Random converter

• Калькуляторы
• Электротехнические и радиотехнические калькуляторы

Калькулятор светодиодов. Расчет ограничительных резисторов для одиночных светодиодов и светодиодных массивов

Калькулятор нарисует принципиальную и монтажную схему одного светодиода с ограничительным резистором или светодиодного массива, состоящего из нескольких параллельных ветвей светодиодов, с последовательно включенным ограничительным резистором. Если вы только начинаете изучать электронику или учитесь в техническом университете, вы можете использовать этот калькулятор для изучения светодиодов. Если же вы не в первый раз разрабатываете массив светодиодов, воспользуйтесь им для проверки своих расчетов. И конечно, этот и другие калькуляторы на TranslatorsCafe.com пригодятся всем, кто хочет изучить технический английский, так как все они есть и в английской версии.

Пример: Рассчитать последовательно-параллельный массив, состоящий из 30 красных светодиодов с прямым напряжением 2 В и прямым током 20 мА для напряжения источника 12 В.

Входные данные

Напряжение источника питания

V_s В

Прямой ток светодиода

I_f мА

Выберите тип светодиода

Выберите тип светодиодаинфракрасныйкрасныйзелёныйжёлтыйоранжевый/янтарныйсинийбелыйдругой

или Прямое напряжение светодиода

V_f В

Количество светодиодов в массиве

N_t

Количество светодиодов в цепи последовательно включенных светодиодов с ограничительным резистором. Если этот параметр не задан, он будет рассчитан автоматически.

N_s

Поделиться

Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры

Twitter Facebook Google+ VK

Закрыть

Выходные данные

Принципиальная схема

Монтажная схема

Номинал и максимальная рассеиваемая мощность резистора для последовательной цепи с максимальным для данного напряжения питания количеством светодиодов:

Общая мощность, рассеиваимая на всех ограничительных резисторах:

Общая мощность, рассеиваемая всеми светодиодами:

Общая мощность, потребляемая массивом светодиодов:

Ток, потребляемый от источника питания:

Количество светодиодов в матрице:

Количество последовательных ветвей, соединенных параллельно:

Количество светодиодов в последовательной ветви с макс. количеством светодиодов:

Количество светодиодов в дополнительной ветви с количеством светодиодов, меньшим максимального:

Определения и формулы для расчета

Одиночный светодиод

Светодиод (светоизлучающий диод) — полупроводниковый источник излучения в оптическом диапазоне с двумя или более выводами. Монохромные светодиоды обычно имеют два вывода, двухцветные — два или три вывода, трехцветные снабжены четырьмя выводами. Светодиод излучает свет, если к его вывода приложено определенное прямое напряжение.

Обычный инфракрасный светодиод и его условное обозначение на принципиальных схемах (на российских принципиальных схемах светодиоды изображают без разрыва проводника). Квадратный кристалл светодиода установлен на отрицательном электроде (катоде). К положительному электроду (аноду) кристалл подключается с помощью тонкого проводника.

Для подключения светодиода к источнику питания можно использовать простую схему с последовательно включенным токоограничительным резистором. Резистор необходим в связи с тем, что падение напряжение на светодиоде является постоянным в относительно широком диапазоне рабочих токов.

Цвета светодиодов, материал полупроводника, длина волны и падение напряжения
Цвет	Материал полупроводника	Длина волны	Падение напряжения
Инфракрасный	Арсенид галлия (GaAs)	850-940 нм
Красный	Арсенид-фосфид галлия (GaAsP)	620-700 нм	1. 6—2.0 В
Оранжевый	Арсенид-фосфид галлия (GaAsP)	590-610 нм	2.0—2.1 В
Желтый	Арсенид-фосфид галлия (GaAsP)	580-590 нм	2.1—2.2 В
Зеленый	Фосфид алюминия-галлия (AlGaP)	500-570 нм	1.9—3.5 В
Синий	Нитрид индия-галлия (InGaN)	440-505 нм	2.48—3.6 В
Белый	Диоды с люминофором или трехцветные RGB	Широкий спектр	2.8—4.0 В

