So dimensionieren Sie einen LED-Strombegrenzungswiderstand

Der eine Widerstand, den Sie sich nicht leisten können, zu überspringen

Jeder Ingenieur hat es mindestens einmal gemacht: Er hat eine LED direkt an eine Versorgungsschiene angeschlossen und beobachtet, wie sie brillant blinkt — etwa eine halbe Sekunde lang —, bevor es für immer dunkel wurde. LEDs sind strombetriebene Geräte mit einer exponentiellen V-I-Charakteristik, was bedeutet, dass selbst eine geringe Überspannung eine zerstörerische Menge an Strom durch die Verbindungsstelle treibt. Ein Serienwiderstand zur Strombegrenzung ist die einfachste, kostengünstigste und zuverlässigste Methode zur Einstellung des Betriebspunkts.

Das klingt trivial, und die Mathematik ist einfach. In der Praxis bedeutet die Wahl des richtigen Werts jedoch, die Standardwiderstandsserie, die tatsächliche Stromabweichung und die Verlustleistung im Widerstand selbst zu berücksichtigen — insbesondere, wenn Sie Dutzende von LEDs auf einer Schalttafel platzieren oder LEDs mit hoher Helligkeit über eine 24-V-Industriestromversorgung ansteuern. Ich habe viele Platinen mit verkohlten 0603-Modulen nach der Montage wiederbekommen, weil jemand einen 5-V-Stromkreis in ein 24-V-Design kopiert hat, ohne das Leistungsbudget erneut zu überprüfen.

Die Fundamentalgleichung

Der Widerstand senkt die Differenz zwischen der Versorgungsspannung$V_S$und der LED-Durchlassspannung$V_F$und stellt den Strom nach$I_F$ein:

Das war's. Aber die Nuance steckt in den Details, und diese Details sind wichtiger, als Sie denken:

$V_F$variiert je nach LED-Farbe und Hersteller. Bei einer roten LED fallen normalerweise 1,8—2,0 V an, bei einer weißen oder blauen LED dagegen 3,0—3,4 V. Schauen Sie immer im Datenblatt nach, aber diese Bereiche decken die überwiegende Mehrheit der Durchgangsloch- und SMD-Anzeige-LEDs ab. Normalerweise füge ich einen Rand von 0,2 V hinzu, wenn ich mir des genauen Teils noch nicht sicher bin. Es ist besser, ihn leicht zu unterschätzen und am Ende eine dunklere LED zu haben, als ihn beim ersten Einschalttest zu überschätzen und zu durchbrennen. $I_F$hängt von Ihrer Anwendung ab. 20 mA ist der klassische „Standardhelligkeitswert“ für 5-mm-Durchgangsloch-LEDs, aber moderne LEDs mit hohem Wirkungsgrad sind bei 1—5 mA perfekt sichtbar. Das ist wichtig, wenn Sie im Akkubetrieb arbeiten oder 50 Status-LEDs haben, die sich das gesamte I/O-Budget eines Mikrocontrollers teilen. Ich hatte schon Designs, bei denen die Reduzierung von 20 mA auf 2 mA pro LED genug Strom sparte, um die Akkulaufzeit um 30% zu verlängern. Sie wären überrascht, wie hell eine gute moderne LED mit nur ein paar Milliampere ist. Der exakte Widerstand erreicht fast nie einen Standardwert. Sie müssen den nächstgelegenen Wert aus der E24-Serie (oder E96, wenn Sie Widerstände von 1% verwenden) wählen, wodurch sich der tatsächliche Betriebsstrom verschiebt. Die meisten Ingenieure überspringen diesen Schritt und verwenden einfach das, was die Formel ausgibt, und fragen sich dann, warum ihre LED etwas heller oder dunkler ist als erwartet. Die E24-Serie hat einen Abstand von etwa 10% zwischen den Werten, sodass Sie fast garantiert ein paar Prozent daneben liegen.

Funktioniertes Beispiel: Weiße LED an einer 5-V-Versorgung

Nehmen wir an, Sie steuern eine weiße Anzeige-LED über eine 5-V-USB-Versorgung mit einer Standardspannung von 20 mA an. Das Datenblatt listet die typischen$V_F = 3.2\,\text{V}$auf.

Schritt 1 — Den exakten Widerstand berechnen: Schritt 2 — Wählen Sie den nächstgelegenen E24-Wert.

