Wszystko o diodach LED
Przegladajac to forum juz na wstępie zauwazylem powtarzające się pytanie: jak dobrać rezystory do diody Led.. Mam nadzieje, ze w tym temacie wyjasnie wszystkie wątpliwosci:
-----
REZYSTORY
Rezystor, zwany dawniej opornikiem, jest dwukońcówkowym elementem biernym, którego podstawowym parametrem jest rezystancja, wyrażona w ohmach. Zadaniem rezystora jest przede wszystkim ustalenie wartości prądu, lub podział napięcia. Składa się z korpusu, materiału oporowego i pokrycia zabezpieczającego przed uszkodzeniem. Ze względu na możliwości regulacji, rezystory dzieli się na: stałe (których rezystancja została ustalona w czasie produkcji i nie można jej zmienić) oraz nastawne, zwane potencjometrami. W tej części artykułu zajmę się opisem rezystorów stałych.
Jak wspomniałem wcześniej, najważniejszym parametrem w przypadku rezystorów jest rezystancja. Można powiedzieć, że określa ona ile prądu jest w stanie przepłynąć przez rezystor. Mała rezystancja, czyli mały opór umożliwi przepływ większej ilości prądu, niż duża rezystancja stanowiąca duży opór. Wartości rezystancji w przypadku rezystorów stałych, określane są na podstawie “ciągu wartości rezystancji” zwanych popularnie szeregiem. Szereg E24 to:
10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91.
Liczba 33 oznacza na przykład, że kupić możemy rezystor o wartości 3.3, 3, 33, 330 itd. ohmów.
Mówiąc jeszcze o oznaczeniach należy nadmienić, że na schematach stosuję się skróty w zapisie wartości rezystorów. I tak np. 430R oznacza rezystor 430 ohmów. Natomiast 2k oznacza rezystor 2000 ohmów (literka k oznacza tysiąc).
Ważnym parametrem gdy mowa o rezystorach jest ich moc, wyrażona w watach [W]. Prąd płynący przez rezystor powoduje wydzielanie się na rezystorze ciepła. Im prąd większy, tym rezystor bardziej się grzeje. Jeśli zakupi się rezystor o mocy mniejszej niż ta, która teoretycznie powinna wydzielić się na rezystorze, ten może się spalić. Na rynku możemy spotkać rezystory o różnych mocach. Najpopularniejsze to: 0.125W, 0.25W, 0.5W, 1W, 2W i inne. Sposób obliczania potrzebnej mocy przedstawię w dalszej części artykułu.
Na schematach elektrycznych, rezystor oznacza się przy pomocy prostokąta lub zygzaka.
Prawo Ohma
Na rysunku widać rezystor. Do jego nóżek podłączone jest napięcie stałe pochodzące z np. bateryjki. Napięcie oznacza się strzałką, której grot skierowany jest w kierunku napięcia wyższego. W tym przypadku podłączając np bateryjkę 4.5V, tam gdzie plus będzie napięcie 4.5V a tam gdzie minus 0V. Przyjęło się również, że napięcie oznacza się literką “U”.
Ponieważ na rysunku na rezystorze występuje napięcie (różnica potencjałów), zaczyna płynąć prąd wyrażony w amperach [A]. Przyjęło się (znowu), że prąd płynie od wyższego potencjału do niższego, a oznacza się go literką “I”. Na rysunku prąd jest zaznaczony czerwoną strzałką i płynie od plusa, do minusa przez rezystor. Wartość tego prądu określa prawo Ohma, którę przedstawię w trzech postaciach w zależności którą wartość chcemy obliczyć:
gdzie U- napięcie [V], I- prąd [A], R- rezystancja [Ohm].
Przypuśćmy, że do bateryjki 4.5V podłączyliśmy rezystor o wartości 100R. Chcemy się dowiedzieć, jaki prąd popłynie przez rezystor. Napięcie na rezystorze jest takie samo, jak bateryjki czyli 4.5V. Możemy zapisać wzór:
I= Ur/R = 4.5 / 100 = 0.045 [A].
Wiemy już, że przez rezystor 100R, przy napięciu 4.5V popłynie prąd 0.045 ampera.
