Тут Uпит. - напруга живлення, Uпад. - падіння напруга на світлодіоді, R - опір обмежує резистора, I - струм через світлодіод.
Однак, незважаючи на всю теорію, китайська промисловість випускає всілякі сувеніри, брелоки, запальнички, в яких світлодіод включений без обмежувального резистора: просто дві-три дискових батарейки і один світлодіод. У цьому випадку струм обмежується внутрішнім опором батареї, потужності якої просто не вистачає, щоб спалити світлодіод.
Але тут, крім перегоряння, є і ще одна неприємна властивість - деградація світлодіодів, найбільше властиве светодиодам білого і синього кольорів: через деякий час яскравість світіння стає зовсім незначною, хоча ток через світлодіод протікає цілком достатній, на рівні номінального.
Не можна сказати, що не світить зовсім, світіння ледве помітно, але це вже не ліхтарик. Якщо при номінальному струмі деградація відбувається не раніше, ніж через рік безперервного світіння, то при підвищеному струмі дочекатися цього явища можна через півгодини. Таке включення світлодіода слід назвати поганим.
Подібну схему можна пояснити лише прагненням заощадити на одному резисторі, припої, і трудовитратах, що при масових масштабах виробництва, мабуть, виправдано. Крім того, запальничка або брелок річ одноразова, копійчана: скінчився газ або села батарейка - сувенір просто викинули.
Малюнок 2. Схема погана, але застосовується досить часто.
Дуже цікаві речі виходять (звичайно, випадково), якщо за такою схемою підключити світлодіод до блоку живлення з вихідною напругою 12В і струмом не менше 3А: відбувається сліпучий спалах, лунає досить гучний хлопок, димок, і залишається задушливий запах. Так і згадується ось така притча: «Чи можна подивитися на Сонце в телескоп? Так, але тільки два рази. Один раз лівим оком, інший правим ». До речі, підключення світлодіода без обмежувального резистора найбільш поширена помилка у початківців, і про неї хотілося б попередити.
Щоб виправити це становище, продовжити термін служби світлодіода, схему варто було б трішки змінити.
Малюнок 3. Хороша схема, правильна.
Саме таку схему слід вважати доброю чи правильною. Щоб перевірити, чи правильно вказано номінал резистора R1, можна скористатися формулою, показаної на малюнку 1. Будемо вважати, що падіння напруги на світлодіоді 2В, ток 20мА, напруга живлення 3В обумовлено застосуванням двох пальчикових батарейок.
А взагалі не треба прагнути обмежити струм на рівні гранично допустимих 20мА, можна живити світлодіод меншим струмом, ну, хоча б, міліампер 15 ... 18. При цьому відбудеться зовсім незначне зменшення яскравості, який очей людини, в силу особливостей пристрою, не помітить зовсім, а от термін служби світлодіода набагато збільшиться.
Ще один приклад поганого включення світлодіодів можна зустріти в різних ліхтариках, вже більш потужних, ніж брелоки та запальнички. В цьому випадку деяка кількість світлодіодів, іноді досить велика, просто включено паралельно, і теж без обмежувального резистора, в ролі якого знову ж виступає внутрішній опір батареї. Такі ліхтарики досить часто потрапляють в ремонт саме через вигоряння світлодіодів.
Малюнок 4. Зовсім погана схема включення.
Здавалося б, виправити становище може схема, показана на малюнку 5. Всього один резистор, і справа, здавалося б, пішло на поправку.
Малюнок 5. Так вже трохи краще.
Але і таке включення допоможе мало. Справа в тому, що в природі просто не знайти двох однакових напівпровідникових приладів. Саме тому, наприклад, транзистори одного типу мають різний коефіцієнт посилення, навіть якщо вони з однієї виробничої партії. Тиристори й сімістори теж бувають різні. Деякі відкриваються легко, а інші настільки тяжко, що від їх застосування доводиться відмовитися. Те ж можна сказати і про світлодіодах - двох абсолютно однакових, тим більше трьох або цілої купи, знайти просто неможливо.
