Параллельное соединение диодов что дает?

Параллельное соединение диодов

В электротехнике нередко возникает необходимость в получении выпрямленного тока, который превышает предельную величину, соответствующую одному диоду. В таких случаях, применяется параллельное соединение диодов одного типа. Это позволяет равномерно распределить проходящий через них ток. Однако, не всегда удается добиться такой равномерности, поэтому приходится прибегать к искусственному выравниванию прямых сопротивлений диодов. Для этого используются добавочные сопротивления с небольшой величиной, включаемые в последовательную цепь с каждым диодом. В результате, получается работающая схема со всеми необходимыми параметрами.

  1. Для чего диоды соединяются параллельно
  2. Последовательное соединение
  3. Ошибки при пайке транзисторов и диодов

Для чего диоды соединяются параллельно

Основной целью параллельного соединения диода является увеличение их прямого тока. Это основной параметр каждого диода. Однако, существует большое количество диодов, рассчитанных на различные значения токов в самом широком диапазоне. Поэтому, обычное параллельное соединение полностью не решает вопроса по увеличению общего прямого тока.

Если каждый из диодов, включенных параллельно, будет обладать прямым током в 1 ампер и максимальным обратным напряжением 100 вольт, то вся цепочка будет иметь параметры в 3 ампера и 100 вольт. То есть, параллельное включение предполагает возрастание прямого тока, пропорционально количеству включенных диодов. При этом, максимальное значение обратного напряжения остается неизменным.

Когда производится параллельное соединение диодов с разными характеристиками, то и распределение прямого тока будет неравномерным. Диод, имеющий наименьшее сопротивление, будет брать на себя в прямом направлении большее количество тока. При наступлении определенных обстоятельств, такое превышение может стать критическим и привести к пробою диода. Для того, чтобы избежать подобной ситуации, с каждым светодиодом последовательно подключается резистор. Их сопротивление выбирается из расчета, что напряжение будет падать не более чем на 1 вольт.

Кроме параллельного, в электрических цепях нередко используется последовательное соединение диодов, что при определенных обстоятельствах имеет решающее значение.

Последовательное соединение

В электротехнике используется не только параллельное соединение диодов. Для высоковольтных цепей нередко применяется их последовательное соединение. При таком варианте соединения происходит равномерное распределение напряжения между всеми подключенными диодами.

Тем не менее, здесь также необходимо учитывать различные значения обратных токов. Таким образом, в случае последовательного включения, будет наблюдаться падение большей части приложенного напряжения на диоде, имеющем минимальный обратный ток. В случае превышения допустимого значения обратного напряжения, может произойти пробой диода. Поэтому, здесь также падение напряжения искусственно выравнивается, для чего используются специальные шунтирующие сопротивления.

Ошибки при пайке транзисторов и диодов

Параллельное соединение резисторов

Последовательное и параллельное соединение резисторов

Напряжение при последовательном и параллельном соединении резисторов

Сопротивление при последовательном и параллельном соединении резисторов

Последовательное и параллельное соединение проводников

Какая схема подключения светодиодов лучше — последовательная или параллельная

Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.

Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).

Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.

Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:

Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.

Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.

Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.

Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).

Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожжёте его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).

К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.

Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:

А самое неприятное то, что проводимость любого светодиода (который по сути является p-n-переходом) находится в очень сильной зависимости от температуры. На практике это приводит к тому, что по мере разогрева светодиода, ток через него начинает неумолимо возрастать. Чтобы вернуть ток к требуемому значению, придется понижать напряжение. В общем, как ни крути, а без контроля тока никак не обойтись.

Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.

Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.

Параллельное подключение

При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).

Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.

Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:

Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.

Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.

В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:

Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.

Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.

Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):

Uпит ILED
5 мА 10 мА 20 мА 30 мА 50 мА 70 мА 100 мА 200 мА 300 мА
5 вольт 340 Ом 170 Ом 85 Ом 57 Ом 34 Ом 24 Ом 17 Ом 8.5 Ом 5.7 Ом
12 вольт 1.74 кОм 870 Ом 435 Ом 290 Ом 174 Ом 124 Ом 87 Ом 43 Ом 29 Ом
24 вольта 4.14 кОм 2.07 кОм 1.06 кОм 690 Ом 414 Ом 296 Ом 207 Ом 103 Ом 69 Ом

При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.

