Подключение диодов последовательное: Последовательное и параллельное соединение светодиодов

Содержание

Последовательное и параллельное соединение 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?

Содержание

1 Параллельное соединение
- 1.1 Пример расчета
2 Последовательное соединение
- 2.1 Пример расчета
3 Два важных момента

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.

Дано:

источник напряжения U = +5 В;
LED1 – красного свечения с U_LED1 = 1,8 В и I_LED1 = 0,02 А;
LED2 – белого свечения с U_LED2 = 3,2 В и I_LED2 = 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 I_LED = 0,7 А и прямое напряжение U_LED = 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.

Последовательное соединение светодиодов достоинства и недостатки

Ранее мы рассказывали о параллельном соединении светодиодов. Посмотрели на плюсы и минусы, достоинства и недостатки… Масло масляное))) Ну уж простите. Сегодняшний пост будет посвящен самому распространенному виду соединений — последовательное соединение светодиодов. Не забываем посмотреть и параллельно-последовательное соединение светодиодов, статья о которых появилась намного позднее.

Как только нам приходится в электрических схемах задействовать не один, а несколько светодиодов, то обязательно возникает дилемма — как правильно соединить их. Какую схему выбрать?

Если Вы начали читать эту статью, то Вас также интересует данный вопрос… Сразу и еще аз оговорюсь, что последовательное соединение светодиодов самое эффективное. Но тут есть свои минусы — не всегда это реализуемо. Почему это так, нужно углубиться в физику ( не пугайтесь, не так это страшно ))

Вольтамперная характеристика любых светодиодов (ВАХ)

Что такое ВАХ сильно углубляться не будем. По простому — это зависимость тока от напряжения. Этой информации нам и будет достаточно. Вольт-амперная характеристика у любого светодиода, как и у любого диода имеет нелинейную характеристику.

Мы взяли обычный белый диод. При напряжении от 2,5-3В ток увеличивается с 2 до 15 мА. Это достаточно большое увеличение. Отсюда вытекает, что при больших изменения тока падение напряжения будет невелико.

Не смотря на то, что любой завод выпускает чипы с одной характеристикой в каждой партии, падение напряжение будет разным у каждого экземпляра. Не на много, но на десятые доли вольта это точно. Именно из-за этого источник питания светодиодов должен стабилизировать ток, а не напряжение. Такие источники питания принято называть светодиодными драйверами.

Последовательное соединение светодиодов

На схеме мы видим традиционное последовательное соединение светодиодов, подключенных к аккумулятору.

Данное соединение предполагает одинаково яркое свечение светодиодов. Но тут нам «мешает» резистор.

Кстати резистор проще рассчитать в таких случаях, используя наш новый калькулятор расчета резистора для последовательного соединения светодиода. Также можно рассчитать калькулятором резистор для одного светодиода.

Рассмотрим не много другой пример. А именно, возьмем светодиодный драйвер и подключим его к трем последовательным светодиодам.

В результате того, что сила тока в замкнутой цепи одинакова, то и через каждый диод будет течь одинаковый ток I₁=I₂=I_3.Соединение без резистора при помощи драйвера также обеспечивает одинаковую яркость, а разница падения напряжения на диодах не играет никакого значения. Отражается только на величине разности потенциалов между точкой 1 и 2.

Расчет драйвера для последовательного соединения светодиодов

Описанное выше последовательное соединение LEDs может вызвать большие вопросы по поводу выбора самого драйвера.

Используя ниже приведенный алгоритм расчета Вы всегда самостоятельно сможете рассчитать драйвер, в зависимости от выбранного соединения.

Допустим нам необходимо запитать три светодиода, соединенных последовательно током 700 мА.

Падение напряжения (вымышленно) при таком токе составляет от 3,2 до 3,4 В.

Минимальное напряжение U_min=3*3.2=9.6 V

Максимальное напряжение U_max=3.4*3=10.2 V

Мощность потребляемая светодиодами составит: Р=10,2*0,7=7,14 Вт.

