Spadek napięcia na diodzie LED to kluczowy parametr określający, ile woltów „traci” dioda podczas przewodzenia prądu, umożliwiając jej świecenie. Aby prawidłowo uwzględnić go w projekcie, stosujemy Drugie Prawo Kirchhoffa (suma napięć w obwodzie zamkniętym równa się zeru) oraz Prawo Ohma, co pozwala dobrać właściwy rezystor ograniczający prąd.
W robotyce i elektronice, gdzie LED-y są wszechobecne – od wskaźników w mikrokontrolerach po oświetlenie robotów – zrozumienie spadku napięcia zapobiega przepaleniu diod i zapewnia optymalną jasność świecenia. Poniżej znajdziesz typowe wartości spadku, metody obliczeń dla układów pojedynczych, szeregowych i równoległych, praktyczne przykłady oraz pułapki, na które warto uważać.
Czym jest spadek napięcia na diodzie LED?
Dioda LED (Light Emitting Diode) to półprzewodnik, który emituje światło przy przepływie prądu w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia (VF lub UD) pojawia się na złączu p–n i zależy od koloru światła (długości fali), typu diody oraz prądu przewodzenia (IF, zwykle 10–20 mA dla diod małej mocy).
VF nie jest stałe – rośnie lekko wraz z prądem. Do obliczeń projektowych używamy jednak typowych wartości katalogowych, podawanych np. dla 20 mA. Przykładowa tabela spadków napięcia dla popularnych kolorów:
| Kolor | Długość fali [nm] | Spadek napięcia VF [V] |
|---|---|---|
| Podczerwień | >760 | <1,9 |
| Czerwony | 610–760 | 1,63–2,03 (typ. 1,8–2,0) |
| Żółty/Pomarańczowy | – | 2,0–2,2 |
| Zielony | – | 2,0–2,2 |
| Niebieski | – | ~3,2–3,4 |
| Biały | całe spektrum | ~3,5 |
Uwaga: białe i niebieskie diody mają wyższy spadek ze względu na fosfor lub materiały GaN. Zawsze sprawdzaj datasheet konkretnej diody, bo wartości mogą się różnić o 0,2–0,5 V.
Podstawowy wzór na obliczenie rezystora ograniczającego
W najprostszym obwodzie – źródło napięcia (VCC, np. 5 V z Arduino), rezystor R i dioda LED – suma napięć spełnia równanie: VCC = VR + VF.
W tym równaniu VR to spadek napięcia na rezystorze, a VF to spadek na diodzie (z tabeli lub karty katalogowej).
Stąd VR = VCC − VF. Prąd przez obie składowe jest taki sam (IF), więc z Prawa Ohma: R = VR / IF = (VCC − VF) / IF.
Przykład: czerwona LED (VF = 1,8 V), VCC = 5 V, IF = 20 mA (0,02 A). R = (5 − 1,8) / 0,02 = 3,2 / 0,02 = 160 Ω. Dobierz najbliższy rezystor z szeregu E24 (np. 150 Ω lub 180 Ω). Dla 150 Ω prąd wyniesie IF = (5 − 1,8) / 150 ≈ 21,3 mA – bezpieczne. Przy niższym prądzie (10 mA) R ≈ 320 Ω – jasność spadnie, ale dioda posłuży dłużej.
Kalkulatory online przyspieszają obliczenia – podajesz VCC, VF, IF i otrzymujesz zalecane R.
Obliczenia dla diod w szeregu
W robotach często łączymy diody szeregowo, by zmniejszyć prąd całkowity lub dopasować je do wyższego napięcia (np. 12 V z akumulatora).
Wzór ogólny dla n diod: R = (VCC − n × VF) / IF, gdzie n to liczba diod w szeregu.
Przykład: 3 białe LED (VF = 3,5 V każda), VCC = 12 V, IF = 20 mA. Suma VF = 3 × 3,5 = 10,5 V, VR = 12 − 10,5 = 1,5 V. R = 1,5 / 0,02 = 75 Ω (dobierz 82 Ω z E24).
Ostrzeżenie: dodaj margines 10–20% na wahania VCC (np. bateria Li‑Ion spada z 4,2 V do 3,6 V). Jeśli VR < 0,5 V, układ będzie niestabilny – rozważ mniejszą liczbę diod w szeregu lub niższy IF.
Obliczenia dla diod równolegle
W połączeniu równoległym każda gałąź powinna mieć osobny rezystor, a prądy się sumują: Icałk = n × IF.
Dla jednej diody obliczasz jak wyżej. Dla 3 czerwonych LED równolegle (każda z własnym R), VCC = 24 V, VF = 2 V, IF = 20 mA na diodę: VR = 24 − 2 = 22 V, R = 22 / 0,02 = 1100 Ω na gałąź. Całkowity prąd: 60 mA.
Można użyć jednego rezystora dla wszystkich (VR = VCC − VF, R = VR / (n × IF)), ale to mniej precyzyjne – diody mogą świecić nierówno.
Przykład mieszany: jedna czerwona (VF = 2 V) + dwie białe (VF = 3,5 V każda), VCC = 24 V, szeregowo: Suma VF = 2 + 3,5 + 3,5 = 9 V, VR = 24 − 9 = 15 V, R = 15 / 0,02 = 750 Ω.
Praktyczne wskazówki w robotyce i elektronice
Aby uniknąć błędów i dobrać elementy świadomie, zapamiętaj kluczowe zasady:
- bezpieczny prąd – nigdy nie przekraczaj IF max z datasheet (typ. 20–30 mA DC dla małej mocy); współczesne diody świecą jasno już przy 3–5 mA;
- szeregi wartości rezystorów – korzystaj z E12/E24 (np. 100, 120, 150 Ω) i przelicz rzeczywisty prąd: IF = (VCC − VF) / R;
- napięcia w robotach – 5 V z Arduino nadaje się do czerwonych/zielonych; przy 12 V łącz diody w szeregi; PWM do regulacji jasności nie zmienia VF znacząco;
- pomiar spadku napięcia – użyj multimetru (DCV), włącz diodę szeregowo z rezystorem 1 kΩ i mierz przy IF ≈ 3 mA;
- rozwiązania zaawansowane – dla wysokich mocy (taśmy LED, reflektory) stosuj sterowniki stałoprądowe (np. 350 mA, 700 mA) zamiast samych rezystorów.
Błędy do uniknięcia
Oto najczęstsze potknięcia, które prowadzą do awarii lub skrócenia żywotności LED:
- brak uwzględnienia VF – prowadzi do przegrzania; bez rezystora dioda spali się w sekundy;
- zbyt wysoki prąd IF – wartości >30 mA znacząco skracają żywotność;
- mieszanie kolorów w szeregu – różne VF powodują nierównomierny prąd.
Zastosowania w projektach robotycznych
W mikrokontrolerach (Arduino, ESP32) LED-y sygnalizują status – oblicz R dla 5 V. W mobilnych robotach na bateriach szeregi oszczędzają energię. W oświetleniu (np. oczy robota) sprawdzą się połączenia równoległe ze sterownikami adresowalnymi, takimi jak WS2812B.
Test: dla 5 V, czerwona LED, R = 330 Ω: IF = (5 − 1,8) / 330 ≈ 9,7 mA – idealne na nocne patrole robota.
Zrozumienie spadku napięcia pozwala projektować niezawodne obwody. Eksperymentuj na płytce stykowej i zawsze sprawdzaj datasheet!
Zastrzeżenie: wartości są orientacyjne – weryfikuj je w praktycznych testach.