Widerstandsberechnung für LED: Widerstandsauswahlformeln, Online-Rechner

Der Betrieb einer LED basiert auf der Emission von Lichtquanten, die entstehen, wenn ein Strom durch sie fließt. Abhängig davon ändert sich auch die Helligkeit des Leuchtens des Elements. Bei geringem Strom leuchtet es schwach und bei großem Strom blinkt es und brennt aus. Der einfachste Weg, den durch ihn fließenden Strom zu begrenzen, ist die Verwendung eines Widerstands. Es ist nicht schwer, den Widerstand richtig zu berechnen, aber es ist zu beachten, dass er den Strom nur begrenzt, aber nicht stabilisiert.

Funktionsprinzip und Eigenschaften

LED ist ein Gerätmit der Fähigkeit, Licht auszusenden. Auf Leiterplatten und Schaltungen wird sie mit den lateinischen Buchstaben LED (Light Emitting Diode) bezeichnet, was „Licht emittierende Diode“ bedeutet. Physikalisch ist es ein Kristall in einem Gehäuse. Klassisch wird es als Zylinder angesehen, dessen eine Seite eine konvexe abgerundete Form hat, die eine halbkugelförmige Linse ist, und die andere eine flache Basis ist, auf der sich die Leitungen befinden.

Mit der Entwicklung der Festkörpertechnologie und der Reduzierung des technologischen Prozesses begann die Industrie mit der Herstellung von SMD-Dioden für die Oberflächenmontage. Trotzdem hat sich das physikalische Funktionsprinzip der LED nicht geändert und ist für jeden Typ und für die Farbe des Geräts gleich.

Der Herstellungsprozess der Strahlungsvorrichtung kann wie folgt beschrieben werden. In der ersten Stufe wird ein Kristall gezüchtet. Dies geschieht, indem ein künstlich hergestellter Saphir in eine Kammer gelegt wird, die mit einem Gasgemisch gefüllt ist. Dieses Gas enthält Dotierstoffe und einen Halbleiter. Beim Erhitzen der Kammer wird die resultierende Substanz auf der Platte abgeschieden, während die Dicke einer solchen Schicht mehrere Mikrometer nicht überschreitet. Nach Beendigung des Abscheidungsprozesses werden die Kontaktpads durch das Sputterverfahren gebildet und die gesamte Struktur wird in das Gehäuse eingebracht.

Aufgrund der Besonderheiten der Produktion gibt es keine LEDs mit den gleichen Parametern und Eigenschaften. Obwohl Hersteller versuchen, Geräte mit ähnlichen Werten zu sortieren, gibt es daher oft in derselben Charge Produkte, die sich in Farbtemperatur und Betriebsstrom unterscheiden.

Radioelement-Gerät

Eine Leuchtdiode oder LED-Diode ist ein Halbleiter-Radioelement, dessen Funktion auf den Eigenschaften eines Elektron-Loch-Übergangs beruht. Wenn ein Strom in Vorwärtsrichtung durch ihn fließt, treten an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien Rekombinationsprozesse auf, die von Strahlung im sichtbaren Spektrum begleitet werden.

Lange Zeit konnte die Industrie keine blaue LED herstellen, weshalb es unmöglich war, einen weißen Emitter zu bekommen. Erst 1990 erfanden Forscher des japanischen Konzerns Nichia Chemical Industries eine Technologie zur Herstellung eines Kristalls, der Licht im blauen Spektrum emittiert. Dies machte es automatisch möglich, durch das Mischen von Grün, Rot und Blau Weiß zu erhalten.

Der Strahlungsprozess beruht auf der Energiefreisetzung bei der Rekombination von Ladungen im Bereich des Elektron-Loch-Übergangs. Es entsteht durch den Kontakt zweier Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit. Als Ergebnis der Injektion, des Übergangs von Minoritätsladungsträgern, wird eine Sperrschicht gebildet.

Auf der Seite des Materials mit n-Leitfähigkeit entsteht eine Barriere aus Löchern und auf der Seite mit p-Leitfähigkeit aus Elektronen. Balance kommt. Beim Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung kommt es auf beiden Seiten zu einer massiven Ladungsbewegung in die verbotene Zone. Dadurch kollidieren sie und Energie wird in Form von Lichtstrahlung freigesetzt.

Dieses Licht kann für das menschliche Auge sichtbar sein oder nicht. Sie hängt von der Zusammensetzung des Halbleiters, der Menge der Verunreinigungen, der Bandlücke ab. Daher wird das sichtbare Spektrum durch die Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen erreicht.

LED-Eigenschaften

Die Farbe des Glühens hängt von der Art des Halbleiters und dem Grad seiner Dotierung ab, die die Bandlücke des p-n-Übergangs bestimmt. Die Lebensdauer von LEDs hängt in erster Linie von den Temperaturbedingungen ihres Betriebs ab. Je höher die Erwärmung des Gerätes, desto schneller altert es. Und die Temperatur wiederum hängt mit dem Strom zusammen, der durch die LED fließt. Je geringer die Leistung der Lichtquelle, desto länger ihre Lebensdauer. Alterung wird als Abnahme der Helligkeit des Gerätelichts ausgedrückt. Daher ist es so wichtig, den richtigen Widerstand für die LED zu wählen.