Читайте также  При параллельном соединении конденсатор равен const

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64. 106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

  1. выходной ток;
  2. максимальное выходное напряжение;
  3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3. 4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Светодиоды Какой нужен драйвер
60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835) см. схему на TL431
150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730) драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов)
300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода)
700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды) драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов)
3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6) драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

Последовательное и параллельное подключение 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?

  • Параллельное соединение
  • Пример расчета
  • Последовательное соединение
  • Пример расчета
  • 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.

  • источник напряжения U = +5 В;
  • LED1 – красного свечения с ULED1 = 1,8 В и ILED1 = 0,02 А;
  • LED2 – белого свечения с ULED2 = 3,2 В и ILED2 = 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.

Читайте также  Как соединить конденсаторы для увеличения емкости?

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 ILED = 0,7 А и прямое напряжение ULED = 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.

Основы параллельного и последовательного подключения светодиодов

Светодиодная техника – последнее достижение светотехники, которое внесло изменения в освещение жилья, улиц, общественных мест, транспорта. Их применение имеет ряд особенностей по видам подключения: последовательное соединение светодиодов, параллельное или смешанное. Каждый из этих видов имеет положительные и отрицательные стороны. Последовательное допускает подсоединение к высоковольтной сети, а недостатком является ненадежность. Остальные виды также имеют свои плюсы и минусы.

Параллельное включение

Светодиод (СД, LED ) — микроэлемент, работа которого зависит от многих параметров. Погрешности в микротехнологиях приводят к тому, что вольт-амперная характеристика каждого отдельного СД отличается. Поэтому порог срабатывания («включения») всех диодов одновременно различен. Это допускается стандартами качества и это необходимо учитывать при построении электросхем. Параллельное соединение светодиодов требует именно такой настройки для их одновременного срабатывания.

На электросхеме видно, что для каждого СД выбирается свой резистор. При настройке резисторы R1-R6 регулируют работу всей системы. Порог срабатывания каждого диода лежит в пределах 2,5-3,0 Вольт, поэтому резисторы необходимо подбирать под каждый диод.

Положительным показателем является низковольтная характеристика. Уровень срабатывания одного LED составляет до 3,0 В, поэтому можно рассчитать весь световой узел на низкое напряжение.

Существенным достоинством параллельного подсоединения является «живучесть» такого варианта. При выходе из строя одного светодиодного элемента система продолжает работать и давать освещение.

Это качество используется в мини-приборах, когда важна миниатюризация и они собраны на аккумуляторных «таблетках». Подобные поделки широко выпускаются промышленностью и предназначены для небольших задач — местной подсветки, в рекламных целях и т.д.

Преимущества и недостатки

Преимуществами параллельного подключения СД являются: низкое напряжение питания схемы, что дает возможность построения миниатюрных приборов; высокая «живучесть» системы, так как каждый диод подключен напрямую к источнику тока. Недостатками – необходимость настройки каждого СД, что ведет к увеличению числа элементов (резисторов); необходимость отдельного источника тока (или драйвера) при использовании электросетей общего назначения.

Последовательное включение

При последовательном соединении светодиодов в электросхеме исключены индивидуальные настройки цепи каждого СД в отдельности. Но есть и свои особенности.

Схема настраивается одним резистором, при этом происходит срабатывание всех диодов одновременно. Преимуществом этого соединения является малокомпонентность и простота. Недостатком – невысокая «живучесть»: при выходе из строя одного СД выключается вся система.

Последовательный способ подключить LED-приборы позволяет использовать высоковольтные источники тока. Обычно это стационарные осветительные приборы различного назначения, использующие стандартные общественные электросети.

