LED 전류 제한 저항의 크기 조정 방법

건너뛸 수 없는 유일한 저항기

엔지니어라면 누구나 한 번쯤은 해본 적이 있을 것입니다. LED를 공급 레일에 직접 연결한 후 약 0.5초 동안 밝게 깜박이는 모습을 지켜본 적이 있을 것입니다. 영원히 어두워지기 전이었죠.LED는 기하급수적인 V-I 특성을 지닌 전류 구동 장치입니다. 즉, 작은 과전압으로도 접합부를 통해 파괴적인 양의 전류가 흐르게 됩니다.직렬 전류 제한 저항은 동작점을 설정하는 가장 간단하고 저렴하며 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.

이것은 사소하게 들리지만 수학은 간단합니다*.하지만 실제로 올바른 값을 선택하려면 표준 저항 시리즈, 실제 전류 편차, 저항 자체의 전력 손실을 고려해야 합니다. 특히 패널 표시판에 수십 개의 LED를 배치하거나 24V 산업용 전원으로 고휘도 LED를 구동하는 경우에는 더욱 그렇습니다.누군가가 전력 사용량을 재확인하지 않고 5V 회로를 24V 설계로 복사했기 때문에 0603이 전소된 상태로 조립된 후 많은 보드가 다시 나오는 것을 보았습니다.

기본 방정식

저항은 전원 전압$V_S$및 LED 순방향 전압$V_F$간의 차이를 줄이고 전류$I_F$을 설정합니다.

그게 다예요.하지만 미묘한 차이는 디테일에 있으며, 이러한 디테일은 생각보다 중요합니다.

$V_F$LED 색상과 제조업체에 따라 다릅니다. 빨간색 LED는 일반적으로 1.8~2.0V, 흰색 또는 파란색 LED는 3.0~3.4V 떨어지지만 흰색 또는 파란색 LED는 3.0~3.4V로 떨어집니다. 데이터시트를 항상 확인하십시오. 단, 이러한 범위는 대부분의 스루홀 및 SMD 표시등 LED에 적용됩니다.저는 보통 정확한 부품이 확실하지 않을 때 0.2V의 마진을 추가합니다. 첫 번째 파워 업 테스트에서 과대평가해서 불어 넣는 것보다 약간 과소평가해서 LED가 어두워지는 것이 좋습니다. $I_F$용도에 따라 달라집니다. 20mA는 5mm 스루홀 LED의 전형적인 “표준 밝기” 값이지만, 현대의 고효율 LED는 1~5mA에서도 완벽하게 볼 수 있습니다.이는 배터리로 작동하거나 마이크로컨트롤러의 총 I/O 예산을 공유하는 50개의 상태 LED가 있는 경우 중요합니다.필자는 LED당 20mA에서 2mA로 낮추면 배터리 수명을 30% 연장할 수 있을 만큼 충분한 전류를 절약하도록 설계한 적이 있습니다.현대식 LED가 불과 몇 밀리암페어의 밝기로 얼마나 밝은지 놀라실 겁니다. 정확한 저항은 거의 표준값에 미치지 못합니다. E24 시리즈 (또는 1% 저항을 사용하는 경우 E96) 에서 가장 가까운 값을 선택해야 합니다. 그러면 실제 작동 전류가 바뀝니다.대부분의 엔지니어는 이 단계를 건너뛰고 공식에 나오는 대로 사용하다가 LED가 예상보다 약간 밝거나 어두워지는 이유를 궁금해합니다.E24 시리즈는 값 사이의 간격이 약 10% 이므로 몇 퍼센트 정도 차이가 날 것이 거의 확실합니다.

실제 사례: 5V 전원 공급 장치의 흰색 LED

표준 20mA의 5V USB 전원 공급 장치에서 흰색 표시등 LED를 구동한다고 가정해 보겠습니다.데이터시트에는 일반적인$V_F = 3.2\,\text{V}$목록이 나와 있습니다.

