В этой статье мы разберемся с тем, что собой представляет светодиод, почему он не является просто «лампочкой» и научимся его правильно подключать к источнику питания.
Содержание
Лампа накаливания
Начнем с простого — кусок провода. Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) описывается формулой I=U/R. Фактически, это закон Ома для участка цепи. Увеличили напряжение в 2 раза — сила тока увеличилась так же в 2 раза, и график функции будет выглядеть как прямая линия, наклоненная под некоторым углом к оси X. Рассеиваемая мощность на таком проводнике будет равна W=I*U=U^2/R. Увеличили напругу в 2 раза — рассеиваемая мощность увеличилась в 4-ре. Все предельно ясно.
Теперь посмотрим на ВАХ обычной ламы накаливания:
Рис. 1. ВАХ лампы накаливания.
Можно заметить, что прямую она напоминает только в самом-самом своем начале. Далее сила тока выходит на некоторое значение, которое слабо зависит от изменения силы тока. Почету так? Тут не работает закон Ома? Все просто. Как известно, сопротивление металла увеличивается при увеличении его температуры, а спираль лампы накаливания как-никак нагревательный прибор. И при увеличении напряжения, сила тока так же увеличивается, увеличивается рассеиваемая на спирали мощность и она сильнее разогревается, ее сопротивление начинает увеличиваться, ток начинает падать устаканивается на каком-то определенном значении. Можно сказать, что сопротивление лампы накаливания зависит от напряжения, приложенного к ней, поэтому ВАХ лампы накаливания будет иметь вид, не похожий на ВАХ простого проводника (при условии, что мы не будем пропускать через проводник такой ток, что он превратится в печку).
Из графика видно, что при увеличении напряжения в 2 раза, а именно с 2-х вольт до 4-х, ток возрастет с 0,2А до ~0,225А, а рассеиваемая мощность увеличится в W2/W1=(4*0.225)/(2*0.2)=2.25 раз, а не в 4, как с простым куском провода. Поэтому лампа накаливания может с легкостью пережить серьезные перегрузки без повреждений (по крайней мере качественные экземпляры, а не тот шлак, который сейчас продается повсеместно).
Но это справедливо только для плавного изменения напряжения на лампочке, то есть когда все переходные процессы, связанные с изменением температуры спирали намного быстрее скорости изменения напряжения на ней. Если же это условие не соблюдается, например, в момент включения, когда спираль еще холодная, сила тока через лампу накаливания при данном напряжении может превышать значение из графика в несколько раз. Поэтому лампы накаливания чаще дохнут в момент включения. Раз уже взялись за лампочки, то давайте разберемся, почему это так.
В идеальном случае нить накаливания однородна на всей своей длине. Но ни чего идеального в мире нет, в том числе и спиралей у лампочек. Всегда найдутся участки, которые чуть-чуть тоньше, чем средняя толщина спирали по всей длине. А если участок тоньше, то его сопротивление больше (следует из формулы сопротивления проводника, R=[ρ∗l]/S).
Разобьем спираль лампы накаливания на небольшие и равные участки, и обозначим их как резисторы. При этом, у нас есть участок, сопротивление которого в 10 раз больше остальных. Вычислим рассеиваемую мощность на каждом резисторе. При этом не забываем, что при последовательном соединении сила тока во всех резисторах одинакова.
Рис. 2. Эквивалентная схема участка нити накала лампочки
Получаем, что на участках с сопротивлением 1R, рассеивается мощность W=1RI², а для участка с сопротивлением 10R W=10RI². Вот и получаем, что мааааленький участок спирали будет иметь локальный перегрев. А если учесть то, что пусковой ток лампочки довольно большой, этот участок будет деградировать быстрее, рассеиваемая мощность будет расти еще больше, и в один прекрасный момент, спираль перегорит. Вот так.
