Соединение светодиодов. Последовательное, параллельное включение оптоэлектронных приборов, оптронов, оптопар, твердотельных реле
В схемах нередко приходится объединять в группы светоизлучающие полупроводниковые приборы (светодиоды и устройства на их основе). В таких группах нужно обеспечить, чтобы все, соединенные светодиоды имели приблизительно одинаковую яркость свечения. Соединение светодиодов обычно применяется для повышения суммарной яркости. Оптопары и твердотельные реле необходимо включать в группы, чтобы обеспечить одновременное управление несколькими гальванически развязанными выходами. Далее мы будет говорить ‘светодиод’, понимая, что на входе оптоэлектронных приборов и твердотельных реле стоит светодиод, и все, что сказано для светоизлучающих диодов, верно и для входных цепей оптоэлектроники.
Параллельное включение
Когда возникает описанная выше задача, первое, что приходит в голову — соединить параллельно. Но такое лобовое решение на самом деле неприемлемо. Дело в том, что напряжение, при котором светодиод начинает светиться, разное у разных светодиодов даже одного типа и одной производственной партии. Разброс может составлять несколько процентов, а отклонение питающего напряжения от оптимального на несколько процентов приводит к изменению яркости свечения в разы.
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Светодиод ведет себя, как стабилитрон. Ток через него практически не идет, когда напряжение ниже номинального и экспоненциально нарастает при превышении напряжением этого значения. Таким образом яркость светодиодов, соединенных параллельно, может отличаться в разы. Соединенные таким образом оптроны или реле ведут себя странно. Одно реле открывается, а другое принципиально не хочет. Теперь Вам стала понятна причина этого явления.
Но на самом деле все намного хуже. Напряжение отпирания сильно снижается при даже небольшом росте температуры. Так что тот светодиод, который с самого начала горит ярче, еще и сильнее нагревается, начинает отбирать все больший ток, и светиться еще ярче, в то время, как его соседи совсем перестают работать.
Решение есть. В любом случае светодиоды нельзя подключать к источнику напряжения напрямую, так как напряжение источника может отличаться от напряжения отпирания. Применяется токоограничивающий резистор. При параллельном включении светодиодов нужно применять отдельный резистор на каждый светодиод, а параллельно включать уже пары светодиод — резистор. Резисторы выровняют силу тока через разные светодиоды и обеспечат стабильную работу.
Такой подход хорошо работает, если напряжение питания в разы превышает напряжение включения светодиода. Тогда можно выбрать резистор довольно большого сопротивления и получить относительно стабильный ток через светодиод.
[Сопротивление токоограничивающего резистора, кОм] = ([Напряжение питания, В] — [Рабочее напряжение светодиода, В]) / [Рабочий ток светодиода, мА]
Что делать, если напряжение питания превышает рабочее напряжение светодиода всего на 1 — 2 вольта. Есть такое оригинальное решение использующее, что ток коллектора биполярного транзистора пропорционален току базы и мало зависит от напряжения коллектор — эмиттер. При этом напряжение насыщения коллектор — эмиттер может составлять десятые доли вольта, так что предлагаемая схема работает при условии превышения питающего напряжения над рабочим напряжением светодиода всего на несколько десятых вольта.
Коэффициент передачи тока транзистора имеет большой разброс, так что сопротивление резистора в цепи базы нужно подбирать в широких пределах для каждого конкретного транзистора, чтобы получить нужный ток коллектора. Чтобы не спалить транзистор и светодиод, начинать подбор нужно со следующего значения.
[Сопротивление резистора в цепи базы, кОм] = [Напряжение питания, В] * [Максимально возможный для этого транзистора коэффициент передачи тока] / [Рабочий ток светодиода, мА]
При параллельном включении каждый светодиод обвязывается описанным способом, а потом такие блоки включаются параллельно.
Если нам нужно включить только один светодиод, то опять же подход зависит от напряжения питания. Если оно довольно велико, используем резистор, если близко к рабочему напряжению, то — токозадающую цепь на транзисторе.
Описанная схема с транзистором хороша тем, что позволяет проектировать цепи питания светодиодов с напряжением, очень близким к рабочему напряжению светодиода, а значит — высоким КПД. Потери на питание цепи базы при выборе транзистора с высоким коэффициентом передачи, минимальные.
