1. особливості світлодіода
2. Паралельне підключення світлодіодів
3. Комбінований спосіб підключення світлодіодів

Світлодіод або світловипромінювальних діод (англ. LED Light-emitting diode) - напівпровідниковий прилад з електронно-дірковий переходом, що створює оптичне випромінювання при пропущенні через нього електричного струму в прямому напрямку. Іншими словами, світиться, коли через нього проходить струм. Схоже на просту лампу розжарювання, але влаштований світлодіод складніше. У статті розповідається про особливості світлодіода, про те як правильно підключати світлодіод і про спосіб розрахунку резистора для світлодіода.

особливості світлодіода

Що-б розуміти, як правильно підключати світлодіоди потрібно розбиратися в деяких особливостях:

• світлодіод харчується струмом. Напруга, що подається на світлодіод не має значення. Це може бути і 3В, і 1000В. Головне - витримати необхідний струм. При нестачі струму, світлодіод світиться тьмяніше, ніж може. При перевищенні струму світлодіод світить яскравіше, але сильно гріється. Світлодіод, через який пропускають струм більше, ніж він очікує, перегріється і пропрацює недовго. В даному випадку завжди краще «недолити».
• падіння напруги. Важлива характеристика світлодіода - падіння напруги. Це значення показує, на скільки вольт зменшиться напруга при проходженні через світлодіод при послідовному з'єднанні. Наприклад, якщо падіння напруги на світлодіоді 3,4 вольта, то при напрузі живлення 12 вольт, після першого світлодіода залишається 12-3,4 = 8,6 вольт. На другому загубиться ще 3,4 вольта. Чи залишиться 8,6-3,4 = 5,2В. А після третього залишиться 5,2-3,4 = 1,8 вольта. Це менше, ніж падіння напруги світлодіода. Значить, більше світлодіодів живити ми не зможемо.
• температурний режим. Світлодіод нагрівається під час світіння. Чим могутніше світлодіод, тим сильніше він нагрівається. У випадку з малопотужними світлодіодами в пластиковому корпусі, їх нагріванням можна знехтувати. Якщо ви маєте справу з надпотужними яскравими світлодіодами, потрібно думати про охолодження.
• полярність. При підключенні світлодіода потрібно дотримуватись полярності. Якщо переплутати плюс і мінус, то нічого особливо страшного не трапиться, але Світлодіоди не буде світити, і струм через нього не пройде. У світлодіода 2 висновки: анод і катод. Анод - позитивний висновок. Він підключається до позитивного полюса джерела живлення. Катод - негативний. Його підключають до мінуса (землі). Тримаючи світлодіод в руці висновки можна відрізнити по довжині: анод роблять довше катода. Усередині колби світлодіода висновки можна теж відрізнити за розміром. Катод більш масивний і за формою нагадує чашу.

Зображення світлодіода на схемі

Світлодіод. Видно різницю в довжині катода і анода.

Світлодіод. На великому плані помітний катод, що нагадує за формою чашу.

Необхідний струм і падіння напруги можна дізнатися з специфікації світлодіода. Якщо у вас вже є світлодіод, але ви не знаєте його характеристик, можна вважати, що потрібен струм 25мА, а падіння напруги вважати рівним 3В. Здавалося б, ці параметри ідеально підходять для того, що-б світлодіод підключити безпосередньо до висновку Arduino. Але все не так просто. Як зазначалося вище, світлодіод струмовий прилад. Якщо звичайна лампочка сама собі вибере ток, то світлодіод вибирає собі напругу. Тобто, якщо світлодіод вимагає для себе 3В, а ми подамо на нього 5В, то струм зросте настільки, що світлодіод згорить. Це відбувається тому, що він намагається утримати своє напруження в 3V, а джерело намагається видати свої 5В. Починається смертельна сутичка. Якщо джерело живлення слабкий, і світлодіод зуміє просадити на ньому напруга до потрібного - він буде жити, а немає - джерело живлення виграє битву, і світлодіод згорить. Для того, щоб уникнути проблем, потрібно стабілізувати струм для світлодіода. Найпростіший стабілізатор струму - резистор. Включаємо послідовно зі світлодіодом резистор, резистор послаблює джерело живлення, стабілізуючи струм. При підключенні великих і потужних світлодіодів використовують вже спеціальні стабілізатори струму, замість резисторів. Резистор потрібно вміти розраховувати.

Нічого складного в розрахунку резистора немає. З формул нам знадобиться хіба що закон Ома : Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору даної ділянки ланцюга.

