Вах светодиода – Последовательное соединение светодиодов

Интересно. Незначительная часть электронов возвращается на выход радиодетали. При температуре, которая соответствует требуемой, и стабилизации облака выход и возврат заряженных частиц из катода уравниваются, чем обеспечивают стабильное движение заряженных частиц.

Электрический ток в вакууме

Чтобы появилась возможность передавать ток в вакууме, требуется добавить в пространство свободные заряженные частицы при помощи явлений эмиссии:

• Термоэлектронная – представляет собой процесс освобождения заряженных частиц металлами во время нагрева. Скорость процесса зависит от площади, условий нагрева и свойств материала. Когда кинетическая энергия превышает мощь электронных связей, происходит освобождение частиц;
• Фотоэлектронная – возникает под действием освещения.
• Автоэлектронная эмиссия происходит из-за влияния электрического поля.

Прямое и обратное напряжение диода

Уровень мощности, при котором прибор открыт, и через него течет электричество, называется ток. Обратное напряжение – отрицательная мощность, которая течет с катода на анод. В случае прямого напряжения уровень препятствия движению заряженных частиц не выше 100 Ом, однако при обратном напряжении уровень сопротивления возрастает в несколько сотен раз и может достигать миллионов Ом.

Прямое и обратное напряжение диода

Обратное включение диода, обратный ток

Обратный ток возникает, когда напряжение на катоде выше, чем на аноде. В такой ситуации заряженные частицы из области n перехода начнут смещаться к положительной части детали и передвигаться к отрицательному полюсу. Это приводит к возникновению области, которая содержит малое количество заряженных частиц, из-за чего повысится сопротивление. Однако течение электронов будет продолжаться.

Прямое включение диода, прямой ток

При подключении к аноду большего напряжения, чем на катоде, возникает прямой ток. В таком случае агрегат находится в открытом состоянии. Итоговое значение на выходе зависит от технических характеристик и уровня напряжения на входе. При этом свободные участки из области n типа передвигаются к заряженным частицам из Р типа и, наоборот. На месте pn перехода происходит встреча дырок и электронов, и осуществляется рекомбинация.

ВАХ и выпрямительный диод

ВАХ диода состоит из нескольких квадрантов:

• В первом случае прибору присуща высокая проводимость, которая соответствует приложенному напряжению;
• Во второй части радиоэлектронное устройство получает ток до состояния насыщения, затем сбрасывается;
• В последующем сегменте присутствует обратная ветвь ВАХ диода. Аппроксимация данного состояния свидетельствует о низкой проводимости.

ВАХ стабилитрона

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Данная характеристика присуща идеальному диоду. Главной задачей такого устройства является пропуск электричества исключительно в одну сторону. В таком случае сопротивление идеального радиоэлемента равно нулю в случае подключения положительного заряда к аноду, и может равняться бесконечности при обратном способе включения в цепь.

Практическое использование выпрямительного диода

Используют устройства в таких узлах:

• БП силовых агрегатов автомобилей и кораблей;
• В диодном мосту;
• В устройствах для выпрямления переменного тока и гальванических емкостей;
• В трансформаторах для передачи электричества посредством высоковольтной линии.

Выбор выпрямительных диодов

Во время подбора выпрямительных деталей требуется учитывать большое количество факторов:

• Частота тока;
• Значения входного тока в амперах;
• Параметр входного напряжения в вольтах;
• Устойчивость к условиям внешней среды..

Что обозначает маркировка

Типичная маркировка:

• Первый символ – Д – диод;
• Второй – нумерация, которая соответствует типу элемента, материалу и способу применения;
• Третий – разновидность устройства.

Вольт амперная характеристика диода показывает основные параметры диода. При помощи графика можно получить точную информацию о зависимости значения напряжения на выходе диода от напряжения на входе. Существует несколько видов диодов: идеальный и реальный, выпрямительный и стабилитрон, кремниевый и германиевый, а также светодиод и вакуумный. Отличия между ними – в выполняемой работе. При этом формула выходного напряжения в цепи будет незначительно отличаться. Так как лабораторные условия встречаются редко, то возможны незначительные погрешности во время включения и последующего выполнения функций устройством. ВАХ полупроводникового агрегата существенно различается от типа к типу, отличные характеристики могут быть значительными.

Видео

amperof.ru

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) | Практическая электроника

ВАХ – это вольт-амперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком-либо радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы. Так как транзистор имеет более двух выводов, то он имеет множество ВАХ.