Системы СД с напряжением 12 В

LED-устройства, рассчитанные на 12 В, как правило принадлежат к классу автомобильного света. Автомобильная сеть имеет стабилизаторы, поэтому необходимости по выравниванию напряжения нет. LED-свет в автомобилях стал популярным – многие фирмы широко применяют светодиодную подсветку в моделях для освещения дороги и работы сигнализации, подсвечивания салона, багажника и приборной панели. Однако применение в автомобилях СД привело к повышению цены световых элементов, особенно головного света и сигнальных светоблоков. В некоторых премиальных моделях стоимость блок-фары сопоставима с ценой недорогого автомобиля.

Также 12-вольтовые LED-диоды используются в строительстве и отделке жилых помещений. Часто это светодиодные ленты, которые не только освещают комнату, но и создают световые инсталляции. Для этого необходима установка понижающих трансформаторов или драйверов, подключенных к домовым электросетям и обеспечивающих долгую работу диодов.

Системы СД напряжением 220 В

Такие диодные системы самые распространенные. Светодиоды с последовательным соединением, рассчитанные на 220 В, служат для освещения больших помещений, применяются в мощных прожекторах, в уличном освещении, сигнальных системах аэропортов и т.д.

Приведенный вариант последовательного соединения на 220 В представляет простейший способ подключить цепочку диодов с малым числом компонентов.

Смешанное подключение светодиодов

Этот вид подключения использует достоинства параллельного и последовательного включения СД. Смешанное (или гибридное) подключение используется в сложных LED-системах, имеющих большое число световых точек и совмещающих мощные узконаправленные светильники и рассеянный свет.

Смешанные соединения реализуют достоинства параллельного и последовательного включений для повышения надежности всей системы: если перегорает один из диодов, то вся схема остается работоспособной, при этом остальные СД не испытывают перенапряжения и сохраняют ресурс.

Распространенные ошибки при подключениях

Светодиод – это токовый элемент, который «болезненно» реагирует на повышения протекающего тока. Это надо учитывать при создании систем, включающих СД, где много элементов, влияющих на работу диодов и их ресурс. Это является распространенной ошибкой и касается LED-систем на аккумуляторных батареях: если батарея недостаточно мощная, то протекающий ток ограничивается ее внутренним сопротивлением, что не позволит превысить граничные значения токовых характеристик диодов и не приведет к выходу их из строя.

Для систем, включающих диоды, лучшими считаются с последовательным соединением. Они простые в разработке и производстве, малоэлементные, надежные в эксплуатации, обеспечивают подключение к высоковольтным источникам без применения понижающих трансформаторов.

Конечно, системы с параллельным подсоединением имеют свои достоинства – возможность использования в миниатюрных приборах. Но они требуют низковольтных источников тока.

Для увеличения надежности и ресурса LED-систем применяются стабилизаторы и драйверы, что позволяет избегать ошибок при проектировании и дает возможность использовать все виды подключений.

Тематическое видео: Для чего диоды соединяют последовательно и параллельно.

Выбор нужного драйвера

Драйверы – это электронные блоки питания, используемые при подключении СД, которые чувствительны к превышению токов. Эти приборы в основном построены на принципах широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая обеспечивает максимальный КПД системы и автоматическое регулирование тока. При выборе нужного драйвера для LED-схемы учитываются:

  • входное и выходное напряжение;
  • выходной ток;
  • выходная мощность;
  • степень защиты от окружающей среды.
Читайте также  Как соединить дюралайт с дюралайтом?

Входное и выходное напряжения – это требования параметров сети: переменное или постоянное (домовая сеть 220 В — переменное, автомобильная сеть 12 В — постоянное). Ток нагрузки рассчитывается по количеству светодиодов и их токовых данных. Выходная мощность определяется мощностью всей схемы. Степень защиты зависит от того, где размещается светильник – на улице или в помещении.