Итого: наш драйвер должен иметь:

Выходной ток 700 мА

Выходное напряжение 10,2В +- 5%

Выходная мощность не менее 7,2 Вт

Это все! Как видите. никаких проблем. Рассматривать расчет резистора при отсутствии драйвера не буду. Это пережитки прошлого.

Любой производитель уже выпускает светодиодные драйверы на любой вкус и цвет. При этом стоимость их ничтожно мала. А эффективность от»коробочки» на много больше, чем от простого резистора.

Плюсы и минусы последовательного соединения светодиодов

Плюс один и большой — дешевизна в конструкции.

Минусов же при последовательном соединении как минимум два:

Если выйдет из строя хотя бы один светодиод, естественно погаснет и вся цепочка. Тут, правда, можно еще один плюс найти… Если диод закоротит, то цепь не оборвется и остальные чипы продолжат свою работу.
Если светодиодов много, то низковольтное питание реализовать архисложно. А это уже проблема. Особенно, если необходимо иметь безопасность в первую очередь.

[sc name=»calacresistor» ]

Видео на тему последовательного соединения светодиодов

Имеют ли последовательно соединенные диоды одинаковое обратное напряжение?

\$\начало группы\$

Если я подключу три дешевых диода на 200 В к источнику питания 500 В вместо одного дорогого диода, гарантируется ли корректная работа системы?

Меня беспокоит ситуация, когда два диода делят 150 В, а оставшиеся 350 В появляются на другом диоде, выпуская падуб. Произойдет ли что-то подобное?

^{смоделируйте эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

диоды
обратная полярность

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Нет, напряжение распределяется неравномерно.

Обратный ток утечки для диодов не является тщательно контролируемым параметром и может существенно варьироваться от устройства к устройству, даже из одной и той же производственной партии. При последовательном соединении диоды с наименьшим током утечки будут иметь на себе самое высокое напряжение, что приведет к их выходу из строя, что, в свою очередь, приведет к чрезмерному напряжению на остальных диодах, что также приведет к их выходу из строя.

Обычное решение состоит в том, чтобы параллельно каждому диоду поставить мощный резистор. Выберите значение резистора так, чтобы ток через резистор (когда диоды смещены в обратном направлении) был примерно в 10 раз больше тока утечки любого диода в наихудшем случае. Это означает, что обратное напряжение, возникающее на диодах, не будет изменяться более чем на 10 %.

Обратите внимание, что это по-прежнему означает, что вам нужен запас в номиналах диодов. Например, для пикового обратного напряжения 600 В следует использовать четыре диода на 200 В, а не три.

В игру вступает еще одно явление. Диоды не будут «выключаться» с одинаковой скоростью при переходе от прямого смещения к обратному. Опять же, «лучшие» (самые быстрые) диоды выйдут из строя первыми. Решение для этого состоит в том, чтобы также разместить конденсатор емкостью от 10 до 100 нФ параллельно каждому диоду. Это ограничивает время нарастания (dV/dt) обратного напряжения, позволяя всем диодам переключаться до того, как оно станет слишком высоким.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

В дополнение к решению, упомянутому @DaveTweed, вы можете рассмотреть возможность использования стабилитронов параллельно каждому диоду, например:

Эта схема работает следующим образом: если один из диодов становится высоким из-за его более низкого тока утечки — его стабилитрон начнет разрушаться и даст больший ток для других диодов, заставляя их потреблять больше напряжения от самого слабого диода (= с наименьшим током утечки). В качестве альтернативы вы можете рассматривать это как то, что стабилитроны не позволят напряжению подняться выше напряжения пробоя стабилитрона (которое должно быть ниже напряжения пробоя ваших диодов). Но Zeners не работает как переключатель, поэтому мне нравится первое объяснение 🙂

Я никогда не пробовал это на самом деле, но в LTSpice он работает нормально, и я не вижу никаких причин, чтобы это не сработало.