1단계 — 정확한 저항 계산: 2단계 — 가장 가까운 E24 값을 선택합니다.

90Ω은 E24 시리즈에는 없습니다.가장 가까운 표준값은 82Ω 및 91Ω입니다.전류를 제한하려면 거의 항상 올림을 해야 하므로$R_{E24} = 91\,\Omega$를 선택하십시오.반올림을 하면 LED가 보호되므로 전류가 약간 줄어들지만 괜찮습니다.반올림을 하면 접합부를 통해 더 많은 전류가 흐르게 됩니다. 공급 전압이 약간 높거나 LED의$V_F$전압이 허용 오차 대역의 하단에 있으면 절대 최대 등급을 초과할 수 있습니다.

3단계 — E24 저항으로 실제 전류 계산: 이는 목표의 1% 이내이며, 충분히 받아들일 수 있습니다.LED는 그 차이를 알아차리지 못할 거예요. 4단계 — 저항기의 전력 손실 확인:

정확한 저항으로:

E24 값을 사용할 때:100mW 정격의 표준 0603 SMD 저항은 이 문제를 쉽게 처리할 수 있습니다.여기서는 걱정할 필요가 없습니다.마진은 거의 3배에 달하며, 이는 보드가 뜨거워지거나 높은 주변 온도에서 작업하는 경우에도 충분한 양입니다.

전력 손실이 실제로 중요한 경우

이제 시나리오를 바꿔보세요. 24V 산업용 전원 공급 장치에서 20mA의 속도로 동일한 백색 LED를 구동하는 셈이죠.여기서 흥미로운 점이 생깁니다.

가장 가까운 E24:$1\,\text{k}\Omega$또는$1.1\,\text{k}\Omega$.$1\,\text{k}\Omega$(약간 반올림 - LED의 절대 최대값이 표준 표시기 LED의 경우인 20mA를 훨씬 초과하는 경우 허용) 을 선택해 보겠습니다.이제 저항기의 전력은 다음과 같습니다.이는 거의 반 와트에 불과합니다. 0603 (100mW) 또는 0805 (125mW) 에 비해 너무 많은 양입니다.최소 1W 정격의 2512 패키지 또는 스루홀 저항이 필요합니다.여기서 중요한 점은 표준 ¼W 스루홀 저항으로도 문제를 해결할 수 없다는 것입니다.½W 저항은 안전한 선택이며, 온도가 올라갈 것이기 때문에 보드에서 숨을 쉴 수 있는 공간을 마련하는 것이 좋습니다.

5V 설계에서 24V 시스템으로 “표준” LED 회로를 복사할 때 간과하기 쉬운 세부 사항이기도 합니다.누군가가 저항이 0603인 표시등 LED 50개를 24V 레일에 설치했는데 첫 번째 연장 테스트 중에 하나하나가 모두 소손된 프로덕션 보드를 본 적이 있습니다.저항기는 말 그대로 검게 변했어요.

여기서 알 수 있는 점은 전원 공급 LED의 전압 차이가 대부분 저항기에서 열로 소모된다는 것입니다.공급 전압이 높으면 엄청난 전력을 낭비하게 되며, 어느 시점에서는 정전류 드라이버 IC 또는 스위칭 LED 드라이버를 대신 사용하는 것이 더 합리적입니다.24V에서 수십 개의 LED를 구동하는 경우 적절한 LED 드라이버를 사용하면 보드 공간을 절약하고 열을 줄일 수 있으며 50개의 견고한 저항기를 구입하고 열을 관리하는 것보다 전체 비용이 절감될 수 있습니다.

