При розробці електричних схем, в яких задіяно понад одного світлодіода, виникає питання яке з'єднання світлодіодів краще вибрати: послідовне або паралельне ? Забігаючи наперед відзначимо, що послідовне включення завжди більш ефективно, але не завжди легко піддається реалізації. Розберемося чому?
Вольтамперная характеристика світлодіода (ВАХ)
Світлодіод - нелінійний елемент електричного кола, його ВАХ за формою практично ідентична звичайній кремниевому диоду. На малюнку 1 наведена ВАХ потужного білого світлодіода, одного з провідних світових виробників.
Малюнок 1
За графіком видно, що при збільшенні напруги всього на 0,2 В (наприклад, ділянку 2,9 ... 3,1 В), сила струму збільшується більш ніж в два рази (з 350 мА до 850 мА). Справедливо і зворотне: при зміні струму в досить широких межах, падіння напруги змінюється дуже незначно. Це дуже важливо.
Другий важливий момент - падіння напруги від зразка до зразка в одній партії може відрізнятися на декілька десятих доль вольта (технологічний розкид). З цієї причини джерело живлення світлодіодів повинен мати стабілізацію по току, а не по напрузі. Світловий потік, до речі, нормується також в залежності від прямого струму. Тепер подивимося, як ця інформація стане в нагоді при виборі схеми підключення.
Послідовне з'єднання (рисунок 2).
малюнок 2
На схемі показано послідовне включення трьох світлодіодів HL1 ... HL3 до джерела постійного струму J. Для простоти візьмемо ідеальне джерело струму, тобто джерело, що забезпечує постійний струм однакового розміру, незалежно від навантаження. Оскільки сила струму в замкнутому контурі однакова, через кожен елемент, послідовно включений в цей контур, протікає струм однакового розміру I1 = I2 = I3 = J. Відповідно забезпечується однакова яскравість світіння. Різниця в поданих напруги на окремих світлодіодах не має в цьому випадку ніякого значення і відбивається тільки на величині різниці потенціалів між точками 1 і 2.
Розглянемо конкретний приклад розрахунку подібної схеми. Нехай потрібно забезпечити харчування трьох послідовно включених світлодіодів струмом 350 мА. Падіння напруги при цьому струмі за даними виробника може складати значення від 2,8 В до 3,2 В.
Розрахуємо необхідний діапазон вихідної напруги джерела струму:
Umin = 2,8 × 3 = 8,4 В;
Umax = 3,2 × 3 = 9,6 В.
Максимальна потужність споживана світлодіодами складе P = 9,6 × 0,35 = 3,4 Вт.
Таким чином джерело повинен мати наступні параметри:
Вихідний стабільний струм - 350 мА;
Вихідна напруга - 9 В ± 0,6 В (або ± 7%);
Вихідна потужність - не менше 3,5 Вт.
Все гранично просто.
Серійно випускаються джерела живлення для світлодіодів ( драйвери ) Зазвичай мають більш широкий діапазон вихідної напруги, щоб розробник світлотехнічного пристрою не був прив'язаний до конкретного кількості випромінюючих діодів, а мав деяку свободу дій. В такому випадку можна до одного і того ж джерела підключати послідовно, наприклад, від 1-го до 8-ми світлодіодів.
Проте, послідовна схема включення має свої недоліки.
- По-перше, при виході з ладу одного з діодів в ланцюзі - зі зрозумілих причин гаснуть і всі інші. Виняток - коротке замикання світлодіода - в цьому випадку що ланцюг не обривається.
- По-друге, при великій кількості світлодіодів, складніше реалізувати низьковольтне харчування.
Наприклад, в разі якщо стоїть завдання живити 10 світлодіодів послідовно (це падіння напруги порядку 30 В) від автомобільного акумулятора, то без підвищувального перетворювача не обійтися. А це вже додаткові витрати, габарити і зниження ККД.
Паралельне з'єднання (рисунок 3).
малюнок 3
Розглянемо тепер паралельне з'єднання тих же світлодіодів.
Відповідно до першого закону Кірхгофа:
J = I1 + I2 + I3,
Щоб забезпечити кожному светодиоду одноватний режим (I = 350мА), джерело струму повинен видавати 1050 мА при вихідному напрузі близько 3 В.
Як вже говорилося вище, світлодіоди мають деякий технологічний розкид параметрів, тому насправді струми поділяться не порівну, а пропорційно своїм диференціальним опорам.
Наприклад, якщо пряме падіння напруги, виміряний на цих світлодіодах при струмі 350 мА, становило 2,9 В, 3 В, 3,1 В для HL1, HL2 і HL3 відповідно. Те при включенні по представленій схемі струми розподіляться таким чином:
I1≈360 мА;
I2≈350 мА;
I3≈340 мА.
Це означає, що і яскравість світіння буде різна. Для вирівнювання струмів в такі ланцюга зазвичай послідовно светодиодам включають резистори (рисунок 4).
малюнок 4
Вирівнюючі резистори збільшують споживану потужність загальної схеми, а отже знижують ефективність.
Такий спосіб з'єднання найчастіше застосовують з низьковольтними джерелами живлення, наприклад в портативних пристроях з електрохімічними джерелами струму (акумуляторами, батарейками). В інших випадках рекомендується з'єднати світлодіоди послідовно.
Послідовно-паралельне з'єднання
Якщо необхідно поєднати велику кількість світлодіодів може бути застосовано послідовно-паралельне з'єднання. У цьому випадку кілька гілок з послідовно з'єднаними світлодіодами з'єднуються паралельно.
Розберемося чому?