Jak podłączyć diodę LED – a tak naprawdę o rezystorach

Podstawy diod LED - jak podłączyć i jak używać rezystorów, by diody nam długo służyły.

Gdzie ten "plus"?

Nawet to co najprostsze, nie zawsze jest proste gdy trzeba samemu to zrobić po raz pierwszy. Diody LED są w różnych kolorach i rozmiarach, mają jednak jedną cechę wspólną – aby dioda świeciła ważne jest w jaki sposób podłączymy zasilanie – plus i masa muszą być podłączone do odpowiednich nóżek. Dlatego najpierw o rozpoznawaniu która nóżka jest która.

Większość diod ma długie nóżki, z tym że jedną bardziej :) tzn jedna jest dłuższa (obrazek po lewej):

Dioda LED z góry ma obudowę okrągła, ale jeżeli przyjrzeć się uważnie okaże się, że z jednej strony jest lekko ścięta (obrazek po prawej). Na tej stronie znajduje się nóżka którą należy podłączyć do masy.

Ale to nie wszystko. Szkopuł tkwi w stwierdzeniu, że jedną nóżkę podłączamy do masy a drugą do zasilania. Jeżeli zrobimy tak podłączając diodę np do zasilacza, prawdopodobnie zobaczycie krótkie mignięcie i potem już dioda nie zaświeci :) Tzn prawdopodobnie zobaczycie mignięcie, bo na pewno już więcej świecić nie będzie.

Każdy element elektroniczny ma określony prąd, który może przez siebie przepuścić nie ulegając zniszczeniu. Nie inaczej jest z diodą. Zasilacze zwykle mają znacznie większą wydajność prądową (maksymalny prąd jaki potrafią wygenerować) niż maksymalny prąd jaki zniesie dioda. Dlatego niezbędny jest w takim układzie element ograniczający prąd maksymalny – jest nim rezystor aka opornik.

Rezystor aka opornik

Do pracy z rezystorami niezbędna będzie nam znajomość prawa Ohma. Mówi ono nam o naszym rezystorze, że napięcie jakie na nim się odłoży będzie równe oporności pomnożonej przez prąd płynący przez rezystor. Czyli jeżeli znamy płynący prąd to wiemy jakie napięcie będzie na rezystorze. I odwrotnie – jak znamy napięcie to możemy wyliczyć jaki prąd popłynie przez rezystor – napięcie w woltach podzielone przez rezystancję.

Najważniejsze rzeczy do zapamiętania:

Widać tutaj liniowość rezystora – wartość rezystancji 10 razy większa – to napięcie przy stałym prądzie jest 10 razy większe, a prąd przy stałym napięciu jest 10 razy mniejszy.

Tutaj mała uwaga – nie jest to perpetum mobile i jeśli ktoś spróbuje podłączyć rezystor 1 Ohm do zasilacza 12V i spodziewać się będzie prądu 12A – to uda się to tylko jeżeli będą spełnione dwa warunki:

  1. wydajność prądowa zasilacza przekracza 12A
  2. moc rezystora przekracza 144W

Najpierw ad 1) zwykle nasz układ zasilamy albo z jakiegoś zasilacza albo z portu w mikrokontrolerze (może to gniazdo oznaczone 5V lub 3.3V w Arduino albo wyjście cyfrowe Arduino). Tego typu zasilacze są źródłami napięciowymi – tzn na ich wyjściu jest gwarantowane stałe napięcie – 5V, 3.3V lub w wypadku zasilaczy regulowanych (opis dla laika: taka czarna kostka wsadzana w gniazdko 220V z przełącznikami napięcia wyjściowego): 3, 6, 9 i 12V. Ale jest ono gwarantowane tylko w pewnym zakresie prądów. Prąd maksymalny zasilacza jest zwykle określony na jego obudowie a w wypadku źródła „na mikrokontrolerze” karcie katalogowej układu. Po przekroczeniu tej wartości nie ma gwarnacji zachowania się zasilacza (włącznie z możliwością uszkodzenia źródła napięcia, choć zwykle posiadają one zabezpiecznia). Czyli pomysł na wielkie prądy nie przejdzie bez odpowiedniego zasilacza.

Ad 2) Już wspominałem, że każdy element elektroniczny ma maksymalny prąd jaki jest w stanie przez niego przejść nie niszcząc go. W przypadku rezystora określa to tzw moc rezystora. Jest to jedna z wielkości opisujących rezystory. Typowe wartości mocy dla zwykłych rezystorów to 0.125W, 0.16W, 0.25W, 0.4W, 0.6W. Moc jest obliczana jest jako iloczyn prądu i napięcia na rezystorze. Sprawdźmy jaki będzie maksymalny prąd dla rezystora 0.16 W o rezystancji 220 Ohm. Z prawa Ohma mamy U=R*I więc skoro P=U*I to podstawiając U mamy P=R*I*I czyli P=RI2 I tak mamy I = sqrt(P/R) (sqrt to pierwiastek). Dla naszych liczb I=sqrt(0.16/220) = 0.02697 A. Wiedząc że 1 mA to 1/1000 A możemy powiedzieć, że maksymalny prąd dla naszego rezystora to 26.97 mA (wynik w amperach 0.02697 mnożymy przez 1000 i dostajemy 26.97 w mili amperach). Po przekroczeniu tej wartości prądu dla tego rezystora może on się spalić zupełnie (przy sporym przekroczeniu) lub trwale zmienić swoje parametry. Innymi słowami nie przekraczać tak wyliczonej wartości dla danego rezystora. Wężykiem!

