Jak dobrać rezystor do diody LED?

Każde projektowane urządzenie musi w jakiś sposób sygnalizować postępy w swojej pracy, przedstawić je w sposób zrozumiały dla człowieka. Te bardziej zaawansowane często posiadają ekrany, na których wyświetlają potrzebne informacje. W prostszych urządzeniach wystarczą odpowiednie kontrolki, bardzo często realizowane za pomocą diod LED. Raczej każdy z nas wie, że aby poprawnie zasilić diodę LED potrzebny będzie rezystor o konkretnych parametrach, ale czy na pewno?

Czym jest dioda LED?

Dioda LED, a dokładniej dioda elektroluminescencyjna jest elementem w swej budowie przypominającym klasyczną diodę półprzewodnikową. Najprostsze złącze p-n wykonane z dodatkiem pierwiastków innych niż krzem.

Działanie diody LED opiera się na zjawisku elektroluminescencyjnym, czyli zamianie energii elektrycznej na promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu. Zakres fal zależny jest od materiału, z jakiego wykonana została dioda. Pierwsze diody LED weszły do powszechnego użycia w latach 60., ale już w latach 30. zdawano sobie sprawę i istnienia zjawiska elektroluminescencji.

Dioda świecąca posiada dwa wyprowadzenia „A” – anodę (+) oraz „K” – katodę (-), aby spolaryzować ją w kierunku przewodzenia, tak aby świeciła należy podać dodatni biegun zasilania na anodę, a ujemny na katodę.

Czy rezystor jest potrzebny?

W internecie możemy natknąć się na bardzo wiele opinii na temat zasilania diod LED, nawet na takie twierdzące, że stosowanie rezystorów nie jest konieczne, ale są one błędne. Rezystor jest konieczny! Niezależnie, czy podłączamy diodę do baterii, zasilacza, mikrokontrolera czy też sterownika PLC, rezystor jest niezbędnym elementem, ponieważ dioda LED jest elementem sterowanym prądowo.

Przez diodę LED podłączoną do źródła zasilania bez rezystora, czy też opornika elektrycznego natychmiast popłynie największy możliwy prąd, spowoduje on bardzo szybki wzrost temperatury elementu, a w wyniku przegrzania struktura diody zostanie nieodwracalnie uszkodzona. Właśnie dlatego do diody elektroluminescencyjnej musimy dodać odpowiedni rezystor, który ograniczy płynący przez nią prąd.

Zasady zasilania diody LED, czyli jak dobrać rezystor

Każda dioda świecąca posiada dwa podstawowe parametry – napięcie przewodzenia oznaczane jako U_F lub V_F (z ang. Forward Voltage) oraz prąd przewodzenia I_F (z ang. Forward Current). Dodatkowo podawane jest również napięcie przebicia (dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym), oznaczane jako U_Z, V_Z, U_R lub V_R, ale aby odpowiednio dobrać rezystor do diody LED nie będzie nam ono potrzebne.

Na rysunku powyżej zobaczyć można podstawowy schemat obrazujący zasadę zasilania diody LED. Pojawiają się na nim parametry U_F oraz I_F, o których mowa była wcześniej, ale także U_R – czyli napięcie odkładające się na rezystorze oraz U_Z – napięcie zasilania.

Aby dioda LED mogła pracować poprawnie należy zasilić ją prądem I_F oraz napięciem U_F o odpowiednich wartościach. Zależą one od typu diody oraz koloru jej świecenia. Możemy przyjąć, że optymalna wartość prądu I_F dla większości diod to 20mA, z napięciem nie jest tak łatwo, dlatego poniżej umieszczona została tabela prezentująca odpowiednie wartości U_F w zależności od koloru świecenia.