Kolejnym ważnym punktem kwestii rezystorów (i nie tylko) jest sposób ich łączenia. W przypadku zabawy z diodami najważniejsze będą dwa: szeregowy i równoległy.
Połączenie szeregowe
W przypadku połączenia szeregowego, jeden rezystor podłączony jest do nóżki poprzedniego tak jak na rysunku.
W tym przypadku połączyliśmy trzy rezystory R1, R2 i R3. Cechą połączenia szeregowego jest to, że przez wszystkie elementy w takim połączeniu przepływa taki sam prąd. Różnią się natomiast napięcia na poszczególnych elementach. Inną ważną cechą połączenia szeregowego rezystorów jest, że ich rezystancje się sumują. Gdybyśmy połączyli 4 rezystory o rezystancjach 10, 20, 30 i 40 ohmów szeregowo.. to takie połączenie możemy zastąpić jednym rezystorem o wartości R = 10 + 20 + 30 + 40 = 100 ohmów.
W celu lepszego zobrazowania kwestii połączenia szeregowego proponuję następujące zadanie
Zadanie:
Trzy rezystory o wartościach R1 = 100R, R2 = 200R i R3 = 300R zostały połączone szeregowo. Do końcówek takiego połączenia przyłożono napięcie 6V. Oblicz napięcia na każdym z tych rezystorów
Żeby rozwiązać to zadanie musimy obliczyć prąd I, przepływający przez wszystkie rezystory. W tym celu obliczmy rezystancję zastępczą całego obwodu. Ponieważ rezystory połączone są szeregowo, ich rezystancje możemy dodać uzyskując jeden rezystor: Rz = R1 + R2 + R3 = 100R + 200R + 300R = 600R.
Napięcie na tym rezystorze zastępczym jest takie samo jak napięcie zasilania. Mając rezystancję i napięcie na rezystorze, możemy obliczyć prąd ze wzoru ohma: I=U/R
I=Urz/Rz = 6 / 600 = 0.01 A
Znamy już prąd. Możemy wrócić do poprzedniego układu i obliczyć napięcia na poszczególnych rezystorach ze wzoru Ohma: U=R*I.
Ur1 = R1*I = 100 * 0.01 = 1V
Ur2 = R2*I = 200 * 0.01 = 2V
Ur3 = R3*I = 300 * 0.01 = 3V Zauważmy, że suma poszczególnych napięć na elementach połączonych szeregowo, jest równa napięciu przyłożonemu do tych elementów.
W naszym przypadku: U = Ur1 + Ur2 + Ur3.
Połączenie równoległe
Cechą szczególną połączenia równoległego jest to, że napięcia na elementach połączonych w ten sposób są takie same, natomiast różne są prądy (zupełnie odwrotnie niż w przypadku połączenia szeregowego).
Na rysunku powyżej, jeśli taki obwód zasilimy bateryjką 4.5V, to na każdym z tych rezystorów bez względu na ich rezystancję, pojawi się napięcie 4.5V. Prąd I który wpływa do rozgałęzienia (węzła) rozpływa się na mniejsze prądy I1, I2 i I3. Suma tych prądów jest równa właśnie prądowi I. Zobrazuję to na przykładzie zadania:
Zadanie: Trzy rezystory o wartościach R1 = 50R, R2 = 100R i R3 = 300R połączono równolegle i przyłożono do nich napięcie U = 10V. Oblicz wartość prądów I1, I2 i I3 w poszczególnych gałęziach obwodu i prąd wpływający do rozgałęzienia (węzła).
Jak stwierdzono wcześniej, w przypadku połączenia równoległego napięcia na każdej równoległej gałęzi są takie same. Oznacza to w tym przypadku, że na każdym rezystorze jest 10V. Żeby obliczyć prądy wystarczy skorzystać z prawa Ohma dla każdej gałęzi.