Немного теории

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе. Поэтому, давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как вы помните из школы, мы строили графики зависимости игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима – по горизонтали. В результате у нас получалась система отображения зависимости “У” от “Х”:

Так вот, мои дорогие читатели,  в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо “У”  у нас будет сила тока, а вместо Х – напряжение.  И система отображения у нас примет вот такой вид:

Именно в такой системе координат мы будет чертить вольт-амперную характеристику. И начнем с самого распространенного радиоэлемента – резистора.

ВАХ резистора

Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение и смотреть соответствующее значение силы тока тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания,  резистор и начинаем  делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

Давайте построим график по этим точкам:

Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и  погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у  нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной  ВАХ.

ВАХ диода

Как вы знаете, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Это свойство диода мы используем в диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром.      Давайте  построим ВАХ для диода.  Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.

Первая точка: U=0,I=0.

Вторая точка: U=0.4, I=0.

Третья точка: U=0.6, I=0.01

Четвертая точка: U=0.7, I=0.03

Пятая точка: U=0.8,I=0.06

Шестая точка: U=0.9, I=0.13

Седьмая точка: U=1, I=0.37

 Строим график по полученным значениям:

Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт-амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольт-амперная характеристика называется НЕлинейной. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт. Для германиевых диодов ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольт.

ВАХ стабилитрона

Стабилитроны  работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они  также, как и диоды.

Мы подключаем стабилитрон как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод – плюс. В результате, напряжение на стабилитроне остается  почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от  подключаемой нагрузки на стабилитроне. Как говорят электронщики, мы используем  в стабилитроне обратную ветвь ВАХ.

Резюме

ВАХ  – это вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость тока от напряжения на радиоэлементе.

Элементы, имеющие прямую ВАХ называются линейными элементами. Элементы, которые имеют ВАХ в виде какой-либо функции называются элементами с нелинейной ВАХ.

www.ruselectronic.com

Вольтамперные характеристики светодиодов

Современные светодиоды

В этой главе обсуждаются электрические свойства р-п-переходов. Основные соотношения приводятся без подробного вывода. Рассмат­риваются резкие р-п-переходы с концентрациями доноров Nd и ак­цепторов N. Все примеси считаются полностью ионизированными, т. е. концентрация свободных электронов п = Nd, а концентрация свободных дырок р = TVa — Предполагается, что случайные включения и дефекты не компенсируют специально введенные примеси 9.

В равновесии в окрестности р-п-перехода электроны со стороны материала n-типа диффундируют от доноров в область p-типа, где они, встречая дырки в больших концентрациях, рекомбинируют с ними. Аналогичные процессы происходят с дырками, диффундирующими в область n-типа. В результате этого область в окрестности р-п-перехода оказывается обедненной свободными носителями, поэтому она так и называется — обедненная область.

При отсутствии свободных носителей в обедненной области един­ственными заряженными центрами в ней являются ионизированные доноры и акцепторы. Эти легирующие примеси образуют заряженные области, донорную — на стороне n-типа и акцепторную — на стороне p-типа. Такая область пространственного заряда формирует разность потенциалов, называемую контактной разностью потенциалов V&:

VD = ^ln^_N£> (4.1)

е пі

где Na и Nd — концентрации акцепторов и доноров, щ — собствен­ная концентрация носителей в полупроводнике. На зонной диаграмме (рис. 4.1) показана контактная разность потенциалов. Это потенциаль­ный барьер, который должны преодолеть свободные носители тока для попадания в нейтральную область с проводимостью противоположного типа.

Ширина обедненной области, ее заряд и контактная разность по­тенциалов связаны уравнением Пуассона. Зная контактную разность потенциалов, можно определить ширину обедненного слоя:

wa = 0<y-vD).(±- + 1L)

где є = єг ■ є о — диэлектрическая проницаемость полупроводника, а V — напряжение на диоде.

Обедненная область обладает высоким сопротивлением, поскольку в ней мало свободных носителей. Внешнее напряжение в зависи­мости от приложенной полярности позволяет либо увеличить, либо уменьшить потенциальный барьер р-п-перехода. При прямом смеще­нии электроны и дырки инжектируются в области с проводимостями противоположных типов, что приводит к увеличению тока. Носители диффундируют в области с противоположным типом проводимости, где они рекомбинируют, испуская фотоны (в случае излучательной рекомбинации).