Последовательное соединение
А вот последовательно соединять светодиоды очень легко. Через всю цепь будет течь одинаковый ток. Все светодиоды будут светить с одинаковой яркостью (яркость свечения зависит именно от силы тока), а напряжение питания автоматически правильно распределится между светодиодами. При этом суммарное рабочее напряжение цепи будет равно сумме рабочих напряжений светодиодов. Полученная цепь будет вести себя, как один светодиод с большим рабочим напряжением.
Для полученной цепи верны все соображения по питанию одиночного светодиода. Необходимы токоограничивающие цепи, резисторная или другая. Такие цепочки можно дальше соединять параллельно (с учетом сказанного выше для одиночных элементов). Получится параллельно — последовательное соединение.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Как не спутать плюс и минус? Защита от переполярности. Описание.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.
Резонансный инвертор, преобразователь напряжения повышающий. Принцип р.
Сборка и наладка повышающего преобразователя напряжения. Описание принципа работ.
Расчет теплоотвода (радиатора охлаждения) силового элемента (транзисто.
Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы.
Правильно ли будет подключить светодиоды по данной схеме? (вн+)
Можно ли использовать такую схему подключения, где один общий плюс идет на все светодиоды, а резистор через минус на массу? или нужно использовать параллельное соединение? где на каждый светодиод идет отдельный плюс? не говорите мне про последовательное соединение, все это и так знаю, просто интересует именно данная схема.. будет ли она работать или светодиоды будут светить все по-разному?
Лучший ответ
Если не забудете (как на схеме) соединить массу и минус, то работать будет.
У вас и есть это параллельное соединение.
Конечно это зависит от самого светодиода и резистора.
А последовательное это от минуса одного к плюсу другого и т. д.
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
спасибо, разъяснили 🙂 тогда начну паять
Сергей Курбанов Искусственный Интеллект (100204) Диоды какие? На сколько вольт? Или вы уже рассчитали снижение напряжения за счет резисторов? Тогда может быть проще пересчитать через ОДИН резистор? (хоть до диода, хоть после в одной цепи?
Остальные ответы
а какая разница? подключай
должно работать
А резистор ты правильно рассчитал:?
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
с этим проблем нет
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
хочу сделать подсветку подкапотного пространства и в целях экономии проводов, думал сделать всего 1 провод на все светодиоды, минус диода на кузов, а то если подключать к каждой лампочке отдельный плюс, то проводов будет очень много.. а это совсем ни к чему.
Виктор Искусственный Интеллект (145229) Чем тебе неугодна светодиодная лента?
или нужно использовать параллельное соединение? — а у вас какое соединение на картинке? Если резисторы подобраны верно, то все будет работать. Ну а будут ли они светить по разному, зависит не от способа подключения.
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
да, я уже понял что это параллельное соединение))
работать будет, но потери энергии будут огромными — резисторы будут в тепло переводить впятеро больше энергии чем будет уходить в светодиоды.
Если резисторы одинаковые, светить будет с одинаковой яркостью. При последовательном соединении и резисторы подбирать не надо — яркость гарантируется тем что ток у всех один.
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
почему? объясните
Павел Ладиков Оракул (89971) мощность равна произведению напряжения на ток. Ток в цепочке резистор-светодиод один, а напряжение на диоде всегда небольшое, не более двух вольт. Следовательно на резисторе будет 10 вольт. При одинаковом токе напряжение на резисторе впятеро больше — следовательно и мощность на нем будет рассеиваться впятеро большая. Поскольку цепочек четыре — суммарный ток вчетверо больше, ты теряешь вчетверо больше, чем при последовательном соединении При последовательном соединении четыре диода берут по 2 вольта = 8 вольт, значит резистор на себя берет 4 вольта, и потери на нем всего вдвое больше чем на одном светодиоде, и вдвое меньше чем на всех светодиодах суммарно.
Демиург МирозданияПросветленный (22054) 7 лет назад
в смысле, почему будут большие потери энергии? сколько паял светодиодов, ни один резистор сильно не грелся
Для какой цели в данной схеме используется резистор последовательно соединенный со светодиодом
Как ведёт себя светодиод с резистором нам понятно, а если последовательно соединено несколько светодиодов?
Например, два. Или три. Или лучше сразу пять. Падение напряжения на открытом диоде мало зависит от тока. На двух диодах падение будет в два раза больше , чем на одном, а на пяти – в пять. Порог зажигания такой цепи тоже увеличится кратно количеству диодов.