Для того, чтобы продлить срок службы ламп накаливания одни советуют вообще их не выключать, другие снижать действующее напряжение питания лампы путем последовательного включения полупроводникового диода. Так же есть специальные схемы плавного пуска, которые ограничивают пусковой ток и плавно разогревают спираль.
Светодиоды
Так, с лампочками разобрались. Перейдем к светодиодам. ВАХ диода, в том числе который и свето, имеет следующий вид:
Рис. 3. ВАХ светодиода
Во-первых, характеристика имеет два ярко выраженных участка, прямого и обратного тока. В обратном направлении светодиод плохо пропускает ток, поэтому, если подключить светодиод «не той стороной», то он светиться не будет. Но нас интересует участок прямого тока, который является экспоненциально возрастающим. В этом и кроется причина того, почему светодиод нельзя напрямую подключать к батарейке. Например, при напряжении 2 вольта ток через диод составляет 20 мА, а при 2,1 вольт уже 40 мА!!! То есть, при небольшом увеличении напряжения, ток увеличивается в 2 раза. А если подключить такой диод к 3-х вольтной батарейке, то ток будет уже за 150 мА, и светодиод «спасибо» не скажет за такое обращение (про подключение светодиода к компьютерным «таблеткам» см. а конце статьи). Поэтому необходимо ограничивать ток через светодиод с помощью резистора.
Расчет резистора очень простой. Для начала обозначим Ucc — напряжение батарейки (или от чего вы там его питать будете), Ur — напряжение на резисторе, Ud — требуемое напряжение на светодиоде, I — требуемый ток через светодиод, R — искомое сопротивление.
Вывод формулы занимает всего 4 строчки:
И вот небольшая памятка:
Рис. 4. Включение одного светодиода
А как подключить два светодиода? Многие начинающие радиолюбители соединяют два светодиода параллельно, и используют один токоограничительный резистор:
Рис. 5. Неправильное включение 2-х светодиодов
Но такое включение неверное. И вот почему. Рассмотрим, как течет ток в этой цепи. От источника питания, ток I протекает через резистор R1. Затем, в точке разветвления он распределяется на два разных тока I1 и I2. Пройдя через светодиоды D1, D2, ток снова попадает на точку разветвления и превращается в I. При параллельном соединении проводников для токов справедливо правило: I=I1+I2, при этом напряжения на светодиодах D1 и D2 будут одинаковыми: U1=U2=U. Чем это чревато? У светодиодов есть некий разброс параметров, поэтому, если взять два светодиода и измерить их вольт-амперные характеристики, то они будут отличаться, особенно, если светодиоды разного цвета свечения:
Рис. 6. ВАХ 2-х разных светодиодов в одних координатах
На рис. 6 представлены две ВАХ. Пусть напряжение U на светодиодах будет 1,5 вольта. При данном напряжении ток через один светодиод составляет 4,33 мА, а через другой 13,2!! То есть, один из светодиодов будет потреблять довольно большой ток, при этом другому будет доставаться очень мало. Эта ситуация приведет к тому, что светодиоды будут иметь разную яркость свечения. Такая ситуация особенно заметна при параллельном соединении двух светодиодов разных цветов.
А вот правильное подключение:
Рис. 7. Правильное включение 2-х светодиодов
В этом случае ток через оба светодиода будет одинаковым, и оба светодиода будут гореть одинаково. А как рассчитать значение сопротивления R1? Все почти так же, как и для одного светодиода, только напряжение Ud будет равно
и сопротивление токоограничительного резистора будет равно
Значения U1 и U2 можно определить следующим способом. Выбираем значение силы тока I равное, например, 10 мА. По графику ВАХ смотрим, какому напряжению соответствует заданное значение силы тока для первого и второго светодиода. Это и будут напряжения U1 и U2.
Но это все для случая, когда характеристики диодов отличаются сильно (при заданном I напряжения U1 и U2 отличаются сильно). Если же светодиоды одинаковые, то можно работать с такой формулой:
Udср. — значение напряжения на одном любом светодиоде в цепи для данного значения силы тока. Если у нас последовательно соединено не 2 светодиода а больше, то цифру «2» в формуле заменяем на их количество.