Зауваження на тему. У DataSheet на світлодіодну збірку SMD-5050 (три незалежних світлодіода в одному корпусі) включення, показане на малюнку 5, не рекомендується. Мовляв, через розкиду параметрів окремих світлодіодів, може бути помітна різниця в їх світіння. А здавалося б, в одному корпусі!
Ніякого коефіцієнта посилення у світлодіодів, звичайно ж, немає, зате є такий важливий параметр, як пряме падіння напруги. І якщо навіть світлодіоди взяті з однієї технологічної партії, з однієї упаковки, то двох однакових в ній просто не буде. Тому струм у всіх світлодіодів буде різний. Той світлодіод, у якого струм буде більше всіх, і рано чи пізно перевищить номінальний, згорить раніше всіх.
У зв'язку з цим сумним подією весь можливий струм піде через два залишилися в живих світлодіода, природно, перевищуючи номінальний. Адже резистор-то розраховувався «на трьох», на три світлодіода. Підвищений струм викличе і підвищене нагрівання кристалів світлодіодів, і той, який виявиться «слабкіше», теж згорає. Останньому светодиоду також не залишається нічого іншого, як наслідувати приклад своїх товаришів. Така ось ланцюгова реакція виходить.
В даному випадку під словом «згорить» мається на увазі просто розрив ланцюга. Але може статися, що в одному з світлодіодів вийде елементарно коротке замикання, шунтуючі інші два світлодіода. Природно, що вони обов'язково згаснуть, хоча і залишаться в живих. Резистор при такій несправності буде посилено грітися і врешті-решт, може бути, згорить.
Щоб такого не сталося, схему треба трохи змінити: для кожного світлодіода встановити свій резистор, що і показано на малюнку 6.
Малюнок 6. А ось так світлодіоди прослужать дуже довго.
Тут все, як потрібно, все за правилами схемотехніки: ток кожного світлодіода буде обмежений своїм резистором. У такій схемі струми через світлодіоди не залежать одне від одного.
Але і це включення не викликає особливого захоплення, оскільки кількість резисторів дорівнює кількості світлодіодів. А хотілося б, щоб світлодіодів було побільше, а резисторів поменше. Як же бути?
Вихід із цього становища досить простий. Кожен світлодіод треба замінити ланцюжком послідовно включених світлодіодів, як показано на малюнку 7.
Малюнок 7. Паралельне включення гірлянд.
Платою за таке вдосконалення буде збільшення напруги живлення. Якщо для одного світлодіода достатньо всього трьох вольт, то навіть два світлодіода, включених послідовно, від такої напруги вже не запалити. Так яке ж напруга знадобиться для включення гірлянди з світлодіодів? Або по-іншому, скільки світлодіодів можна підключити до джерела живлення з напругою, наприклад, 12В?
Зауваження. Під назвою «гірлянда» тут і далі слід розуміти не тільки ялинкова прикраса, але також будь-який освітлювальний світлодіодний прилад, в якому світлодіоди з'єднані послідовно або паралельно. Головне, що світлодіод не один. Гірлянда, вона і в Африці гірлянда!
Щоб отримати відповідь на це питання, досить напруга живлення просто розділити на падіння напруги на світлодіоді. У більшості випадків при розрахунках цю напругу приймається 2В. Тоді виходить 12/2 = 6. Але не треба забувати, що якась частина напруги повинна залишитися для резистором, хоча б вольта 2.
Виходить, що на світлодіоди залишається тільки 10В, і кількість світлодіодів стане 10/2 = 5. При такому положенні справ, щоб отримати струм 20мА, обмежувальний резистор повинен мати номінал 2В / 20мА = 100Ом. Потужність резистора при цьому складе P = U * I = 2В * 20мА = 40мВт.
Такий розрахунок цілком справедливий, якщо пряме напруга світлодіодів в гірлянді, як було зазначено, 2В. Саме це значення часто приймається при розрахунках, як деякий середнє. Але насправді це напруга залежить від типу світлодіодів, від кольору світіння. Тому при розрахунках гірлянд слід орієнтуватися на тип світлодіодів. Падіння напруги для світлодіодів різних типів приведені в таблиці, показаної на малюнку 8.
Малюнок 8. Падіння напруги на світлодіодах різних кольорів.