Первым вольтамперную (I-V) характеристику р-п-перехода описал Шокли, поэтому выражение для /-^-характеристики тонкого резкого

р-п-перехода иногда называют уравнением Шокли. Для диода с пло­щадью поперечного сечения А оно имеет вид

1 = «Л ( № ■ £ + ./^ . і ) ■ (є*/** — 1). (4.3)

где DniP и тПф — коэффициенты диффузии и времена жизни для элек­тронов и дырок — неосновных носителей.

При обратном смещении диод входит в режим насыщения по то­ку. Величина тока насыщения определяется коэффициентом, стоя­щим в уравнении Шокли перед экспоненциальной функцией. Поэтому вольтамперная характеристика р-п-перехода при обратном смещении (V < 0) имеет следующий вид:

При прямом смещении р-п-перехода напряжение V на диоде обыч­но намного больше величины кТ/е, поэтому [exp(eV/kT) — 1] « ж ехр(eV/kT). Используя выражение (4.1), получаем уравнение Шокли для диода при прямом смещении в виде

! = еА (JK. NA + yjK. Nd^J. ee(v-vD)/kT (4 5)

Показатель экспоненциальной функции в формуле (4.5) свидетельству­ет о том, что при приближении напряжения на диоде к контактной

разности потенциалов, т. е. при V и Vd, ток через переход резко

возрастает. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение тока, называется пороговым напряжением. Очевидно, что это напря­жение Кор. ~ Vd-

На зонной диаграмме невырожденного р-п-перехода (см. рис. 4.1) показано, что уровень Ферми находится на определенном расстоянии от границ валентной зоны и зоны проводимости. Величина разности энергий между уровнем Ферми и границами этих зон определяется статистикой Больцмана:

Ес — Ер ~ —кТ In зона п-типа, (4.6)

Nc

Ер — Еу — —кТ In — Jr — зона р-типа. (4.7)

IV v

Зонная диаграмма показывает, что следующая сумма энергий равна нулю:

eVo — Eg + (Ер — Еу) + {Ес — Ер) = 0. (4.8)

В легированных полупроводниках расстояние между уровнем Фер­ми и границами соответствующих зон намного меньше ширины запре­щенной зоны, т. е. со стороны области n-типа Ес — Ер — С Ед, а со стороны области p-типа Ер — Еу <С Ед. Кроме того, из выражений (4.6) и (4.7) следует, что эти величины почти не зависят от кон­центрации примесей (логарифмическая зависимость). Поэтому можно пренебречь третьим и четвертым слагаемыми в уравнении (4.8), и для оценки контактной разности потенциалов (и порогового напряжения) использовать следующее выражение:

Кюр. * VD и Ед/е. (4.9)

На рис. 4.2 представлены вольтамперные характеристики разных по­лупроводниковых материалов, для которых приведены значения ши­рины запрещенной зоны. Видно, что для этих материалов пороговые напряжения, полученные из экспериментальных зависимостей, прибли­зительно равны значениям Ед.

На рис. 4.3 показана зависимость прямого напряжения на диоде от ширины запрещенной зоны при токе через диод 20 мА для светодиодов ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов длин волн. Прямая линия, построенная по уравнению (4.9), соответствует пред­полагаемым значениям прямого напряжения. Из рис. 4.3 следует, что характеристики большинства полупроводниковых светодиодов лежат на этой линии. Исключение составляют светодиоды на основе нитри­дов III группы. Для объяснения этих отклонений имеется несколько причин:

— для нитридных систем характерны флуктуации ширины запрещен­ной зоны, что может приводить к дополнительным падениям напря­жения;

— для этих систем недостаточно отработана технология нанесения контактов, что также приводит к повышению падения напряжения на них;

— материалы типа GaN обычно обладают низкой проводимостью р-типа;

— в буферных слоях го-типа часто происходит паразитное падение напряжения.

Ключевым моментом для правильного развития растений остается наличие достаточного количества света. Без него останавливается главный биологический процесс — фотосинтез. Это преобразование энергии света в углерод и воду с участием атмосферного …

Светодиодное освещение считается самыми комфортным, практичным и перспективным. Все благодаря преимуществам, открывающимся перед его пользователями. Приборы на светодиодах долговечны, расходуют мало электроэнергии, легко и быстро устанавливаются, отличаются небольшим весом. Это …

Люди всё чаще предпочитают led фонари, также называемые светодиодными. Это закономерно, благодаря наличию нескольких преимуществ перед привычными лампами накаливания. Они достаточно отличаются от традиционного освещения, так как led лампочки используются …

msd.com.ua

Определение прямой ветви вах диода

Из выше изложенного следует, что прямой максимальный ток Iпр. мах и обратное максимальное напряжение Uобр. макс являются определяющими факторами при выборе диода.

