Diody LED są kluczowymi elementami w robotyce, elektronice i automatyce – służą do sygnalizacji, oświetlenia i jako wskaźniki stanu.
Podłączenie LED bez odpowiedniego rezystora szeregowego grozi natychmiastowym uszkodzeniem diody wskutek nadmiernego prądu.
W tym poradniku wyjaśniamy, jak obliczyć rezystor do diody LED dla pojedynczych i wielu diod, podajemy wzory, przykłady oraz praktyczne wskazówki z uwzględnieniem tolerancji i bezpieczeństwa.
Dlaczego rezystor jest niezbędny?
Diody LED mają niskie napięcie przewodzenia (zwykle 1,8–4 V), a ich prąd silnie zależy od napięcia zasilania.
Rezystor szeregowy zgodnie z prawem Ohma odkłada nadmiar napięcia i stabilizuje prąd na bezpiecznym poziomie (typowo 10–20 mA dla diod małej mocy), dzięki czemu LED nie przegrzewa się i nie ulega awarii.
W praktyce robotycznej – np. dla podświetlenia podwozia lub wskaźników baterii – poprawnie dobrany rezystor wydłuża żywotność LED i zmniejsza zakłócenia w zasilaniu.
Podstawowe parametry diody LED
Przed obliczeniami sprawdź datasheet (kartę katalogową) diody. Kluczowe parametry to:
- Napięcie przewodzenia (U_LED lub V_F) – spadek napięcia na diodzie przy prądzie roboczym; dla typowych diod 3–5 mm przybliżone wartości według koloru są następujące;
Oto orientacyjne napięcia przewodzenia LED w zależności od barwy:
| Kolor LED | Napięcie przewodzenia (V) |
|---|---|
| Czerwona | 1,8–2,2 |
| Żółta | 2,1–2,4 |
| Zielona | 2,0–3,0 |
| Niebieska | 3,0–3,6 |
| Biała | 3,0–3,6 |
| UV | 3,1–4,0 |
- Prąd roboczy (I_LED lub I_F) – zalecany prąd przewodzenia, np. 20 mA dla standardowych diod małej mocy (wartości maksymalne zwykle 30–40 mA);
- Napięcie zasilania (U_ZAS lub V_S) – np. 3,3 V z mikrokontrolera, 5 V z Arduino, 12 V z akumulatora robota.
Metoda obliczania rezystora – wzory krok po kroku
1. Dla jednej diody LED
Podstawowy wzór wynika z prawa Ohma oraz bilansu napięć w obwodzie szeregowym (U_ZAS = U_LED + U_R). Aby obliczyć wartość rezystora, zastosuj:
R = (U_ZAS − U_LED) / I_LED
Gdzie U_R = U_ZAS − U_LED (napięcie na rezystorze), a I_LED wyrażamy w amperach (np. 20 mA = 0,02 A).
Przykład – czerwona LED (U_LED = 2 V, I_LED = 20 mA) zasilana z 5 V: R = (5 − 2) / 0,02 = 150 Ω. Najbliższa wartość z szeregu: 150 Ω lub 180 Ω (bezpieczniej przyjąć nieco wyższą, aby nie przekroczyć prądu).
Sprawdzenie prądu dla standardowego rezystora: I = (U_ZAS − U_LED) / R. Dla 150 Ω: I = 3 V / 150 Ω = 20 mA (idealnie). Dla 220 Ω: I ≈ 13,6 mA (nieco mniejsza jasność, ale dłuższa żywotność).
2. Dla wielu diod szeregowo
W połączeniu szeregowym (n identycznych diod) sumaryczny spadek napięcia: U_LED_sum = n × U_LED. Wartość rezystora liczysz tak:
R = (U_ZAS − n × U_LED) / I_LED
Przykład (3 czerwone LED na 12 V) – U_LED = 2,1 V, I_LED = 8 mA: R = (12 − 3 × 2,1) / 0,008 = (12 − 6,3) / 0,008 = 712,5 Ω → dobierz 680 Ω lub 820 Ω.
