Расчет резистора для светодиода: онлайн-калькулятор и формула подбора сопротивления

Таблица напряжения светодиодов в зависимости от цвета

Рабочие напряжения светодиодов разные. Они зависят от материалов полупроводникового pn перехода и связаны с длиной волны излучения света, например цветовым градиентом свечения.

Ниже представлена ​​таблица номинальных режимов различных цветовых оттенков для расчета демпфирующего сопротивления.

Напряжение постоянного тока цвета свечения, В

Оттенки белого	3–3,7
Красный	1,6–2,03
Апельсин	2,03–2,1
Желтый	2.1-2.2
Зеленый	2.2-3.5
Синий	2,5–3,7
Фиолетовый	2,8–4,04
Инфракрасный	Не более 1,9
УФ	3,1-4,4

Из таблицы видно, что при 3 вольтах можно включать излучатели всех типов свечения, за исключением приборов с белым, частично пурпурным и полностью ультрафиолетовым оттенком. Это связано с тем, что необходимо «использовать» часть питающего напряжения для ограничения тока через кристалл.

С источниками питания 5, 9 или 12 В можно запитать одиночные диоды или их последовательные цепочки из 3 и 5-6 штук.

Последовательное подключение снижает надежность устройств, в которых они используются, примерно на количество светодиодов. А параллельное подключение увеличивает надежность в той же пропорции: 2 цепи — в 2 раза, в 3 — 3 раза и т.д.

Но беспрецедентная продолжительность их работы для источников света от 30-50 до 130-150 тысяч часов оправдывает снижение надежности, ведь от этого зависит срок эксплуатации устройства. Даже 30-50 тысяч часов работы 5 часов в день — 4 часа вечером и 1 утро каждый день — это 16-27 лет работы. За это время большинство ламп устареют и будут утилизированы. Поэтому последовательное соединение широко используется всеми производителями светодиодов.

Параллельное соединение

Нередко к одному источнику необходимо подключить несколько диодов. Теоретически можно использовать один ограничивающий ток резистор для питания нескольких параллельно подключенных светодиодов. В этом случае формулы будут выглядеть так:

R = (Ust — Un) / (n ⋅ In)

P = (n ⋅ In) 2 ⋅ R

Где n — количество параллельно включенных светодиодов.

Почему нельзя использовать один резистор для нескольких параллельных диодов

Даже в «китайских» продуктах производители устанавливают на каждый светодиод отдельный токоограничивающий резистор. Дело в том, что в случае использования общего балласта на несколько светодиодов вероятность выхода из строя светодиодов возрастает многократно.

Если один из полупроводников сломается, его ток будет перераспределен через оставшиеся светодиоды. Мощность, рассеиваемая на них, увеличится, и они начнут сильно нагреваться. Из-за перегрева выйдет из строя следующий диод, и процесс примет лавинообразный характер.

Совет. Если по каким-то причинам вам нужен демпфирующий резистор, увеличьте его номинал на 20-25%. Это обеспечит большую надежность конструкции.

Пример правильного подключения резистора

Расчет резистора светодиода (по формулам)

При расчете рассчитываются два значения:

• Сопротивление (номинал) резистора;
• рассеиваемая мощность p.

Источники напряжения, питающие светодиоды, имеют разное выходное напряжение. Чтобы выбрать резистор для светодиода, необходимо знать напряжение источника (Ust), падение рабочего напряжения на диоде и его номинальный ток. Формула расчета следующая:

R = (Усть — Ун) / В

Вычитая номинальное падение напряжения на светодиоде из напряжения источника, мы получаем падение напряжения на резисторе. Разделив полученное значение на ток, по закону Ома получим номинал токоограничивающего резистора. Подставляем напряжение, выраженное в вольтах, на ток в амперах, и получаем номинальное значение, выраженное в омах.

Электрическая мощность, рассеиваемая демпфирующим резистором, рассчитывается по следующей формуле:

P = (В) 2 ⋅ R

По полученному значению подбирается мощность балластного резистора. Для надежной работы устройства оно должно быть выше расчетного. Возьмем пример расчета.

Пример расчета резистора для светодиода 12 В

Рассчитаем сопротивление светодиода, питаемого от источника постоянного напряжения 12 В.

