах для елки. Сейчас ее вытеснило смешанное соединение.

Параллельное подключение

При параллельном подключении уровень напряжения на каждом светодиоде одинаков. Сила тока наоборот состоит из суммы токов, проходящих через элементы. Подключаются диоды так же через резисторы, но для каждого устройства он свой. Это связано с тем, что любой светоизлучающий диод имеет различные характеристики. Если поставить один резистор, через светодиоды будет пропускаться разный ток, и некоторые могут выйти из строя.

Параллельное подключение может использоваться для реализации двухцветного свечения ламп.

Плюсы и минусы

можно использовать большее количество диодов;
если перегорит один светодиод, цепь продолжит работу.

требуется много резисторов;
если сломается один элемент, на другие увеличится нагрузка.

Смешанное подключение

Смешанный тип соединения является самим оптимальным. Он используется во всех LED лентах, гирляндах, светодиодных панелях и представляет собой смесь параллельного и последовательного включений.

Так, параллельно включаются не отдельные элементы, а группы светодиодов. В группах диоды подключаются последовательно через один резистор для каждой цепи.

при поломке элемента из одной цепочки вся гирлянда будет светить дальше;
нужно не так много резисторов.

В этом способе учтены и исправлены все недостатки из параллельного и последовательного соединений.

Как подключить мощный светодиод

Для мощного светодиода потребуется источник питания с большим номиналом. Так, диод 1 В будет загораться, если по нему будет протекать ток величиной не менее 350 мА. Для 5 В элемента потребуется источник тока с нагрузкой не менее 1,4 А.

Схема соединения также будет включать токоограничивающий резистор и интегральный стабилизатор напряжения. Он помогает обезопасить светодиод от скачков электричества. Чаще всего используется интегральная микросхема LM317 для стабилизации. Подключить мощный светодиод можно параллельно, последовательно и комбинированным способом.

Распространенные ошибки при подключении

Самые часто встречающиеся ошибки при соединении светодиодов:

Выбор резистора не того номинала – если подобрать слишком маленькое сопротивление, светодиод может перегореть. При большом значении светить диод будет не в полную силу.
Подключение напрямую к источнику питания без токоограничивающего резистора. Излучающий компонент сразу сгорит.
Соединение по параллельной схеме с одним резистором для всех диодов. Компоненты начнут выходить из строя, так как рабочий ток у каждого различный.
Соединение по последовательной схеме светодиодов, рассчитанных на разный ток. В таком случае часть диодов перегорит, а часть будет светить тусклее.
Подключение напрямую к сети 220 В без защиты.

Важно! Совершение описанных ошибок повлечет за собой негативные последствия в виде поломки диода или нанесения себе травм.

Основные выводы

Все светодиоды, в не зависимости от их рабочего напряжения или силы тока, подключаются последовательно или параллельно. Способ включения может быть и комбинированным – в таком случае устраняются недостатки последовательного и параллельного соединений. Важно уметь правильно собирать цепь, подбирать источник питания, считать номиналы токоограничивающих резисторов и нужное количество светодиодов, чтобы схема функционировала. Соединение без токоограничивающего резистора и других защитных элементов приведет к поломке диода.

Последовательное и параллельное подключение светодиодов

При конструировании различных электронных устройств часто возникает необходимость в последовательном, параллельном или комбинированном включении элементов. Не стали исключением и светодиоды. Учитывая их небольшие размеры, а также с целью повышения яркости, в одном корпусе осветительного прибора можно разместить несколько LED-чипов.

Как правильно собрать электрическую цепь, чтобы надёжность схемы была на высоком уровне? Что нужно знать о светодиодах, соединяя их параллельно или последовательно?

Параллельное соединение

Необходимость в параллельном включении возникает в случае, когда напряжения источника питания недостаточно для запитки нескольких последовательно соединённых светодиодов. Теоретически, в самом простом варианте можно было бы отдельно объединить все аноды и все катоды излучающих диодов. После чего подключить их к источнику напряжения с соблюдением полярности. Но такая схема не работоспособна, так как дифференциальное сопротивление открытого светодиода чрезмерно мало, что провоцирует режим короткого замыкания. В результате все светодиоды в цепи единожды вспыхнут и навсегда погаснут.

