Основы: комплектующие резисторы для светодиодов

Итак ... вы просто хотите зажечь светодиод. Какой резистор вы должны использовать?

Может быть, вы знаете ответ, или, может быть, все уже предполагают, что вы должны знать, как получить ответ. И в любом случае, это вопрос, который вызывает больше вопросов, прежде чем вы действительно сможете получить ответ: какой тип светодиода вы используете? Какой блок питания? Аккумулятор? Вставные? Часть большей цепи? Серии? Параллельно?

Игра со светодиодами должна быть веселой, и выяснение ответов на эти вопросы на самом деле является частью веселья. Есть простая формула, которую вы используете, чтобы выяснить это, Закон Ома , Эта формула имеет вид V = I × R , где V - напряжение, I - ток, а R - сопротивление. Но как вы узнаете, какие числа включить в эту формулу, чтобы получить правильное значение резистора?

Чтобы получить V в нашей формуле, нам нужно знать две вещи: напряжение нашего источника питания и напряжение наших светодиодов.

Начнем с конкретного примера. Предположим, что мы используем держатель батареи 2 × AA (например, этот из нашего магазина), который обеспечит нас напряжением 3 В (с двумя последовательно соединенными элементами АА 1,5 В; мы добавим напряжения), и мы планируем подключить желтый светодиод ( как один из них ).

Светодиоды имеют характеристику, называемую «прямым напряжением», которая часто указывается на листах данных как Vf. Это прямое напряжение представляет собой величину напряжения, «потерянного» в светодиоде при работе с определенным опорным током, обычно определяемым как около 20 миллиампер (мА), то есть 0,020 ампер (А). Vf зависит главным образом от цвета светодиода, но на самом деле немного варьируется от светодиода к светодиоду, иногда даже в пределах одного пакета светодиодов. Стандартные красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды имеют Vf около 1,8 В, в то время как чисто зеленые, синие, белые и УФ-светодиоды имеют Vf около 3,3 В. Таким образом, падение напряжения от нашего желтого светодиода будет около 1,8 В.

Значение V в нашей формуле определяется путем вычитания прямого напряжения светодиода из напряжения источника питания.

3 В (источник питания) - 1,8 В (падение напряжения на светодиоде) = 1,2 В

В этом случае нам остается 1,2 В, которые мы добавим в нашу формулу V = I × R.

Следующее, что нам нужно знать, это I , то есть ток, к которому мы хотим подключить светодиод. Светодиоды имеют максимальный номинальный непрерывный ток (часто указывается как If или Imax на листах данных). Это часто составляет около 25 или 30 мА. На самом деле это означает, что типичное значение тока для стандартного светодиода составляет от 20 мА до 25 мА - немного ниже максимального тока.

В сторону: вы всегда можете дать светодиод меньше тока . Запуск светодиода вблизи номинального максимального тока дает максимальную яркость за счет рассеивания мощности (тепла) и срока службы батареи (если вы разряжаете батареи, конечно.) Если вы хотите, чтобы ваши батареи работали в десять раз дольше, Вы можете просто выбрать ток, который составляет только одну десятую от номинального максимального тока.

Таким образом, 25 мА - это «желаемый» ток - то, что мы надеемся получить, когда мы выберем резистор, а также I, который мы добавим в нашу формулу V = I × R.

1,2 В = 25 мА × R

или перефразировать:

1,2 В / 25 мА = R

и когда мы решаем это, мы получаем:

1,2 В / 25 мА = 1,2 В / 0,025 А = 48 Ом

Где «48 Ом» составляет 48 Ом. (Единицы измерения таковы, что 1 В / 1 А = 1 Ом; один вольт, деленный на один ампер, равен одному Ом. Если вы работаете с током в мА, преобразуйте его в А, разделив на 1000.)

Наша версия формулы теперь выглядит так:

(Напряжение питания - напряжение светодиода) / ток (в амперах) = требуемое значение резистора (в омах)

В итоге мы получаем сопротивление резистора 48 Ом. И это хорошее значение пускового резистора для использования с желтым светодиодом и источником 3 В.

Давайте посмотрим на значения резисторов на мгновение. Резисторы обычно доступны в таких значениях, как 10 Ом, 12 Ом, 15 Ом, 18 Ом, 22 Ом, 27 Ом, 33 Ом, 39 Ом, 47 Ом, 51 Ом, 56 Ом, 68 Ом, 75 Ом и 82 Ом. (и их кратные, 510 Ω, 5.1K Ω, 51K Ω и т. д.) и (если вы не указали более высокую точность при совершении покупок) имеют значение допуска около ± 5%.