Это решение будет немного лучше, чем параллельные резисторы, потому что диоды Зенера будут давать гораздо меньший ток утечки. Но это дороже.

Только одна проблема с этим решением: вы, вероятно, не сможете найти стабилитроны для напряжения выше 200 Вольт — вам, вероятно, потребуется использовать несколько стабилитронов последовательно для каждого диода, что может привести к громоздкому решению.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

В дополнение к отличному ответу Дейва Твида я нашел руководство, которое очень помогло при расчете значений шунтирующих резисторов и конденсаторов для цепочки последовательно соединенных диодов. Это формирует сеть распределения напряжения, которая обеспечивает равномерное распределение обратного напряжения между последовательно соединенными диодами:

https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00003869-серийная-эксплуатация-на-быстрых-выпрямителях-stmicroelectronics.pdf

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

bjt — Почему в модели диода NPN два диода не соединены последовательно?

спросил
1 год, 1 месяц назад

Изменено
1 год, 1 месяц назад

Просмотрено
1к раз

\$\начало группы\$

Я не понимаю, как можно смоделировать NPN-транзистор с двумя диодами, соединенными между собой анодами. Разве они не должны быть последовательно с базой между диодами? Транзистор NPN находится в активном режиме, когда потенциал базы выше, чем у эмиттера, и когда потенциал коллектора выше, чем у коллектора. Иметь их в серии имеет гораздо больше смысла. Если аноды соединены, то потенциал коллектора должен быть намного выше, чем у базы, чтобы проводить ток в неправильном направлении.

диоды
бджт
нпн

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Почему в модели с диодом NPN два диода не соединены последовательно?

Иногда вместо двух диодов используется биполярный транзистор, например, на входах ТТЛ-затворов. Однако в транзисторе происходит нечто такое, чего не происходит в двух дискретных диодах, соединенных либо анодом с анодом, либо катодом с катодом.

В диоде с обратным смещением обычно очень мало неосновных носителей на аноде или катоде. В результате ток через переход в диоде с обратным смещением очень мал, то есть ток утечки.

Однако в биполярном транзисторе, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, основные носители переходят от эмиттера к базе, где они становятся неосновными носителями. То есть миноритарные носители «закачиваются» в базу. Теперь диод база-коллектор будет иметь много неосновных носителей (на стороне базы), даже если он смещен в обратном направлении. Это позволяет току течь через диод база-коллектор даже при обратном смещении. То есть ток от эмиттера к базе создает неосновные носители в базе, что позволяет току течь от базы к коллектору, даже когда переход база-коллектор смещен в обратном направлении.

Это, пожалуй, самое существенное различие между биполярным транзистором и двумя дискретными диодами, подключенными анод к аноду или катод к катоду.

Итак, почему биполярные транзисторы несимметричны? Почему прямые активные характеристики отличаются от обратных активных характеристик? Почему эмиттер и коллектор не эквивалентны? Биполярные транзисторы не являются по сути асимметричными. Скорее, это дизайнерский выбор. За счет более сильного легирования эмиттера, чем коллектора, создается транзистор с более высоким усилением (в прямой активной области), чем у симметричного транзистора. То есть симметрия приносится в жертву ради выигрыша.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Предложенная вами модель недействительна, потому что, хотя транзистор в его активной области действительно пропускает ток коллектора, пока транзистор смещен «нормально» (т. напряжение коллектор-база. Если бы было точно смоделировать транзистор как два последовательно соединенных диода, то транзистор с напряжением коллектор-эмиттер просто проводил бы ток с двумя падениями на диоде. Этого не происходит.

Это очень упрощенная модель NPN-транзистора. Если вы серьезно отнесетесь к проектированию схем, вы обнаружите, что существует ряд моделей, каждая из которых либо в чем-то неполна, либо ужасно сложна, либо и то, и другое одновременно. Частью их использования является знание того, когда какой из них использовать.

