Расчёт резистора при последовательном соединении светодиодов

На этом уроке

1. Светодиод, что это и для чего он нужен

2. Почему требуется ограничивать ток для светодиода

3. Как можно произвести расчет резистора для различных вариантов соединения светодиодов.

4. Узнаем что такое делитель напряжения

5. познакомимся с методом расчета делителя напряжения

6. Познакомимся с интегрирующей и дифференцирующей RC цепями

7. Ну и поговорим о сопротивлении проводников и падении напряжения на них

Оглавление

На этом уроке

Светодиод.

Расчет резистора для одного светодиода

Расчёт резистора при последовательном соединении светодиодов

Расчет резисторов при параллельном соединении светодиодов

Расчет резисторов при параллельно – последовательном соединении светодиодов

Делитель напряжения (voltage divider)

Расчет

Подключение нагрузки к делителю

Применимость

Время заряда конденсатора на примере RC цепочки.

Два вида включения RC цепочки:

Сопротивление проводов и падение напряжения.

Сопротивление медного провода постоянному току

Расчет падения напряжения на проводе для постоянного тока

Расчет ширины проводника на печатной плате

Домашнее задание

Дополнительные материалы

Используемые источники

Светодиод.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиоды очень чувствительны к режиму работы, и не переносят перегрузок. Идеально стабильное напряжение не обеспечит заданный режим работы, оно следует из внутренней структуры принципа действия полупроводников.

Внимание! Полупроводниковый излучающий диод напитывается стабилизированным током, а не напряжением.

           Расчет резистора для одного светодиода

       Для запитки одного светодиода нам потребуется источник питания 5 В. Светодиод возьмем белого цвета, где падение напряжения при рабочем токе I_F=20mA в среднем 3,2В. Схему подключения отразим на рис. 1.

       Сколько вольт нам нужно компенсировать:

5В - 3,2В = 1,8В

       Номинальный ток светодиода составляет 20 мА (0,02 А). Сопротивление, на котором должно упасть 1,8 В при заданном токе:

R = U/I = 1,8/0,02 = 90 Ом

       В стандартных значениях такого нет, поэтому подбираем ближайший в большую сторону, и это будет резистор 91 Ом из ряда Е24.

       Для увеличения срока службы светодиода и исключения возможных ошибок в расчетах допустимо использовать ток не 20 мА, а чуть меньше - 15 мА.

R = U/I = 1,8/0,015 = 120 Ом

       Для полноты расчетов не забудем вычислить выделяемую мощность (мощность рассеивания):

P = 1,8В * 0,02А = 0,04 Вт (40 мВт)

Применимость

       На практике делитель напряжения может применяться для получения необходимого пониженного напряжения для нагрузки, которая не является силовой.

       Довольно часто применяют делитель напряжения для снятия показаний с датчиков. Есть большая линейка компонентов, которые изменяют характеристики, в данном случае сопротивление, в зависимости от окружающей среды. Например, фоторезистивные элементы изменяют свое сопротивление в зависимости от интенсивности освещения, которое попадает на них, термисторы изменяют свое сопротивление от нуля до порогового значения в зависимости от температуры.

       Исходя из этого, возникает возможность замены одного из резисторов в приведенной схеме на фоторезистор или термистор и т.д. Соответственно выходное напряжение на Out будет изменяться в зависимости от окружающих условий. которые оказывают влияние на датчик. В дальнейшем выход Out возможно подключить к аналоговому входу микроконтроллера, например Arduino, и получать информацию о параметрах окружающей среды (освещенность, температура и др.) Значение Out рассчитывается, исходя из параметров компонента из документации при определенных условиях среды и формулы расчёта Out, которую мы уже обсудили выше.

Также имеет место практика управления затвором/базой транзистора.

Важно:

l Нужно помнить, что напряжение выхода Out будет неравномерным, если нагрузка будет неравномерно во времени потреблять ток. Т.е. От изменения мощности потребителя будет изменяться напряжение.

l Данный способ получения пониженного напряжения не является подходящим для подключения мощных нагрузок, в виде лент светодиодов, моторов и прочего.

l Большие номиналы делящих резисторов вызывают дополнительное падение напряжения, которое провоцирует сама нагрузка, что нежелательно.

l Меньшие номиналы делящих резисторов провоцируют больший расход энергии впустую, выше нагрузка на сами резисторы

Время заряда конденсатора на примере RC цепочки.