Zu den Hauptmerkmalen von LED-Dioden gehören:

1. Derzeitiger Verbrauch. Single-Chip-LEDs verbrauchen einen Strom von 0,02 A. Gleichzeitig wächst sein Wert direkt proportional zur Anzahl der Kristalle. Eine Diode mit vier Kristallen verbraucht also einen Strom von 0,08 A. Aufgrund dieses Parameters der Diode wird ein Begrenzungswiderstand installiert, damit dieser bei einer hohen Stromstärke nicht durchbrennt.
2. Die Größe des Spannungsabfalls. Diese Kennlinie gibt an, wie viel Energie an der LED freigesetzt wird, dh um wie viele Volt der Spannungswert sinkt, wenn sie parallel zum Stromkreis geschaltet wird. Wenn der Abfall beispielsweise 3 Volt beträgt und die Eingangsspannung 9 Volt beträgt, Bei Parallelschaltung zum LED-Netzteil beträgt die Ausgangsspannung 6 Volt.
3. Lichtleistung. Diese Kennlinie zeigt die Lichtmenge an, die das Gerät bei einer Leistungsaufnahme von einem Watt emittiert.
4. Farbtemperatur. Sie hängt vom Antriebsstrom, der Wärmeableitungseffizienz und der Umgebungstemperatur ab. Der starke Lichtstrom, der mit dem Stromverbrauch verbunden ist, erhöht auch die Temperatur. Gleichzeitig ist zu beachten, dass Temperaturabfälle die Lebensdauer der LED deutlich verkürzen.
5. Standardgröße. Sein Wert hängt von der Größe des Emitters ab. Dementsprechend ist die Helligkeit und Leistung der LED umso größer, je größer die LED ist.

Verbindungsmethoden

Für einen störungsfreien Betrieb der LED ist der Betriebsstromwert sehr wichtig. Ein falscher Anschluss von Strahlungsquellen oder eine starke Streuung ihrer Parameter bei der Zusammenarbeit führt zu einem Überschuss des durch sie fließenden Stroms und einem weiteren Durchbrennen der Geräte. Dies ist auf eine Temperaturerhöhung zurückzuführen, wodurch der LED-Kristall einfach verformt wird und der p-n-Übergang durchbricht. Daher ist es so wichtig, die der Lichtquelle zugeführte Strommenge zu begrenzen, d. h. die Versorgungsspannung zu begrenzen.

Am einfachsten geht das mit einem Widerstand, der in Reihe zum Emitterkreis geschaltet ist. Für diese Funktion wird ein gewöhnlicher Widerstand verwendet, der jedoch einen bestimmten Wert haben muss. Sein großer Wert wird nicht in der Lage sein, die erforderliche Potentialdifferenz für das Auftreten des Rekombinationsprozesses bereitzustellen, und ein kleinerer Wert wird durchbrennen. In diesem Fall müssen Sie nicht nur wissen, wie der Widerstand für eine LED berechnet wird, sondern auch, wie man ihn richtig ausgibt, insbesondere wenn der Stromkreis mit Funkelementen gesättigt ist.

Ein Stromkreis kann eine oder mehrere LEDs verwenden. Gleichzeitig gibt es drei Schemata für ihre Einbeziehung:

• Einzel;
• konsistent;
• parallel.

Einzelelement

Wenn in einem Stromkreis nur eine LED verwendet wird, wird ein Widerstand in Reihe geschaltet. Als Ergebnis einer solchen Verbindung ist die an diese Schaltung angelegte Gesamtspannung gleich der Summe der Potentialdifferenzabfälle an jedem Element der Schaltung. Wenn wir diese Verluste am Widerstand als Ur und an der LED als Us bezeichnen, dann beträgt die Gesamtspannung der EMF-Quelle: Uo = Ur + Us.

Paraphrasiert man das Ohmsche Gesetz für den Netzabschnitt I = U / R, erhält man die Formel: U = I * R. Durch Einsetzen des resultierenden Ausdrucks in die Formel zum Ermitteln der Gesamtspannung erhalten wir:

Uo = IrRr + IsRs, wobei

• Ir ist der Strom, der durch den Widerstand A fließt.
• Rr ist der berechnete Widerstandswert des Widerstands, Ohm.
• Ist der Strom, der durch die LED fließt, A.
• Rs - LED-Innenimpedanz, Ohm.

Der Rs-Wert variiert in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Strahlungsquelle und sein Wert hängt von der Stromstärke und der Potentialdifferenz ab. Diese Abhängigkeit kann durch Studieren der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode gesehen werden. Im Anfangsstadium steigt der Strom glatt an und Rs ist hoch. Danach fällt die Impedanz stark ab und der Strom steigt auch bei einer leichten Spannungserhöhung schnell an.