Есть один немаловажный момент: во всех формулах Ucc должно быть больше напряжения на светодиоде, или их группе. В противном случае у нас получится отрицательное значение токоограничительного резистора. Пойдите на радиорынок и в ларьке с радиодеталями попросите вам продать резистор, с сопротивлением минус 100 Ом. Запомните выражение фейса у продавца))
Вот, хорошо я тут все расписал, с формулками и объяснениями, что откуда берется. А где брать эти вольт-амперные характеристики на конкретный светодиод и какой ток будет оптимальным? Вот, нате табличку:
Табл. 1. Оптимальные значения токов и напряжений для разных типов светодиодов
В первой колонке обозначен тип светодиода, во второй оптимальный ток свечения, в третьей — напряжение на светодиоде при данном токе через него (фактически, в таблице указана одна точка ВАХ для каждого типа светодиода, имеющая оптимальное значение яркости свечения). Надо только эти значения подставить в нужную формулу и все! Ладно-ладно, посчитаю это в экселе, чтоб потом не заморачиваться с формулами.
Табл. 2. Значения токоограничительных резисторов
Разберемся, что тут у нас. В первой колонке тип светодиода, во второй напряжение, от которого вы хотите питать конструкцию, привел значения от 3-х до 24-х вольт. В третьей колонке «R(1)» значение токоограничительного резистора для одного светодиода, как на рис. 4. Колонка «R(2)» — сопротивление токоограничительного резистора для 2-х последовательно соединенных диодов (рис. 7), ну а колонка «R(3)» — для 3-х последовательно включенных диодов. В некоторых ячейках таблицы вместо значения сопротивления стоит слово «[нет]». Это значит, что данного напряжения питания недостаточно, чтобы зажечь конструкцию из одного или n светодиодов на полную яркость. Например, сверхяркий 5 мм. светодиод требует ток 75 мА, при этом напряжения на нем будет 3,6 вольт. Если его напрямую подключить к 3-х вольтовой батарейке, то ни чего страшного не произойдет, просто на полную яркость он гореть не будет.
Как пользоваться таблицей? Есть у нас желтый светодиод 3 мм. Хотим питать его от кроны 9 вольт. Ищем в таблице кусок, относящийся к «3 и 5 мм желтый«, выбираем в колонке «Ucc» значение «9» и смотрим, что у нас написано в колонке «R(1)«. Там у нас 345 Ом. Из стандартных номиналов ближе всего 330 Ом, вот его и ищем у себя в ящике с хламом. А если хотим собрать гирлянду из 3-х таких светодиодов (по аналогии, как на рис. 7), и питать хотим от аккума 12 вольт, то сопротивление резюка следует взять близким к 285 Ом, из стандартных это 270 Ом. Стандартные значения резисторов можно посмотреть в этой таблице:
Табл. 3. Стандартные значения резисторов
Ну, вроде все. Теперь мы гуру в схемах со светодиодами))
«Питал я светодиод от 3-х вольтовой таблетки без всяких резисторов, и ни чего не сгорело». На это отвечу так: есть такое понятие, как внутреннее сопротивления источника питания. Для разных источников оно разное. Для автомобильного аккумулятора 12 В оно должно составлять миллиОмы, или даже микроОмы, а вот у компьютерной «таблетки» внутреннее сопротивление может быть как раз несколько десятков Ом. То есть эквивалентная схема любого источника питания следующая:
Рис.8. Эквивалентная схема батарейки
EMF — электро-движущая сила, ее как раз и указывают на корпусе, как напряжение батарейки, R_INT — то самое внутреннее сопротивление. Вот и получается, что подключая светодиод к компьютерной «таблетке» мы сами того не подозревая, последовательно включаем и токоограничительный резистор, который и спасает диод от перегорания.
Вот теперь точно все! Не забывайте про резистор и внутреннее сопротивление источника питания;)