Но как говорят: «Правило без исключений не бывает». В китайских игрушках и зажигалках с подсветкой можно увидеть, что светодиоды запитаны прямо от батареек без каких-либо промежуточных элементов. Почему они не перегорают? Дело в том, что ток в цепи ограничен внутренним сопротивлением круглых батареек типа AG1. Их мощности недостаточно, чтобы нанести вред светодиоду.

Ограничить резкое нарастание тока в нагрузке можно с помощью резистора. О том, как это грамотно сделать с одним светодиодом, подробно написано в данной статье. Для цепи из нескольких параллельно подключенных LED с одним резистором схема примет следующий вид. Но и этот вариант не пригоден для конструирования осветительных устройств с высокой надёжностью. Почему? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях строения полупроводников. В процессе производства полупроводниковых элементов невозможно получить два абсолютно одинаковых прибора. Даже у светодиодов из одной партии будет разное дифференциальное (внутреннее) сопротивление, от которого зависит величина прямого напряжения. Это касается не только светодиодов, но и других полупроводников. Среди диодов, транзисторов и тиристоров тоже не найти двух приборов с равными электрическими параметрами.

Из второй схемы видно, что резистор R1 ограничивает только суммарный ток цепи, который затем распределяется по ветвям со светодиодами в зависимости от их сопротивления. По закону Ома светодиод с наименьшим сопротивлением p-n-перехода получит наибольшую порцию тока. И скорее всего он будет больше номинального значения, что ускорит деградацию кристалла. Работа светодиода в режиме перегрузки по току рано или поздно приведёт к выходу из строя на обрыв. Оставшиеся в работе светодиоды распределят между собой ток сгоревшего элемента, что также приведёт к резкой потере яркости.

Как и в первом варианте, китайцы не стесняются конструировать светильники на базе «полурабочих» схем. Схему с одним резистором часто можно встретить в дешёвых фонариках и маломощных светильниках на пальчиковых батарейках. А чтобы светодиоды проработали хотя бы год, сопротивление резистора умышленно завышают, как бы, исключая возможные перегрузки.

Ниже приведен единственно верный вариант параллельного включения светодиодов. Здесь последовательно с каждым светодиодом подключен ограничительный резистор. Такое схемотехническое решение позволяет выровнять токи в каждой отдельной ветви, не позволяя им превышать рабочее значение.

Подключать светодиоды через резистор рекомендуется только от стабилизированного источника постоянного напряжения.

Пример расчета

Для закрепления теоретических знаний параллельное соединение светодиодов рассмотрим на конкретном примере. В схеме включены два светодиода: слаботочный красный и мощный одноваттный белый, которые для удобства можно запитать от разных выключателей.

источник напряжения U = +5 В;
LED1 – красного свечения с U_LED1 = 1,8 В и I_LED1 = 0,02 А;
LED2 – белого свечения с U_LED2 = 3,2 В и I_LED2 = 0,35 А.

Требуется рассчитать параметры и выбрать резисторы R1 и R2.

При параллельном включении к обеим ветвям (R1-LED1 и R2- LED2) прикладывается одинаковое напряжение, равное 5 В. Сопротивление каждого резистора определим по формуле: Округляем полученное значение R2 до ближайшего большего значения из стандартного ряда E24 – 5,1 Ом. Подставив его обратно в формулу, находим реальный ток во второй ветви: С учетом возможного отклонения сопротивления выбранного резистора, которое для ряда Е24 может достигать 5%, ток 0,33 А является оптимальным. Снижение рабочего тока примерно на 4% сильно не повлияет на яркость, но позволит светодиоду работать без перегрузок.