Допустим, у нас есть популярный сверхъяркий SMD 2835 (2,8 мм x 3,5 мм) с рабочим током 150 мА и падением напряжения 3,2 В. SMD 2835 имеет электрическую мощность 0,5 Вт. Подставляем исходные значения в формулу.

R = (12 — 3,2) / 0,15 ≈ 60

Получаем, что подойдет демпфирующий резистор сопротивлением 60 Ом. Ближайшее значение стандартной серии Е24 — 62 Ом. Итак, для выбранного нами светодиода можно применить балласт сопротивлением 62 Ом.

Теперь давайте посчитаем рассеиваемую мощность на резисторе.

P = (0,15) 2 62 ≈ 1,4

На выбранном нами резисторе будет рассеиваться почти полтора ватта электроэнергии. Это означает, что для наших целей можно использовать резистор с максимально допустимой рассеиваемой мощностью 2 Вт.

Осталось приобрести резистор подходящего номинала. Если у вас есть старые платы, из которых можно паять детали, вы можете выбрать резистор по цветовому коду. Пожалуйста, воспользуйтесь формой ниже.

Примеры расчетов сопротивления и мощности резистора

Чтобы помочь новичкам сориентироваться, вот несколько практических примеров того, как рассчитать сопротивление для светодиодов.

Cree XM–L T6

В первом случае мы рассчитаем сопротивление, необходимое для подключения мощного светодиода Cree XM-L к источнику напряжения 5 В. Cree XM-L с бункером T6 имеет следующие параметры: типичное значение ULED = 2,9 В и максимальное значение ULED = 3,5 В при токе ILED = 0,7 А. Типовое значение ULED следует подставлять в расчетах, так как чаще всего оно соответствует действительности.

Расчетное значение резистора присутствует в серии E24 и имеет допуск 5%. Однако на практике часто бывает необходимо округлить полученные результаты до ближайшего значения стандартного ряда. Получается, что с учетом округления и допуска в 5% реальное сопротивление меняется, и в дальнейшем ток изменяется обратно пропорционально. Следовательно, чтобы не превысить рабочий ток нагрузки, рассчитанное сопротивление необходимо округлить в большую сторону.

Используя самые распространенные резисторы серии Е24, не всегда удается подобрать нужное значение. Есть два способа решить эту проблему. Первый подразумевает последовательное включение дополнительного токоограничивающего резистора, который должен компенсировать недостающие Ом. Его выбор должен сопровождаться контрольными измерениями тока.

Второй способ обеспечивает большую точность, так как предполагает установку прецизионного резистора. Это элемент, сопротивление которого не зависит от температуры и других внешних факторов и имеет отклонение не более 1% (серия Е96). В любом случае лучше оставить реальный ток немного ниже номинального. На яркости это не сильно повлияет, но обеспечит щадящий режим работы кристалла.

Мощность, рассеиваемая резистором, будет:

Расчетную мощность резистора для светодиода следует увеличить на 20-30%.

Подсчитаем КПД собранного прибора:

Пример с SMD 5050 LED

По аналогии с первым примером выясним, какой резистор нужен для светодиода SMD 5050. Здесь необходимо учесть конструктивные особенности светодиода, который состоит из трех независимых кристаллов.

Если светодиод SMD 5050 одноцветный, прямое напряжение в открытом состоянии на каждом кристалле будет отличаться не более чем на 0,1 В. Это означает, что светодиод можно запитать от одного резистора, объединив 3 анода в одну группу и три катода в одной группе другой. Подбираем резистор для подключения SMD 5050 белого цвета со следующими параметрами: типовой ULED = 3,3 В при токе однокристального ILED = 0,02 А.

Ближайшее стандартное значение — 30 Ом.

Принимаем к установке ограничительный резистор мощностью 0,25Вт и сопротивлением 30 Ом ± 5%.

Светодиод SMD 5050 RGB имеет разное прямое напряжение для каждого кристалла. Следовательно, вам придется проверять красный, зеленый и синий цвета с помощью трех резисторов разной мощности.

В каких случаях допускается подключение светодиода через резистор?

