Spis treści:
Celem tego artykułu jest przedstawienie różnicy między połączeniem szeregowym oraz równoległym diod LED. Chcąc ozdobić sobie diodami świecącymi swoje gospodarstwo domowe, zrealizować jakąś ozdobę w samochodzie zastanawiamy się jak to zrobić, aby takich diod “nie spalić”. Najważniejszy w tym wszystkim jest dobrze dobrany prąd, który wpływa na żywotność diody oraz intensywność świecenia.
Na początek trochę teorii:
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny to obwód, który tworzą elementy elektryczne i elektroniczne połączone ze sobą w taki sposób, że istnieje co najmniej jedna zamknięta droga dla przepływu prądu elektrycznego. Każdy obwód jest odwzorowywany przez swój schemat, na którym w postaci symboli graficznych są zaznaczone elementy oraz sposoby ich połączenia.
Pojęcia związane z obwodem elektrycznym
- zacisk elektryczny oraz końcówka elementu, to element, który służy do połączenia z innymi elementami obwodu elektrycznego za pomocą przewodów. Zacisk o wyższym potencjale oznaczamy jaki „+” (biegun dodatni), a o niższym potencjale oznaczamy jako „- (biegun ujemny).
- różnicę potencjałów między zaciskami źródła napięcia w warunkach, gdy źródło to nie dostarcza energii elektrycznej do odbiornika, nazywamy siłą elektromotoryczną (napięcie źródłowe).Biegunowość oznaczmy za pomocą strzałki, której grot wskazuje potencjał wyższy czyli „+”.
- gałąź obwodu elektrycznego – to jeden lub kilka szeregowo połączonych z sobą elementów.
- węzeł obwodu elektrycznego – to punkt obwodu elektrycznego, z którego wychodzą co najmniej trzy gałęzie.
- oczko obwodu elektrycznego – to zbiór gałęzi połączonych tak, że tworzą zamknięta drogę dla przepływu prądu elektrycznego.
Prawa obwodu elektrycznego
I prawo Kirchhoffa
W przypadku połączenia odbiorników w sposób równoległy na ich zaciskach występuje takie samo napięcie. Wszystkie odbiorniki są włączone między tę samą parę węzłów, więc istnieje zależność nazywana I prawem Kirchhoffa, która wyraża zależność pomiędzy natężeniami prądów elektrycznych. Suma prądów elektrycznych wchodzących (wpływających) do węzła elektrycznego jest równa sumie prądów wychodzących (wypływających) z węzła elektrycznego. Prawo to dotyczy natężenia prądu elektrycznego (prawo prądowe).
II prawo Kirchhoffa
W dowolnym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego suma spadków napięć na elementach rezystancyjnych oczka jest równa sumie działających w tym oczku napięć źródłowych.
Podstawowy element obwodu elektrycznego, którego zadaniem jest stawianie oporu dla przepływającego przez niego prądu. Różne sposoby zapisywania rezystancji na schematach (przecinek jest zastępowany literą R, k lub M w zależności od jednostki w jakiej podana jest wartość rezystancji): 0R49 = 0,49Ω; 3R7 = 3,7Ω; 3k7 = 3,7kΩ; 370k = 370kΩ; 6M4 = 6,4MΩ
Oznaczenie rezystorów można podzielić na trzy sposoby:
- Cyfrowy – polega na zapisaniu wartości rezystancji, tolerancji , temperaturowego współczynnika rezystancji za pomocą cyfr np.: 210[Ω],
- Cyfrowo – literowy – polega na zastąpieniu niektórych wartości literami,
Wartość rezystancji
0,24 [Ω]
4,5 [Ω]
470 [Ω]
Według IEC
R 24
4 R 5
470 K, M47
- Paskowy (barwny) – polega na odczytaniu barwy poszczególnych pasków i przypisania im odpowiedniej wartości. Na rezystorze może znajdować się od 3 do 6 pasków. W przypadku oznaczenie trójpasmowego dwa pierwsze paski to dwie pierwsze wartości rezystancji, a trzeci pasek to tzw. mnożnik, czyli wartość przez jaką należy pomnożyć dwie pierwsze cyfry. W kodzie 4 paskowym, którym posługują się rezystory standardowe to trzy pierwsze liczby określają wartość rezystancji, czwarty pasek to mnożnik, a piąty to tolerancja. W kodzie sześciopaskowym trzy pierwsze paski to trzy pierwsze liczby wartości rezystancji, czwarty to mnożnik , a piąty to tolerancja, a szósty to współczynnik temperaturowy.
