Dobieranie rezystora do diody

Przeanalizujmy powyższy obwód. Naszym celem jest wyznaczenie takiej wartości rezystancji, aby natężenie prądu IF było wartością optymalną dla zasilanej diody LED.

Siłą elektromotoryczną w naszym obwodzie jest napięcie zasilające UZ. Zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa możemy zapisać:

UZ = UR + UF

Na podstawie prawa Ohma:

UR = IF × R

Zatem po przekształceniu rezystancja R wynosi:

Przekształcając bilans napięć otrzymany z drugiego prawa Kirchhoffa, mamy:

UR = UZ – UF

Zatem wzór na rezystancję opornika ograniczającego prąd diody do bezpiecznej wartości IF ma postać:

Zajrzyjmy do katalogu parametrów diody LED. 

Na podstawie tabeli:

„Forward Current” – prąd przewodzenia wynosi IF = 30 [mA]

„Forward Voltage” – napięcie przewodzenia wynosi UF = 2,0 [V] (wybieramy wartość typową)

Pamiętając o warunku  UZ > UF, przyjmijmy napięcie zasilania UZ = 3 [V] (np. dwie połączone ze sobą baterie typu AA 1,5 [V]). Podstawiając wartości liczbowe do naszego wzoru na rezystancję, otrzymujemy:

Pamiętaj o sprowadzeniu wartości do wspólnego rzędu jednostek:

Aby zatem wysterować optymalnie diodę o parametrach podanych w przytoczonej karcie katalogowej, należy połączyć z nią w szereg rezystor o wartości 33 [Ω] i zasilić napięciem 3 [V]. Należy jednak pamiętać, że wartości rezystancji dostępnych oporników wynikają z typoszeregów, innymi słowy nie zawsze będziemy w stanie zakupić opornik o rezystancji takiej, jaką otrzymamy z naszych obliczeń. Co wtedy? Najbezpieczniej jest zawyżyć wartość rezystancji do następnej w typoszeregu, dla przykładu.

Mamy dostępne rezystory z szeregu E12:

Zasilamy nasza katalogową diodę zasilaczem o napięciu 9,5 [V]

Z tabeli wynika, że mamy dostępne dwie wartości 220[Ω] lub 270[Ω]. Sprawdźmy, jakie popłyną prądy dla takich wartości rezystancji, korzystając ze znanego nam wzoru:

zatem

Z wyliczeń wynika, że stosując rezystor o wartości 220 [Ω], ustalimy prąd diody na poziomie

  IF = 34 [mA], a więc przekroczymy prąd katalogowy o ponad 10%. 

W drugim przypadku stosując rezystor o wartości 270 [Ω], ustalimy prąd diody na poziomie

  IF = 27,7 [mA], a więc niewiele poniżej wartości katalogowej. Wskazane jest zastosowanie rezystora o większej wartości, ponieważ w pierwszym przypadku nasza dioda będzie świecić jaśniej, ale skrócimy jej żywotność.

Moc rezystora określisz za pomocą następującej zależności:

P = U × I

gdzie P to moc wyrażona w watach [W]. Dla dobranego przez nas rezystora (33 [Ω]) mamy zatem:

P = UR × IF

P = 1[V] × 0,03[A] = 0,03[W] = 30[mW]

Z obliczeń wynika, że potrzebujemy rezystora o mocy co najmniej 30 [mW].

Dobierz odpowiedni rezystor – LED

Powyżej wykonaliśmy obliczenia na podstawie danych katalogowych producenta diody LED. Co jeśli tych danych nie mamy? Diody LED dzieli się na dwie podstawowe grupy: diody LED o małej mocy (od około 30 do 150 [mW]) oraz diody LED dużej mocy sięgającej kilkudziesięciu watów zwane potoczenie diodami „power LED”. Diody świecące LED zasilane są napięciem stałym o wartości kilku woltów, a wartość tego napięcia jest zależna od energii emitowanych fotonów („cząstek” fali świetlnej), a inaczej mówiąc barwy emitowanego światła. Im wyższa jest ta energia, tym większe napięcie zasilające. Orientacyjne wartości napięć w zależności od barwy diody przedstawione zostały poniżej.

Jak dobrać zasilanie dla większej ilości diod LED? Jaki rezystor do diody?

Połączenie równoległe

Jednym ze sposobów na zasilanie kilku diod LED ze wspólnego źródła zasilania jest ich połączenie równoległe. W torze każdej diody podłączamy szeregowo z diodą rezystor o oporności, którą musimy wyznaczyć. Dobór rezystora do diody jest więc istotnym krokiem, który powinien zostać wykonany z należyta starannością.

Obliczanie rezystora do diody – metody

Jak obliczyć rezystor do diody? Metodologia obliczania wartości rezystora jest taka sama jak w opisanym wcześniej  przykładzie dla układu z jedną diodą. Każdą diodę rozpatrujemy oddzielnie. Jeśli diody D1, D2 oraz D3 tego samego typu możemy wykonać jedno obliczenie ze wzoru:

Połączenie równoległe – klasyczny błąd

Bardzo częstym błędem popełnianym w układach zasilania diod w połączeniu równoległym jest stosowanie jednego wspólnego rezystora ograniczającego prąd.

