Многие пользователи при подключении диодной ленты или отдельного светодиода к источнику питания обнаруживают, что элемент отказывается гореть как положено или еще хуже – просто перегорает.
Дело все в том, что узел подключается к питанию без надлежащей защиты и предварительных расчетов.
Задача эта, как ни странно, решается очень легко. Существует множество онлайн-инструментов для автоматического произведения расчетов, но не всем таким результатам можно доверять. И лучше всего сначала разобраться в принципах, а затем посчитать для надежности все вручную, тем более, что операция эта достаточно простая.
Что нужно знать
Если вы вдруг не знаете трех законов (правил) Кирхгофа для электрических контуров, то успокойтесь, их знания вам и не понадобится. Единственная нужная формула описывается законом Ома для участка цепи.
Она выглядит так.
I = U/R
Читается так: сила тока участка цепи прямопропорциональна напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению на нем же. Или так: сила тока равна напряжению, разделенному на сопротивление (самый упрощенный вариант).
Формула легко преобразуется в другие при необходимости.
U = I·R
R = U/I
В расчетах мы будем использовать последнюю.
В оригинале формула немного сложнее, так как учитывает внутренне сопротивление и ЭДС самого источника тока.
I = ε/(R+r)
Но ими мы смело можем пренебречь в данных условиях задачи.
Таким образом, нам понадобятся следующие параметры:
1. Выходные характеристики тока и напряжения в месте подключения. Если это участок цепи, то значения лучше всего измерить амперметром и вольтметром. Если выполняется прямое подключение к источнику тока (это может быть выпрямитель, батарея питания или аккумулятор), то достаточно будет знать их номинальные значения, обозначенные в маркировке или сопроводительной документации.
2. Максимальные (предельно допустимые) и номинальные значения напряжения питания и силы тока для подключаемого светодиода. Узнать их можно чаще всего по маркировке радиодетали. Если это светодиодная лента, то в сопроводительной документации.
Расчет при последовательном подключении
На самом деле, последовательное включение светодиодов вкупе с ограничивающим сопротивлением – наиболее часто применяемая схема. Так, например, светодиодная лента представляет собой не что иное, как множество светодиодов, соединенных между собой последовательно.
Рис. 1. Светодиодная лента
Для наглядности принципиальная схема.
Рис. 2. Принципиальная схема
В этом случае резистор будет выступать как делитель напряжения и ограничитель тока.
Формула будет выглядеть следующим образом.
Rогр = (Uпит - Uсд) / Iсд
Здесь:
Если необходимо подключить сразу несколько диодов, то формула будет выглядеть следующим образом.
Rогр = (Uпит - N·Uсд) / Iсд
Где N – это количество светодиодов, подключенных последовательно.
Для светодиодных лент необходимо оперировать параметрами не одного элемента (диода), а сразу всего участка (исходя из нормативов для 1 погонного метра, умноженных на количество реально используемых метров).
При таком расположении деталей допускается соединение только диодов, одинаковых по параметрам (они сами выступают в качестве делителей напряжения и потому кому-то просто не хватит питания).
Пример расчета
Пусть Uпит = 24 В, Uсд = 1,8 В (в большинстве светодиодов это диапазон 1,5 - 2В), Iсд = 10 мА (или 0,01 А, что также соответствует нормальным значениям широко используемых моделей диодов). Тогда подставив в формулу получаем:
Rогр = (24 - 1,8) / 0,01 = 22,2 / 0,01 = 2220 (Ом)
Или 2,22 кОм (килоом).
Если диодов будет 5, то результат будет следующим:
Rогр = (24 - 1,8 · 5) / 0,01 = 15 / 0,01 = 1500 (Ом)
Резисторы выпускаются только фиксированных значений. Получить требуемое можно соединив несколько различных сопротивлений последовательно (тогда их номинал будет складываться) или параллельно (формула расчёта ниже).
Перед монтажом лучше всего измерить показатель омметром.
Параллельное подключение светодиодов
Включение в схему может выполняться так, как указано ниже.
Рис. 3. Параллельное подключение светодиодов
В этом случае напряжение на каждом участке "резистор-светодиод" одинаково (при параллельном подключении изменяется только сила тока), а значит, расчёт будет вестись как и в примерах выше.
Параллельное подключение светодиодов не рекомендуется, так как при сильном падении силы тока (она делится по количеству элементов) диоды просто перестанут гореть.
Расчет рассеиваемой мощности на резисторе
Ввиду того, что чем большее сопротивление оказывает элемент проходящему через него току, тем большую работу совершает последний. А работа всегда сопровождается выделением энергии, значит и резистор, как блокирующий элемент, будет неизбежно греться.
Чтобы сопротивление не вышло из строя раньше, чем это нужно, следует правильно рассчитать получаемую энергию и обеспечить равномерное ее рассеивание.
Так как резистор включен в цепь последовательно, то на участке "диод-резистор" сила тока везде одинаковая и не превышает номинальный показатель, который мы использовали в расчетах, то есть Iсд (собственным сопротивлением диода в данном случае можно пренебречь, так как оно ничтожно мало, получается, что сопротивление участка цепи очень близко к номиналу ограничивающего резистора).
Тогда мощность тока будет считаться по формуле.
P(Вт) = I2(А) · R(Ом)
В качестве примера.
Для сопротивления 2220 Ом при силе тока на участке цепи 0,01 А
P = 0,01 · 0,01 · 2220 = 0,222 (Вт).
Лучше всего обеспечивать небольшой запас (до 50%).
Автор: RadioRadar