Используем параллельное соединение нескольких MAX40200 в качестве идеального диода

В данной статье рассматривается возможность использования нескольких интегральных схем (ИС) MAX40200 производства Maxim Integrated в параллельном подключении, а также их комбинированные параметры. Совместное применение нескольких ИС MAX40200 в роли идеального диода должно суммарно обеспечивать такие же характеристики, как и у одного более крупного устройства.

Общие рекомендации

MAX40200 – это идеальный диодный токовый переключатель с настолько малым падением напряжения прямого смещения на полупроводниковом переходе, что оно почти на порядок меньше, чем у диодов Шоттки. В MAX40200 реализована защита самой ИС и подключенных к выходу цепей от превышения температуры. В отключенном состоянии (на выводе EN установлен низкий уровень) ИС блокирует прямое и обратное напряжения до 6 В, что делает ее пригодной для большинства низковольтных портативных электронных устройств. При обратном смещении диодного перехода MAX40200 ток утечки меньше, чем у многих сопоставимых диодов Шоттки. MAX40200 работает с напряжением питания 1,5…5,5 В.

Идеальный интегральный диод MAX40200 имеет целый ряд преимуществ, среди которых:

  • незначительный ток в дежурном режиме – 7 мкА;
  • малая рассеиваемая мощность – всего 125 мкА при токе 1 А;
  • небольшое падение напряжения (примерно 18 мВ) для прямого тока – до 100 мА;
  • время переключения между прямым и обратным напряжением смещения – менее 100 мкс;
  • компактный корпус типа WLP с четырьмя выводами;
  • отпирающий/запирающий сигнал и тепловая защита.

Одной из важных особенностей ИС MAX40200, применяемой в качестве идеальных диодов, является использование MOSFET вместо обычной биполярной полупроводникой технологии, что позволяет, по сути, обеспечить для нагрузки гальваническую развязку по току. В данной статье исследуются характеристики нескольких параллельно соединенных ИС MAX40200.

Комплект из нескольких идеальных диодов должен обеспечивать те же характеристики, что и один более мощный диод. Для этого необходимо подобрать некоторое количество MAX40200. Например, можно использовать две параллельно соединенных ИС для системы на 2 А и, соответственно, четыре параллельных ИС для системы на 4 А.

Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показаны четыре параллельно подключенных MAX40200, которые обеспечивают ток до 4 А. Если все ИС размещены близко друг к другу, то они имеют почти одинаковую температуру. И, следовательно, при одинаковой температуре должны иметь сходные характеристики. На рисунке 2 показана зависимость падения прямого напряжения на ИС от протекающего постоянного тока. На рисунке 3 сравниваются графики зависимости напряжения от тока для одной и четырех ИС MAX40200, подтверждающие, что характеристики для одного устройства MAX40200 и для четырех MAX40200 очень похожи.

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

На рисунке 4 представлена схема с открытием и закрытием диодов для протекающего тока. На рисунках 5 и 6 представлены наблюдаемые результаты.

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (IFWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (IFWD = 4 A)

Обратите внимание, что VIN на рисунке 5 представляет важный переходный процесс. Это связано с тем, что переходная характеристика меняющейся нагрузки источника питания используется при токе 0…4 А. Этот переходный процесс также виден на VLOAD.

На рисунке 7 представлена схема для измерения переходных характеристик на нагрузке. Здесь могут возникать условия для появления кратковременной повышенной нагрузки, когда проводящее устройство должно быть способным обеспечить необходимый ток с незначительными колебаниями VFWD. Это связано с тем, что VLOAD (V) обычно является источником питания для последующих цепей. На рисунке 8 показаны переходные процессы при изменяющейся нагрузке.

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (IFWD = 200 мА…3,8 A)

В показанной на рисунке 9 схеме используется стандартный диод Шоттки CMCH5-20 (20 В, 5 А) вместе с четырьмя ИС MAX4200. Переходный процесс создан на участке VIN2, чтобы имитировать вариант схемы диодного «ИЛИ» для выбора пути тока.

