Diody LED: Źródło prądowe i łączenie równoległe.

Autor: Dondu

W wielu projektach jako źródło światła w dużych ilościach są wykorzystywane diody LED. W takim przypadku projektant staje przed wyborem sposobu sterowania oraz łączenia diod w grupy (z różnych powodów).

Łączenie diod LED jest równie proste jak rezystorów. Możemy je łączyć szeregowo, równolegle lub łącząc oba sposoby, a każde z tych połączeń ma swoje zalety i wady.

W niniejszym artykule znajdziesz informacje dot. łączenia równoległego diod LED sterowanych za pomocą źródła prądowego. Do pomiarów rzeczywistych wykorzystamy źródło prądowe, które wcześniej opisałem na przykładzie regulatora LM317.

Niniejszy artykuł omawia trzy wersje równoległego połączenia diod.

Dla źródła o stałej wartości prądu (źródło prądowe) diody LED możemy łączyć równolegle:

ale .... no właśnie, zawsze jest jakieś "ale". :-)

Zanim jednak przejdziemy do naszych "ale" przyjmijmy, że chcemy każdą diodę zasilać prądem 20mA, stąd nasze źródło prądowe zgodnie z Pierwszym prawem Kirchoffa powinno dostarczać nam 40mA i oczekujemy, że nasz układ działać będzie tak:

Załóżmy, że naszą diodą jest dioda L-53YC.

Wracamy do naszych "ale":

... ale przecież diody mogą mieć różną wartość parametru napięcia przewodzenia VF.

Zaglądamy do datasheet, gdzie okazuje się, że:

napięcie przewodzenia VF typowo ma wartość 2,1V (przy prądzie przewodzenia IF wynoszącym 20mA), co potwierdza się na wykresie zależności tych dwóch parametrów, który także znajduje się w dokumentacji:

Niestety w tabeli powyżej okazuje się, że dla tej diody parametr VF, może wynosić nawet 2,5V. Jakie to ma znaczenie? Kolosalne!!!

W takim przypadku wykres dla diody o VF=2,5V będzie przesunięty w prawo i prawdopodobnie wyglądał tak:

Jeżeli dla połączenia równoległego trafisz na sytuację, w której dla tego samego typu diody jedna dioda (LED1) będzie miała VF=2,1V, a druga (LED2)  VF=2,5V, to dla napięcia 2,1V dostarczanego do takiego układu, dioda LED1 będzie przewodziła, a LED2 nie ponieważ:

Czyli w początkowej fazie po włączeniu zasilania, gdy źródło prądowe dostarcza prąd od wartości 0mA do wartości 20mA prąd popłynie tylko przez diodę LED1, a dioda LED2 nie będzie przewodzić, czyli nie będzie emitować światła.

Co się będzie następnie działo?

Ponieważ źródło prądowe nie osiągnęło jeszcze wymaganych od niego 40mA, stąd będzie dalej zwiększać natężenie prądu poprzez zwiększenie napięcia powyżej 2,1V, czyli nasza pionowa czerwona kreska będzie przesuwać się w prawo:

Oznacza to, że prąd diody LED1 będzie wzrastał zgodnie z jej wykresem (czerwona pozioma kreska przesuwa się do góry). W pewnym momencie przy napięciu około 2,16V dioda LED2 także zacznie przewodzić.

Stan naszego układu ustabilizuje się więc na momencie, w którym łączny prąd płynący przez obie diody będzie równy 40mA, ponieważ właśnie wtedy źródło prądowe uzna, że zwiększając napięcie dotarło do momentu, w którym dostarcza wymaganego od niego prądu o wartości 40mA. Na wykresie będzie to wyglądało tak:

czyli przez LED1 będzie płynął prąd 37mA, a przez LED2 zaledwie 3mA:

a napięcie na diodach LED (a tym samym generowane przez źródło prądowe) wynosić będzie około 2,23V (odczytane z powyższego wykresu).

Przypominam, że rozpatrujemy diody tego samego typu, z tej samej partii, ale różniące się parametrem napięcia przewodzenia (VF) zgodnie z datasheet. Jesteś zaskoczony powstałym problemem?

Jakie będą tego skutki?  Będą dwa:


Skutek pierwszy

Dioda LED1 będzie świeciła bardzo jasno, a dioda LED2 ledwo:

Wykres jest nieco hipotetyczny, ponieważ jest on dla przypadku prądu IF=10mA i brakło na nim wykresu dla 37mA. Ale jako poglądowy wystarczy :-)



Skutek drugi

Zerkamy do tabeli parametrów maksymalnych, gdzie znajdujemy informację:

że maksymalny ciągły prąd przewodzenia wynosi 30mA.

Widzisz już problem?

