LED előtét ellenállás számítása és működési alapjai
Az Egyszerű elektronika témák közt sokminden megtalálható. A LED-ek (fénykibocsátó diódák) népszerűek a világítástechnikában és az elektronikai projektekben, de működésükhöz előtét ellenállásra van szükség. A cikkben az alacsony fogyasztású LED-ek, (vagy a betűszót lefordítva:) fénykibocsátó diódák kerülnek terítékre. Az előtét ellenállás korlátozza a LED-en átfolyó áramot, megvédve azt a túláramtól és biztosítva a hosszú élettartamot. Ebben a cikkben részletesen bemutatjuk, hogyan számíthatja ki a megfelelő előtét ellenállás értékét.
LED-ek - A fénykibocsátó diódák
Itt van egy nagyon szép ábra egy szabványos, kis fogyasztású LED-ről:
Sematikus rajzként a LED ugyanúgy kerül ábrázolásra, mint egy dióda: nyílként jelenik meg, és a kijövő fény külön van feltüntetve a rajzon. A LED-et reprezentáló, rajzolt nyílnak pozitív saroktól a negatív felé kell mutatnia, hogy működjön. Hiszen a LED is egy dióda: ez azt jelenti, hogy az ellentétes irányban az áramot „blokkolja” (nem folyik az áram, így nem is történik semmi). Az egyetlen kikötés, hogy a LED pozitív és negatív oldala megfelelően legyen bekötve.
Itt van például a két LED-es villogó rajza, két nyomógombbal:
Ha csak egyetlen LED-et kell csatlakoztatni, akkor az a legegyszerűbb: a LED bekötése sorosan történik egy ellenállással - azaz a sorba kapcsolás miatt nem számít a sorrendjük. Az áramnak ígyis-úgyis egyetlen útja van csak.
A LED feszültség-áram karakterisztikája és a túláram veszélye
Nos, a LED-ek (mint minden dióda) nagyon különösen viselkednek a feszültség és áram tekintetében. Ábrázolva az átfolyó áramot a rákapcsolt feszültség függvényében:
De mit is látunk a görbén?
- egy bizonyos feszültség alatt semmi sem történik, azaz nem folyik áram
- ha nem folyik áram, akkor az ellenállás mint ha ott sem lenne (U = I x R, azaz 0 x bármi még mindig 0!)
- egy bizonyos küszöb felett a LED el kezd vezetni és áram folyik át rajta - és megindul a fény kibocsátása is. Ennek a küszöbértéke a működési grafikonról leolvasható.
- a LED csak a küszöb felett bocsát ki fényt
- a LED fényerejét a rajta keresztül folyó áram erőssége határozza meg - de a LED-ek is csak bizonyos mennyiségű áram átbocsátásáig képesek működni: a túl nagy áram illetve a keletkező hő miatt a szerkezete megsérül.
A víz-analógia szerint a LED olyan, mint egy gát, amely nem engedi át a vizet, amíg el nem ér egy bizonyos szintet a víz magassága. Amint ez megtörténik, minden rohamosan megváltozik. A vezetési küszöb a LED típusától függ: piros LED-ek esetén 1,4V körül, kék LED-ekkel inkább 3V a működési limit. Ezért nem csatlakoztatható a LED közvetlenül az áramforráshoz. A LED viselkedése a következőképpen ábrázolható:
Más szóval: ha a feszültség túl alacsony, semmi sem fog történni. És ha túl magas, akkor a diódán átfolyó áram hatalmas lesz (és elpusztítja a LED-et, azaz önmagát). Megoldás lehet, hogy a LED meghajtófeszültségét beállítjuk és azon a fix feszültségen használjuk. Csakhogy a gyártási szórásból adódóan van kb. 20% fényerősség-szórás a LED-ek fényerősségében, és a félvezető hőmérséklete is befolyásolja a görbét. A működés során meg nem igazán van mód arra, hogy folyamatosan állítgatni lehessen a működési feszültséget. De sok esetben nem is szabályozható a rendelkezésre álló feszültség - például egy akkumulátor esetén.
Miért Szükséges Előtét Ellenállás?
A LED-ek áramvezérelt eszközök, ami azt jelenti, hogy a fényerősségük az átfolyó áramtól függ. Ha közvetlenül egy áramforráshoz csatlakoztatjuk a LED-et, az túláramot kaphat, ami a LED károsodásához vagy azonnali meghibásodásához vezethet. Az előtét ellenállás feladata, hogy korlátozza az áramot a biztonságos tartományban, biztosítva a LED stabil és hosszú távú működését.
Az ellenállás szerepe az áramkorlátozásban és Ohm törvénye
Hogyan lehet ezt a problémát mégis megoldani? Nos, itt jön be a képbe az emlegetett ellenállás. Ez egy nagyon jó példa az ellenállások egyik nagy felhasználási területére: az áramkorlátozásra. És itt jön képbe az Ohm törvény, azaz U = I x R.