Таким чином, при напрузі джерела живлення 12В, за вирахуванням падіння напруги на струмообмежуючі резистор, всього можна підключити 10 / 3,7 = 2,7027 білих світлодіодів. Але шматочок від Світлодіоди не отрежешь, тому підключити можливо тільки два світлодіода. Такий результат виходить якщо з таблиці взяти максимальне значення падіння напруги.
Якщо ж до уваги підставити 3В, то абсолютно очевидно, що підключити можливо три світлодіода. При цьому кожен раз доведеться ретельно перераховувати опір обмежувального резистора. Якщо реальні світлодіоди виявляться з падінням напруги 3,7 В, а може вище, три світлодіода можуть і не запалитися. Так що краще зупинитися на двох.
Принципово не важливо, якого кольору будуть світлодіоди, просто при розрахунку доведеться враховувати різні падіння напруги в залежності від кольору світіння світлодіода. Головне, щоб вони були розраховані на один струм. Не можна зібрати послідовну гірлянду з світлодіодів, частина яких з струмом 20мА, а інша частина з 10-ти мілліамперних.
Зрозуміло, що при струмі 20мА світлодіоди з номінальним струмом 10мА просто згорять. Якщо ж обмежити струм на рівні 10мА, то 20-ти мілліамперние засвітяться недостатньо яскраво, приблизно як у вимикачі з світлодіодом: вночі видно, вдень немає.
Щоб полегшити собі життя, радіоаматори розробляють різні програми-калькулятори, що полегшують всілякі рутинні розрахунки. Наприклад, програми для розрахунку індуктивностей, фільтрів різного типу, стабілізаторів струму. Є така програма і для розрахунку світлодіодних гірлянд. Скріншот такої програми приведений на малюнку 9.
Малюнок 9. Скріншот програми «Расчет_сопротівленія_резістора__Ledz_».
Програма працює без установки в системі, просто її треба завантажити і користуватися. Все настільки просто і зрозуміло, що ніяких пояснень до скриншоту зовсім не потрібно. Природно, що всі світлодіоди повинні бути одного кольору і з однаковим струмом.
Обмежувальні резистори це, звичайно, добре. Але тільки тоді, коли відомо, що ось ця гірлянда буде харчуватися від стабілізованого джерела постійної напруги 12В, і струм через світлодіоди не перевищить розрахункового значення. А як бути, якщо просто немає джерела з напругою 12В?
Така ситуація може виникнути, наприклад, у вантажному автомобілі з напругою бортової мережі 24В. Вийти з такої кризової ситуації допоможе стабілізатор струму, наприклад, «SSC0018 - Регульований стабілізатор струму 20..600мА». Його зовнішній вигляд показаний на малюнку 10. Такий пристрій можна купити в інтернет-магазинах. Ціна питання 140 ... 300 рублів: все залежить від фантазії і нахабства продавця.
Малюнок 10. Регульований стабілізатор струму SSC0018
Технічні характеристики стабілізатора показані на малюнку 11.
Малюнок 11. Технічні характеристики стабілізатора струму SSC0018
Спочатку стабілізатор струму SSC0018 був розроблений для застосування в світлодіодних світильниках, але може також застосовуватися для зарядки малогабаритних акумуляторів. Користуватися пристроєм SSC0018 досить просто.
Опір навантаження на виході стабілізатора струму може бути нульовим, просто можна замкнути вихідні клеми. Адже стабілізатори і джерела струму не бояться коротких замикань. При цьому струм на виході буде номінальним. Якщо вже встановили 20мА, то стільки і буде.
Зі сказаного можна зробити висновок, що до виходу стабілізатора струму можна «безпосередньо» підключити міліамперметр постійного струму. Починати таке підключення слід з самого великого межі вимірювань, адже який там відрегульований струм нікому не відомо. Далі простим обертанням підлаштування резистора встановити потрібний струм. При цьому, звичайно, не забути підключити стабілізатор струму SSC0018 до блоку живлення. На малюнку 12 показана схема включення SSC0018 для живлення світлодіодів, з'єднаних паралельно.
