Etusivu >Elektroniikka>Jutut>Ledin etuvastus



Ledit

Hohtodiodit eli ledit (engl. Light Emitting Diode) ovat nimensä mukaisesti diodeja. Niiden läpi menevä virta riippuu myötäsuunnassa eksponentiaalisesti jännitteestä ja estosuunnassa ne eivät päästä juurikaan virtaa lävitseen (mikroamppeereja)

Esimerkki 1

jännite virta
1,1 V 30 nA
1,35 V 6,8 μA
1,6 V 3 mA
1,7 V 5,8 mA
1,75 V 11,1 mA
1,85 V 21 mA
Taulukko 1.Erään punaisen merkkivaloledin virran riippuvuus jännitteestä.

Ei näin - Led kytkettynä suoraan jännitelähteeseen
Kuva 1. Ei näin.

Ledin kytkeminen suoraan jännitelähteeseen on huono idea, koska
1) Jännitteen kasvu vaikkapa vain 50 mV voisi aiheuttaa niin suuren virran, että led tuhoutuisi (esimerkin ledin suurin sallittu virta on n. 20 mA).
2) Ledin kynnysjännite riippuu virran lisäksi myös lämpötilasta. Kun led lämpenee, sen kynnysjännite tippuu muutamia millivoltteja per aste. Kun kynnysjännite laskee, virta kasvaa ja kun virta kasvaa, led lämpenee lisää ja kynnysjännite pienenee ja virta kasvaa entisestään kunnes led hajoaa.

Virran rajoittaminen vastuksella

Esimerkki 2

Kytkentäkaavio - Jännitelähde, vastus ja led sarjaan kytkettyinä
Kuva 2. Virran rajoittaminen vastuksella.
Jännitelähteen jännite on 4,5 V ja ledin etuvastus R1 480 Ω.
Lasketaan virtapiirin virta.

Osa jännitteestä jää ledin yli ja loput vastuksen yli. Koska ledin yli jäävä jännite ei juurikaan riipu virrasta (kt. taulukko yllä), saadaan yksinkertaisesti:
1) I = (Ue - Uled) : R
Sijoitetaan annetut arvot
2) I = (4,5 V - 1,8 V) : 480 Ω ≈ 5,6 mA

Nostetaan nyt jännitelähteen jännitettä 10 % ja katsotaan mitä tapahtuu
Syöttöjännite on nyt 1,1*4,5 V = 4,95 V ja virta vastaavasti (4,95 V - 1,8 V) : 480 Ω ≈ 6,7 mA.
Virta siis kasvoi noin 17 % vaikka jännite kasvoi vain 10 %. Tämä johtuu siitä, että syöttöjännitteen muuttuessa koko jännitteenmuutos jää vastuksen yli, sillä ledien yli jäävä jännite on käytännössä vakio. Mitä vähemmän vastuksen yli jää jännitettä, sitä enemmän virta muuttuu.

Mitä sitten tapahtuisi, jos vastusta ei olisi ollenkaan? Jos led olisi ollut kytkettynä suoraan 1,7 V jännitelähteeseen ja sen jännite olisi noussut 10 % 1,87 V:iin, olisi virta kasvanut yli nelinkertaiseksi ja ylittänyt ledin suurimman sallitun virran, vaikka alkuperäinen virta oli reilusti suurinta sallittua virtaa pienempi (kt. taulukkoa). Jos jännitettä olisi laskettu yhtä paljon, olisi virta laskenut n. 1 mA:iin.

Vastuksen mitoittaminen

Virranrajoitusvastusta mitoitettaessa on tiedettävä ainakin syöttöjännite, ledin kynnysjännite ja virta. Tavallisten 5 mm pyöreiden ledien suurimmat sallitut virrat ovat yleensä 15 mA - 50mA, tarkemmat tiedot löytyvät valmistajan tai myyjän Internet-sivuilta. Ledien elinikä rippuu voimakkaasti lämpötilasta. Mitä enemmän virtaa, sitä enemmän ledit kuumenevat ja kuluvat loppuun aikaisemmin. Ledien hyötysuhde on parhaimmillaankin vain n. 10 %, eli lähes kaikki ledin käyttämä teho lämmittää lediä. Ledien tuottaman valon määrä riippuu myös lämpötilasta - mitä kylmempi sitä parempi.