Wenn Sie die Formeln kombinieren, erhalten Sie den folgenden Ausdruck:

Rr = (Uo - Us) / Io, Ohm

In diesem Fall wird berücksichtigt, dass die Stärke des Stroms, der in der Reihenschaltung des Schaltungsabschnitts fließt, an jedem Punkt gleich ist, dh Io = Ir = Ist. Dieser Ausdruck eignet sich auch für die Reihenschaltung von LEDs, da er auch nur eine für die gesamte Schaltung verwendet. Widerstand.

Um den erforderlichen Widerstand zu finden, muss also der Wert von Uns ermittelt werden. Der Spannungsabfall an der LED ist ein Referenzwert und hat für jedes Funkelement einen eigenen. Um die Daten abzurufen, müssen Sie das Datenblatt auf dem Gerät verwenden. Datenblatt ist ein Satz von Informationsblättern, die umfassende Informationen zu den Parametern, Betriebsarten sowie der Schaltung zum Einschalten des Funkelements enthalten. Es wird vom Hersteller des Produkts hergestellt.

Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung stehen Funkelemente an zwei Punkten - Knoten - miteinander in Kontakt. Für diese Art von Schaltung gelten zwei Regeln: Der in den Knoten eintretende Strom ist gleich der Summe der vom Knoten ausgehenden Ströme, und die Potenzialdifferenz an allen Punkten der Knoten ist gleich. Aus diesen Definitionen können wir schließen, dass bei einer Parallelschaltung LEDs, der gewünschte Widerstand, der sich am Anfang des Knotens befindet, wird durch die Formel gefunden: Rr = Uo / Is1 + In, Ohm, wo:

• Uo ist die an die Knoten angelegte Potentialdifferenz.
• Is1 ist der Strom, der durch die erste LED fließt.
• In ist der Strom, der durch die n-te LED fließt.

Eine solche Schaltung mit einem gemeinsamen Widerstand vor der Parallelschaltung der LEDs wird jedoch nicht verwendet. Dies liegt daran, dass im Falle eines Durchbrennens eines Emitters laut Gesetz der in die Einheit eintretende Strom unverändert bleibt. Dies bedeutet, dass es auf die verbleibenden Arbeitselemente verteilt wird und mehr Strom durch sie fließt. Das Ergebnis ist eine Kettenreaktion und alle Halbleiteremitter werden schließlich durchbrennen.

Daher ist es richtig, für jeden Parallelzweig mit eigener LED einen eigenen Widerstand zu verwenden und den Widerstand für die LED für jeden Zweig separat zu berechnen. Dieser Ansatz hat auch den Vorteil, dass in der Schaltung Funkelemente mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet werden können.

Die Berechnung des Widerstands jedes Arms ist ähnlich wie bei einer einzelnen Verbindung: Rn = (Uo - Us) / In, Ohm, wobei:

• Rn ist der erforderliche Widerstand des n-ten Zweigs.
• Uo - Us - Spannungsabfalldifferenz.
• In ist der Strom durch die n-te LED.

Berechnungsbeispiel

Lassen Sie den Stromkreis von einer 32-Volt-Konstantspannungsquelle gespeist werden. In dieser Schaltung sind zwei LEDs der Marke parallel geschaltet: Cree C503B-RAS und Cree XM-L T6. Um die erforderliche Impedanz zu berechnen, müssen Sie dem Datenblatt den typischen Spannungsabfall an diesen LEDs entnehmen. Für den ersten sind es also 2,1 V bei einem Strom von 0,2 und für den zweiten - 2,9 V bei gleicher Stromstärke.

Das Einsetzen dieser Werte in die Daisy-Chain-Formel ergibt das folgende Ergebnis:

• R1 = (U0-Us1) / I = (32-2,1) / 0,2 = 21,5 Ohm.
• R2 = (U0-Us2) / I = (32-2,9) / 0,2 = 17,5 Ohm.

Die nächsten Werte werden aus der Standardreihe ausgewählt. Sie sind: R1 = 22 Ohm und R2 = 18 Ohm. Auf Wunsch können Sie die Verlustleistung der Widerstände auch nach der Formel P = I * I * U berechnen. Für die gefundenen Widerstände beträgt P = 0,001 W.

Browser-Online-Rechner

Bei einer großen Anzahl von LEDs im Stromkreis ist die Berechnung des Widerstands für jede einzelne ein ziemlich mühsamer Prozess, zumal Sie einen Fehler machen können. Daher ist der einfachste Weg, Berechnungen durchzuführen, die Verwendung von Online-Rechnern.

Sie sind ein Programm, das für die Ausführung in einem Browser geschrieben wurde. Im Internet findet man viele solcher Rechner für LEDs., aber das Prinzip ihrer Arbeit ist das gleiche. Sie müssen in den vorgeschlagenen Formularen Referenzdaten eingeben, ein Verbindungsschema auswählen und auf die Schaltfläche "Ergebnis" oder "Berechnung" klicken. Danach müssen Sie nur noch auf eine Antwort warten.

Nachdem Sie es manuell neu berechnet haben, können Sie es überprüfen, aber es macht nicht viel Sinn, da bei der Berechnung des Programms ähnliche Formeln verwendet werden.