можно подключить светодиод через резистор, если проблема эффективности схемы не является первостепенной. Например, использование светодиода в качестве индикатора для включения выключателя или индикатора сетевого напряжения в электроприборах. В таких устройствах яркость не важна, а потребляемая мощность не превышает 0,1 Вт. При подключении светодиода с потреблением более 1 Вт необходимо следить за тем, чтобы блок питания подавал стабилизированное напряжение.

Если входное напряжение схемы не стабилизировано, все помехи и скачки будут передаваться на нагрузку, прерывая работу светодиода. Яркий пример — электрическая сеть автомобиля, где напряжение на аккумуляторе теоретически составляет всего 12 В. В простейшем случае светодиодную подсветку автомобиля нужно производить через линейный стабилизатор из серии LM78XX. А чтобы хоть как-то повысить КПД схемы необходимо последовательно включить 3 светодиода. Кроме того, цепь питания через резистор требуется в лабораторных целях для тестирования новых моделей светодиодов. В остальных случаях рекомендуется использовать стабилизатор тока (драйвер). Особенно когда стоимость эмиттерного диода соизмерима со стоимостью драйвера. Вы получаете готовое устройство с известными параметрами, которое вам просто необходимо правильно подключить.

Основные параметры

Кроме того, при расчете светодиодов необходимо учитывать разброс параметров, у дешевых они будут максимальными, у дорогих — примерно такими же. Чтобы протестировать этот параметр, нужно включать их на равной основе, то есть последовательно. Уменьшив ток или напряжение, уменьшите яркость до слегка ярких пятен. Визуально вы сможете оценить, одни засияют ярче, другие потускнеют. Чем ровнее горят, тем меньше разброс. Калькулятор резисторов для светодиода предполагает, что характеристики светодиодных микросхем идеальны, то есть разница равна нулю.

Падение напряжения для обычных маломощных моделей мощностью до 10 Вт может составлять от 2 В до 12 В. По мере увеличения мощности количество кристаллов в диоде COB увеличивается, каждый из которых имеет падение. Кристаллы соединены в цепочки последовательно, поэтому они объединяются в параллельные цепочки. При мощности от 10 Вт до 100 Вт снижение увеличивается с 12 В до 36 В.

Этот параметр обязательно указывается в технических характеристиках светодиодного чипа и зависит от назначения:

• цвета синий, красный, зеленый, желтый;
• rGB триколор;
• четырехцветный rGBW;
• двухцветный, теплый и холодный белый.

Онлайн калькулятор для расчета светодиодов

Для автоматического расчета требуются следующие данные:

• напряжение источника или блока питания, В;
• номинальное прямое напряжение устройства, В;
• номинальный прямой рабочий ток, мА;
• количество светодиодов в цепи или параллельно;
• схема подключения светодиодов).

Исходные данные можно взять из паспорта диода.

После их ввода в соответствующие окна калькулятора нажмите кнопку «Рассчитать» и получите номинал резистора и его мощность.

Тип соединения	Один светодиод Последовательное соединение Параллельное соединение
Напряжение питания		Вольт
Светодиод постоянного напряжения		Вольт
Светодиодный ток		Миллиампер
Количество светодиодов		пК.
Точное значение резистора		Ом
Стандартное значение сопротивления		Ом
Минимальная мощность сопротивления		Ватт
Общее потребление энергии		Ватт

Расчет величины резистора-токоограничителя

На практике используются два типа расчета — график по ВАХ — вольт-амперной характеристики конкретного диода и математический — по его паспортным данным.

Принципиальная схема подключения излучателя к источнику питания.

На картинке:

• E — источник питания, имеющий выходное значение E;
• «+» / «-» — полярность подключения светодиода: «+» — анод, на схемах показан треугольником, «-» — катод, на схемах — поперечная черта;
• R — токоограничивающий резистор;
• Улед — прямое, оно же рабочее напряжение;
• I — рабочий ток через устройство;
• напряжение на резисторе обозначается как UR.

Тогда схема для расчета примет вид:

Схема для расчета сопротивления.

Рассчитываем сопротивление для ограничения тока. Напряжение U в цепи распределится следующим образом:

U = UR + Uled или UR + I × Rled, в вольтах,

где Rled — внутреннее дифференциальное сопротивление pn перехода.

Для математических преобразований получаем формулу:

R = (U-Uled) / I, в Ом.

Значение Uled можно выбрать из значений паспорта.