De mit is mond ki az Ohm törvény? Minél több áram folyik keresztül az ellenálláson, annál nagyobb feszültség mérhető rajta. Vagy egy ezzel egyenértékű kijelentés: minél nagyobb az ellenállásra kapcsolt feszültség, annál több áram folyik keresztül rajta. Fontos! Az eszközre jutó feszültséget szabályozzuk és ennek következménye az átfolyó áram!
A beépített ellenállás miatt a feszültségnek az áramra gyakorolt hatása ebben az LED-ből plusz ellenállásból álló áramkörben az alábbi módon változik:
Az eredeti LED-grafikon függőleges „ága” kevésbé meredekké változott a beépített soros ellenállás miatt. Ahogy többletfeszültség jut az ellenállásra, fokozatosan nő az átfolyó áram is. Ez a hatás teljesen lineáris: következménye, hogy az 1,7V-os küszöbfeszültségű LED fényesebben világít 4,9V-os tápegységgel, mint a 3,3V-os tápegységgel. Nos, ennyit az elméleti ábrákról…
Fabia autórádió kiszerelés lépésről lépésre
Előtét ellenállás számítása
De most már pontosan ki is lehet számítani, hogy mekkora ellenállásra van szükségünk! Az előtét ellenállás értékének kiszámításához a következő adatokra van szükség:
- Tápfeszültség (Vtáp): Az áramforrás feszültsége (pl. elem, akkumulátor, tápegység).
- LED nyitófeszültsége (VLED): A LED működéséhez szükséges feszültség (az adatlapján található). Ezt bemeneti túlfeszültségként vagy egyszerűen bemeneti feszültségként is ismerik.
- LED árama (ILED): A LED megfelelő világításához szükséges áram mennyisége, miliamperben (mA). (Az adatlapján található).
Az előtét ellenállás (R) értéke az Ohm törvény átrendezésével számítható ki:
R = (Vtáp - VLED) / ILED
Ahol:
- R az előtét ellenállás értéke (Ohmban).
- Vtáp a tápfeszültség (Voltban).
- VLED a LED nyitófeszültsége (Voltban).
- ILED a LED árama (Amperben - a mA-t át kell váltani Amperre osztással 1000-rel).
Példa Számítás 1.
Tegyük fel például, hogy 3,3V-os tápegységgel szeretnénk meghajtani egy LED-et, és LED adatlapjából a görbesereg segítségével vagy a tapasztalataink alapján 10 mA (0,01A) áramot akarunk átfolyni rajta (a normál LED-ek esetén 5…20mA áramerősséggel lehet számolni). A LED nyitófeszültsége 1,7V (korábban már megállapítottuk).
Így a 3.3V betáp esetén az ellenálláson 1.6V lesz mérhető, ha azon 10 mA áram folyik át. Minthogy az ellenállás és a LED sorosan kapcsolódik egymáshoz az áramkörben - azonos az áram erőssége mindenütt. Mint a víz analógia esetén: ami befolyik, az a túloldalt ki is kell, hogy folyjon.
Az ellenállás értéke így a már megismert Ohm törvényből:
R = (3,3V - 1,7V) / 0,010A = 1,6V / 0,010A = 160 Ω
Azaz az előtét-ellenállásnak a vázolt esetben 160 Ω-nak kell lennie.
Vegyünk elő egy LED-et, és kössünk vele sorba 160 Ω értékű ellenállást: a LED nagyszerűen működik a 3.3V-os tápegységgel. Azonban a 150 Ω-os ellenállás könnyebben beszerezhető - az áramkör ezzel is jól fog működni, mivel az ezzel korlátozott áram erőssége majdnem azonos (10,7mA).
De mi a helyzet akkor, ha nincs 150 Ω-os ellenállásunk sem, csak 1 kΩ-os van hirtelen a fiókban? Nem okoz ez sem problémát, a LED-en keresztül átfolyó áram ekkor kisebb lesz: I = U/R, azaz 1,6V / 1000Ω = 1,6 mA. Ez a kis áramerősség általában még elég ahhoz, hogy a LED világítson (bár nem annyira fényesen, mint az előző esetben (150Ω esetén).
Példa Számítás 2.
Tegyük fel, hogy van egy 12V-os tápegységünk, egy LED-ünk, melynek nyitófeszültsége 3.4V és árama 20mA (0.02A). Az előtét ellenállás értéke:
R = (12V - 3.4V) / 0.02A = 8.6V / 0.02A = 430 Ohm
Ebben az esetben egy 430 Ohmos előtét ellenállásra van szükség.
Több LED kapcsolása: Soros és Párhuzamos elrendezés
Több LED-et is lehet sorosan vagy párhuzamosan kapcsolni.