90 Ω ist nicht in der E24-Serie. Die nächstgelegenen Standardwerte sind 82 Ω und 91 Ω. Sie runden fast immer auf auf, um den Strom zu begrenzen. Wählen Sie also$R_{E24} = 91\,\Omega$. Das Aufrunden schützt die LED — Sie erhalten etwas weniger Strom, was in Ordnung ist. Abrunden bedeutet, dass Sie mehr Strom durch die Verbindungsstelle leiten. Wenn Ihre Versorgungsspannung etwas hoch ist oder der$V_F$der LED am unteren Ende des Toleranzbandes liegt, könnten Sie die absolute maximale Nennleistung überschreiten.

Schritt 3 — Berechnen Sie den tatsächlichen Strom mit dem E24-Widerstand: Das ist innerhalb von 1% des Ziels — absolut akzeptabel. Die LED wird den Unterschied nicht erkennen. Schritt 4 — Überprüfen Sie die Verlustleistung im Widerstand:

Mit dem exakten Widerstand:

Mit dem E24-Wert:

§4 §

Ein standardmäßiger 0603-SMD-Widerstand mit einer Nennleistung von 100 mW bewältigt dies problemlos. Hier gibt es keine Bedenken. Sie haben einen fast 3-fachen Spielraum, was selbst dann ausreichend ist, wenn das Board warm wird oder Sie bei erhöhten Umgebungstemperaturen arbeiten.

Wenn Verlustleistung wirklich wichtig ist

Ändern Sie jetzt das Szenario: Sie steuern dieselbe weiße LED über eine 24-V-Industrieversorgung mit 20 mA an. Das ist der Punkt, an dem die Dinge interessant werden.

§5 §

Nächster E24:$1\,\text{k}\Omega$oder$1.1\,\text{k}\Omega$. Wählen wir$1\,\text{k}\Omega$(leichte Abrundung — akzeptabel, wenn der absolute Maximalwert der LED deutlich über 20 mA liegt, was normalerweise bei Standard-Anzeige-LEDs der Fall ist).

Jetzt die Leistung im Widerstand:

§7 §

Das ist fast ein halbes Watt — viel zu viel für einen 0603 (100 mW) oder sogar einen 0805 (125 mW). Sie benötigen mindestens ein 2512-Paket mit einer Nennleistung von 1 W oder einen Durchgangswiderstand. Und hier ist der Clou: Ein herkömmlicher ¼ W-Durchgangswiderstand reicht auch nicht aus. Ein ½-W-Widerstand ist die sichere Wahl, und du solltest ihm auf der Platine etwas Luft zum Atmen geben, weil es sonst warm wird.

Dies ist genau die Art von Detail, die leicht übersehen werden kann, wenn Sie einen „normalen“ LED-Schaltkreis von einem 5-V-Design in ein 24-V-System kopieren. Ich habe Produktionsplatinen gesehen, auf denen jemand 50 Anzeige-LEDs mit 0603-Widerständen auf einer 24-V-Schiene platziert hat, und jede einzelne von ihnen ist beim ersten längeren Testlauf durchgebrannt. Die Widerstände wurden buchstäblich schwarz.

Das Fazit: Der größte Teil der Spannungsdifferenz zwischen Stromversorgung und LED wird als Wärme im Widerstand verbrannt. Bei höheren Versorgungsspannungen verschwenden Sie eine Menge Strom, und irgendwann ist es sinnvoller, stattdessen einen Konstantstrom-Treiber-IC oder einen LED-Schalttreiber zu verwenden. Wenn Sie Dutzende von LEDs mit 24 V betreiben, spart ein geeigneter LED-Treiber Platz auf der Platine, reduziert die Wärmeentwicklung und kostet insgesamt wahrscheinlich weniger als der Kauf von 50 leistungsstarken Widerständen und das Thermomanagement.

Kurzreferenz: Häufig verwendete Kombinationen

Beachten Sie die letzte Zeile — über ein Watt im Widerstand für eine einzelne IR-LED auf einer 24-V-Schiene. Das entspricht einem Widerstand von mindestens 2 W, und Sie sollten sich Gedanken über das Wärmemanagement auf Ihrer Leiterplatte machen. Wenn Sie eine dichte Platine haben, kann so viel Hitze in einem kleinen Bereich zu Problemen führen. Ich hatte Platinen, bei denen die Wärmebildkamera um die LED-Widerstände herum heiße Stellen zeigte, die 20 °C über der Umgebungstemperatur lagen. Nicht genug, um sofort zu versagen, aber genug, um mich wegen der langfristigen Zuverlässigkeit nervös zu machen.

