Послідовне і паралельне з’єднання світлодіодів

При конструюванні різних електронних пристроїв часто виникає необхідність в послідовному, паралельному або комбінованому включенні елементів. Не стали винятком і світлодіоди. З огляду на їх невеликі розміри, а також з метою підвищення яскравості, в одному корпусі освітлювального приладу можна розмістити кілька LED-чіпів.

Як правильно зібрати електричний ланцюг, щоб надійність схеми була на високому рівні? Що потрібно знати про світлодіодах, поєднуючи їх паралельно або послідовно?

паралельне з’єднання

Необхідність в паралельному включенні виникає в разі, коли напруги джерела живлення недостатньо для заживлення декількох послідовно з’єднаних світлодіодів. Теоретично, в найпростішому варіанті можна було б окремо об’єднати всі аноди і все катоди випромінюючих діодів. Після чого підключити їх до джерела напруги з дотриманням полярності. але така схема не працездатна, так як диференціальне опір відкритого світлодіода надмірно мало, що провокує режим короткого замикання. В результаті все світлодіоди в ланцюзі раз спалахнуть і назавжди згаснуть.

Але як кажуть: «Правило без винятків не буває». У китайських іграшках і запальничках з підсвічуванням можна побачити, що світлодіоди запитані прямо від батарейок без будь-яких проміжних елементів. Чому вони не перегорають? Справа в тому, що струм в ланцюзі обмежений внутрішнім опором круглих батарейок типу AG1. Їхні потужності недостатньо, щоб нанести шкоду светодиоду.

Обмежити різке наростання струму в навантаженні можна за допомогою резистора. Про те, як це грамотно зробити з одним світлодіодом, докладно написано в даній статті. Для ланцюга з декількох паралельно підключених LED з одним резистором схема прийме наступний вигляд. але і цей варіант не придатний для конструювання освітлювальних пристроїв з високою надійністю. Чому? Відповідь на це питання криється в особливостях будови напівпровідників. В процесі виробництва напівпровідникових елементів неможливо отримати два абсолютно однакових приладу. Навіть у світлодіодів з однієї партії буде різний диференціальне (внутрішнє) опір, від якого залежить величина прямого напруги. Це стосується не тільки світлодіодів, але і інших напівпровідників. Серед діодів, транзисторів і тиристорів теж не знайти двох приладів з рівними електричними параметрами.

З другої схеми видно, що резистор R1 обмежує тільки сумарний струм ланцюга, який потім розподіляється по гілках зі світлодіодами в залежності від їх опору. Згідно із законом Ома світлодіод з найменшим опором p-n-переходу отримає найбільшу порцію струму. І швидше за все він буде більше номінального значення, що прискорить деградацію кристала. Робота світлодіода в режимі перевантаження по струму рано чи пізно призведе до виходу з ладу на обрив. Що залишилися в роботі світлодіоди розподілять між собою струм згорілого елемента, що також призведе до різкої втрати яскравості.

Як і в першому варіанті, китайці не соромляться конструювати світильники на базі «полурабочие» схем. Схему з одним резистором часто можна зустріти в дешевих ліхтариках і малопотужних світильниках на пальчикових батарейках. А щоб світлодіоди пропрацювали хоча б рік, опір резистора навмисне завищують, як би, виключаючи можливі перевантаження.

Нижче наведено єдино вірний варіант паралельного включення світлодіодів. Тут послідовно з кожним світлодіодом підключений обмежувальний резистор. Таке схемотехнічне рішення дозволяє вирівняти струми в кожній окремій галузі, не дозволяючи їм перевищувати робоче значення.

Підключати світлодіоди через резистор рекомендується тільки від стабілізованого джерела постійної напруги.

приклад розрахунку

Для закріплення теоретичних знань паралельне з’єднання світлодіодів розглянемо на конкретному прикладі. У схемі включені два світлодіода: слабкострумовий червоний і потужний одноватний білий, які для зручності можна живити від різних вимикачів.