I1 = U / R1 = 10 / 50 = 0,2 A
I2 = U / R2 = 10 / 100 = 0,1 A
I3 = U / R3 = 10 / 300 = 0,03 A
Prąd wpływający do węzła jest sumą prądów I1, I2 i I3.. Czyli:
I = I1 + I2 + I3 = 0,2 + 0,1 + 0,03 = 0,33 A
Warto jeszcze wspomnieć o obliczaniu rezystancji zastępczej połączonych równolegle rezystorów. Wiedza ta nie jest niezbędna przy budowaniu oświetlenia na LEDach, ale dobrze ją posiadać. Rezystancję zastępczą oblicza się z następującego wzoru:
Dla zadania wyżej rozwiązanie będzie wyglądało następująco:
W ten sposób powstał nam obwód z jednym rezystorem o wartości 30,3R. Sprawdźmy, czy obliczenia są prawidłowe. Korzystając ze wzoru Ohma obliczmy prąd I w obwodzie.
I=10/30,3 = 0,33 A, czyli dokładnie taki sam jak w przypadku liczenia prądów, w poszczególnych gałęziach i zsumowaniu ich. Nasze obliczenia są prawidłowe.
Przydatną dla nas cechą w przypadku budowania oświetlenia na LEDach jest to, że w przypadku przepalenia jakiegoś elementu w którejś gałęzi, prąd przestaje płynąć tylko w tej uszkodzonej gałęzi.
Na rysunku w drugiej gałęzi przerwał się przewód. Dlatego przez drugi rezystor prąd płynąć nie będzie, natomiast prądy I1 i I3 przepływać będą dalej.
Połączenie równoległo-szeregowe
Innym połączeniem przydatnym przy budowaniu oświetlenia jest połączenie stanowiące hybrydę dwóch poprzednich.
Jak widać na rysunku polega ono na tym, że niektóre elementy są łączone szeregowo, a potem takie grupy szeregowe podłączane są do napięcia równolegle. Jak widać na załączonym rysunku, w gałęzi pierwszej znajdują się dwa rezystory. Przez te dwa rezystory przepływa ten sam prąd I1, natomiast napięcia na rezystorach Ur1 i Ur4 będą się różnić. Ważne jednak jest to, że suma napięć na poszczególnych elementach w gałęzi, równa jest napięciu zasilającemu. Zapisując to wzorami:
U = Ur1 + Ur4
U = Ur2 + Ur5
U = Ur3 + Ur6
W moim projekcie oświetlenia nocnego zastosowałem właśnie taki sposób łączenia tyle, że w każdej gałęzi zamiast jednego rezystora była dioda.
Moc rezystora
Bardzo ważnym parametrem w przypadku rezystorów (i wszystkich innych części elektronicznych) jest ich moc. Rezystor pod wpływem przepływającego prądu wydziela ciepło. Im wyższe napięcie przyłożymy do rezystora, tym większy prąd przez niego przepływa. Gdy prąd będzie bardzo duży, ilość ciepła wydzielana przez rezystor będzie dość znaczna i może on ulec przepaleniu. To tak, jakbyśmy próbowali przepchać banana (duży prąd) przez słomkę (rezystor małej mocy).
Moc wyrażamy w watach [W], we wzorach oznaczamy literką “P” a obliczyć ją możemy z
Zadanie:Do bateryjki 4.5V podłączono rezystor o rezystancji 100R. Jaka wydzieli się na nim moc?
Mamy podane napięcie przyłożone do rezystora i jego rezystancję więc skorzystam ze wzoru drugiego (mogę obliczyć również z prawa Ohma prąd przepływający przez ten rezystor i skorzystać z pozostałych wzorów):
Jak widać, na rezystorze wydzieli się 0,2 wata. Oznacza to, że musimy kupić rezystor o większej mocy niż 0,2 wata. Jak pisałem wcześniej, na rynku spotkamy rezystory o mocach 0.125, 0.25, 0.5 itd. Dlatego aby wszystko dobrze działało, należy kupić rezystor o mocy 0.25W.
Jeśli do tego rezystora przyłożymy napięcie np 50V, oznacza to, że wydzieli się na nim 25W ciepła! To prawie piecyk!!! Im większą moc posiadają rezystory, tym większe są ich rozmiary.
Na szczęście w przypadku oświetlenia LED, przy niskich napięciach zasilania rzędu paru woltów, rezystory 0,25W w zupełności wystarczą.