Поведение светодиодов и резисторов в схемах отличается. В соответствии с законом Ома, резисторы имеют линейную зависимость падения напряжения от протекающего через них тока:

Вольтамперные характеристики типичных светодиодов различных цветов

Если напряжение на резисторе увеличивается, ток также пропорционально увеличивается (здесь мы предполагаем, что величина сопротивления резистора остается постоянной). Светодиоды ведут себя не так. Их поведение соответствует поведению обычных диодов. Вольтамперные характеристики светодиодов разного цвета приведены на рисунке. Они показывают, что ток через светодиод не прямо пропорционален падению напряжения на светодиоде. Видно, что имеется экспоненциальная зависимость тока от прямого напряжения. Это означает, что при небольшом изменении напряжения ток может измениться очень сильно.

Если прямое напряжение на светодиоде невелико, его сопротивление очень большое и светодиод не горит. При превышении указанного в технических характеристиках порогового уровня светодиод начинает светиться и его сопротивление быстро падает. Если приложенное напряжение превышает рекомендуемую величину прямого напряжения, которое может быть в пределах 1,5—4 В для светодиодов различных цветов, ток через светодиод резко растет, что может привести к выходу его из строя. Для ограничения этого тока, последовательно со светодиодом включают резистор, который ограничивает ток таким образом, что он не превышал рабочий ток, указанный в характеристиках светодиода.

Формулы для расчетов

Светодиод в прямоугольном корпусе с плоским верхом применяется, например, для индикаторов уровня

Ток через ограничительный резистор R_s можно рассчитать по формуле закона Ома, в которой из напряжения питания V_s вычитается прямое падение напряжения на светодиоде V_f:

Здесь V_s напряжение источника питания в вольтах (например, 5 В от шины USB), V_f прямое падение напряжения на светодиоде и I прямой ток через светодиод в амперах. Значения V_f и I_f приводятся в технических характеристиках светодиода. Типичные значения V_f показаны выше в таблице. Типичный ток индикаторных светодиодов 20 мА.

После расчета сопротивления резистора, из ряда номиналов сопротивлений выбирается ближайшее большее стандартное значение. Например, если расчет показывает, что нужен резистор R_s = 145 ом, мы (и калькулятор) выберем резистор R_s = 150 ом.

Токоограничительный резистор рассеивает определенную мощность, которая рассчитывается по формуле

Оранжевые светодиоды обычно используются в маршрутизаторах для указания скорости обмена 10/100 Мбит/с. Зеленые светодиоды горят при скорости 1000 Мбит/с

Для надежной работы резистора его мощность выбирается вдвое выше расчетой. Например, если по формуле получилось 0,06 Вт, мы выберем резистор на 0,125 Вт.

А теперь рассчитаем эффективность работы нашей схемы (ее КПД), который покажет какой процент мощности, отдаваемой источником питания, потребляется светодиодом. На светодиоде рассеивается такая мощность:

Тогда общее потребление будет равно

КПД схемы включения светодиода с ограничительным резистором:

Для выбора источника питания необходимо рассчитать ток, который он должен отдавать в схему. Это делается по формуле:

Светодиодная лента со светодиодами типа 5050; цифры 50 и 50 означают длину и ширину микросхемы в миллиметрах; токоограничительные резисторы 150 ом уже установлены на ленте последовательно со светодиодами

Светодиодные массивы

Одиночный светодиод можно зажигать с помощью токоограничительного резистора. Однако для питания светодиодных массивов, которые все чаще используются для освещения, подсветки в телевизорах и компьютерных мониторах, в рекламе и для других целей, необходимы специализированные источники питания. Мы все привыкли к источникам, выдающим стабилизированное напряжение питания. Однако, для питания светодиодов нужны источники, в которых стабилизируется ток, а не напряжение. Однако и с такими источниками ограничительные резисторы все равно устанавливают.