Мощность, которую должны рассеивать резисторы, определим с учетом пересчёта тока LED2 по формуле: Резистор R1 подойдёт любой как планарный, так и с выводами сопротивлением 160 Ом и мощностью 0,125 Вт. Корпус резистора R2 должен эффективно отводить тепло в течение длительной работы светильника. Поэтому его выбираем с двойным запасом по мощности, а именно: 5,1 Ом – 1 Вт.

Последовательное соединение

В последовательном включении светодиодов нужно соблюдать правило: «Напряжение источника питания должно быть больше суммы падений напряжений на светодиодах». Остаток напряжения в неравенстве гасится одним единственным резистором R, правильное включение которого показано на схеме. Все светодиоды подключаются поочередно от анода к катоду. Сопротивление резистора задаёт ток цепи. Это значит, что соединять последовательно можно светодиоды только с одинаковым рабочим током.

Пример расчета

Расчет сопротивления и мощности резистора проведём на примере включения трёх белых светодиодов из серии Cree XM-L, для которых характерным является ток I_LED = 0,7 А и прямое напряжение U_LED = 2,9 В. Взяв за основу цветовую температуру и требуемую яркость, можно последовательно подключать светодиоды из разных групп в пределах серии XM-L. Например, один Cree XM-L-T6 с ТС=5000°K и два Cree XM-L-T2 с ТС=2600°K, которые в итоге дадут мощный поток нейтрального света. Питание на схему поступает от блока стабилизированного напряжения U = +12 В. Сопротивление резистора находим по закону Ома: Ближайший стандартный номинал – 4,7 Ом, при котором ток теоретически будет равен 0,702 А. Это не критично, но следует быть уверенным, что сопротивление резистора не изменится под влиянием температуры во время работы. Поэтому устанавливать нужно либо прецизионный резистор с допуском менее 1%, либо последовательно с R1 = 4,7 Ом запаять ещё одно сопротивление 0,1-0,2 Ом такой же мощности.

Найдём мощность резистора: По аналогии с расчётами для первой схемы устанавливать нужно резистор примерно с двойным запасом по мощности, то есть один на 5 Вт. Можно его заменить на два штуки по 2 Вт, но тогда придётся пересчитать сопротивление.

Два важных момента

В момент первого включения желательно измерить мультиметром ток в цепи и падение напряжения на каждом светодиоде. Если полученные данные будут отличаться от расчётных, то нужно пересчитать сопротивление резистора. Иначе, ток в схеме может оказаться слишком заниженным (с потерей яркости) или завышенным (с перегревом чипа светодиода).

Как в последовательном, так и в параллельном включении светодиодов нельзя делать расчеты, ссылаясь исключительно на способность источника питания обеспечить нужный ток или напряжение. Важны оба этих параметра, произведение которых даёт мощность. Мощность блока питания всегда должна быть больше мощности потребления, чтобы гарантировать стабильную и продолжительную работу всего устройства.

Последовательное соединение светодиодов

При разработке электрических схем, в которых задействовано более одного светодиода, возникает вопрос какое соединение светодиодов лучше выбрать: последовательное или параллельное? Забегая вперед отметим, что последовательное включение всегда более эффективно, но не всегда легко реализуемо. Разберемся почему?

Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)

Светодиод – нелинейный элемент электрической цепи, его ВАХ по форме практически идентична обычному кремниевому диоду. На рисунке 1 приведена ВАХ мощного белого светодиода, одного из ведущих мировых производителей.

По графику видно, что при увеличении напряжения всего на 0,2 В (например, участок 2,9…3,1 В), сила тока увеличивается более чем в два раза (с 350 мА до 850 мА). Справедливо и обратное: при изменении тока в достаточно широких пределах, падение напряжения изменяется весьма незначительно. Это очень важно.

Второй важный момент – падение напряжения от образца к образцу в одной партии может отличаться на несколько десятых долей вольта (технологический разброс). По этой причине источник питания светодиодов должен иметь стабилизацию по току, а не по напряжению. Световой поток, кстати, нормируется также в зависимости от прямого тока. Теперь посмотрим, как эта информация пригодится при выборе схемы подключения.

Последовательное соединение (рисунок 2).

