Как правильно подключать светодиоды

Светодиод, это диод, который светится, при прохождении через него электрического тока. Ток может идти только в одном направлении — от "+" (анода) к "-" (катоду).

Светодиод, как и любой элемент электрической цепи, обладает рабочими характеристиками:

Сила тока определяется потребляемым током светодиода и из-за последовательного соединения равна в каждой точке цепи. Напряжение падает на каждом участке — наша задача понизить напряжение до нуля к точке земли.

Приведем пример расчета с одним светодиодом, совпадающим по характеристикам со светодиодом 4-разрядного 7-сегментного LCD-дисплея, его характеристики можно найти в даташите (121 KB):

• Падение напряжения — $2{,}2~В$ (Forward Voltage, $V_F$, typ. — 2,20 V)
• Номинальный ток — $30~мА$ (Forward Current $I_F$ — 30 mA)

Поскольку мы говорим об Arduino, то имеем выходное напряжение $5~В$. Для встраивания светодиода в цепь, нам нужно снизить напряжение. Поскольку заявленное падение напряжения на светодиоде составляет $2{,}2~В$, то остается рассеять:

Рассчитаем по закону Ома сопротивление резистора, способного рассеять $2{,}8~В$ исходя из потребления тока в $30~мА$:

Ближайший к полученному значению стандартный номинал резистора $100~Ом$, в этом случае светодиод будет потреблять чуть меньше тока, его яркость будет чуть меньше, но глаз этого не заметит. В случае установки сопротивления меньшего номинала срок жизни светодиода резко уменьшится.

Последовательное соединение светодиодов.

Теперь предположим, что нам необходимо включить в цепь несколько светодиодов. Существует несколько схем включения. Приведем некоторые из них. Последовательное соединение светодиодов:

В этом случае требуемое напряжение светодиодов суммируется. Если суммарное падение напряжения будет больше напряжения в сети, светодиоды будут светиться очень тускло — резистор в этом случае не нужен. Предположим, что у нас 3 светодиода с падением напряжения $1,5~В$ на каждом, и током потребления $20~мА$, а напряжение в сети остается равным $5~В$. Поскольку в последовательном соединении сила тока остается постоянной, то резистор рассчитываем исходя из того, что нам нужно понизить $0,5~В~(5-1,5\times3=5-4,5=0,5$):

Ближайший больший номинал — 27 Ом.

Параллельное соединение светодиодов.

О параллельном подключении светодиодов, в случае использования единственного резистора (вариант б) на схеме ниже) ходят магические страшилки о разбросе параметров светодиодов, деградации кристаллов и т.д., но на самом деле все очень просто и дело банально в цифрах.

Итак, самое интересное — параллельное соединение светодиодов — используется в любом LED-дисплее или LED-матрице. Исходим из того, что в схеме используются $n$-cветодиодов с идентичными характеристиками — $V_F=2.20~В, I_F=30~мА$. Рассмотрим 2 схемы — корректную (а) и некорректную (б) — и подробно остановимся на том, почему же схема (б) некорректна:

Помним, что для расчета нам нужно знать силу тока потребляемую светодиодами — при параллельном соединении она складывается из сил тока каждого светодиода и равна:

Также каждый элемент электрической цепи имеет свое сопротивление, в том числе и светодиоды. Рассчитать его можно очень просто — напряжение падения делим на потребляемый ток. Сопротивление одного светодиода, обозначим его как $R(d)_n$, составляет:

Для упрощенного понимания представим наши схемы в несколько измененном виде:

Рассчитаем значения резисторов $R(r)_n$ для схемы а).

Во-первых в каждой $n$-ветке мы имеем последовательное соединение резисторов — область $R_n$. По правилам электротехники последовательное сопротивление суммируется $R_n=R(r)_n+R(d)_n$.

Во-вторых, в области $R$ мы имеем параллельное соединение из $R_1=R_2=...=R_n=R(r)_n+R(d)_n$. Для нахождения значения $R$ для параллельного соединения существует формула:

отсюда: $R={R_1 \over n}$, исходя из того, что мы знаем потребляемый ток $I=I_1 \times n$, при $I_1=I_2=...=I_n$, и входное напряжение схемы $U$ получим:

Находим сопротивление резистора (не забываем, что $R(r)_1=R(r)_2=...=R(r)_n$):

Как мы видим из полученной формулы, номинал понижающего резистора не зависит от количества запараллеленных светодиодов и зависит только от напряжения сети, потребляемого диодом тока и падением напряжения на диоде. Выразим формулу сопротивления через характеристики светодиода:

При том, что $I_n=I_F$:

Номинал каждого резистора в цепи рассчитывается исходя из характеристик того светодиода, с которым он установлен последовательно. В нашем случае номинал резистора для каждой $n$-ветки:

Вывод: подключение корректно, каждый светодиод зависит только от своего резистора и не зависит от прочих элементов цепи.

Некорректное подключение светодиодов.

Теперь рассмотрим как рассчитать значение понижающего резистора на схеме б) — $R(r)$. Общее сопротивление блока $R(d)$ рассчитываем по формуле $(3)$:

Далее — у нас последовательное соединение, поэтому значения всех сопротивлений суммируются:

Аналогично со схемой а) — мы знаем потребляемый ток $I=I_1 \times n$, при $I_1=I_2=...=I_n$, и входное напряжение схемы $U$ получим:

Подставим в формулу $(11)$ значение $R(d)_n$ из формулы $(2)$, не забываем, что $I_1=I_2=...=I_n=I_F$:

Вывод: подключение некорректно, потому что номинал общего резистора $R(r)$ зависит от количества светодиодов в схеме. Отсюда вытекают две возможные ситуации:

• Если мы рассчитываем номинал общего резистора $R(r)$ исходя из всех светодиодов ($I=n \times I_n$), то в ситуации, когда один или несколько светодиодов будут отключены или выйдут из строя, ток предназначавшийся им выведет из строя остальные светодиоды. Этот вариант можно использовать на свой страх и риск, только тогда, когда комбинация горящих светодиодов статична — до выхода из строя любого зажженного. После этого все остальные тоже выйдут их строя. Расчет резистора для 8 светодиодов:
  $R(r)={U-V_F \over I_F \times n}={{5~В-2{,}2~В}\over {0{,}03~А \times 8}}=11{,}67~Ом$
• Если мы рассчитываем номинал резистора $R(r)$ исходя из одного светодиода ($I=I_n$), то все будет хорошо при включении одного светодиода. При подключении каждого последующего, ток предназначавшийся одному, будет распределяться среди всех включенных светодиодов — отсюда эффект разного уровня яркости сегментов дисплеев, в зависимости от количества зажженных сегментов. Этот вариант приемлем, его можно использовать без ущерба, в ситуациях, когда радиолюбитель не располагает нужным количеством/номиналом резисторов, исключительно в целях проверки работоспособности проекта. Расчет резистора для 8 светодиодов:
  $R(r)={U-V_F \over I_F \times n}={{5~В-2{,}2~В}\over {0{,}03~А \times 1}}=93{,}33~Ом$

Примеры.

Слева — корректная схема, справа — нет, но тоже рабочая

Смешанные подключения.

По методу описанному в данной статье можно рассчитать смешанное подключение любой сложности. Принцип прост — от базовых элементов к родительским:

Похожие запросы:

• Хорошие и плохие схемы включения светодиодов
• Почему каждый светодиод нужно подключать через отдельный резистор
• Avoid connecting LEDs in parallel!