Если общее приложенное напряжение, делённое на количество светодиодов меньше напряжения отпирания светодиода, то никакого тока не возникнет и ни один светодиод светиться не будет. Это утверждение справедливо для цепочки из любого количества диодов и светодиодов любого цвета, включенных последовательно в прямом направлении.
РИС.1. Три диода, соединены в цепочку (последовательно) и подключены к источнику питания через Золотой КилоОм . Протекающий ток вызывает падение напряжения на каждом элементе цепи. Поскольку на каждый (в данном случае красный) светодиод приходится напряжение больше порогового напряжения (1,5В) то возникает ток. На долю резистора приходится 0,5В. Ток, возникающий при этом равен 0,5мА. Это маленький ток и напряжение на каждом диоде практически равно пороговому напряжению зажигания (отпирания).
РИС.2. При повышении напряжения питания (до12…20В) заметно меняется ток цепи, но падение напряжения на диодах меняется на десятые доли Вольта , то есть падение напряжения на диоде мало зависит от тока. Если мы создадим набор цепочек с разным количеством светодиодов, то загораться они будут при различных напряжениях питания. Момент зажигания таких цепочек зависит от типа светодиодов (их цвета) и количества светодиодов в цепочке . Если все светодиоды одинаковые, то все параметры будут кратны количеству светодиодов в цепочке.
Последовательное и параллельное подключение светодиодов
При конструировании различных электронных устройств часто возникает необходимость в последовательном, параллельном или комбинированном включении элементов. Не стали исключением и светодиоды. Учитывая их небольшие размеры, а также с целью повышения яркости, в одном корпусе осветительного прибора можно разместить несколько LED-чипов.
Как правильно собрать электрическую цепь, чтобы надёжность схемы была на высоком уровне? Что нужно знать о светодиодах, соединяя их параллельно или последовательно?
Параллельное соединение
Необходимость в параллельном включении возникает в случае, когда напряжения источника питания недостаточно для запитки нескольких последовательно соединённых светодиодов. Теоретически, в самом простом варианте можно было бы отдельно объединить все аноды и все катоды излучающих диодов. После чего подключить их к источнику напряжения с соблюдением полярности. Но такая схема не работоспособна, так как дифференциальное сопротивление открытого светодиода чрезмерно мало, что провоцирует режим короткого замыкания. В результате все светодиоды в цепи единожды вспыхнут и навсегда погаснут.
Но как говорят: «Правило без исключений не бывает». В китайских игрушках и зажигалках с подсветкой можно увидеть, что светодиоды запитаны прямо от батареек без каких-либо промежуточных элементов. Почему они не перегорают? Дело в том, что ток в цепи ограничен внутренним сопротивлением круглых батареек типа AG1. Их мощности недостаточно, чтобы нанести вред светодиоду.
Ограничить резкое нарастание тока в нагрузке можно с помощью резистора. О том, как это грамотно сделать с одним светодиодом, подробно написано в данной статье. Для цепи из нескольких параллельно подключенных LED с одним резистором схема примет следующий вид. Но и этот вариант не пригоден для конструирования осветительных устройств с высокой надёжностью. Почему? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях строения полупроводников. В процессе производства полупроводниковых элементов невозможно получить два абсолютно одинаковых прибора. Даже у светодиодов из одной партии будет разное дифференциальное (внутреннее) сопротивление, от которого зависит величина прямого напряжения. Это касается не только светодиодов, но и других полупроводников. Среди диодов, транзисторов и тиристоров тоже не найти двух приборов с равными электрическими параметрами.
Из второй схемы видно, что резистор R1 ограничивает только суммарный ток цепи, который затем распределяется по ветвям со светодиодами в зависимости от их сопротивления. По закону Ома светодиод с наименьшим сопротивлением p-n-перехода получит наибольшую порцию тока. И скорее всего он будет больше номинального значения, что ускорит деградацию кристалла. Работа светодиода в режиме перегрузки по току рано или поздно приведёт к выходу из строя на обрыв. Оставшиеся в работе светодиоды распределят между собой ток сгоревшего элемента, что также приведёт к резкой потере яркости.
Как и в первом варианте, китайцы не стесняются конструировать светильники на базе «полурабочих» схем. Схему с одним резистором часто можно встретить в дешёвых фонариках и маломощных светильниках на пальчиковых батарейках. А чтобы светодиоды проработали хотя бы год, сопротивление резистора умышленно завышают, как бы, исключая возможные перегрузки.