В чем эта модель не дает вам понимания, так это в том, что базовая область не соединена с двумя независимыми диодами. Это один лист полупроводникового материала P-типа, образующий оба PN-перехода в транзисторе и связывающий поведение двух переходов вместе так, как два независимых диода никогда не смогут.

В переходном транзисторе, когда протекает базовый ток, электроны инжектируются в базовую область точно названным эмиттером; Некоторым из этих электронов удается попасть в базу, но большинство (если это хороший транзистор) попадает в удачно названный коллектор.

Эта связь между эмиттером и коллектором через базу является причиной усиления транзистора: небольшой ток, проходящий через базу, вызывает протекание значительно большего тока от коллектора к эмиттеру, и (поскольку коллекторный диод работает в обратном направлении). -смещенный), небольшое изменение напряжения на базе может привести к большому изменению напряжения на коллекторе.

Гораздо более точной моделью, если вы знаете, что такое зависимый источник, является модель Ebers-Moll . напряжение базы выше или равно напряжению эмиттера). Два диода аналогичны вашей модели выше, но зависимый источник тока (ромб) показывает, где ток эмиттера генерирует ток коллектора.

^{смоделируйте эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Транзистор NPN (не диод! См. заголовок вопроса) СОСТОИТ из двух диодов, включенных последовательно, но с одним перевернутым, поэтому аноды («P») общие и соединены как база.

Таким образом, без соединения с базой диод C-B смещен в обратном направлении, и ток не течет (за пределами незначительного тока утечки).

Но чего это описание не дает вам — и соединение двух (например, SPICE) моделей диодов вместе — это какой-либо подсказки об интересных вещах, которые происходят, когда «P»-области двух диодов становятся одной очень очень тонкий слой между двумя «N» областями.

Примените прямое смещение к переходу B-E и наблюдайте, как электроны проходят от эмиттера (N) к базовой (P) области. В обычном диоде они просто проходят через область P к клемме анода и улетучиваются.

В транзисторе этот путь к выводу (базе) представляет собой длинный узкий путь (представьте себе горный хребет) с очень крутым уклоном на стороне коллектора (электрическое поле), вызванным большим положительным напряжением коллектора.

Таким образом, большинство электронов, притянутых этим полем, просто падают с хребта и, будучи не связанными друг с другом, как хорошие альпинисты, никогда не добираются до базовой клеммы, а заканчиваются в виде тока коллектора.

(фото предоставлено NY Times)

Таким образом, я считаю переход база-эмиттер очень неэффективным источником тока для базы (из-за электрического поля на переходе C-B при высоком напряжении коллектора).

Одним из следствий этой концептуальной «модели» является то, что по мере уменьшения напряжения C-B напряженность поля ослабевает, поэтому меньше электронов падает с гребня, а ток базы увеличивается, как и должно быть, когда транзистор приближается к насыщению.

Другое дело, что при обратном смещении перехода E-B на гребне нет электронов, поэтому ни один из них не падает (нет тока коллектора) и не достигает пика (извините, основания).

Связано, может помочь: Основные принципы работы биполярного транзистора

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Важно понимать, что биполярные транзисторы являются стоками тока, управляемыми VBe, до насыщения. источник/приемники тока по определению имеют высокий импеданс.

Легирование на Vbe намного выше, чем на Vbc, так что hFE быстро падает, когда Vbc приближается к 0 В, и в большей степени, когда положительный провод используется в качестве переключателя. Таким образом, они усиливаются только с соотношением токов в активном переднем направлении, определяемым hFE. Когда CE инвертируется, hFE становится 1 в обратном активном режиме. (Diodes Inc. запатентовала множество процессов, дающих hFE > 1000)

Для режима насыщения они обычно оценивают Vce(sat)max, используя Ic/Ib около 10% от hFE max в линейной области, используя стандартные соотношения 10, 20 или 50.