   Резистор — его задача ограничивать ток. Это статичный элемент, чье сопротивление не меняется, про тепловые погрешности сейчас не говорим — они не слишком велики. Ток через резистор определяется законом ома — I=U/R, где U напряжение на выводах резистора, R — его сопротивление.

       У конденсатора есть интересное свойство — когда он разряжен то ведет себя почти как короткое замыкание — ток через него течет без ограничений, устремляясь в бесконечность. А напряжение на нем стремится к нулю. Когда же он заряжен, то становится как обрыв и ток через него течь перестает, а напряжение на нем становится равным заряжающему источнику. Получается интересная зависимость — есть ток, нет напряжения, есть напряжение — нет тока.

       А как быстро заряжается конденсатор?

       В идеальных условиях, когда у нас бесконечно мощный источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, идеальные сверхпроводящие провода и абсолютно безупречный конденсатор — этот процесс будет происходить мгновенно, с временем равным 0, равно как и разряд.

       Но в реальности всегда существуют сопротивления, явные — вроде банального резистора или неявные, такие как сопротивление проводов или внутреннее сопротивление источника напряжения.

В этом случае скорость заряда конденсатора будет зависеть от сопротивлений в цепи и емкости конденсатора, а сам заряд будет идти по экспоненциальному закону.

А у этого закона есть пара характерных величин:

l Т — постоянная времени, это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума. 63% тут взялись не случайно, тут прямая завязка на такую формулу: VALUE T=max—1/e*max.

l 3T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума.

Постоянная времени для RC цепи Т=R*C.

       Чем меньше сопротивление и меньше емкость, тем быстрей конденсатор заряжается. Если сопротивление равно нулю, то и время заряда равно нулю.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 1uF через резистор в 1 кОм:

T= C*R = 10^-6 * 10³ = 0.001c

3T = 0.003c через такое время напряжение на конденсаторе достигнет 95% от напряжения источника.

       Разряд пойдет по тому же закону, только вверх ногами. Т.е. через Твремени в на конденсаторе останется всего лишь 100% — 63% = 37% от первоначального напряжения, а через 3T и того меньше — жалкие 5%.

   Два вида включения RC цепочки:

Интегрирующая и дифференцирующая. Они же ФНЧ (фильтр низких частот) и ФВЧ (фильтр высоких частот).

Фильтр низких частот без изменений пропускает постоянную составляющую (т.к. ее частота равна нулю, ниже некуда) и подавляет все что выше чем 1/T. Постоянная составляющая проходит напрямую, а переменная составляющая через конденсатор гасится на землю.

Такой фильтр еще называют интегрирующей цепочкой.

 

Фильтр высоких частот работает наоборот. Он не пускает постоянную составляющую (т.к. ее частота слишком низка — 0) — ведь конденсатор для нее равносилен обрыву, а вот переменная составляющая пропускается через конденсатор без проблем.

Дифференцирующей цепью ее называют потому, что на выходе у нас получается дифференциал входной функции, который есть не что иное как скорость изменения этой функции.

l На участке 1 происходит заряд конденсатора, а значит через него идет ток и на резисторе будет падение напряжения.

l На участке 2 происходит резкое увеличение скорости заряда, а значит и ток резко возрастет, а за ним и падение напряжения на резисторе.

l На участке 3 конденсатор просто удерживает уже имеющийся потенциал. Ток через него не идет, а значит на резисторе напряжение тоже равно нулю.

l Ну и на 4м участке конденсатор начал разряжаться, т.к. входной сигнал стал ниже чем его напряжение. Ток пошел в обратную сторону и на резисторе уже отрицательное падение напряжения.