Если нужно изготовить светодиодный массив, используют несколько последовательных светодиодных цепей, соединенных параллельно. Для цепи из последовательных светодиодов необходим источник питания с напряжением, которое превышает сумму падений напряжений на отдельных светодиодах. Если его напряжение выше этой суммы, необходимо включить в цепь один токоограничительный резистор. Через все светодиоды течет одинаковый ток, что (до определенной степени) позволяет получить одинаковую яркость.

Однако если один из светодиодов в цепи откажет так, что он будет в обрыве (именно такой отказ чаще всего и происходит), вся цепочка светодиодов погаснет. В некоторых схемах и конструкциях для предотвращения таких отказов вводят особый шунт, например, ставят стабилитрон параллельно каждому диоду. Когда диод сгорает, напряжение на стабилитроне становится достаточно высоким и он начинает проводить ток, обеспечивая работу исправных светодиодов. Этот подход хорош для маломощных светодиодов, однако в схемах, предназначенных для наружного освещения, нужны более сложные решения. Конечно, это приводит к увеличению стоимости и габаритов устройств. Сейчас (в 2018 году) можно наблюдать, что светодиодные фонари на улицах, при планируемом сроке службы в 10 лет служат не более года. То же относится и к бытовым светодиодным лампам, в том числе и производителей с известными именами.

Полоса светодиодов, используемая для подсветки телевизионного ЖК -дисплея. Такая полоска устанавливается с двух сторон панели дисплея. Данная конструкция позволяет делать очень тонкие дисплеи. Отметим, что телевизионные ЖК-дисплеи со светодиодной подсветкой, которые обычно продаются под названием LED TV, то есть «светодиодные телевизоры» таковыми на самом деле не являются. В настоящих светодиодных телевизорах (OLED TV) используются светодиодные графические экраны на органических светодиодах и стоят они значительно дороже телевизоров с ЖК-дисплеем.

При расчете требуемого сопротивления токоограничительного резистора R_s, все падения напряжения на каждом светодиоде складываются. Например, если падение напряжения на каждом из пяти соединенных последовательно горящих светодиодов составляет 2 В, то полное падение напряжение на всех пяти будет 2 × 5 = 10 В.

Несколько идентичных светодиодов можно соединять и параллельно. У параллельно соединенных светодиодов прямые напряжения V_f должны быть одинаковыми — иначе в них не будут протекать одинаковые токи и их яркость будет различной. Если светодиоды соединяются параллельно, очень желательно ставить токоограничительный резистор последовательно с каждым из них. При параллельном соединении отказ одного светодиода, при котором он будет в обрыве, не приведет к выходу из строя всего массива — он будет работать нормально. Другой проблемой параллельного соединения является выбор эффективного источника питания, обеспечивающего большой ток при низком напряжении. Такой источник питания будет стоить намного больше, чем источник той же мощности, но на высокое напряжение и меньший ток.

В этом обычном уличном фонаре 8 параллельных цепей из пяти последовательно соединенных мощных светодиодов питаются от источника питания со стабилизацией тока с высоким КПД. Отметим, что две цепи в этом фонаре (слева вверху и справа внизу), установленном всего несколько месяцев назад, уже сгорели, так как в каждой из них светодиоды соединены последовательно, а схемы для предотвращения отказов отсутствуют или не работают.

Расчет токоограничительных резисторов

Если количество светодиодов в последовательной цепи N_{LEDs in string} (обозначенное N_s в поле ввода) введено, то максимальное количество светодиодов в цепи последовательно соединенных светодиодов N_{LEDs in string max} определяется как

Если количество светодиодов в последовательной цепи N_{LEDs in string} (обозначенное N_s в поле ввода) введено, то максимальное количество светодиодов в цепи последовательно соединенных светодиодов N_{LEDs in string max} определяется как

Светодиоды типа 3014 (3,0 × 1,4 мм) для поверхностного монтажа, используемые для боковой подсветки ЖК-панели телевизора.