Ledin etuvastuksen resistanssin saa kaavasta (Ue - n*Uled): I , missä Ue = syöttöjännite, n = ledien lukumäärä, Uled=ledin jännite.
Etuvastuksen jännitehäviön on oltava riittävän suuri, jotta ledien virta olisi vakaa syöttöjännitteen ja lämpotilan vaihteluista huolimatta, ks. esimerkki 4. Etuvastuksen on myös kestettävä siinä lämmöksi muuttuva teho, joka saadaan kaavasta P = RI².

Esimerkki 3

9 V:n paristolla käytetään 4 kirkasta valkoista lediä, joiden suurin sallittu virta on 30 mA ja jännitehäviö n. 3,6 V. Miten ne kannattaa kytkeä, jotta hukkaan menevä teho olisi mahdollisimman pieni?

Oletetaan aluksi, että 9 voltin paristoilla toimivaa valaisinta käytetään melko vähän eli ledien elinikä ei ole kovin oleellinen. Täyden 9 voltin pariston jännite on noin 10 volttia, mutta se laskee kuormitettessa. Valitaan vastus niin, että 9,5 V jännitteellä ledien läpi menee suurin sallittu 30 mA virta.
Jos jokaista lediä syötetään oman vastuksen kautta, vastuksen resistanssin pitää olla (9,5 V - 3,6 V) : 0,030 A ≈ 197 Ω Lähimmät standartikoot E24-sarjassa ovat 180 Ω ja 200 Ω. Yleensä kannattaa valita lähin suurempi standartiarvo, jotta virta ei kasva laskettua suuremmaksi.
Jokaisessa vastuksessa hukkuu tehoa pahimmillaan P=U² : R => (9,5 V - 3,6 V)² : 200 Ω ≈ 0,17 W eli yhteensä tehoa menee harakoille 0,7 W. Tavallisen 0,25 W vastuksen pitäisi kestää tässä, koska laitetta tuskin tullaan montaa sataa tuntia käyttämään. Jatkuvassa käytössä 0,6 W metallikalvovastus olisi varmempi valinta. Yhteensä virtaa kuluu 4*30mA=120 mA.

Sähkön säästämiseksi ledit voi kytkeä kuvan mukaisesti. Ledien yli jää tällöin 2*3,6 V = 7,2 V ja vastuksen yli enimmillään 9,5 V - 7,2 V = 2,3 V. Tästä saadaan resistanssiksi 77 Ω eli käytetään 82 Ω vastuksia. Vastuksen tehohäviö on (9,5 V - 7,2 V)² : 82 Ω ≈ 0,065 W per vastus ja niitä oli kaksi eli tehohäviö on yhteensä 0,13 W. Periaatteessa voisi käyttää vain yhtä 39 Ω vastusta ja kytkeä molemmat ketjut siihen, mutta silloin virta ei välttämättä jakaannu tasan ledien kesken.
Kaksi lediketjua rinnankytkettyinä 9 V paristoon
Kuva 3. Neljä lediä ja 9 voltin paristo

Esimerkki 4

12 V jännitelähde, 7 lediä ja vastus sarjassa
Vastuksen R1 resistanssi on 18 Ω ja ledit samoja kuin esimerkissä 1
Vastus on tässä sijoitettu ledien väliin. Sillä ei ole merkitystä, koska virtapiirin virta kulkee tässäkin tapauksessa sen läpi.


12V jännitteellä ledien virta on 1) I = (Ue - nUled) : R n on ledien lukumäärä
2) I = (12 V - 7 ∙ 1,7 V) : 18 Ω ≈ 5,5 mA

Nostetaan jännitelähteen jännitettä 10 % 13,2 V:iin
I = (13,2 V - 7 ∙ 1,7 V) : 18 Ω ≈ 72mA

Käytännössä virran muutos ei ole aivan näin suuri, koska leideissäkin on hieman resistanssia. Tästä kuitenkin näkee, että jos vastuksen jännitehäviö on liian pieni (12 V - 7 ∙ 1,7 V on vain 0,1 V), niin virranrajoitus ei toimi.
Tässä olisi kannattanut laittaa vain 5 tai korkeintaan 6 lediä sarjaan, niin virta olisi pysynyt paremmin hallinnassa. Tai korvata vastus jollain aktiivisella virranrajoituksella.