Для розрахунку опору резистора для світлодіода (R) потрібно знати: напруга живлення (Uпит), падіння напруги на світлодіоді (Uсв) і необхідний светодиоду ток (I).

Формула дуже проста: R = (Uпит - Uсв) / I

Для простоти розрахунку приймається ряд «стандартних» параметрів:

Uпит = 5 В, Uсв = 3 В, I = 25 мА = 0,025 А

тоді:

R = 5 - 3 / 0.025 = 80 Ом

Найближче стандартне опір резистора - 100 Ом.

Однак, оскільки часто доводиться мати справу зі світлодіодами, точні параметри яких невідомі, особисто моя рекомендація: виключити падіння напруги з формули. Так ми отримаємо універсальну формулу для розрахунку резистора для будь-якого світлодіода, при цьому обмежимо ток з запасом і не сильно втратимо в яскравості. Однак, якщо ви збираєте освітлювальний прилад і вам важливо домогтися максимальної світності світлодіода, використовуйте повну формулу, описану вище. Отже, на моє спрощеної формулою розрахунок буде таким:

R = 5 / 0.025 = 200 Ом

Найближче стандартне опір резистора - 220 Ом. За допомогою нього і будемо підключати. Резистор слід включати в ланцюг між позитивним полюсом джерела і анодом світлодіода.

Підключення одиночного світлодіода

Тепер ви знаєте, як правильно підключити один світлодіод. Але що робити. коли вам потрібно підключити кілька світлодіодів до одного джерела живлення?

При підключенні одного світлодіода нічого складного немає. Ми щойно обговорили це трохи вище. Але як правильно вчинити, якщо одного світлодіода недостатньо? Наприклад, ми хочемо підключити 15 світлодіодів від джерела живлення 12В. Параметри світлодіода для розрахунків візьмемо стандартні. Для подальших міркувань доведеться знову поторсати старого Ома і згадати, що при послідовному з'єднанні напруга складається (в даному випадку мова про падіння напруги на кожному светодиоде), а сила струму залишається незмінною. При паралельному - навпаки. Тепер розглянемо різні варіанти підключення світлодіодів.

Найбільш простий спосіб. Всі світлодіоди підключаємо гірляндою один за одним. Катод першого до анода другого і т.д. Необхідний светодиодам при паралельному з'єднанні струм не залежить від кількості світлодіодів і становить 25мА. Ще потрібно врахувати падіння напруги на кожному светодиоде. Допитливий читач, дружить з математикою, зараз повинен був затнутися. Падіння напруги розраховується як сума падіння напруги для всіх світлодіодів. Та ще й потрібно залишити запас. Запас варто залишати через те, що світлодіоди не ідеальні. Падіння напруги сильно коливається навіть у світлодіодів одного виробника і в одній партії. Падіння залежить від температури, та ще й зростає в міру старіння світлодіода. У нас падіння складе 15 * 3 = 45В. А джерело всього на 12 вольт. Цей варіант відпадає. Послідовно ми можемо дозволити собі підключити тільки 12/4 = 4 світлодіода. З запасом всього 3 світлодіода в паралелі. Тепер можна підключити перед ланцюжком з трьох світлодіодів токоогранічительний резистор на 480 Ом (R = 12 / 0.025 = 480) і радіти. Всі три світлодіода тепер отримують струм в 25мА. Але неідеальність світлодіодів означає, що нам може попастися екземпляр, який розрахований на струм лише в 20мА. Або трохи менше. Або трохи більше. Неважливо. Важливим є те, що наші розраховані 25mA виявляться надмірними. Такий світлодіод почне грітися і перегорить раніше інших. Він перестане пропускати через себе струм. Тоді всі інші світлодіоди теж згаснуть. Послідовне підключення - недостатньо надійна схема. Один перегоріли світлодіод порушує роботу всього ланцюжка.

Переваги: проста і дешева схема, низьке споживання струму.
Недоліки: необхідність в джерелі живлення з великим вольтажем, вкрай низька надійність схеми.

Послідовне підключення трьох світлодіодів

Отже, послідовно нам вдалося поєднати тільки 3 світлодіода. Але що якщо потрібно підключити всі 15?

Паралельне підключення світлодіодів

Тут у нас все навпаки. Силу струму потрібно помножити на кількість світлодіодів, а падіння напруги порахувати тільки 1 раз.
Сила струму: I = 0,025 * 15 = 0,375 А
Нам буде потрібно джерело живлення, здатний видати максимальний струм в 0,375 А. Округлимо до 0,35 (пам'ятаєте, що краще «недолити»?). По напрузі теж вкладаємося: 12 - 2 = 10. Залишається з великим запасом.