Малюнок 12. Підключення для живлення світлодіодів, з'єднаних паралельно
Тут все зрозуміло зі схеми. Для чотирьох світлодіодів зі струмом споживання 20мА на кожен на виході стабілізатора треба виставити струм 80мА. При цьому на вході стабілізатора SSC0018 потрібно напруга трохи більше, ніж падіння напруги на одному светодиоде, про що було сказано вище. Звичайно, підійде і більшу напругу, але це призведе лише до додаткового нагрівання мікросхеми стабілізатора.
Зауваження. Якщо для обмеження струму за допомогою резистора напруга джерела живлення повинна перевищувати загальну напругу на світлодіодах незначно, всього вольта на два, то для нормальної роботи стабілізатора струму SSC0018 це перевищення має бути трохи вище. Ніяк не менше, ніж 3 ... 4В, інакше просто не відкриється регулюючий елемент стабілізатора.
На малюнку 13 показано підключення стабілізатора SSC0018 при використанні гірлянди з декількох послідовно з'єднаних світлодіодів.
Малюнок 13. Харчування послідовної гірлянди через стабілізатор SSC0018
Малюнок взятий з технічної документації, тому спробуємо розрахувати кількість світлодіодів в гірлянді і постійна напруга, що потрібне від блоку живлення.
Зазначений на схемі струм, 350мА, дозволяє зробити висновок, що гірлянда зібрана з потужних білих світлодіодів, адже як було сказано трохи вище, основне призначення стабілізатора SSC0018 це джерела освітлення. Падіння напруги на білому светодиоде знаходиться в межах 3 ... 3,7. Для розрахунку слід взяти максимальне значення 3,7.
Максимальна вхідна напруга стабілізатора SSC0018 становить 50В. Віднімаємо з цього значення 5В, необхідних для роботи самого стабілізатора, залишається 45В. Цим напругою можна «засвітити» 45 / 3,7 = 12,1621621 ... світлодіодів. Очевидно, що це треба округлити до 12.
Кількість світлодіодів може бути і менше. Тоді вхідна напруга доведеться зменшити (при цьому вихідний струм не зміниться, так і залишиться 350мА як був відрегульований), навіщо на 3 світлодіода, нехай навіть потужних, подавати 50В? Таке знущання може закінчитися плачевно, адже потужні світлодіоди аж ніяк недешеві. Яке буде потрібно напруга для підключення трьох потужних світлодіодів бажаючі, а вони завжди знайдуться, можуть порахувати самі.
Регульований стабілізатор струму SSC0018 пристрій досить гарне. Але все питання в тому, чи завжди воно потрібно? Та й ціна девайса трохи бентежить. Який же може бути вихід із ситуації? Все дуже просто. Прекрасний стабілізатор струму виходить з інтегральних стабілізаторів напруги, наприклад, серії 78XX або LM317.
Для створення такого стабілізатора струму на базі стабілізатора напруги потрібно всього 2 деталі. Власне сам стабілізатор і один єдиний резистор, опір і потужність якого допоможе розрахувати програма StabDesign, скріншот якої показаний на малюнку 14.
Малюнок 14. Розрахунок стабілізатора струму за допомогою програми StabDesign.
Особливих пояснень програма не вимагає. У випадаючому меню Type вибирається тип стабілізатора, в рядку Iн задається необхідний струм і натискається кнопочка Calculate. В результаті виходить опір резистора R1 і його потужність. На малюнку розрахунок проведено для струму 20мА. Це для випадку, коли світлодіоди з'єднані послідовно. Для паралельного з'єднання струм підраховується так само, як показано на малюнку 12.
Світлодіодна гірлянда підключається замість резистора Rн, який символізує навантаження стабілізатора струму. Можливо навіть підключення всього одного світлодіода. При цьому катод підключається до загального проводу, а анод до резистору R1.
Вхідна напруга розглянутого стабілізатора струму знаходиться в межах 15 ... 39В, оскільки застосований стабілізатор 7812 з напругою стабілізації 12В.
Здавалося б, на цьому розповідь про світлодіодах можна закінчити. Але є ще світлодіодні стрічки, про які буде розказано в наступній статті.