Uwaga: suma spadków napięć diod nie może przekroczyć U_ZAS, w przeciwnym razie obwód nie zadziała.
3. Obliczanie mocy rezystora (P_R)
Rezystor musi bezpiecznie rozproszyć ciepło: możesz użyć równoważnych wzorów:
P_R = U_R × I_LED lub P_R = I_LED² × R
Przykład – U_R = 3 V, I = 20 mA → P_R = 0,06 W. Wybierz rezystor co najmniej 0,25 W (zalecany 2–5× zapas mocy) dla niezawodności i chłodzenia.
Dla diod wysokoprądowych (> 100 mA) rozważ driver/regulator prądu zamiast prostego rezystora – ograniczysz straty mocy i poprawisz stabilność.
Praktyczne wskazówki doboru rezystora
- Uwzględnij tolerancję – typowe tolerancje rezystorów to ±5% i ±10%; dobieraj wartość z zapasem, aby nie przekroczyć I_LED. Przykład: wyliczone 451 Ω → dobierz 470 Ω (bezpieczniejsza, wyższa wartość).
- Stosuj szeregi E12/E24 – nie zawsze trafisz w wartość idealną, dlatego wybierz najbliższą wyższą z popularnych serii (np. 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330 Ω).
- Kalkulatory online – pomagają uniknąć błędów i uwzględnić moc:
- Laskar – dla wielu diod, podaje zarówno R, jak i P,
- Langir – wizualizuje schemat, kod kolorów i sprawność,
- Elektroda/Botland – rozbudowane narzędzia z tolerancją i mocą.
- W robotyce i mikrokontrolerach – dla Arduino (5 V) typowa czerwona LED z R = 220 Ω daje ok. 13 mA; z pinu GPIO nie przekraczaj 15 mA (choć absolutne maksimum to zwykle 20–40 mA zależnie od układu).
- Testuj pomiarem – po złożeniu układu zmierz prąd multimetrem; jeśli jest za wysoki, zwiększ wartość R.
Zaawansowane konfiguracje
Diody równolegle
Każda dioda łączona równolegle powinna mieć własny rezystor – niewielkie różnice U_LED powodują nierówny podział prądu. Nie łącz samych diod bez rezystorów wyrównawczych.
Przykład dla 3 diod równolegle – oblicz osobny rezystor dla każdej gałęzi, zakładając docelowy prąd w gałęzi.
Schematy z mikrokontrolerami
Przykładowe połączenie LED z mikrokontrolerem (emiter prądu z zasilania, ściąganie do masy pinem):
+5 V — R (220 Ω) — anoda LED — katoda — GND (pin Arduino)
Do regulacji jasności stosuj PWM (nie zmieniaj wartości R podczas sterowania).
Błędy i pułapki
Unikaj najczęstszych błędów przy doborze rezystora i konfiguracji układu:
- zbyt mały R – powoduje przegrzewanie i skrócenie żywotności led,
- pominięcie mocy rezystora – przegrzewanie i uszkodzenia (czasem potrzeba 1 W zamiast 0,25 W),
- zmienne U_ZAS – w akumulatorach napięcie spada, licz dla maksymalnego U_ZAS,
- wysokoprądowe LED-y – zamiast rezystora zastosuj driver stałoprądowy (np. dla taśm lub modułów).
Szybka ściągawka – typowe wartości
Poniższa tabela ułatwi dobór rezystora dla popularnych konfiguracji zasilania i kolorów LED:
| U_ZAS | LED czerwona (2 V, 20 mA) | LED biała (3,2 V, 20 mA) |
|---|---|---|
| 5 V | 150–220 Ω, 0,25 W | 100–150 Ω, 0,25 W |
| 12 V | 470–560 Ω, 0,5 W | 390–470 Ω, 0,5 W |
Zawsze testuj i dokumentuj obliczenia w projekcie – pomiar prądu to najszybsza droga do pewnego i bezpiecznego działania układu.