Калькулятор соединения светодиодов (матрица, гирлянда)

Соединение светодиодов

Как считается массив светодиодов

Когда светодиодов больше одного, вопрос всегда сводится к двум величинам: сколько диодов можно включить в одну последовательную цепочку от заданного питания и сколько таких цепочек собрать параллельно, чтобы зажечь всё нужное количество. Калькулятор отвечает на оба и заодно подбирает гасящий резистор для каждой цепочки — по сути это масштабирование обычного расчёта гасящего резистора для одного светодиода на целую матрицу или гирлянду. Схема справа перерисовывается под ваши числа: показывает, сколько диодов ляжет в строку и сколько строк получится.

Диодов в цепочке: k = целое от Vs / Vf (с запасом на резистор)
Резистор цепочки: R = (Vs − k·Vf) / If    мощность: Pr = (Vs − k·Vf) · If
Число цепочек = округлить вверх (N / k)    общий ток = цепочки · If

В последовательной цепочке диоды делят напряжение между собой: каждый забирает своё падение Vf, а весь остаток гасит один резистор. Отсюда предел длины — k = целая часть от Vs / Vf. Номинал резистора находят по закону Ома: на резисторе падает Vs − k·Vf, а ток через него равен рабочему току диодов If, поэтому R = (Vs − k·Vf) / If. Это тот же делитель напряжения, только вторым плечом служит сама цепочка светодиодов. Ток одинаков для всех диодов строки, поэтому яркость выравнивается автоматически — отдельные резисторы каждому диоду не нужны.

Есть нюанс запаса. Если после набора k диодов на резистор остаётся меньше примерно 10 % питания, калькулятор уменьшает k на единицу. Причина в стабильности тока: чем меньше напряжение на резисторе, тем сильнее ток «пляшет» при любой просадке питания и разбросе Vf, и светодиоды заметно меняют яркость. Небольшой запас на резисторе играет роль стабилизатора — это тот же принцип, что и в одиночном расчёте.

Последовательно, параллельно и почему не без резистора

Соединять светодиоды напрямую параллельно, без резисторов, нельзя. Вольт-амперная характеристика диода очень крутая: при разбросе прямого падения всего в десятые доли вольта один экземпляр «перетянет» на себя основной ток, перегреется, его Vf ещё упадёт — и он заберёт ток окончательно, пока не сгорит, а остальные будут тускло светить. Поэтому массив собирают из последовательных цепочек, и каждой цепочке ставят свой резистор. Общий резистор на несколько параллельных строк тоже не годится: строки никогда не идентичны, ток распределится неравномерно, и часть диодов уйдёт в перегруз. Правило простое — один резистор на одну последовательную цепочку. Есть и практическое следствие: в пределах одной цепочки лучше ставить светодиоды из одной партии, с близким Vf, тогда напряжение делится ровно и резистор гасит ровно ту величину, на которую он рассчитан. Разнобой по Vf в цепочке не так опасен, как в параллели, но он сдвигает рабочий ток и меняет яркость от строки к строке.

Как выбрать питание, ток и номинал

Напряжение питания выгодно брать так, чтобы цепочка получалась длинной, а на резисторе оставалось 2–4 В: тогда меньше диодов «простаивают» под резистором и выше КПД. Ток If задают по даташиту светодиода — чаще всего 20 мА для индикаторных 5 мм, но для матовых и мощных бывает и 5, и 10 мА; завышать ток ради яркости не стоит, ресурс падает быстро. Расчётный резистор округляют вверх до ближайшего номинала ряда E24 — калькулятор берёт именно ближайший больший, чтобы реальный ток не превысил заданный. Мощность резистора Pr = (Vs − k·Vf) · If обычно невелика, но проверить её обязательно: рассеиваемую мощность закладывают с запасом в 2 раза, подробнее — в расчёте мощности и дератинга резистора. Для типовых индикаторных сборок хватает резистора 0,25 Вт, для сильноточных строк берут 0,5 Вт и выше.

Падение Vf и ток по типам светодиодов

Прямое падение Vf зависит в первую очередь от материала кристалла, то есть от цвета свечения. Это ключевой параметр: именно он определяет, сколько диодов поместится в цепочку. Ориентировочные значения для маломощных 5 мм светодиодов при рабочем токе 20 мА:

Отсюда видно, почему от 12 В получается три белых диода в цепочке (3·3,2 = 9,6 В), но целых пять-шесть красных (5·2,0 = 10 В). Если в наборе диоды разного цвета, считать нужно по самому большому Vf, иначе на резисторе не хватит напряжения.

Где применяют — и где не годится

Расчёт нужен везде, где несколько светодиодов питаются от одного источника: самодельные гирлянды и подсветка от 12 В, индикаторные панели, LED-матрицы, дежурное освещение, подсветка шкал и корпусов. Если светодиоды одноцветные и ток невелик — это самый надёжный и дешёвый способ, без микросхем. Метод не годится там, где нужна регулировка или высокая мощность. Для плавной регулировки яркости резистор бесполезен — там нужна ШИМ-регулировка, а не изменение тока. Для готовых светодиодных лент резисторы уже впаяны сегментами, считать нужно только блок питания и сечение проводов. Для RGB-светодиодов каждый цвет (R, G, B) имеет своё Vf и требует отдельного резистора — это отдельный расчёт. А при десятках ватт резистор превращается в печку, и выгоднее источник тока или понижающий драйвер.

Пример

На значениях по умолчанию: питание Vs = 12 В, белые светодиоды Vf = 3,2 В, ток If = 20 мА, всего N = 12 шт. В цепочку помещается k = целое от 12 / 3,2 = 3 диода (3·3,2 = 9,6 В), на резисторе остаётся 12 − 9,6 = 2,4 В. Это больше 10 % питания, поэтому k не уменьшается. Резистор R = 2,4 / 0,02 = 120 Ом (ровно попадает в ряд E24), мощность на нём Pr = 2,4 · 0,02 = 48 мВт — с запасом берут 0,25 Вт. Для 12 светодиодов нужно округлить вверх 12 / 3 = 4 цепочки, каждая по 20 мА, общий ток 4·20 = 80 мА, суммарная мощность 12 · 0,08 = 0,96 Вт.

См. также: резистор для одного светодиода · светодиодная лента · ШИМ-яркость · резисторы RGB-светодиода · делитель напряжения · все калькуляторы

Как соединить несколько светодиодов от одного источника?

Их собирают последовательными цепочками: в одну цепочку ставят столько диодов, сколько помещается по напряжению (k = целое от Vs/Vf), а остаток гасит один резистор R = (Vs − k·Vf)/If. Чтобы зажечь много диодов, набирают несколько таких цепочек параллельно — у каждой свой резистор.

Можно ли соединять светодиоды параллельно без резисторов?

Нет. Из-за разброса прямого падения один светодиод заберёт бóльшую часть тока, перегреется и выйдет из строя, а за ним остальные. Параллелить можно только цепочки, каждая со своим токоограничивающим резистором.

Сколько светодиодов можно подключить к 12 В?

В одну цепочку — примерно Vs/Vf штук с запасом на резистор: для белых (Vf ≈ 3,2 В) это 3 штуки, для красных (≈ 2 В) — 5. Дальше добавляют параллельные цепочки. Точный расчёт с резистором и общим током даёт калькулятор.