Если вы делаете много проектов в области электроники, у вас наверняка будет куча резисторов. Если вы только начинаете, возможно, вы захотите приобрести ассортимент, чтобы у вас было немного под рукой. Резисторы также рассчитаны на различные уровни мощности - резисторы, рассчитанные на большую мощность (больше ватт), способны безопасно рассеивать больше тепла, выделяемого в резисторе. Резисторы на 1/4 Вт, вероятно, являются наиболее распространенными, и, как правило, подходят для простых светодиодных схем, подобных тем, которые мы здесь рассматриваем. (Мы обсуждали рассеяние мощности ранее - изучите это, когда начнете выходить за рамки этих основ.)

Теперь значение резистора, которое мы вычислили выше, было 48 Ом, что не является одним из наших общих значений. Но это нормально, потому что мы будем использовать резистор с допуском ± 5%, так что в любом случае это не обязательно будет именно это значение. Чтобы быть в безопасности, мы обычно выбираем следующее более высокое значение, которое у нас есть; 51 Ом в этом примере.

Давайте подключим это:
Батарейный блок 3 В, резистор 51 Ом и желтый светодиод.

Это хорошая маленькая светодиодная схема, но как мы можем сделать это с большим количеством светодиодов? Можем ли мы просто добавить еще один резистор и еще один светодиод? Ну да, в точку. Каждый светодиод будет требовать 25 мА, поэтому нам нужно выяснить, какой ток могут излучать наши батареи.

В стороне : небольшое копание поднимает полезный технический справочник (pdf) на щелочных батареях от Energizer. Получается, что чем сильнее ты их водишь, тем быстрее ты их истощаешь. Частично это очевидно: если вы непрерывно вытягиваете 1000 мА из батареи, вы ожидаете, что батарея будет работать в течение 1/10, если бы вы потребляли 100 мА. Но на самом деле есть второй эффект, который заключается в том, что общая выходная мощность батареи (измеряемая в ватт-часах) уменьшается, когда вы приближаетесь к пределу того, сколько тока может выдавать батарея. На практике, при использовании щелочных батарей типа АА, если вы разряжаете его при 1000 мА, он будет работать только около 1/20, как если бы вы разряжали его при 100 мА.

Для нашего одиночного светодиода 25 мА элементы АА прослужат много времени. Если мы запустим четыре светодиода параллельно, требуя 100 мА, мы все равно получим довольно приличный срок службы батареи. Для более 500 мА, мы должны подумать о подключении к стене. Таким образом, мы можем добавить несколько наших желтых светодиодов, каждый со своим собственным резистором 51 Ом, и успешно управлять ими с помощью держателя батареи 2xAA.

Хорошо, а как насчет батареи 9 В? Давайте придерживаться наших желтых светодиодов. Если мы хотим запустить один светодиод от батареи 9 В, это означает, что мы должны потреблять колоссальные 7,2 В с нашим резистором, который должен быть 288 Ом (или ближайшее удобное значение: 330 Ом, в моей мастерской) ,

9 В (источник питания) - 1,8 В (желтый светодиод) = 7,2 В

7,2 В / 25 мА = 288 Ом (округление до 330 Ом)

Использование резистора для падения напряжения любого размера рассеивает эту энергию в виде тепла. Это означает, что мы просто тратим эту энергию на тепло, а не получаем больше света от нашей светодиодной схемы. Так можем ли мы использовать несколько светодиодов, соединенных вместе? Да! Давайте соединим четыре из светодиодов 1,8 В последовательно, что в сумме составит 7,2 В. Когда мы вычтем это из нашего напряжения питания 9 В, у нас останется 1,8 В, для чего потребуется только резистор 72 Ом (или ближайшее значение : 75 Ом).

9 В - (1,8 В × 4) = 9 В - 7,2 В = 1,8 В

1,8 В / 25 мА = 72 Ом (а затем округляем до 75 Ом)

Наша обобщенная версия формулы с несколькими последовательными светодиодами:

[Напряжение питания - (напряжение светодиода × количество светодиодов)] / ток = значение резистора

Мы можем даже поставить пару этих цепочек из четырех светодиодов и резистор параллельно, чтобы получить больше светоотдачи, но чем больше мы добавляем, тем больше мы сокращаем срок службы батареи.

