Lekcja 4: Jak dobrać rezystor do diody?

Dziś zaczniemy od poznania nowego elementu elektronicznego: diody LED, czyli diody świecącej (jej poprawna nazwa do dioda elektroluminescencyjna). Podstawowe informacje o niej zebrałam w osobnym poście tutaj.

Rys. 1 Czerwona dioda LED.

Dioda zwykle posiada 2 wyprowadzenia: dłuższą „nóżkę” (anodę) łączymy z plusem zasilania, krótszą (katodę) z minusem, czyli masą. Dioda podłączona odwrotnie nie będzie świecić, a ponadto po przekroczeniu pewnego napięcia UBR (BR od ang. break) można ją zniszczyć!

Jak zacząć pracę z diodą? Od przejrzenia noty katalogowej! Czasem niezbędne nam informacje można też uzyskać w sklepie w, którym je kupujemy. To czego szukamy to prąd (z ang. forward current) i napięcie przewodzenia (z ang. forward voltage). Poszperałam trochę w notach katalogowych (z ang. datasheet) i oto co znalazłam dla jednokolorowych diod o rozmiarze 5mm (parametry diod mogą się nieznacznie różnić w zależności od egzemplarza odraz producenta diody):

                                                          prąd przewodzenia         /           napięcie przewodzenia
                        dioda czerwona:                  20mA                                            2,1V
                        dioda zielona:                      20mA                                            2,2V
                        dioda żółta:                          20mA                                            2,2V
                        dioda pomarańczowa:          25mA                                            2,1V
                        dioda niebieska:                   20mA                                            3,2V

                        dioda biała:                          25mA                                            3,4V

Dla diody najważniejszy jest prawidłowo dobrany prąd, gdyż wpływa on na jej żywotność. Dlatego mówimy, że dioda to element sterowany prądem (nie napięciem!). Naszym źródłem zasilania, tak jak w poprzednich ćwiczeniach, są 4 baterie dające napięcie ok. 6V. Jak dobrać rezystor aby zbudować taki oto układ z czerwoną diodą LED:

Rys. 2 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, rezystora R1 i diody LED D1.

Nasza bateria dostarcza napięcie rzędu 6V. Czerwona dioda LED potrzebuje prąd o natężeniu 20mA. Teraz jeszcze trzeba uwzględnić spadek napięcia na diodzie, czyli 2,1V:

UR1 = UB1 – UD1
UR1 = 6V – 2,1V
UR1 = 3,9V

Teraz wystarczy podstawić nasze dane do wzoru:

R1 = UR1 / I
R1 = 3,9V / 20mA
R1 = 3,9V / 0,02A
R1 = 195
W ten oto prosty sposób obliczyliśmy, że rezystor R1 musi mieć rezystancję minimum 195… ale nikt nie produkuje takich rezystorów! Co w takim przypadku? Musimy wziąć rezystor o większej wartości, ale możliwie zbliżony rezystancją. Najbliżej w szeregu leży rezystor 200Ω i taki minimalnie powinniśmy zastosować w naszym układzie (lub np. 2 rezystory 100Ω). Dlaczego minimalnie? Nic nie stoi na przeszkodzie żeby użyć rezystora większego, np. 470Ω, 2,2kΩ…  Jak to wpłynie na świecenie naszej diody? Sprawdźmy!
Rys. 3 Układ zbudowany na płytce stykowej ze źródła zasilania, dwóch rezystorów 100Ω oraz czerwonej diody LED.

Na zdjęciu tego nie widać, ale moja dioda świeci bardzo jasno. Co się stanie jak zamienimy rezystor na inny o większej wartości, np 470Ω? Dioda nadal świeci? Podmieniaj dalej zwiększając kolejno rezystancje: 2,2kΩ, 3,9kΩ, 4,7kΩ… Zauważ że dioda wraz ze wzrostem rezystancji opornika świeci coraz słabiej, aż w końcu w ogóle przestaje świecić. 

Jeszcze jedna uwaga – zasadniczo warto stosować rezystory nieznacznie większe niż to wynika z obliczeń (np. 210zamiast 200Ω). Dlaczego? Pamiętajmy że do obliczeń wzięliśmy napięcie nominalne naszych baterii, w rzeczywistości świeże baterie mogą dawać wyższe napięcie, a użyty rezystor może okazać się niewystarczający. Natężenie prądu na diodzie będzie wyższe od wymaganego, co skróci jej żywotność.