Ниже приведен единственно верный вариант параллельного включения светодиодов. Здесь последовательно с каждым светодиодом подключен ограничительный резистор. Такое схемотехническое решение позволяет выровнять токи в каждой отдельной ветви, не позволяя им превышать рабочее значение.
Подключать светодиоды через резистор рекомендуется только от стабилизированного источника постоянного напряжения.
Пример расчета
Для закрепления теоретических знаний параллельное соединение светодиодов рассмотрим на конкретном примере. В схеме включены два светодиода: слаботочный красный и мощный одноваттный белый, которые для удобства можно запитать от разных выключателей.
- источник напряжения U = +5 В;
- LED1 – красного свечения с ULED1 = 1,8 В и ILED1 = 0,02 А;
- LED2 – белого свечения с ULED2 = 3,2 В и ILED2 = 0,35 А.
Требуется рассчитать параметры и выбрать резисторы R1 и R2.
При параллельном включении к обеим ветвям (R1-LED1 и R2- LED2) прикладывается одинаковое напряжение, равное 5 В. Сопротивление каждого резистора определим по формуле: 
Округляем полученное значение R2 до ближайшего большего значения из стандартного ряда E24 – 5,1 Ом. Подставив его обратно в формулу, находим реальный ток во второй ветви: 
С учетом возможного отклонения сопротивления выбранного резистора, которое для ряда Е24 может достигать 5%, ток 0,33 А является оптимальным. Снижение рабочего тока примерно на 4% сильно не повлияет на яркость, но позволит светодиоду работать без перегрузок.
Мощность, которую должны рассеивать резисторы, определим с учетом пересчёта тока LED2 по формуле: Резистор R1 подойдёт любой как планарный, так и с выводами сопротивлением 160 Ом и мощностью 0,125 Вт. Корпус резистора R2 должен эффективно отводить тепло в течение длительной работы светильника. Поэтому его выбираем с двойным запасом по мощности, а именно: 5,1 Ом – 1 Вт.
Последовательное соединение
В последовательном включении светодиодов нужно соблюдать правило: «Напряжение источника питания должно быть больше суммы падений напряжений на светодиодах». 
Остаток напряжения в неравенстве гасится одним единственным резистором R, правильное включение которого показано на схеме. 
Все светодиоды подключаются поочередно от анода к катоду. Сопротивление резистора задаёт ток цепи. Это значит, что соединять последовательно можно светодиоды только с одинаковым рабочим током.
Пример расчета
Расчет сопротивления и мощности резистора проведём на примере включения трёх белых светодиодов из серии Cree XM-L, для которых характерным является ток ILED = 0,7 А и прямое напряжение ULED = 2,9 В. Взяв за основу цветовую температуру и требуемую яркость, можно последовательно подключать светодиоды из разных групп в пределах серии XM-L. Например, один Cree XM-L-T6 с ТС=5000°K и два Cree XM-L-T2 с ТС=2600°K, которые в итоге дадут мощный поток нейтрального света. 
Питание на схему поступает от блока стабилизированного напряжения U = +12 В. Сопротивление резистора находим по закону Ома: 
Ближайший стандартный номинал – 4,7 Ом, при котором ток теоретически будет равен 0,702 А. Это не критично, но следует быть уверенным, что сопротивление резистора не изменится под влиянием температуры во время работы. Поэтому устанавливать нужно либо прецизионный резистор с допуском менее 1%, либо последовательно с R1 = 4,7 Ом запаять ещё одно сопротивление 0,1-0,2 Ом такой же мощности.
Найдём мощность резистора: По аналогии с расчётами для первой схемы устанавливать нужно резистор примерно с двойным запасом по мощности, то есть один на 5 Вт. Можно его заменить на два штуки по 2 Вт, но тогда придётся пересчитать сопротивление.
Два важных момента
В момент первого включения желательно измерить мультиметром ток в цепи и падение напряжения на каждом светодиоде. Если полученные данные будут отличаться от расчётных, то нужно пересчитать сопротивление резистора. Иначе, ток в схеме может оказаться слишком заниженным (с потерей яркости) или завышенным (с перегревом чипа светодиода).
Как в последовательном, так и в параллельном включении светодиодов нельзя делать расчеты, ссылаясь исключительно на способность источника питания обеспечить нужный ток или напряжение. Важны оба этих параметра, произведение которых даёт мощность. Мощность блока питания всегда должна быть больше мощности потребления, чтобы гарантировать стабильную и продолжительную работу всего устройства.