Последовательное и параллельное соединение светодиодов

При последовательном соединении катод одного светодиода подключают к аноду следующего. Через всю цепочку проходит один и тот же ток, поэтому для одинаковых компонентов достаточно одного общего резистора или одного канала драйвера постоянного тока.

Напряжение питания должно превышать сумму прямых напряжений всех светодиодов. Оставшаяся разность приходится на ограничительный элемент:

Если к источнику 12 В подключить три белых светодиода с Uf около 3 В, на резисторе останется примерно 3 В. При требуемом токе 15 мА расчётное сопротивление составит 3 / 0,015 = 200 Ом. Фактический ток проверяют для максимального напряжения источника и минимального Uf.

Количество светодиодов нельзя увеличивать до тех пор, пока сумма Uf почти не сравняется с питанием. Резистору или линейному драйверу требуется запас напряжения для управления током. Если запаса недостаточно, яркость начинает заметно зависеть от разброса компонентов и изменения питания.

Для проверки количества компонентов, сопротивления и мощности подходит калькулятор последовательной цепи светодиодов.

При параллельном соединении начала ветвей подключают к одной точке питания, а концы – к общей обратной линии. Напряжение на каждой ветви одинаково, но общий ток источника равен сумме токов всех работающих ветвей.

Два светодиода одной модели могут иметь немного разное прямое напряжение. Компонент с меньшим Uf принимает больший ток, сильнее нагревается, а нагрев способен дополнительно изменить его электрический режим. Поэтому одинаковый внешний вид не гарантирует равномерного распределения.

Для трёх ветвей по 10 мА источник должен обеспечивать не менее их суммарного рабочего тока – 30 мА, дополнительно учитываются ток остальных узлов и необходимый запас источника. Резистор каждой ветви рассчитывают по её Uf, а не по суммарному току всей группы.

Проверить ток одной ветви, общий ток и мощность можно через калькулятор параллельных светодиодов.

Смешанная схема состоит из нескольких последовательных цепочек, подключённых параллельно. Она позволяет использовать повышенное напряжение питания эффективнее, чем схема с одиночными параллельными светодиодами, и не требует включать все компоненты в одну длинную цепь.

Типовая структура выглядит так:

В каждой ветви должен находиться собственный резистор или стабилизатор тока. Для равномерной яркости ветви составляют из одинакового количества светодиодов одного типа. Нежелательно объединять под одним расчётом цепочки с разным цветом или разным числом кристаллов, потому что их суммарное Uf будет отличаться.

Сначала рассчитывают одну последовательную ветвь: суммируют Uf, выбирают ток, сопротивление и мощность резистора. Затем ток ветви умножают на количество параллельных цепочек и по результату выбирают источник, проводники, разъёмы и управляющий ключ.

Такая топология применяется в линейках, панелях и самодельных световых модулях. В готовой светодиодной ленте последовательные группы и резисторы уже сформированы производителем, поэтому её подключают как готовую нагрузку на указанное напряжение.

Выбор топологии влияет не только на количество проводов. Он определяет требуемое напряжение, ток источника, число ограничительных элементов и реакцию всей схемы на повреждение одного светодиода.

Последовательное соединение удобно при достаточном напряжении питания и одинаковом токе всех компонентов. Параллельные ветви подходят для независимой работы, но увеличивают суммарный ток. Смешанная схема обычно оказывается практичнее при большом количестве светодиодов.

Допустимое количество светодиодов в последовательной ветви зависит от их Uf и запаса напряжения на резисторе или драйвере. Значения ниже являются ориентировочными примерами для белого светодиода с Uf около 3 В.

Для красных светодиодов Uf обычно ниже, поэтому в ту же цепочку может поместиться больше компонентов. Это не означает, что количество выбирают только по цвету: точный диапазон прямого напряжения берут из документации.

При питании 5 В два белых светодиода последовательно чаще всего не получают достаточного запаса напряжения. В такой ситуации используют отдельные параллельные ветви с резисторами, повышающий драйвер либо другой источник питания.

В автомобильной и аккумуляторной системе расчёт ведут не по надписи «12 В» или «24 В», а по фактическому диапазону напряжения. Максимальное значение определяет наибольший ток и нагрев, минимальное – возможность сохранить требуемую яркость.

Источник питания выбирают после определения структуры ветвей. Для последовательной цепочки главным ограничением становится доступное напряжение, для параллельной группы – суммарный ток, а для смешанной схемы учитывают оба параметра.

Проверку выполняют по порядку:

1. Найти максимальную сумму Uf одной последовательной ветви.
2. Добавить запас напряжения, необходимый резистору или драйверу.
3. Рассчитать рабочий ток каждой ветви.
4. Сложить токи всех одновременно включённых ветвей.
5. Учесть потребление контроллера, датчиков и остальных узлов.
6. Выбрать источник с допустимым запасом по току и мощности.
7. Проверить проводники, разъёмы и ключи по максимальному току.

Запас источника не исправляет ошибку ограничения тока отдельного светодиода. Блок на 5 А не заставляет цепь потреблять все 5 А, но при неправильном резисторе способен поддерживать аварийный ток до разрушения компонента или проводника.

Для ШИМ-управления источник и ключ рассчитывают по току включённого состояния, а не по среднему значению яркости. Также учитывают одновременное включение всех каналов RGB или нескольких групп, если такой режим возможен программно.

Поведение схемы при отказе зависит от топологии и характера повреждения. При обрыве светодиода в последовательной цепочке ток прекращается и гаснут все компоненты этой ветви. В параллельной схеме остальные исправные ветви продолжают работать.

Короткое замыкание одного светодиода в последовательной цепи уменьшает суммарное прямое напряжение. На резисторе или драйвере остаётся большее напряжение, поэтому ток и нагрев могут измениться. Насколько сильно – зависит от способа ограничения тока. В параллельной ветви короткое замыкание особенно опасно, если защита и резистор не рассчитаны на такой режим.

Если вся группа перестала светиться, проверку начинают не с замены каждого компонента:

• измеряют выходное напряжение источника без нагрузки и под нагрузкой;
• проверяют целостность проводов и соединений;
• измеряют напряжение на входе каждой ветви;
• ищут обрыв в погасшей последовательной цепочке;
• проверяют резисторы и драйвер на перегрев;
• только затем проверяют отдельные светодиоды.

Одинаковая неисправность по-разному проявляется в разных схемах. Полностью погасшая последовательная цепочка не означает, что повреждены все светодиоды, а продолжающие светиться параллельные ветви не исключают перегрузку источника после частичного отказа.