Kolejny przykład, z życia (a raczej z częstych pytań z for internetowych) wzięty. Jak dobrać rezystor do układu zamontowanego w samochodzie, w którym szeregowo połączono ze sobą 2 czerwone diody LED (prąd przewodzenia to 20mA, napięcie przewodzenia 2,1V)? 
Rys. 4 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania E1, rezystora R1 oraz dwóch diod D1 i D2.

Wartość rezystancji rezystora R1 liczymy analogicznie jak w przykładzie wyżej, z tą różnicą, że od napięcia dostarczanego przez akumulator samochodowy (14V) należy odjąć spadki napięć na obu diodach D1 i D2: 

UR1 = UE1 – UD1 – UD2
UR1 = 14V – 2,1V – 2,1V
UR1 = 9,8V

Teraz podstawiamy dane do wzoru:

R1 = UR1 / I
R1 = 9,8V / 20mA
R1 = 9,8V / 0,02A
R1 = 490
Rezystor R1 w układzie do którego podłączono 2 czerwone diody LED musi mieć rezystancję minimum 490. Najbliżej w szeregu jest rezystor o wartości 510Ω. Jeśli nie dysponujesz rezystorem o wartości 510Ω, pamiętaj, że możesz połączyć szeregowo kilka rezystorów, np. 5 rezystorów 100Ω.

Czy do naszego układu możemy szeregowo dołączyć jeszcze 4 diody? Nie! Na każdej z połączonych diod występuje jakiś spadek napięcia, innymi słowy każda z nich zużywa trochę napięcia, np. każda z czerwonych diod potrzebować będzie 2,1V. Łatwo policzyć że nasza bateria nie jest w stanie zapewnić in tyle napięcia:

14V < 2,1V + 2,1V + 2,1V + 2,1V + 2,1V+ 2,1V + 2,1V
14V < 14,7V
Powyższy przykład dotyczy układu montowanego w samochodzie, gdzie źródło napięcia to ok. 14V.  Ty możesz w ten sam sposób obliczyć rezystor dla analogicznego układu zasilanego 6V. Jaka wyjdzie wartość rezystora R1? Z moich obliczeń wynika, że 90Ω.
Rys. 5 Układ zbudowany na płytce stykowej ze źródła zasilania, rezystora 100Ω oraz dwóch czerwonych diod LED.

Następny przykład dotyczyć będzie łączenia diod równolegle, tak jak na poniższym schemacie:

Rys. 6 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, a także dwóch rezystorów i dwóch diód połączonych równolegle.

Tym razem przyjmijmy, że dioda D1 jest czerwona (prąd przewodzenia to 20mA, napięcie przewodzenia ok 2,1V), a dioda D2 ma kolor biały (prąd przewodzenia to 25mA, napięcie przewodzenia 3,4V).

Z pierwszego prawa Kirchoffa wiemy, że:

I = I1 + I2
I =  20mA + 25mA
I = 45mA
Podłączając diody równolegle do źródła zasilania pamiętajmy, że każda dioda musi mieć swój rezystor! Teraz policzmy spadek napięcia na każdym z rezystorów:
                                    UR1 = UB1 – UD1                                   UR2 = UB1 – UD2
                                    UR1 = 6V – 2,1V                                  UR2 = 6V – 3,4V
                                    UR1 = 3,9V                                          UR2 = 2,6V
Znamy natężenie prądu i napięcie, policzmy zatem rezystancję:
                                    R1 = UR1 / I1                                         R2 = UR2 / I2
                                    R1 = 3,9V / 20mA                                R2 = 2,6V / 25mA
                                    R1 = 3,9V / 0,02A                                R2 = 2,6V / 0,025A
                                    R1 = 195Ω                                           R2 = 104
Rezystor 1 musi mieć rezystancję minimum 195Ω (najbliżej w szeregu jest 200Ω), rezystor 2 musi mieć rezystancję minimum 104Ω (najbliżej w szeregu jest 120Ω). 
Rys. 7 Układ zbudowany na płytce stykowej ze źródła zasilania, rezystorów oraz dwóch diod LED: czerwonej i białej połączonych równolegle.