Wyznaczmy wartość rezystancji opornika R dla takiego układu.

W tym celu posłużymy się jeszcze raz parametrami diody z karty katalogowej, a więc prąd przewodzenia IF = 30 [mA], napięcie przewodzenia UF = 2,0 [V]. Zakładamy, że diody D1, D2 oraz D3 są identyczne. Nasz rezystor musi zatem ograniczyć prąd ze źródła zasilania do wartości sumy prądów  IF1 + IF2 + IF3 = IR. A wynika to z pierwszego prawa Kirchhoffa.

W naszym przypadku drugie prawo Kirchhoffa ma postać:

IR – IF1 + IF2 + IF3 = 0

Do węzła wpływa prąd IR, który rozdziela się na trzy prądy: IF1, IF2 oraz IF3. Wróćmy do naszego opornika R.

Przeanalizujmy, co stałoby się w naszym obwodzie, gdyby jedna z diod uległa uszkodzeniu i stanie się przerwą w obwodzie. Z trzech prądów: IF1 + IF2 + IF3 płyną dwa. Rezystor został dobrany tak, że ogranicza prąd w obwodzie do 90 [mA], a to oznacza, że suma natężeń trzech prądów (90 [mA]) rozdzieli się na dwa prądy o wartości po 45 [mA]. Zatem przez diody o prądzie IF = 30 [mA] popłyną o 50% większe prądy o wartości 45 [mA]! Taka sytuacja może doprowadzić do uszkodzenia pozostałych dwóch diod.

Połączenie szeregowe

Drugim sposobem zasilania diod jest układ szeregowy. W szereg z rezystorem ograniczającym prąd łączymy diody jedna za drugą. Jak dobrać rezystor w takim układzie?

Zgodnie z tą zasadą prąd IR, którego wartość wyniknie z rezystancji R oraz wartości napięcia zasilającego UZ popłynie przez diody, a zatem rezystor powinien mieć tak dobraną rezystancję, aby IR = IF.

Zgodnie z drugim prawem Kichhoffa zapisujemy:

UZ = UR + UF1 + UF2 + UF3

Na podstawie prawa Ohma:

UR = IF × R

Zatem po przekształceniu rezystancja R wynosi:

Przekształcając bilans napięć, otrzymany z drugiego prawa Kirchhoffa mamy:

UR = UZ – UF1 – UF2 – UF3

Zatem wzór na rezystancję opornika ograniczającego prąd diody do bezpiecznej wartości IF ma postać:

Zastosujmy powyższy wzór praktycznie. Załóżmy, że mamy 3 diody zielone o napięciu UF w zakresie 2,0 do 2,7 [V] i prąd przewodzenia IF dla diod małej mocy rzędu 20 [mA]. Najpierw napięcie zasilania. Pamiętamy o warunku UZ>UF, który w naszym przypadku przyjmie postać:

UZ > UF1 + UF2 + UF3

Ponieważ nie znamy dokładnie wartości napięcia ani przewodzenia diod, a jedynie jego zakres, powinniśmy przyjąć gorszy wariant, czyli maksymalną wartość: 2,7 [V]. Zatem:

UZ > 2,7[V] +  2,7[V] + 2,7[V] 

UZ > 8,1[V]

Należy zatem zastosować źródło zasilania o napięciu powyżej 8,1 [V]. Przyjmijmy 9 [V].

Obliczamy rezystancję opornika. Należałoby rozpatrzyć teraz dwa przypadki. Obliczyć rezystancję dla napięcia UF = 2[V] oraz dla UF = 2,7[V]

Spójrzmy w tabelę szeregu E12 rezystorów  – najbliższy dostępny to 47 [Ω], zatem przyjmujemy R2,7[V] = 47 [Ω].

Spójrzmy w tabelę szeregu E12 rezystorów – tym razem trafiliśmy idealnie w szereg, zatem R2[V] = 150 [Ω]. Dobraliśmy dwa oporniki. Zobaczmy, co stałoby się w układzie, gdybyśmy zastosowali opornik obliczony dla napięcia 2,7 [V], gdy w rzeczywistości okazałoby się, że UF diod wynosi jednak m2 [V]? Obliczmy, jaki popłynie prąd.

Popłynie prąd IF2 [V] = 64 [mA]! To ponad 3 razy więcej niż zakładany prąd przewodzenia diody. Z pewnością doszłoby do uszkodzenia diod.

Jeśli chcesz zoptymalizować pracę diod zarówno w układzie szeregowym, jak i równoległym, zbuduj układ testowy z użyciem opornika ograniczającego dobranego dla minimalnej wartości napięcia przewodzenia UF, zmierz woltomierzem spadek napięcia na diodzie, uzyskując rzeczywistą wartość napięcia zastosowanej diody UF i ponownie przelicz opornik.

Wiesz już, jak ważne jest odpowiednie zasilanie i jaką rolę pełni rezystor w układach zasilania diod elektroluminescencyjnych, jak go dobrać i jakie układy zasilania stosować, a także jakie są ich wady i zalety. Nadszedł czas, abyś wiedzę teoretyczną zastosował w praktyce. Do dzieła