Теперь теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. В настоящей работе мы экспериментально проверим это свойство.

3.2.  Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном напряжении, когда на анод подают отрицательный потенциал, в режиме начинающегося пробоя. До этого режима через стабилитрон протекает незначительный ток утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей ома до сотен ом. Рабочим участком вольтамперной характеристики (режимом стабилизации) является участок обратной ветви, который почти параллелен оси токов (рис.2). Если ток стабилитрона превысит максимальный ток стабилизации возникнет необратимый электрический пробой, то есть стабилитрон сгорит.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 3 В до 400 В. Если менее 3 В их называют стабисторами и они работают на прямой ветви характеристики. В нашей работе используется стабилитрон на номинальное напряжение стабилизации 5,6 В.

Рисунок 3. ВАХ стабилитрона Рисунок 4. Стабилизатор напряжения    

В простейших (параметрических) стабилизаторах стабилизация напряжения Uн на нагрузке основана на свойстве стабилитрона сохранять постоянство напряжения при изменении (в определенных пределах) проходящего через него тока. Схема простейшего параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне изображена на рис.3. Если входное напряжение стабилизатора Uвx увеличится при неизменном сопротивлении нагрузки Rн из-за повышения напряжения сети, то в соответствии с вольтамперной характеристикой стабилитрона незначительное увеличение напряжения на нем приведет к значительному увеличению тока Iст, протекающего через стабилитрон. Следовательно, увеличатся ток потребляемый из сети 1б=Iст+Iн и падение напряжения IбRб на балластном сопротивлении Rб. На основании второго закона Кирхгофа произойдет перераспределение напряжений цепи (Uн=Uвх – IбRб) и выходное напряжение Uн изменится незначительно.

При неизменном входном напряжении Uвx и увеличении тока нагрузки Iн, увеличится 1б, что увеличит падение напряжения IбRб на балластном сопротивлении Rб и, следовательно, уменьшит напряжение на стабилитроне. В соответствии с характеристикой стабилитрона уменьшится ток стабилитрона Iст, соответственно уменьшится IбRб и выходное напряжение Uн=Uвх – IбRб изменится незначительно.

Для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить условия, при которых ток стабилитрона не должен выходить за пределы рабочего диапазона I сm min + Icm mах. Поэтому величину балластного сопротивления выбирают из условия

где номинальный ток стабилизации,  Iн—ток нагрузки.

Коэффициент стабилизации характеризующий стабильность выходного напряжения Uн , при изменении входного напряжения Uвх показывает, во сколько раз напряжение на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке изменяется меньше относительно изменения напря — жения на входе:

,

где rД – дифференциальное сопротивление стабилитрона,

изменения соответствующих напряжений.

3.3.Принцип работы светоизлучающих диодов (светодиодов) основан на излучающей рекомбинации в объеме р-n перехода при инжекции (увеличении концентрации) неосновных носителей заряда под действием прямого напряжения. В результате чего переход испускает электромагнитные волны в узком диапазоне спектра, которые могут находиться в световом (видимом) или инфракрасном (невидимом) диапазоне. Диапазон излучения светодиода зависит от химического состава использованных полупроводников (арсенид галия, галия фосфид, галия нитрид и другие).

Вольт-амперная характеристика светодиодов аналогична вах диода. Главные электрические характеристики светодиодов это номинальные напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан.

Примерные напряжения светодиодов в зависимости от цвета

Светодиоды характеризуются и оптическими характеристиками: цвет свечения, яркость свечения, угол излучения.

Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры яркость может изменяться в 2-3 раза. Светодиоды обладают высоким быстродействием (наносекунды).

Правила подключения светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода — это анод, но бывают и исключения. Плюс источника следует подключать к плюсу светодиода. Обратное допустимое напряжение светодиодов не велико и составляет несколько вольт, поэтому при неправильной полярности подключения они сгорают. Светодиодам важно не только правильная полярность подключения и нужное значение напряжения, но и оптимальная сила тока. Поэтому последовательно с ним всегда необходимо подключать резистор, который наклоняет прямую ветвь вах направо. Если это не сделать, то незначительное увеличение напряжения питания (сети) вызовет очень большое увеличение тока и светодиод сгорит. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс значительно сокращается.