Jak łączyć diody? Szeregowo czy równolegle? Odpowiedź nie jest prosta, bo wszystko ma swoje plusy i minusy: 

Na koniec poruszę jeszcze popularny ostatnio temat diod LED mocy (tzw. power LED). Dzięki nim możemy uzyskać mocne światło, jednakże dzieje się to kosztem prądu. Są wykorzystywane np. w samochodach, dlatego poniższy przykład dotyczyć będzie właśnie problemowi zamontowania diody LED mocy w aucie.

Rys. 8 Dioda power LED na płytce-radiatorze.

Źródło zasilania dostarcza nam napięcie 14V. Przykładowa dioda LED mocy posiada prąd przewodzenia 350mA oraz występuje na niej spadek napięcia wielkości 3,3V. Obliczmy, tak jak robiliśmy to wyżej, jaką rezystancję musi mieć podłączony do obwodu rezystor:

UR1 = UE1 – UD1
UR1 = 14V – 3,3V
UR1 = 10,7V

 

R1 = UR1 / I
R1 = 10,7V / 350mA
R1 = 31

Do naszej przykładowej diody LED mocy musimy dobrać rezystor minimum 31Ω. Problem w tym, że  dioda power LED, jak sama nazwa wskazuje ma duża moc i zwykły rezystor nie wystarczy. Oprócz odpowiedniej wartości rezystancji nasz rezystor musi mieć odpowiednią moc znamionową, czyli  dopuszczalną moc wydzielaną na rezystorze podczas pracy. 

Pamiętajmy, że podstawowym zadaniem rezystora jest stawianie oporu przepływającemu prądowi. Jak jest opór, to mamy też do czynienia z mocą, która będzie wydzielać się w postaci ciepła. Zbyt duża moc może uszkodzić rezystor.
Moc obliczymy ze wzoru:

P = U x I 

P = UR1 x I1
P = 10,7V x 350mA
P = 3,7W 

Moc znamionowa naszego rezystora to minimum 3,7W. W związku z tym nasze standardowe rezystory o mocy 0,25W szybko uległy by spaleniu (zwykle objawia się to ich rozwieraniem, ale może też pojawić się ogień!). W powyższym przykładzie należałoby zastosować rezystor 5W, ale lepszym rozwiązaniem byłoby użycie kilku rezystorów 5W połączonych szeregowo lub równolegle. Dlaczego? Prawda jest taka, że rezystory słabo odprowadzają ciepło (chociażby przez ich kształt), a użycie kilku sztuk zwiększyłoby powierzchnię przez którą zachodzi wymiana ciepła.

Rys. 9 Rezystory o różnj mocy: a) 0,25W, b) 2W, c) 5W.

Przy doborze rezystora do diody LED mocy należy dodatkowo uwzględnić znaczny wzrost temperatury diody, co powoduje zmianę prądu przewodzenia i lepiej jest dobrać rezystor o większej rezystancji, tak aby wzrost prądu przy większej temperaturze nie spowodował uszkodzenia diody. W tym celu do diod mocy stosuje się stabilizatory prądu, które zostaną omówione w późniejszych lekcjach.

 

Ogólną zasadą przy dobieraniu rezystora/rezystorów do diod LED jest przyjęcie większej rezystancji niż to wynika z wyliczeń. Prąd przepływający przez diodę dobrze jest zmierzyć mili amperomierzem  jak i również spadek napięcia na diodzie woltomierzem tak aby w obliczeniach uwzględniać rzeczywiste parametry diody. Karty katalogowe producentów podają przedział napięć przy, których dioda pracuje.

3 myśli nt. „Lekcja 4: Jak dobrać rezystor do diody?

    1. Daria Autor wpisu

      Przykład został błędnie obliczony dla napięcia 12V (zbliżone napięcie występuje w samochodzie którego akumulator nie jest często podładowywany), w aucie które jedzie (a akumulator jest podczas jazdy ładowany) napięcie będzie wynosić ok. 14V – obliczenia zostały poprawione.

Dodaj komentarz