На схеме показано последовательное включение трех светодиодов HL1…HL3 к источнику постоянного тока J. Для простоты возьмем идеальный источник тока, т.е. источник, обеспечивающий постоянный ток одинаковой величины, независимо от нагрузки. Поскольку сила тока в замкнутом контуре одинакова, через каждый элемент, последовательно включенный в этот контур, протекает ток одинаковой величины I₁=I₂=I₃=J. Соответственно обеспечивается одинаковая яркость свечения. Разница в падениях напряжения на отдельных светодиодах не имеет в этом случае никакого значения и отражается только на величине разности потенциалов между точками 1 и 2.

Рассмотрим конкретный пример расчета подобной схемы. Пусть требуется обеспечить питание трех последовательно включенных светодиодов током 350 мА. Падение напряжения при этом токе по данным производителя может составлять значение от 2,8 В до 3,2 В.

Рассчитаем требуемый диапазон выходного напряжения источника тока:

Максимальная мощность потребляемая светодиодами составит P=9,6×0,35=3,4 Вт.

Таким образом источник должен иметь следующие параметры:

Выходной стабильный ток – 350 мА;

Выходное напряжение – 9 В ±0,6В (или ±7%);

Выходная мощность – не менее 3,5 Вт.

Все предельно просто.

Серийно выпускающиеся источники питания для светодиодов (драйверы) обычно имеют более широкий диапазон выходного напряжения, чтобы разработчик светотехнического устройства не был привязан к конкретному количеству излучающих диодов, а имел некоторую свободу действий. В таком случае можно к одному и тому же источнику подключать последовательно, например, от 1-го до 8-ми светодиодов.

Тем не менее, последовательная схема включения имеет свои недостатки.

Во-первых, при выходе из строя одного из диодов в цепи – по понятным причинам гаснут и все остальные. Исключение – короткое замыкание светодиода – в этом случае цепь не обрывается.
Во-вторых, при большом количестве светодиодов, сложнее реализовать низковольтное питание.

Например, в случае если стоит задача запитать 10 светодиодов последовательно (это падение напряжения порядка 30 В) от автомобильного аккумулятора, то без повышающего преобразователя не обойтись. А это уже дополнительные затраты, габариты и снижение КПД.

Параллельное соединение (рисунок 3).

Рассмотрим теперь параллельное соединение тех же светоизлучающих диодов.

Согласно первому закону Кирхгофа:

Чтобы обеспечить каждому светодиоду одноваттный режим (I=350мА), источник тока должен выдавать 1050 мА при выходном напряжении порядка 3 В.

Как уже говорилось выше, светодиоды имеют некоторый технологический разброс параметров, поэтому на самом деле токи поделятся не поровну, а пропорционально своим дифференциальным сопротивлениям.

К примеру, если прямое падение напряжения, измеренное на этих светодиодах при токе 350 мА, составляло 2,9 В, 3 В, 3,1 В для HL1, HL2 и HL3 соответственно. То при включении по представленной схеме токи распределятся следующим образом:

Это значит, что и яркость свечения будет разная. Для выравнивания токов в такие цепи обычно последовательно светодиодам включают резисторы (рисунок 4).

Выравнивающие резисторы увеличивают потребляемую мощность общей схемы, а следовательно снижают эффективность.

Такой способ соединения чаще всего применяют с низковольтными источниками питания, например в портативных устройствах с электрохимическими источниками тока (аккумуляторами, батарейками). В других случаях рекомендуется соединить светодиоды последовательно.

Последовательно-параллельное соединение

Если необходимо соединить большое кол-во светодиодов может быть применено последовательно-параллельное соединение. В этом случае несколько ветвей с последовательно соединенными светодиодами соединяются параллельно.

Последовательное соединение светодиодов и параллельное подключение: схемы включения светодиодов параллельно и последовательно, как правильно соединить ленты или панели к сети с напряжением 12 и 220 вольт

Соединение светодиодов – несложная процеДypa даже для человека без профессиональных навыков.

Соединение в LED цепочку компонентов может быть нескольких видов – последовательное и параллельное.