Дополнительные материалы

1. Расчет мощности резистора

2. Делитель напряжения

3. Заряд и разряд конденсатора

4. RC-цепь. Дифференцирующие и интегрирующие RC-цепи.

5. Расчет элементов печатного монтажа

6. Расчет ширины печатного проводника в зависимости от тока

7. ГОСТ Р 55693-2013 Платы печатные жесткие. Технические требования, ГОСТ Р от 22 ноября 2013 года №55693-2013

 

Используемые источники

1. Занимательная электроника. Ревич Ю. В. 2018 стр. 146-149. Светодиоды.

2. Расчет токоограничивающего резистора для светодиода

3. Делитель напряжения

4. Занимательная электроника. Ревич Ю. В. 2018 стр. 92-103. Конденсаторы. Интегрирующие и дифференцирующие цепи.

5. Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 1   

 

 

На этом уроке

1. Светодиод, что это и для чего он нужен

2. Почему требуется ограничивать ток для светодиода

3. Как можно произвести расчет резистора для различных вариантов соединения светодиодов.

4. Узнаем что такое делитель напряжения

5. познакомимся с методом расчета делителя напряжения

6. Познакомимся с интегрирующей и дифференцирующей RC цепями

7. Ну и поговорим о сопротивлении проводников и падении напряжения на них

Оглавление

На этом уроке

Светодиод.

Расчет резистора для одного светодиода

Расчёт резистора при последовательном соединении светодиодов

Расчет резисторов при параллельном соединении светодиодов

Расчет резисторов при параллельно – последовательном соединении светодиодов

Делитель напряжения (voltage divider)

Расчет

Подключение нагрузки к делителю

Применимость

Время заряда конденсатора на примере RC цепочки.

Два вида включения RC цепочки:

Сопротивление проводов и падение напряжения.

Сопротивление медного провода постоянному току

Расчет падения напряжения на проводе для постоянного тока

Расчет ширины проводника на печатной плате

Домашнее задание

Дополнительные материалы

Используемые источники

Светодиод.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиоды очень чувствительны к режиму работы, и не переносят перегрузок. Идеально стабильное напряжение не обеспечит заданный режим работы, оно следует из внутренней структуры принципа действия полупроводников.

Внимание! Полупроводниковый излучающий диод напитывается стабилизированным током, а не напряжением.

           Расчет резистора для одного светодиода

       Для запитки одного светодиода нам потребуется источник питания 5 В. Светодиод возьмем белого цвета, где падение напряжения при рабочем токе I_F=20mA в среднем 3,2В. Схему подключения отразим на рис. 1.

       Сколько вольт нам нужно компенсировать:

5В - 3,2В = 1,8В

       Номинальный ток светодиода составляет 20 мА (0,02 А). Сопротивление, на котором должно упасть 1,8 В при заданном токе:

R = U/I = 1,8/0,02 = 90 Ом

       В стандартных значениях такого нет, поэтому подбираем ближайший в большую сторону, и это будет резистор 91 Ом из ряда Е24.

       Для увеличения срока службы светодиода и исключения возможных ошибок в расчетах допустимо использовать ток не 20 мА, а чуть меньше - 15 мА.

R = U/I = 1,8/0,015 = 120 Ом

       Для полноты расчетов не забудем вычислить выделяемую мощность (мощность рассеивания):

P = 1,8В * 0,02А = 0,04 Вт (40 мВт)

Расчёт резистора при последовательном соединении светодиодов

Внимание! Для последовательного соединения светодиодов требуется соблюдать их однотипность.

Рассмотрим подключение трех зеленых светодиодов к источнику питания 12 В.

Из документации прямое напряжение на каждом примем среднее 2.2 В, рабочий ток - 20 мА. Вычислим сопротивление для резистора R2:

R2 = (U - (U_led2 + U_led3 + U_led4)) / I_led = (12 - (2.2 + 2.2 + 2.2)) / 0.02 = 270 Ом

где:

l U - напряжения питания, В;

l U_led2, U_led3, U_led4 - прямое падение напряжения на светодиодах, В;

l I_led - рабочий ток светодиода, А.

       По аналогии с расчетом мощности рассеивания резистора для одного светодиода, таким же образом рассчитываем минимальную мощность резистора:

P = 12В - (2,2В+2,2В+2,2В) * 0,02А = 0,108 Вт (108 мВт)