Меню

Последовательное включение диодов напряжение

Последовательное или параллельное подключение светодиодов?

В светильниках и фонариках применяется две схемы – последовательное и параллельное соединение светодиодов. У этих схем есть масса вариаций и комбинированных вариантов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Чтобы понять какая схема соединений лучше – нужно узнать, что такое вольт-амперная характеристика и какая она у LED.

Основные теоретические вопросы

Вольт-амперная характеристика (сокр. ВАХ) – это график отображающий зависимость величины тока протекающего через любой прибор от напряжения, приложенного к нему. Простая и очень ёмкая характеристика для анализа нелинейных компонентов. С её помощью можно выбрать режимы работы, и определить характеристики источника питания для прибора.

Взгляните на пример линейной и нелинейной ВАХ.

График под номером 1 на рисунке отображает линейную зависимость тока от напряжения, такую имеют все приборы резистивного характера, например:

  • Лампа накаливания;
  • обогреватель;
  • резистор (сопротивление);

График номер 2 – это ВАХ характерная для p-n переходов диодов, транзисторов и диодов.

Подробнее о работе диодов

Какое выбрать подключение светодиодов: последовательно или параллельно? Это сильно зависит от условий работы и источника питания, а также системы стабилизации напряжения и тока. Для правильного выбора нужно рассмотреть оба варианта.

Изначально шла речь о вольт-амперной характеристике не просто так, рассмотрим подробно её форму для Led приборов.

Обратите внимание, что в области напряжений ниже чем 2,5В, ток через светодиод протекает крайне малый или вообще не протекает. Преодолев уровень в 2,5 вольта через диод начинает протекать ток и он зажигается на участке от 2,5 до 3 вольт. После этого уровня ток начинает стремительно нарастать.

Для 5 мм диодов белого свечения рабочий ток – 20мА при 3В, а при 3.5 вольта ток будет равняться 80 мА, что в четверо превышает номинал.

Яркость диода хоть и зависит от протекающего через него тока, но при чрезмерно больших значениях LED светится не намного ярче, чем при номинале. Поэтому не стоит экспериментировать с высоким показателями – ваши диоды просто перегорят.

Значения напряжений могут различаться в зависимости от типов и конструкции LED, на это влияет их количество в одном корпусе, цвет, и даже материал который был выбран в качестве основы чипа.

Как правильно подключать?

При параллельном соединении светодиодов нужно пользоваться ограничительным резистором для каждого из диодов, как изображено на рисунке ниже. Это даёт возможность установить ток для каждого из элементов электрический схемы.

Ниже схема НЕ правильного подключения резистора в цепь.

При параллельном подключении светодиодов и любых других потребителей, напряжение на их выводах будет равным. С одной стороны это хорошо, но не для диодов. Каждый светодиод, даже набор взятый из одной партии, имеет небольшой технологический разброс параметров. Напряжение, необходимое для достижения номинального тока, может незначительно отличаться в пределах десятых долей вольта.

Выше вы видели вольт-амперную характеристику прибора и легко сделаете вывод, что незначительное превышение номинального напряжения ведет к лавинообразному росту тока и перегреву. Некоторые предлагают исключить и резистор из этой схемы, такое соединение светодиодов самое неудачное!

Общий ток в цепи равен сумме токов в каждой из ветвей параллельной цепи. Если выбирать, как соединять светодиоды для работы в цепи с повышенным напряжением (6 и более вольт), лучше использовать последовательное соединение.

Последовательное подключение диодов

При такой схеме вы можете использовать диоды в цепях с любым напряжением.

Напряжения между элементами распределятся в нужном количестве, а ток вы зададите резистором. Параллельное включение светодиодов не позволяет добиться такого результата. При последовательном подключении общий ток цепи будет равным току через один из элементов.

Онлайн калькулятор для расчета резистора

Тип соединения: Один светодиод
Последовательное соединение
Параллельное соединение
Напряжение питания: Вольт
Прямое напряжение светодиода: Вольт
Ток через светодиод: Милиампер
Количество светодиодов: шт.
Результаты:
Точное значение резистора: Ом
Стандартное значение резистора: Ом
Минимальная мощность резистора: Ватт
Общая потребляемая мощность: Ватт

Варианты соединений

Чтобы выполнить последовательное соединение светодиодов на 220В, воспользуйтесь схемой ниже.