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Когда VIN2 (3,3 В) меньше чем VIN1 (3,6 В), выбранным источником напряжения будет VIN1 и диод D1 оказывается обратносмещенным. Когда VIN2 будет более 3,6 В, D1 переходит в проводящее состояние, а U1…U4 выключаются. На рисунках 10а и 10б отображены переходные характеристики схемы, представленной на рисунке 9.

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Особенности трассировки печатной платы

На рисунке 11 показан типичный пример размещения дорожек на печатной плате для четырех параллельно соединенных ИС MAX40200. Как видно, цепи VDD и OUT на плате имеют медные площадки большого размера для уменьшения сопротивления и плотности тока. Обе цепи – VDD и OUT – размещены на верхней стороне платы без использования межслойных перемычек. Поскольку физический механизм, обеспечивающий разделение тока нагрузки, является тепловым, параллельно соединенные идеальные диоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. Учитывая вероятность повышенных токов или отсутствия параллельно подключенных компонентов, следует использовать печатную плату с наиболее толстым слоем меди. Это помогает лучше рассеивать выделяющееся тепло и уменьшает падение напряжения при высоких токах. Обратите внимание, что корпус WLP оптимален для параллельного соединения нескольких устройств – этому способствуют его небольшие размеры и хорошая теплопроводность.

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Как показано на рисунке 12, отдельные компоненты размещены с зазором в 12 мм, что гарантирует термическую равноценность всех ИС MAX40200. Параллельно соединенные ИС следует защитить от повышенного теплового воздействия внешних источников тепла. В противном случае все работающие при высокой температуре устройства будут иметь повышенное RON. Неравномерное распределение температуры на плате под установленными ИС приводит к неравному разделению тока. Не рекомендуется использовать переходные отверстия на основных проводящих участках платы (VDD или OUT), так как они добавляют паразитную индуктивность и увеличивают эффективное RON в основной цепи, таким образом повышая прямое падение напряжения (VFWD).

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

На рисунке 13 показана разница температур окружающей среды и платы с параллельно соединенными MAX40200. Обратите внимание что разность температур прямо пропорциональна прямому току нагрузки, проходящему через эти устройства. Данный результат был получен на плате, изображенной на рисунке 12.

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Почему так хорошо работают блоки из нескольких параллельных диодов

Сопротивление открытого канала MOSFET имеет резко положительный температурный коэффициент, который гарантирует, что более горячий MOSFET имеет большее сопротивление, чем более холодный, что приводит к протеканию через него немного повышенного тока. Поэтому для двух таких MOSFET устанавливается тепловой баланс, соответствующий токовому балансу. Такой тепловой баланс гарантируется правильной компоновкой печатной платы. Вообще, плотное размещение компонентов является обоснованным. Но если на плате есть другое устройство, которое рассеивает много тепла, то вызванный им тепловой градиент изменяет баланс распределения тока для параллельно соединенных идеальных диодов.

Разница между обычным корпусом и WPL – корпусом на базе подложки кристалла

Описанное выше исследование было проведено для корпуса WLP (Wafer Level Package) и является оптимальным для параллельного использования нескольких корпусов, поскольку очень малый размер, электрические характеристики этого типа интегральной упаковки и хорошая теплопроводность позволяют обеспечить достаточную термическую связь, чтобы сделать такой подход более удобным с практической точки зрения.

Из-за более высокого теплового сопротивления в корпусе типа SOT23 (обусловленного сопротивлением внутреннего соединения проводов) распределение тока и прямое падение напряжения (VFWD) –несколько хуже, чем в случае с корпусом WPL. Значительное влияние, даже при плотно размещенных корпусах типа SOT, оказывают и любые дополнительные перепады температур. Для идеальных диодов в таком корпусе рекомендуется понизить размеры до 75% от указанных в спецификации.

Заключение

Интегральный диод MAX40200 одинаково хорошо показал себя при параллельном соединении как двух, так и четырех ИС. И статические, и переходные характеристики показывают, что распределение тока является близким к поведению идеального диода, а переходные характеристики не ухудшаются. Несколько MAX40200 могут быть применены в тех случаях, когда требуется повышенный ток или пониженное падение напряжения.