Zasady zasilania diody LED opierają się na drugim prawie Kirchhoffa oraz prawie Ohma. Pierwsze z nich mówi, że suma spadków napięć na poszczególnych rezystancjach (w naszym przypadku U_R i U_F) w obwodzie musi być równa sile elektromotorycznej (napięciu zasilania U_Z) w nim występującej. Definicję tą możemy przedstawić za pomocą wzoru:

U_Z = U_R + U_F

Po przekształceniu otrzymamy:

U_R = U_Z – U_F

W ten sposób otrzymujemy wzór na napięcie odkładające się na rezystorze. Załóżmy, że w naszym obwodzie umieszczona jest podczerwona dioda LED, za U_F możemy przyjąć około 1,2V, oraz że obwód zasilany jest napięciem 5V. Wówczas możemy obliczyć napięcie na rezystorze.

3,8 [V] = 5 [V] – 1,2 [V]

Teraz zajmijmy się prawem Ohma, mówi ono, że istnieje proporcjonalna zależność między natężeniem prądu płynącego przez przewodnik a napięciem panującym między końcami tego przewodnika. Definicję tą możemy przedstawić za pomocą wzoru.

U_R = I_F × R

Po przekształceniu:

R = U_R / I_F

Znając wcześniej podane I_F oraz obliczoną wartość U_R możemy obliczyć wartość rezystora potrzebnego do odpowiedniego zasilenia diody LED.

190 [Ω] = 3,8 [V] / 20 [mA]

Tak więc wartość opornika, jaki musimy umieścić w obwodzie wynosi 190Ω. Na forach dość często pojawia się pytanie, czy rezystor musi mieć dokładnie taką wartość jaką obliczyliśmy. Odpowiedź brzmi nie. Oczywiście wartość powinna być jak najbardziej zbliżona do tej obliczonej, jednak nie musi być taka sama. Umieszczając w obwodzie rezystor 200Ω lub 220Ω nic się nie uszkodzimy, przez diodę popłynie mniejszy prąd co sprawi, że będzie ona świecić nieco słabiej. Trzeba jednak uważać przy obniżaniu wartości opornika – oczywiście wstawiając taki o wartości 180Ω nie uszkodzimy diody, ale przy niższych wartościach popłynie większy prąd, a to spowoduje nagrzewanie się elementu.

Połączenie równoległe diod LED

W połączeniu równoległym każdą diodę wraz z towarzyszącym jej rezystorem rozpatrujemy jako osobny przypadek, tak jakby innych diod nie było. Przykładowo musimy obliczyć wartość R2 dla drugiej diody zakładając, że jest ona koloru niebieskiego, a obwód zasilany jest napięciem 12V. Możemy wówczas skorzystać ze skróconej wersji wzoru.

R = U_Z – U_F / I_F

Czyli:

430 [Ω] = 12 [V] – 3,4 [V] / 20 [mA]

Wychodzi na to, że rezystor R2 powinien mieć wartość 430Ω. W przypadku R1 i R3 postępujemy analogicznie.

Szeregowe połączenie diod LED

W szeregowym podłączeniu diod LED musimy pamiętać, że jeden opornik ogranicza prąd dla każdej diody. W związku z tym należy wziąć pod uwagę wiele napięć U_F, dla każdej diody z osobna. Przykładowo, w obwodzie mamy diodę czerwoną, żółtą i zieloną, a U_Z wynosi 15V. Wartość R możemy obliczyć z następującego wzoru.

R = U_Z – (U_F1 + U_F2 + U_F3) / I_F

Czyli:

420 [Ω] = 15 [V] – (2 [V] + 2,2 [V] + 2,4 [V] / 20 [mA]

Z obliczeń wynika, że rezystor powinien mieć wartość 420Ω.

Co z przemysłowymi kontrolkami LED

W urządzeniach przemysłowych powszechnie stosowane są różnego rodzaju kontrolki. Dawniej oparte one były na klasycznych żarówkach, obecnie jednak wykonywane są w technologii LED.

W rzeczywistości są to diody LED, do których jak najbardziej trzeba dołączać odpowiednie rezystory. Z tą różnicą, że kontrolki przemysłowe posiadają inne napięcie przewodzenia U_F, może to być 12V, 24V czy nawet 230V [AC]. Takie wartości wynikają ze standardów napięć, jakie pojawiają się w maszynach przemysłowych.

Obliczając rezystor dla tego typu kontrolki, stosujemy się do takich samych zasad jak w przypadku klasycznej diody LED.