Рассчитаем номинал токоограничивающего резистора для светодиодов производства Cree, модель Cree XM — L, с бункером T6.

Его техническое описание: Типичный рейтинг ULED = 2,9 В, Максимальный ULED = 3,5 В, рабочий ток ILED = 0,7 А.

Для расчета используем ULED = 2,9 В.

R = (U-Uled) / I = (5-2,9) / 0,7 = 3 Ом.

Расчетное значение 3 Ом. Подбираем элемент с допуском точности ± 5%. Этой точности более чем достаточно, чтобы установить рабочую точку на уровне 700 мА.

Значение сопротивления необходимо округлить в большую сторону. Это снизит ток, световой поток диода и повысит надежность работы при более тонком тепловом режиме кристалла.

Рассчитаем рассеиваемую мощность, необходимую для этого резистора:

P = I² × R = 0,7² × 3 = 1,47 Вт

Для надежности округлим до ближайшего большего значения — 2 Вт.

Последовательные и параллельные схемы светодиодов широко используются и показывают характеристики этих типов подключения. Последовательное соединение одинаковых элементов поровну делит напряжение источника между ними. С разными внутренними сопротивлениями — пропорционально сопротивлениям. При параллельном подключении напряжение одинаково, а ток обратно пропорционален внутренним сопротивлениям элементов.

При последовательном соединении LED

При последовательном включении первый диод в цепи подключается от анода к «+» источника питания, а от катода — к аноду второго диода. И так до последнего звена цепи, катод которого подключен к «-» источника. Ток в последовательной цепи одинаков во всех ее элементах. Те, что проходят через любую осветительную арматуру, имеют одинаковую величину. Внутреннее сопротивление разомкнутого, то есть излучающего свет кристалла, составляет десятки и сотни Ом. Если 15-20 мА пересекают цепь с сопротивлением 100 Ом, каждый элемент будет иметь 1,5-2 В. Сумма напряжений на всех устройствах должна быть меньше, чем у источника питания. Разницу обычно гасят специальным резистором, который выполняет две функции:

• ограничивает номинальный рабочий ток;
• обеспечивает номинальное прямое напряжение через светодиод.

Подключение светодиода на 12 вольт

При параллельном соединении

Параллельное подключение может быть выполнено двумя способами.

Схема параллельного подключения.

На изображении выше показано, насколько нежелательно включение этого режима. При таком подключении резистор обеспечит равенство токов только при идеальных кристаллах и одинаковой длине силовых проводов. Но разброс параметров полупроводниковых приборов при производстве не позволяет им быть одинаковыми. И выбор такой же — значительно увеличивает цену. Разница может достигать 50-70% и более. Собрав конструкцию, вы получите разницу яркости не менее 50-70%. Кроме того, выход из строя одного эмиттера изменит работу всех: при разрыве цепи один погаснет, остальные будут светить на 33% больше и больше нагреться. Перегрев поспособствует их деградации — изменению оттенка свечения и снижению яркости.

В случае короткого замыкания из-за перегрева и подгорания кристалла токоограничивающий резистор может выйти из строя.

Нижний вариант позволяет установить желаемую рабочую точку любого диода, даже с разной номинальной мощностью.

Схема последовательно-параллельного подключения устройств.

Три светодиодных элемента и токоограничивающий резистор включены последовательно на напряжение 4,5 В. Полученные цепочки соединены параллельно. Через каждый диод проходит 20 мА, а через все вместе — 60 мА. На каждом из них вы получите меньше 1,5 В, а на ограничителе тока — не менее 0,2-0,5 В. Интересно, что если вы используете блок питания 4,5 В, то с ним могут работать только инфракрасные диоды с постоянным напряжением ниже 1,5В, либо нужно увеличить блок питания минимум до 5В.

Светодиод без резистора

Во-первых, давайте посмотрим, что произойдет, если мы подключим светодиод к источнику питания без токоограничивающего резистора. В качестве примера мы будем использовать источник питания 5 В.

Блок питания 0… 30 В / 3A Монтажный комплект регулируемого блока питания… Подробнее

В этом случае согласно второму закону Кирхгофа:

сумма падений напряжения в замкнутом контуре равна нулю

Получается, что все напряжение питания сосредоточено на нашем светодиоде:

Что означает появление на нашем светодиодах напряжения 5В? Давайте посмотрим на график зависимости тока светодиода от прямого напряжения:

То есть при превышении 2,05 вольта ток будет очень быстро увеличиваться, достигая большого значения.