Co ma dioda do rezystora?

Diody nie są elementami liniowymi (w ogólności) i tutaj jest trochę inaczej.

Po pierwsze jak mówiliśmy ważne gdzie podłączymy zasilanie a gdzie masę (opornikowi jest wszystko jedno, pracuje w obie strony tak samo). Gdy diodę LED podłączymy dobrze, tak aby mogła świecić (z innymi diodami bywa tak, że chcemy ją specjalnie podłączyć odwrotnie, ale tutaj wspominam o tym z kronikarskiego obowiązku, o szczegółach może kiedy indziej) gdy napięcie jest poniżej pewnego progu dioda nie przewodzi – nie płynie przez nią prąd i dioda nie świeci. Po przekroczeniu wartości progowej napięcia prąd zaczyna płynąć i wraz z jego wzrostem napięcie na diodzie rośnie ale nieznacznie w porównaniu do wzrostów prądu. Oto wykres zależności napięcia na diodzie LED (forward voltage) od prądu płynącego przez nią (wzięty z jakiejś karty katalogowej czerwonej diody LED, mniejsza o to jakiej):


Widać najpierw brak przewodzenia dla napięć mniejszych niż 1.9 V, potem wraz ze wzrostem prądu napięcie rośnie ale znacznie wolniej niż prąd. Zaznaczyłem dwukrotny i trzykrotny przyrost prądu – jak widać napięcie nie rośnie dwu i trzykrotnie tak jak miałoby to miejsce w rezystorze. Prąd rośnie z 10 mA na 20 mA, napięcie rośnie z ok 2V do 2.2V, przy wzroście z 10 mA do 30 mA napięcie rośnie z ok 2 V do 2.3V. I choć zmiany te nie są dokładnie liniowe (w pierwszym przypadku zmiana prądu to 10 mA a zmiana napięcia 0.2V, w drugim 20 mA kontra 0.3V) to dla uproszczenia można przyjąć że w głównej części zakresu przewodzenia diody są zwykle liniowe.

Wykres powyższy podaje całą charakterystykę rzeczonej diody – dla prądów stałych płynących przez diodę większych od 50 mA – dioda się spali.

Dużo teorii teraz trochę praktyki. Otóż, nas początkujących interesuje przede wszystkim jak świecić diodą nie paląc jej przy tym. Przy ograniczaniu prądu wystarczą często rachunki przybliżone, co zaraz postaram się pokazać.

Diody LED czerwone zwykle mają napięcia przewodzenia w zakresie 2 – 2.7V – w pierwszym przybliżeniu założymy że jest to 2.3V. Co to znaczy? Ponieważ napięcie na diodzie nie zmienia się radykalnie przy znacznej nawet zmianie prądu to okaże się, że nasze przybliżone wyliczenie prądu będzie nie najgorsze :)

Weźmy diodę, której wykres właśnie oglądaliśmy, skoro zakładamy, że napięcie na diodzie jest 2.3V to jeżeli zasilamy ją 5V, na rezystorze zostanie 2.7V (bo całość napięcia musi się rozłożyć między wszystkie elementy w obwodzie – czyli 5V zasilania minus założone 2.3 V na diodzie daje 2.7V na rezystorze). Biorąc rezystor 220 Ohm przy napięciu 2.7V mamy prąd 2.7/220 = 12.3 mA. Jak widać z powyższego wykresu dla naszej przykładowej diody przy 12 mA napięcie przewodzenia nie będzie założone 2.3V tylko nieco poniżej 2.1V. Ale nawet ta zmiana o 0.2V nie ma dużego wpływu na całość – bo napięcie które się na diodzie nie odłożyło musi się odłożyć na rezystorze. A jeżeli się odłoży większe napięcie o 0.2 to prąd byłby większy o 0.2/220 = 0.9 mA. Byłby, bo zwiększenie prądu zmieni troszkę napięcie na diodzie i tak dalej. Całość się ustali i sądząc po powyższym wykresie prąd będzie około 13 mA a napięcie na diodzie 2.1V.

Tutaj nie ma znaczenia co będzie pierwsze – dioda czy rezystor, to znaczy czy rezystor podłączymy między zasilanie a diodę czy między diodę a masę.

Co zapamiętać?

Kilka punktów podsumowania:

  1. w dużym przybliżeniu – dioda LED gdy pracuje (świeci) nawet z dużym przyrostem prądu przez nią płynącego napięcie trzyma prawie stałe
  2. wyliczanie rezystorów ograniczających prąd może być dokonywane ze sporą dozą przybliżenia, tak długo jak nie próbujemy trafić w skrajne wartości. W naszej przykładowej diodzie, jeżeli będziemy chcieli aby przez nią płyną prąd 5mA, może się okazać że nasze przybliżone obliczenia dadzą wartość rezystora, dla której nie będzie na diodzie 1.9V i dioda nie zaświeci)
  3. im większa wartość prądu, tym dioda świeci jaśniej, ale też skraca się jej żywotność