Количество цепей с максимальным количество светодиодов в цепи N_strings:

Количество светодиодов в дополнительной цепи с остатком светодиодов N_{remainder LEDs} :

Если N_{remainder LEDs} = 0, то дополнительной цепи не будет.

Определим сопротивление токоограничительного резистора в цепи с максимальным количеством светодиодов:

Определим сопротивление токоограничительного резистора в цепи с количеством светодиодов меньше максимального:

Общая мощность P_LED, рассеиваемая всеми светодиодами:

Мощность, потребляемая всеми резисторами:

Гибкие светодиодные дисплеи на железнодорожной станции; в таких дисплеях используются группы светодиодов в качестве отдельных пикселей. В связи с высокой яркостью светодиодов и их хорошей видимостью при ярком солнечном свете, такие дисплеи часто можно увидеть на наружной рекламных щитах и дорожных указателях маршрута. Светодиодные дисплеи также можно использовать для освещения и в этой роли их часто используют в фонарях с регулируемой цветовой температурой для видео и фотосъемки.

Номинальная мощность резисторов определяется с учетом двойного запаса k = 2, который обеспечивает надежную работу резистора. Выбираем из ряда значений мощности : 0.125; 0.25; 0.5; 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 25, 50 W резистор с мощностью вдвое выше, чем расчетная.

Рассчитаем общую мощность, потребляемую всеми резисторами:

Рассчитаем общую мощность, потребляемую светодиодным массивом:

Рассчитаем ток, который должен обеспечить источник питания:

И наконец, рассчитаем КПД нашего массива:

Возможно, вас заинтересуют конвертеры Яркости, Силы света and Освещенности.

Автор статьи: Анатолий Золотков

Вас могут заинтересовать и другие калькуляторы из группы «Электротехнические и радиотехнические калькуляторы»:

Калькулятор резистивно-емкостной цепи

Калькулятор параллельных сопротивлений

Калькулятор параллельных индуктивностей

Калькулятор емкости последовательного соединения конденсаторов

Калькулятор импеданса конденсатора

Калькулятор импеданса катушки индуктивности

Калькулятор взаимной индукции

Калькулятор взаимоиндукции параллельных индуктивностей

Калькулятор взаимной индукции — последовательное соединение индуктивностей

Калькулятор импеданса параллельной RC-цепи

Калькулятор импеданса параллельной LC-цепи

Калькулятор импеданса параллельной RL-цепи

Калькулятор импеданса параллельной RLC-цепи

Калькулятор импеданса последовательной RC-цепи

Калькулятор импеданса последовательной LC-цепи

Калькулятор импеданса последовательной RL-цепи

Калькулятор импеданса последовательной RLC-цепи

Калькулятор аккумуляторных батарей

Калькулятор литий-полимерных аккумуляторов для дронов

Калькулятор индуктивности однослойной катушки

Калькулятор индуктивности плоской спиральной катушки для устройств радиочастотной идентификации (RFID) и ближней бесконтактной связи (NFC)

Калькулятор расчета параметров коаксиальных кабелей

Калькулятор цветовой маркировки резисторов

Калькулятор максимальной дальности действия РЛС

Калькулятор зависимости диапазона однозначного определения дальности РЛС от периода следования импульсов

Калькулятор радиогоризонта и дальности прямой радиовидимости РЛС

Калькулятор радиогоризонта

Калькулятор эффективной площади антенны

Симметричный вибратор

Калькулятор частоты паразитных субгармоник (алиасинга) при дискретизации

Калькулятор мощности постоянного тока

Калькулятор мощности переменного тока

Калькулятор пересчета ВА в ватты

Калькулятор мощности трехфазного переменного тока

Калькулятор преобразования алгебраической формы комплексного числа в тригонометрическую

Калькулятор коэффициента гармонических искажений

Калькулятор законов Ома и Джоуля — Ленца

Калькулятор времени передачи данных

Калькулятор внутреннего сопротивления элемента питания батареи или аккумулятора

Калькуляторы Электротехнические и радиотехнические калькуляторы