дано:

  • джерело напруги U = +5 В;
  • LED1 — червоного світіння з ULED1 = 1,8 У і ILED1 = 0,02 А;
  • LED2 — білого світіння з ULED2 = 3,2 У і ILED2 = 0,35 А.

Потрібно розрахувати параметри і вибрати резистори R1 і R2.

При паралельному включенні до обом гілкам (R1-LED1 і R2- LED2) прикладається однакову напругу, рівне 5 В. Опір кожного резистора визначимо за формулою: Округляем отримане значення R2 до найближчого більшого значення із стандартного ряду E24 — 5,1 Ом. Підставивши його назад в формулу, знаходимо реальний струм в другій гілки: З урахуванням можливого відхилення опору обраного резистора, яке для ряду Е24 може досягати 5%, струм 0,33 А є оптимальним. Зниження робочого струму приблизно на 4% сильно не вплине на яскравість, але дозволить светодиоду працювати без перевантажень.

Потужність, яку повинні розсіювати резистори, визначимо з урахуванням перерахунку струму LED2 за формулою: Резистор R1 підійде будь-який як планарний, так і з висновками опором 160 Ом і потужністю 0,125 Вт. Корпус резистора R2 повинен ефективно відводити тепло протягом тривалої роботи світильника. Тому його вибираємо з подвійним запасом по потужності, а саме: 5,1 Ом — 1 Вт.

послідовне з’єднання

У послідовному включенні світлодіодів потрібно дотримуватися правила: «Напруга джерела живлення повинна бути більше суми падінь напруг на світлодіодах». Залишок напруги в нерівності гаситься одним єдиним резистором R, правильне включення якого показано на схемі. Всі світлодіоди підключаються по черзі від анода до катода. Опір резистора задає струм ланцюга. Це означає, що з’єднувати послідовно можна світлодіоди тільки з однаковим робочим струмом.

приклад розрахунку

Розрахунок опору і потужності резистора проведемо на прикладі включення трьох білих світлодіодів з серії Cree XM-L, для яких характерним є струм ILED = 0,7 А і пряму напругу ULED = 2,9 В. Взявши за основу колірну температуру і необхідну яскравість, можна послідовно підключати світлодіоди з різних груп в межах серії XM-L. Наприклад, один Cree XM-L-T6 з ТС = 5000 ° K і два Cree XM-L-T2 з ТС = 2600 ° K, які в підсумку дадуть потужний потік нейтрального світла. Харчування на схему надходить від блоку стабілізованої напруги U = 12 В. Опір резистора знаходимо за законом Ома: Найближчий стандартний номінал — 4,7 Ом, при якому струм теоретично буде дорівнює 0,702 А. Це не критично, але слід бути впевненим, що опір резистора не зміниться під впливом температури під час роботи. Тому встановлювати потрібно або прецизійний резистор з допуском менш 1%, або послідовно з R1 = 4,7 Ом запаяти ще одне опір 0,1-0,2 Ом такої ж потужності.

Знайдемо потужність резистора: За аналогією з розрахунками для першої схеми встановлювати потрібно резистор приблизно з подвійним запасом по потужності, тобто один на 5 Вт. Можна його замінити на два штуки по 2 Вт, але тоді доведеться перерахувати опір.

Два важливих моменти

У момент першого включення бажано виміряти мультиметром струм в ланцюзі і падіння напруги на кожному светодиоде. Якщо отримані дані будуть відрізнятися від розрахункових, то потрібно перерахувати опір резистора. Інакше, ток в схемі може виявитися занадто заниженими (з втратою яскравості) або завищеними (з перегрівом чіпа світлодіода).

Як в послідовному, так і в паралельному включенні світлодіодів можна робити розрахунки, посилаючись виключно на здатність джерела живлення забезпечити потрібний струм або напруга. Важливі обидва цих параметра, твір яких дає потужність. Потужність блоку живлення завжди повинна бути більше потужності споживання, щоб гарантувати стабільну і тривалу роботу всього пристрою.

Ссылка на основную публикацию