В нашем случае включение светодиода без ограничивающего резистора приведет к генерации тока выше допустимого (30 мА), что, в свою очередь, приведет к его повреждению.

Здесь следует добавить, что причиной выхода из строя светодиода является не ток как таковой, а мощность, выделяемая в виде тепла.

Последовательное соединение светодиодов

Часто несколько светодиодов подключаются последовательно к одному источнику напряжения. Когда идентичные светодиоды соединены последовательно, их общий потребляемый ток равен рабочему току одного светодиода, а общее напряжение равно сумме падающих напряжений всех светодиодов в цепи.

Следовательно, в этом случае нам нужно использовать только один резистор для всей светодиодной матрицы.

Пример расчета сопротивления резистора при последовательном подключении.

В этом примере два светодиода соединены последовательно. Один красный светодиод на 2 В и один УФ-светодиод на 4,5 В. Допустим, у них обоих номинальный ток 30 мА.

Из правила Кирхгофа следует, что сумма падений напряжения во всей цепи равна напряжению источника питания. Следовательно, напряжение на резисторе должно равняться напряжению источника питания за вычетом суммы падений напряжения на светодиодах.

По закону Ома рассчитываем величину сопротивления ограничивающего резистора:

Сопротивление резистора должно быть не менее 183,3 Ом.

Обратите внимание, что после вычитания падения напряжения у нас все еще остается 5,5 В. Это дает возможность подключить еще один светодиод (разумеется, после пересчета сопротивления резистора)

Ограничение тока протекающего через светодиод

Итак, нам нужно ограничить ток светодиода. У нас есть два варианта:

• использовать источник питания со стабильным током (не более 30 мА согласно ТУ на светодиоды)
• ограничить ток иначе.

В этой статье мы рассмотрим второй способ, то есть подключим резистор последовательно к светодиоду. Часть напряжения питания будет падать на этот резистор, который мы обозначим как VR:

В соответствии с упомянутым выше вторым законом Кирхгофа распределение напряжений будет определяться по формуле:

VCC = VR + VF

В нашем случае мы знаем типичное значение напряжения нашего светодиода, которое составляет 2 вольта, а также напряжение питания 5 вольт:

Таким образом, мы можем рассчитать необходимое падение напряжения на резисторе R, чтобы на диоде было только необходимое 2 вольта:

VR = VCC — VF

VR = 5 В — 2 В = 3 В

то есть мы стремимся получить в нашей цепи следующие напряжения:

Теперь воспользуемся первым законом Кирхгофа:

сумма значений токов, поступающих в узел, равна сумме значений токов, исходящих из этого узла

Наш узел — это место, где соединены резистор и светодиод, что означает, что через резистор будет протекать тот же ток, что и через светодиод. Поскольку мы предположили, что через светодиод может протекать ток IF = 20 мА, тогда:

Рассчитываем сопротивление резистора по закону Ома:

это в нашем случае:

и, наконец, мы можем вывести общую формулу:

После расчета сопротивления выбирается резистор из номинального диапазона. В нашем случае это резистор точно такой же расчетный, то есть 150 Ом, который имеется в штатных линиях E24, E12 и E6.

Но что делать, если сопротивление резистора не соответствует ни одному значению номинального диапазона? В этом случае следует выбрать одно из двух наиболее близких к расчетному сопротивлению, учитывая следующее:

Если сопротивление меньше расчетного, это увеличит значение тока, протекающего через светодиод.

Если сопротивление будет больше расчетного, это снизит световой поток, излучаемый светодиодом.

Подбор резисторов по цветовой маркировке онлайн

Сопротивление:

На заметку! В приведенном выше примере резистор ограничения тока рассеивает почти в три раза больше энергии, чем светодиод. Это означает, что с учетом светоотдачи светодиода эффективность нашей конструкции составляет менее 25%.

Для уменьшения потерь энергии лучше всего использовать источник с более низким напряжением. Например, для источника питания можно использовать преобразователь постоянного / переменного тока 12/5 В. Даже с учетом КПД преобразователя потери будут значительно ниже.