퀵 레퍼런스: 일반적인 조합

마지막 행은 24V 레일에 있는 단일 적외선 LED의 저항이 1와트 이상이라는 것을 알 수 있습니다.이는 최소 2W의 저항이므로 PCB의 열 관리에 대해 생각해 보는 것이 좋습니다.고밀도 기판을 사용하는 경우 좁은 면적에서 그렇게 많은 열이 발생하면 문제가 발생할 수 있습니다.열상 카메라가 주변보다 20°C 높은 LED 저항 주변의 핫스팟을 보여주는 보드를 사용해 본 적이 있습니다.즉시 고장날 정도는 아니지만 장기간의 신뢰성에 대해 불안하게 만들기에는 충분했습니다.

실용 팁

LED가 마진 상태에서 더 높은 전류를 견딜 수 있다는 것을 확인하지 않는 한 항상 저항을 높이십시오.E24를 한 단계씩 반올림하면 일반적으로 전류가 5-10% 증가하는데, 20mA (안전) 와 22mA (일부 부품의 경우 절대 최대 등급을 초과할 수 있음) 로 작동할 때의 차이라는 것을 깨닫기 전까지는 별다른 의미로 들리지 않습니다. 최대 정격이 아닌 작동 전류에서 LED 데이터시트$V_F$를 사용하세요.순방향 전압은 전류에 따라 달라지며, 일반적으로 원하는 값은 20mA입니다.일반적인 LED 데이터시트를 보면 V-I 곡선을 볼 수 있습니다.$V_F$는 1mA와 30mA 사이에서 0.2—0.3V 정도 이동할 수 있습니다.잘못된 값을 사용하면 전체 계산이 지연됩니다. 배터리로 구동되는 설계의 경우에서는 표시등 LED를 1~2mA로 작동시키는 것을 고려해 보십시오.이러한 수준에서는 최신 고효율 LED를 선명하게 볼 수 있으므로 대기 전력을 크게 절약할 수 있습니다.필자는 8개의 상태 LED가 있는 휴대용 장치에서 작업했는데, 이를 각각 10mA에서 2mA로 낮추면 총 64mA가 절약되었습니다. 배터리 용량이 2000mAh에 불과할 때 전체 전력 예산의 큰 부분을 차지합니다. $V_S - V_F$크기가 작을 때 (예: 3.2V에서 파란색 LED가 있는 3.3V 전원 공급), 저항 값은 매우 작아지고 전류는$V_F$허용 오차에 극도로 민감해집니다.청색 LED는 용기 및 온도에 따라 3.0V ~ 3.4V 범위에서$V_F$값을 가질 수 있습니다.일반적으로 3.2V용으로 설계하고 3.0V 부품을 사용할 경우 전류가 50% 이상 증가할 수 있습니다.이러한 경우에는 정전류 소스를 사용하는 것이 더 좋습니다.물론 비용이 더 많이 들지만 생산 로트 전체에서 예측 가능한 밝기가 필요할 때는 그만한 가치가 있습니다.

주의해야 할 또 다른 사항은 공급 전압 허용 오차입니다.5V로 설계했지만 실제 전력 공급량이 4.75V ~ 5.25V인 경우 이 10% 의 변동이 LED 전류로 직접 전파됩니다.중요한 애플리케이션 (예: 광통신 또는 정밀 컬러 매칭) 의 경우 단순한 저항기가 제공할 수 있는 것보다 더 엄격한 제어가 필요합니다.

사용해 보세요

이 계산을 매번 손으로 하지 마세요. LED 전류 제한 저항 계산기 열기 에서 공급 전압, LED 색상 및 원하는 전류를 연결하세요.이 도구는 정확한 저항, 가장 가까운 E24 표준값, 실제 작동 전류 및 두 가지 모두에 대한 전력 손실을 즉시 제공하므로 처음 시도할 때 올바른 저항과 올바른 패키지를 선택할 수 있습니다.저는 이 계산기를 즐겨찾기에 추가해 두었다가 계속 사용합니다. 이전에 백 번 해본 설계의 경우에도 마찬가지입니다.계산을 직접 해보는 것보다 더 빠르고, 실수가 칠판에 나오기도 전에 알아차릴 수 있습니다.