Praktische Tipps

Runden Sie den Widerstand immer nach oben, es sei denn, Sie haben bestätigt, dass die LED den höheren Strom mit einer gewissen Marge aushält. Wenn Sie den Strom um einen E24-Schritt herunterrunden, erhöht sich der Strom in der Regel um 5— 10%. Das klingt nicht nach viel, bis Sie erkennen, dass dies der Unterschied zwischen einem Betrieb mit 20 mA (sicher) und 22 mA (bei einigen Teilen kann die absolute Nennleistung überschritten werden) ist. Verwenden Sie das LED-Datenblatt$V_F$bei Ihrem Betriebsstrom, nicht bei der maximalen Nennleistung. Die Durchlassspannung variiert mit dem Strom, und der typische Wert bei 20 mA ist genau das, was Sie wollen. Wenn Sie sich ein typisches LED-Datenblatt ansehen, sehen Sie die V-I-Kurve —$V_F$kann sich zwischen 1 mA und 30 mA um 0,2—0,3 V verschieben. Wenn Sie den falschen Wert verwenden, wird Ihre gesamte Berechnung zunichte gemacht. Bei batteriebetriebenen Konstruktionen sollten Sie erwägen, die Anzeige-LEDs mit 1—2 mA laufen zu lassen. Moderne LEDs mit hohem Wirkungsgrad sind auf diesen Stufen deutlich sichtbar, und Sie sparen erheblich Strom im Standby-Modus. Ich habe an einem tragbaren Gerät gearbeitet, auf dem wir acht Status-LEDs hatten, und wenn wir sie von jeweils 10 mA auf 2 mA herunterließen, sparten wir insgesamt 64 mA ein — das ist ein großer Teil des gesamten Strombudgets, wenn Ihre Akkukapazität nur 2000 mAh beträgt. Wenn$V_S - V_F$klein ist (z. B. eine 3,3-V-Versorgung mit einer blauen LED bei 3,2 V), wird der Widerstandswert sehr klein und der Strom reagiert extrem empfindlich auf die$V_F$-Toleranz. Bei einer blauen LED kann der Wert von$V_F$je nach Behälter und Temperatur zwischen 3,0 V und 3,4 V liegen. Wenn Sie die Standardspannung für 3,2 V auslegen und einen Teil mit 3,0 V erhalten, könnte Ihr Strom um 50% oder mehr ansteigen. In diesen Fällen ist eine Konstantstromquelle die bessere Wahl. Es ist zwar teurer, aber es lohnt sich, wenn Sie eine vorhersehbare Helligkeit für alle Produktionsserien benötigen.

Eine weitere Sache, auf die Sie achten sollten: die Toleranz gegenüber der Versorgungsspannung. Wenn Sie für 5 V planen, Ihre tatsächliche Stromversorgung jedoch zwischen 4,75 V und 5,25 V liegen kann, überträgt sich diese Abweichung von 10% direkt auf Ihren LED-Strom. Für kritische Anwendungen (wie optische Kommunikation oder präzise Farbanpassung) benötigen Sie eine genauere Steuerung, als es ein einfacher Widerstand bieten kann.

Probiere es aus

Rechnen Sie nicht jedes Mal von Hand — öffnen Sie den LED-Strombegrenzungswiderstandsrechner und geben Sie Ihre Versorgungsspannung, LED-Farbe und den gewünschten Strom ein. Das Tool gibt Ihnen sofort den exakten Widerstand, den nächstgelegenen E24-Standardwert, den tatsächlichen Betriebsstrom und die Verlustleistung für beide, sodass Sie beim ersten Versuch den richtigen Widerstand und das richtige Gehäuse auswählen können. Ich habe diesen Rechner mit einem Lesezeichen versehen und verwende ihn ständig, auch für Designs, die ich schon hundert Mal gemacht habe. Das ist schneller, als selbst zu rechnen, und es fängt Fehler auf, bevor sie es auf die Tafel schaffen.