Инфракрасные светодиоды используют для передачи информации на расстояние, например, для управления телевизором с пульта управления. Светодиоды видимого излучения используют для освещения и индикации различных состояний устройств.

Важными достоинствами светоизлучающих диодов является малая потребляемая мощность, высокая чистота цвета свечения, стабильность цвета свечения от времени наработки и температуры и конечно огромный срок службы — до 50 000 часов (лампы накаливания – 1000 часов, люминесцентные – 7000 часов).

4.  Порядок выполнения работы

4.1. Экспериментальное определение направления проводимости диода и его вольтамперной характеристики (ВАХ).

Известно устройство Keithley 2400, которое автоматически определяет ВАХ диода. Оно состоит из генератора пилообразного напряжения, измерителя тока и работает совместно с интерфейсом LabTracer и компьютером. Результат измерения представлен в цифровом и графическом виде.

Настоящая работа выполняется на лабораторном модуле «полупроводниковые приборы», представленном на рис.1, для чего собрать схему по рис.5. На схеме обозначены внешние компоненты: диод VD типа 2Д102Б и мультиметры один с пределом измерения 200 мА другой – 2 В.

Рисунок 5. Определение прямой ветви ВАХ диода

Установить значение сопротивления Rн равным нулю для чего переместить его движок в крайнее верхнее положение. Сопротивлением RP1 установить напряжение Uвх равное нулю переместив его движок в крайнее нижнее положение. Подать на клеммы «+,-» напряжение 12 В. Увеличивая Uвх сопротивлением RP1 установить ток в цепи 50 мА затем снижая его до нуля определить по показаниям приборов пять точек прямой ветви ВАХ. Результаты занести в таблицу 4.

fiziku5.ru

Расчет сопротивления для светодиода — как подобрать?

Онлайн программа для расчета резистора при подключении светодиодов

Светодиод – нелинейный полупроводниковый прибор, которому для правильной и надежной работы необходим стабильный ток. Перегрузки по току могут вывести светодиод из строя. Самый простой вариант схемы питания в таком случае – ограничительный резистор, включенный последовательно. Расчет номинального сопротивления  и мощности резистора для светодиода не очень сложная задача, если правильно понимать физику процесса. Рассмотрим общие принципы такого расчета, а затем разберем несколько конкретных примеров из практики.

Теория

В общем случае схема выглядит так.

Рисунок 1

Между контактами «+» и «-» прикладывается напряжение. Обозначим его буквой U. Ток через резистор и светодиод будет протекать одинаковый, т.к. соединение последовательное. Согласно закону Ома получаем:

где R – сопротивление резистора;

r_LED– сопротивление светодиода (дифференциальное).

Отсюда выражаем формулу, по которой можно произвести расчет сопротивления резистора R при заданном токе I:

Разберемся что такое дифференциальное сопротивление светодиода r_LED. Для этого нам потребуется его вольтамперная характеристика (ВАХ).

Рисунок 2

Как видно из графиков ВАХ светодиодов – нелинейна. Говоря простым языком, его сопротивление постоянному току r=U/I есть переменная величина, которая уменьшается с ростом напряжения. Поэтому вводится понятие дифференциального сопротивления r_LED=dU/dI, которое характеризует сопротивление диода в отдельно взятой точке кривой ВАХ.

Чтобы произвести расчет резистора для светодиода, определяем по графику прямое напряжение на светодиоде U_LED при заданном токе I. Затем подставляем получившееся значение в формулу (2) и получаем

Еще один способ решения задачи – графический.

Допустим необходимо рассчитать сопротивление резистора для обеспечения светодиоду рабочего тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт.

Для этого сначала на графике ВАХ светодиода отмечаем точку соответствующую току 100 мА (см. рисунок 3), затем проводим через эту точку и точку соответствующую 5 вольтам на оси абсцисс нагрузочную прямую до пересечения с осью ординат. Определяем значение тока, соответствующее этому пересечению (в нашем случае 250 мА) и по закону Ома производим расчет сопротивления резистора R= U / I_кз= 5 В / 0,25 А =20 Ом. Перед расчетом не забываем осуществлять перевод единиц измерения к надлежащему виду.

Рисунок 3

Следующим шагом будет определение мощности рассеиваемой на резисторе. Формула должна быть знакома всем из школьной физики (как и закон Ома):

P=I²×R.          (4)

Практика

Рассмотрим несколько конкретный пример расчета.