Допитливий читач, зупинившись парою абзаців раніше, може вигукнути: «Чекайте! Так навіщо нам 12 вольт, якщо ми можемо обійтися і п'ятьма? ». «Можемо!» - відповімо йому ми. Але не поспішайте з висновками, це ще не кінець.

Ми визначилися, що світлодіоди будуть підключені паралельно. Необхідно обмежити струм в ланцюзі. Припустимо, спеціального драйвера у нас немає. Візьмемо резистор. Розрахуємо необхідну опір по давно відомій формулі: 12 В * 0,35 А = 4,2 Ом. Підключимо його між джерелом живлення і анодами світлодіодів:

Неправильне паралельне підключення трьох світлодіодів

Ось, здавалося б, і все. Але є проблема:

Як зазначалося вище, світлодіоди не обов'язково мають ті характеристики, які заявлені виробником. Завжди є розкид. І ось ми задали ток в 0,35 ампер і дивимося на світиться лінійку світлодіодів. Але всім їм потрібен різний струм. Одному, як ми і розраховували 25мА, іншому - 20 мА, третього 21травень, а ось знайшовся зовсім кривої світлодіод, йому потрібно всього 15мА. А ми пропускаємо через нього 25 - майже в 2 рази більше. Світлодіод гріється і швидко перегорає. У лінійці стало на 1 світлодіод менше. Тепер для харчування залишилися світлодіодів нам потрібно 35мА. Поки все не виглядає особливо погано. Ми обмежили ток з запасом. Ви молодці. Але не витримав ще один світлодіод. Залишилося 13. Тепер весь наш ток поділяється не на 15, а на 13 світлодіодів. На кожен з них припадає по 26травень. Тепер абсолютно всі світлодіоди працюють на підвищеному струмі. Дуже скоро перегріється наступний. Найстійкіші отримають вже по 29травень - 116% від номіналу. Всього 2 перегорілих світлодіода запустили ланцюгову реакцію. Скоро вся лінійка перегорить, а ви так і не зрозумієте чому (ну або зрозумієте, ми ж тільки що все розібрали). Власне, позбутися від такого сумного сценарію просто. Потрібно до кожного світлодіоду поставити за власним струмообмежувальні резистори. Для струму в 25мА і напруги 12В потрібен резистор на 480 Ом. Це не врятує від проблеми «кривих» світлодіодів, але їх перегорання ніяк не вплине на інші.

Переваги: висока надійність.
Недоліки: високе споживання струму, висока вартість схеми.

Правильне паралельне підключення трьох світлодіодів

Паралельне підключення світлодіодів - ідеальний варіант. Завжди прагніть до того, щоб підключати світлодіоди паралельно і обмежувати струм кожного світлодіода окремо своїм резистором. Якщо ви використовуєте світлодіодні драйвери ( стабілізатори струму ), То кожному светодиоду потрібно підключати свій драйвер. Саме тому паралельні схеми з великою кількістю світлодіодів стають занадто дорогими. В реальності доводиться йти на компроміс і об'єднувати світлодіоди в ланцюжки.

Комбінований спосіб підключення світлодіодів

Отже. Підключимо наші 15 світлодіодів комбінованим способом. Згадаймо розрахунок для послідовного підключення. Там ми з'ясували, що від 12 вольт можемо безболісно живити 3 світлодіода. На кожен з 3-х світлодіодів потрібно резистор в 480 Ом. Це і буде наша ланцюжок - 3 світлодіода і резистор. Тепер ми паралельно підключимо 5 таких ланцюжків. При паралельному з'єднанні напруга живлення залишається незмінним, а сила струму для кожного ланцюжка множиться на кількість ланцюжків. Виходить, потрібен джерело на 12В і 5 * 0,025 = 0,125А. Як бачимо, такий спосіб підключення сильно економить струм.

Переваги: низьке споживання струму при великій щільності світлодіодів, кожна ланцюжок не залежить від сусідніх, завдяки наявності власного струмообмежувальні резистора.
Недоліки: всередині ланцюжка ми отримуємо ті ж проблеми, що і при звичайному паралельному з'єднанні. При наявності «кривих» світлодіодів в ланцюжку, вона вийде з ладу раніше інших.

Комбіноване підключення світлодіодів. 3 ланцюжки по 3 світлодіода.

При підключенні світлодіодів до джерела живлення переважно використовувати паралельне з'єднання, забезпечуючи кожен світлодіод окремим стабілізатором. При підключенні великої кількості світлодіодів, для здешевлення конструкції можливе комбінування послідовного і паралельного способів з'єднання світлодіодів для досягнення оптимального результату.

схоже