Soros Kapcsolás
Soros kapcsolás esetén a LED-ek nyitófeszültségei összeadódnak. Az előtét ellenállás számításakor a VLED helyére a LED-ek nyitófeszültségeinek összegét kell behelyettesíteni.
Például, ha 3 darab 3.4V-os LED-et kötünk sorba, akkor a VLED = 3 * 3.4V = 10.2V lesz. A 12V-os tápfeszültség esetén az előtét ellenállás:
R = (12V - 10.2V) / 0.02A = 1.8V / 0.02A = 90 Ohm
Párhuzamos Kapcsolás
Párhuzamos kapcsolás esetén a LED-ek áramai összeadódnak. Fontos, hogy párhuzamos kapcsolás esetén minden LED elé külön előtét ellenállást kell kötni, hogy elkerüljük az áram egyenlőtlen eloszlását és a LED-ek károsodását. Például, ha 3 darab 20mA-es LED-et kötünk párhuzamosan, akkor minden egyes LED-hez az alábbi számítás alapján válasszuk az ellenállást:
R = (12V - 3.4V) / 0.02A = 8.6V / 0.02A = 430 Ohm
Ez azt jelenti, hogy 3 darab 430 Ohmos ellenállásra van szükségünk, minden LED elé egyet-egyet kapcsolva.
Teljesítménydisszipáció az előtét ellenálláson
Az előtét ellenálláson disszipálódó teljesítményt is ki kell számítani, hogy megfelelő méretű ellenállást válasszunk. A teljesítmény számítása:
P = (Vtáp - VLED) * ILED
Ahol:
- P a teljesítmény (Wattban).
- Vtáp a tápfeszültség (Voltban).
- VLED a LED nyitófeszültsége (Voltban).
- ILED a LED árama (Amperben).
A fenti, 12V-os tápegységgel és egy 3.4V-os, 20mA-es LED-del kapcsolatos példában a teljesítmény:
P = (12V - 3.4V) * 0.02A = 8.6V * 0.02A = 0.172W
Ebben az esetben egy 0.25W-os vagy nagyobb teljesítményű ellenállást kell választani.
Gyakorlati tippek és alkalmazási példák
Gyakorlati Tippek
- Adatlap: Mindig nézze meg a LED adatlapját a pontos feszültség- és áramértékekért.
- Tolerancia: Az ellenállásoknak van egy bizonyos toleranciája (pl. 5%), ezért érdemes egy kicsit nagyobb értékű ellenállást választani a biztonság kedvéért.
- Hűtés: Nagyobb teljesítményű ellenállások esetén gondoskodjon a megfelelő hűtésről.
Példa: UV-LED-ek Előtét Ellenállásának Számítása NYÁK-készítéshez
Ha 10 UV-LED-et szeretne használni, melyeknek a nyitófeszültsége 3.4V és egy 12V-os tápegységet használ, akkor a LED-eket sorosan kell kötni, amennyire lehetséges. Ebben az esetben 3 sorba kötött LED csoportot hozhat létre, majd ezeket párhuzamosan kötheti össze. Minden soros csoport elé egy előtét ellenállást kell kötni.
A soros csoportok nyitófeszültsége: 3 * 3.4V = 10.2V. Az előtét ellenállás (a LED-ek árama legyen 20mA):
R = (12V - 10.2V) / 0.02A = 1.8V / 0.02A = 90 Ohm
A teljesítmény:
P = (12V - 10.2V) * 0.02A = 0.036W
Ebben az esetben 3 darab 90 Ohmos, 0.25W-os ellenállásra van szükség.
Gyakori LED feszültségesések és áramkapacitások
Az alábbi táblázat segíthet a LED-ek kiválasztásában, amennyiben nem áll rendelkezésre adatlap.
| LED típus | Feszültségesés (V) | Áramkapacitás (mA) |
|---|---|---|
| Infravörös | 1.6V | 5-20mA |
| Piros | 1.8V - 2.1V | 5-20mA |
| Narancs | 2.2V | 5-20mA |
| Sárga | 2.4V | 5-20mA |
| Zöld | 2.6V | 5-20mA |
| Kék | 3.0V - 3.5V | 5-20mA |
| Fehér | 3.0V - 3.5V | 5-20mA |
| Ibolyántúli | 3.5V | 5-20mA |
Tápegység feszültség opciók
Példák általános tápegység feszültségekre, melyeket felhasználhat LED áramkörökhöz:
- AAA: 1.5V
- AA: 1.5V
- C: 1.5V
- D: 1.5V
- 9 Volt: 9V
- PC áramforrás: 5V (piros) és 12V (sárga)
Összeköthet két vagy több elemet soros kapcsolással, hogy megkapja a feszültségeik összegét. Bizonyosodjon meg róla, hogy egyenáramú áramforrást használ, mint az elemek, falátalakítók vagy PC tápegységek.