Symbole rezystorów
Rezystor stały:
Rezystor zmienny:
Rezystor nastawny:
Materiały półprzewodnikowe
Materiały wykorzystywane do budowy urządzeń elektronicznych w zależności od ich wartości dzielimy na metale oraz niemetale (półprzewodniki, dielektryki). Powszechnie stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są krzem i german (należą one do IV grupy układu okresowego pierwiastków). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, co oznacza, że w sieci krystalicznej są związane wiązaniami kowalencyjnymi.
Wyróżnia się półprzewodniki samoistne, czyli półprzewodniki niezawierające obcych atomów w sieci krystalicznej, oraz półprzewodniki niesamoistne, czyli takie, które w swojej sieci krystalicznej zawierają inny atom. Powstaje wtedy tzw. domieszka. Rozróżnia się dwa rodzaje domieszek: akceptorową oraz donorową.
Półprzewodnik, który w swojej strukturze sieci krystalicznej zawiera atomy pierwiastków V grupy układu okresowego pierwiastków, nazywa się półprzewodnikiem typu N (domieszka donorowa). Półprzewodnik, który w swojej strukturze sieci krystalicznej zawiera atomy pierwiastków III grupy układu okresowego pierwiastków, nazywa się półprzewodnikiem typu P (domieszka akceptorowa). Połączenie się dwóch kryształów ciała stałego w taki sposób, że tworzą ścisły kontakt nazywa się złączem.
W elektronice najczęściej spotykany typ złącza to półprzewodnik – półprzewodnik. Złącze powstałe w wyniku połączenia półprzewodnika typu P z półprzewodnikiem typu N nazywam się złączem PN.
Diody półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierające jedno złącze PN, z którego wyprowadzono dwie końcówki – anodę i katodę. Dłuższa nóżka to anoda (+), a krótsza to katoda (-).
Rozróżniamy różne kolory diod, zwykle opisywane długością fali emitowanego światła:
Kolor
Długość fal
Podczerwień
Czerwony
Pomarańczowy
Żółty
Zielony
Niebieski
Fioletowy
Ultrafiolet
Ponad 700nm
Od 630nm do 700nm
Od 590nm do 630nm
Od 570nm do 590nm
Od 500nm do 570nm
Od 450nm do 500nm
Od 390nm do 450nm
Poniżej 390nm
Diody elektroluminescencyjne (LED) – diody świecące
Poniżej zostanie przeanalizowany obwód złożony z źródła zasilania 12 V DC oraz trzech różnokolorowych diod: niebieskiej (D1) , zielonej (D2), czerwonej (D3).
Diody połączone szeregowo
Należy obliczyć spadek napięcia na rezystorze R1. Z drugiego prawa Kirchhoffa: Uz = UR1 + UD1 + UD2 + UD3 ==>UR1 = Uz – UD1 – UD2 – UD3 czyli UR1 = 12V – 3,1V – 3,2V – 2,0V = 3,7V.
Rezystancja rezystora R1:
R1 = UR1 / I
R1 = 3,7V / 20mA = 185Ω
Do układu można podłączyć jeszcze jedną diodę – białą diodę LED:
Uz = UD1 + UD2 + UD3 + UD4 + UR1
W tej sytuacji napięcie zasilające jest jeszcze większe niż spadki napięć na diodach (12V>11,4V) – rezystor powinien nadal być w układzie potrzebny, gdyż napięcie źródłowe w obwodzie nie jest równe sumie napięć odbiornikowych (diod).
Diody połączone równolegle
Należy obliczyć prądy : I1 (prąd płynący w gałęzi z rezystorem R1 i diodą D1), I2 (prąd płynący w gałęzi z rezystorem R2 i diodą D2), I3 (prąd płynący w gałęzi z rezystorem R3 i diodą D3).
Z pierwszego prawa Kirchhoffa: I = I1 + I2 + I3 czyli I = 20mA + 20mA + 20mA = 60mA. Następnie obliczany zostanie spadek napięcia na każdym z rezystorów:
UR1 = Uz – UD1
UR1 = 12V – 3,1V = 8,9V
UR2 = Uz – UD2
UR2 = 12V – 3,2V = 8,8V
UR3 = Uz – UD3
UR3 = 12V – 2,0V = 10,0V
R1 = UR1 / I1
R1 = 8,9V / 20mA = 445Ω
R2 = UR2 / I2
R2 = 8,8V / 20mA = 440Ω
R3 = UR3 / I3
R3 = 10,0V / 20mA = 500Ω
Podsumowanie - połączenie diod
Szeregowe
Równoległe
Jeden rezystor dla wszystkich diod
Uszkodzenia jednej diody powoduje wyłączenie całego układu
Istnieje potrzeba posiadania napięcia uwzględniającego spadki napięcia na każdej diodzie
Jeden rezystor dla każdej diody
Uszkodzenia jednej diody nie powoduje wyłączenia całego układu
Napięcie zasilania może być równe napięciu przewodzenia diod