Но можем ли мы сделать пять последовательно с 9-вольтовой батареей? Хорошо, может быть. Цифра 1,8 В, которую мы использовали, является «типичным эмпирическим правилом», только. Если вы уверены, что прямое напряжение точно равно 1,8 В, оно будет работать. Но что, если это не совсем так? Если прямое напряжение ниже, вы можете перегрузить их при более высоком токе, что может сократить срок их службы (или убить их напрямую). Если прямое напряжение выше, светодиоды могут быть тусклыми или даже не гореть. В некоторых случаях вы можете подключить светодиоды последовательно без резистора, как в нашем Светодиодная схема обеденного стола , но в большинстве случаев предпочтительнее и безопаснее использовать резистор.

Давайте сделаем еще один пример, на этот раз с белым светодиодом (вы можете найти некоторые Вот ) и батарейный блок 3xAA (например, этот ). Напряжение нашего источника питания составляет 4,5 В, а светодиод Vf составляет 3,3 В. Мы по-прежнему будем стремиться к току 25 мА.

4,5 В - 3,3 В = 1,2 В

1,2 В / 25 мА = 48 Ом (округление до 51 Ом)

Итак, вот примеры, которые мы рассмотрели, плюс еще несколько примеров с некоторыми другими типами источников питания:

Индикатор напряжения питания Цветной светодиодный индикатор Vf Светодиодные индикаторы последовательно Требуемый ток Резистор (расчетный) Резистор (округленный) 3 В Красный, желтый или желто-зеленый 1,8 1 25 мА 48 Ом 51 Ом 4,5 В красный, желтый или желто-зеленый 1,8 2 25 мА 36 Ом 39 Ом 4,5 В Синий, Зеленый, Белый или УФ 3,3 1 25 мА 48 Ом 51 Ом 5 ​​В Синий, Зеленый, Белый или УФ 3,3 1 25 мА 68 Ом 68 Ом 5 ​​В Красный, Желтый или Желтый -Зеленый 1,8 1 25 мА 128 Ом 150 Ом 5 ​​В Красный, желтый или желто-зеленый 1,8 2 25 мА 56 Ом 56 Ом 9 В Красный, желтый или желто-зеленый 1,8 4 25 мА 72 Ом 75 Ом 9 В Синий, Зеленый, белый или УФ 3,3 2 25 мА 96 Ω 100 Ω

Все эти значения основаны на тех же предположениях о прямом напряжении и желаемом токе, которые мы использовали в ранних примерах. Вы можете проработать их и проверить математику или просто использовать ее в качестве удобной таблицы, если считаете, что наши предположения обоснованы. ;)

Теперь, в какой-то момент кто-то, возможно, сказал вам: «Просто используйте онлайн-калькулятор резисторов на светодиодах». И действительно, есть такие вещи - даже у нас есть один (ну, версия для печати на бумаге ) - так зачем работать через все это? Во-первых, гораздо лучше понять, что и почему этот калькулятор делает то, что он делает. Но также невозможно использовать эти калькуляторы, если вы не знаете, какие переменные вам нужно ввести. Надеюсь, теперь вы сможете определить значения, которые вам понадобятся (напряжение питания, напряжение и ток светодиода) для использования светодиодного калькулятора. Но что более важно (1) вам на самом деле не нужен один: вы можете сделать это самостоятельно и (2) если вы его используете, вы можете поставить под сомнение основополагающие предположения, которые он может сделать от вашего имени.

Надеюсь, вы также видели, что есть гораздо больше, чем просто один способ зажечь светодиод. И мы даже не дошли до таких вещей, как совместное использование светодиодов разных значений в цепях! Теперь вы можете вернуться к наклеиванию светодиодов на батарейках CR2032, чтобы сделать Светодиодные фонарики ? Да, вы определенно можете. Но вы можете вернуться и прочитать о когда вы должны добавить резистор даже этой маленькой цепи!

Наконец, отметим, что в этой статье мы говорили о вашем основном сквозном, маломощном (хотя, возможно, очень ярком) светодиоде. Специализированные типы, такие как мощные светодиоды, могут иметь несколько разные характеристики и требования.

Обновление : исправлен список значений общего резистора, чтобы включить более общие значения.