В данном случае в большей степени ограничивает ток конденсатор С1, он играет роль реактивного сопротивления. Подробнее о расчете конденсатора мы писали в статье. Для получения необходимого значения емкости конденсатора воспользуйтесь онлайн калькулятором:

Читайте также:  Напряжение при согласованной нагрузке

Ток, потребляемый нагрузкой (A);
Входное напряжение Uвх (V);
Выходное напряжение Uвых (V);

Ёмкость конденсатора (мкФ).

Так вы можете подключить даже один светодиод.

Если вы хотите собрать схему последовательного соединения светодиодов на 100 вольт постоянного напряжения, в цепь нужно включить порядка 30 светодиодов. Тогда необходимое напряжение будет порядка 90 вольт. Расчёт резистора выполнить по формуле в предыдущих разделах статьи.

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций тока, резистор стоящий параллельно – для разряда конденсатора после отключения прибора, в целях безопасности. Если источник питания достаточно стабилизирован их можно исключить.

Альтернативный тип подключения

Последовательно-параллельное соединение светодиодов – встречается в прожекторах и других мощных светильниках, работающих как от постоянного, так и от переменного напряжения.

Как видите, матрица поделена на ветки, каждая из которых имеет токоограничивающий резистор. Конкретный экземпляр предназначен для замены штатной лампы плафона в салоне автомобиля. Если один диод выйдет из строя – одна цепь перестанет гореть, а остальные цепочки продолжат свечение.

Если вы не можете определиться, как подключить светодиоды последовательно или параллельно, есть альтернативный вариант — гибридное соединение. С первого взгляда непонятно в чем смысл.

Гибридный вариант принял достоинства от последовательного и параллельного соединения светодиодов. Схема будет работать полностью, даже если один из элементов в цепи перегорит, в тоже время остальные элементы не испытают перегрузки. Напряжение на каждом сегменте будет ограничено светодиодом с наименьшим падением.

Чтобы собрать светильник правильно, а LED работали долго и не перегревались, нужно определиться как подключать светодиоды — последовательно или параллельно. Вы ознакомились с сильными и слабыми сторонами каждого из вариантов. Благодаря полученным знаниям можно выполнить ремонт LED лампы или прожектора.

Источник



Какая схема подключения светодиодов лучше — последовательная или параллельная

Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.

Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).

Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.

Светодиод 2835 (характеристики)

Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:

Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.

Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.

Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.

Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).

Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожжёте его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).

К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.

Почему нельзя подключать источник напряжения к светодиоду

Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:

А самое неприятное то, что проводимость любого светодиода (который по сути является p-n-переходом) находится в очень сильной зависимости от температуры. На практике это приводит к тому, что по мере разогрева светодиода, ток через него начинает неумолимо возрастать. Чтобы вернуть ток к требуемому значению, придется понижать напряжение. В общем, как ни крути, а без контроля тока никак не обойтись.

Читайте также:  Электромагнитная совместимость по отклонению напряжения

Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.

Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.

Параллельное подключение

Чем плохо параллельное подключение светодиодов

При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).

Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.

Параллельное подключение светодиодов через резисторы

Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:

Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.

Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.

Расчет резистора для светодиода

В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:

Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.

Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.

Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):

Uпит ILED
5 мА 10 мА 20 мА 30 мА 50 мА 70 мА 100 мА 200 мА 300 мА
5 вольт 340 Ом 170 Ом 85 Ом 57 Ом 34 Ом 24 Ом 17 Ом 8.5 Ом 5.7 Ом
12 вольт 1.74 кОм 870 Ом 435 Ом 290 Ом 174 Ом 124 Ом 87 Ом 43 Ом 29 Ом
24 вольта 4.14 кОм 2.07 кОм 1.06 кОм 690 Ом 414 Ом 296 Ом 207 Ом 103 Ом 69 Ом

При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Читайте также:  Построение эпюры касательных напряжений при изгибе

Как источник тока (драйвер) поддерживает нужный ток

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Драйвер светодиода 220 вольт

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64. 106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Светодиодный драйвер на 12 вольт

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

  1. выходной ток;
  2. максимальное выходное напряжение;
  3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Какой драйвер выбрать для фитосветодиодов на 3 Вт?

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3. 4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

LED-драйвер на 650 мА

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Светодиоды Какой нужен драйвер
60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835) см. схему на TL431
150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730) драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов)
300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода)
700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды) драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов)
3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6) драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

Источник