Исходные данные: напряжение питания 12В, белый светодиод XPE (CREE) требуется включить на номинальный ток 350 мА согласно схеме, представленной на рисунке 1.

Находим в data sheet значение прямого падения напряжения при токе 350 мА (рисунок 4).

Рисунок 4

Типовое значение по таблице — 3,2 вольта. Максимальное значение может достигать 3,9 вольт. То есть в результате производственного процесса может получиться как светодиод с прямым напряжением 3,2 В так и 3,9 В (или любым другим промежуточным значением), но вероятность получения 3,2 вольт наиболее высока (если хотите – это «математическое ожидание» этой величины). По этой причине в расчет обычно берется типовое значение.

Используя формулу (3) и калькулятор получаем:

R=(12-3,2)/0,35»25,1 Ом.

Ближайшее значение из ряда Е24 – 24 Ом. Значение тока при этом сопротивлении получится 367 мА, что на 5% превышает требуемое значение. Если учесть еще и допуск на номинал резистора, который для ряда Е24 также 5%, то в худшем случае получается вообще 386 мА. Если такое отклонение не допустимо, то можно добавить в цепь последовательно еще один резистор номиналом 1 Ом. Все эти действия рекомендуется сопровождать реальными измерениями сопротивлений резисторов и получающихся токов, иначе ни о какой точности не может идти и речи. Резистор 24 Ом может иметь погрешность в сторону увеличения до 25,2 Ом, добавив 1 Ом, получим 26, 2 и «перекос» силы тока через светодиод в противоположную сторону.

Предположим, что нам не нужна высокая точность задания тока и резистор 24 Ом нас устраивает.

Определим мощность, которая будет рассеиваться на резисторе по формуле (4):

P=0,367²×24»3,2 Вт.

Номинальная мощность рассеяния резистора должна быть с запасом не менее 30%, иначе он будет перегреваться. А если условия отвода тепла затруднены (например, в корпусе плохая конвекция), то запас должен быть еще больше.

В итоге выбираем резистор мощностью 5 Вт с номинальным сопротивлением 24 Ом.

Для того чтобы оценить эффективность получившегося светотехнического устройства необходимо рассчитать КПД схемы питания:

Таким образом, КПД подобной схемы питания составляет всего 27%. Такая низкая эффективность обусловлена слишком высоким питающим напряжением 12 вольт, а точнее разницей между U и U_LED. Получается, что 8,8 вольт мы вынуждены «гасить» на резисторе за счет бесполезного рассеяния мощности в окружающее пространство. Для повышения КПД требуется либо снизить напряжения питания, либо найти светодиод с большим прямым напряжением. Как вариант можно включить несколько светодиодов последовательно, выполнив подбор таким образом, чтобы суммарное падение было ближе к напряжению питания, но ни в коем случае не превышало его.

Необходимое значение сопротивления для резистора можно и подобрать, если имеется в наличии магазин сопротивлений и амперметр. Включаем магазин и амперметр в цепь последовательно светодиоду (на место предполагаемого резистора), устанавливаем максимальное значение сопротивления и подключаем к источнику напряжения. Далее начинаем уменьшать значение сопротивления до тех пор, пока сила тока не достигнет нужного значения или светодиод нужной яркости (в зависимости от того, что будет являться критерием). Останется только считать значение сопротивления с магазина и выполнить подбор ближайшего номинала.

Ремарка

В данных расчетах мы пренебрегли зависимостью прямого напряжения светодиода от его температуры, однако не следует забывать, что такая зависимость существует и характеризуется параметром «температурный коэффициент напряжения» или сокращенно ТКН. Его значения отличается для разных видов светодиодов, но всегда имеет отрицательное значение. Это значит что при повышении температуры кристалла, прямое напряжение на нем становится меньше. Например, для рассмотренного выше белого светодиода XPE значение ТКН (оно приводится производителем в data sheet) составляет -4 мВ/°С. Следовательно при увеличении температуры кристалла на 25°С, прямое напряжение на нем уменьшится на 0,1 В.

Рисунок 5

Многие ведущие производители светодиодов имеют на официальных сайтах специальный сервис – «онлайн калькулятор», предназначенный для вычисления параметров светодиодов в различных режимах эксплуатации (в зависимости от температуры, тока и пр.). Этот инструмент значительно облегчает процедуры расчета и экономит время разработчику.

le-diod.ru