Nasza dioda LED1, przez która płynie 37mA, zostanie doprowadzona do ruiny i ulegnie uszkodzeniu z powodu przekroczenia maksymalnego prądu przewodzenia wynoszącego 30mA, a w konsekwencji ilości wydzielonego ciepła.

W tym momencie wystąpi taka oto sytuacja:

ponieważ nasze źródło prądowe za wszelką cenę będzie tak regulować napięciem, by wypływało z niego 40mA, stąd dioda LED2 zostanie zmuszona zgodnie z Pierwszym prawem Kirchoffa, do przyjęcia całych 40mA.

Skutek dla diody LED2 będzie oczywiście taki sam jak dla LED1, czyli uszkodzenie.

Temperatura vs złącze p-n

W tym miejscu należy wspomnieć jeszcze o zjawisku potęgującym nasz problem. Jest nim wpływ temperatury na pracę złącza p-n. Przyglądnij się poniższemu wykresowi:

To fragment charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n dot. złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia, czyli w naszym przypadku pracującej diody. Strzałka oznaczona literą T pokazuje co się dzieje z charakterystyką w momencie wzrostu temperatury złącza. Im większa temperatura, tym mniejsza wartość napięcia pracy złącza.

Jak to się ma do naszego przypadku?

W naszym układzie płynie sumaryczny prąd 40mA (przez LED1 37mA, przez LED2 3mA). Oznacza to, że diody nie będą nagrzewały się jednakowo, przez co wystąpi następujący splot wydarzeń:

1. złącze diody LED1 szybko znacząco zwiększy swoją temperaturę, 
2. przez co zmniejszy się jej napięcie przewodzenia  VF, 
3. czego skutkiem będzie zwiększenie prądu przez nią płynącego i jednocześnie zmniejszenie prądu płynącego przez LED2 (bo źródło prądowe dostarczać będzie ciągle 40mA),
4. co spowoduje powrót do punktu 1.

Jest to reakcja łańcuchowa, która przyspiesza uszkodzenie diody.


Przykład pomiarów

Do pomiarów użyłem dwóch diod LED nieznanego typu o zmierzonych multimetrem METEX M-3610 napięciach przewodzenia:

• LED1 - 1,45V
• LED2 - 1,63V

Jako źródło prądowe zastosowałem regulator napięcia LM317, którego sposób wykorzystania omówiłem w artykule: Regulator napięcia jako źródło prądowe

Aby nie uszkodzić diod, testy przeprowadzałem dla źródła prądowego ustawionego do pracy z prądem około 20mA. Jak należy to zrobić opisałem w artykule z linku powyżej. Taki prąd wytrzyma każda z diod, które do testów wybrałem.

Pomiary dokonywane były woltomierzem w/w multimetru, a prądy obliczone. Wyniki pomiarów były następujące:

Jak widzisz nierównomierność rozłożenia prądów potwierdza występowanie problemu.


Podsumowanie 

Teraz już wiesz czym grozi stosowanie połączenia równoległego diod LED. Nie oznacza to, że nie możesz tak diod łączyć, ale musiałbyś spełnić co najmniej poniższe warunki:

1. dobierać takie same diody, najlepiej z jednej partii oraz dokonać ich selekcji poprzez pomiar napięcia VF przy prądzie z jakim mają pracować,
2. prąd źródła prądowego (czyli łączny prąd normalnej pracy wszystkich diod), nie powinien przekraczać maksymalnego dopuszczalnego prądu pojedynczej diody(!),
3. urządzenie powinno mieć dobrane diody o czasie pracy dłuższym niż czas istnienia Twojej firmy, byś nie musiał się wstydzić, że po okresie żywotności diod, nagle wszystkie ulegną uszkodzeniu :-)

W praktyce z tych powodów nie stosuje się łączenia równoległego diod LED, zastępując je łączeniem szeregowym lub mieszanym.

Łączenie równoległe stosuje się tylko w specyficznych i uzasadnionych sytuacjach. Mogą to być na przykład bardzo tanie urządzenia o krótkim czasie użytkowania (np. zabawki, gadżety) lub w przypadku zasilania całego urządzenia ze źródeł o bardzo niskim napięciu zbliżonym do napięcia przewodzenia (VF) diody.

---

Początkujący: Dodajmy rezystor!

Czasami ktoś wpada na pomysł dodania rezystora pomiędzy źródło prądowe, a diody połączone równolegle:

Idea początkującego jest taka, że rezystor ogranicza prąd.

Czy w tym przypadku też tak będzie?

Nie, rezystor nie zmniejszy prądu, ponieważ nasze źródło prądowe będzie zwiększało napięcie dążąc do uzyskania ustalonych dla niego 40mA.

O ile będzie musiało zwiększyć napięcie od wcześniej ustabilizowanego na poziomie 2,23V?
Odpowiedź jest prosta: O spadek jaki wystąpi na rezystorze.

Jeżeli nasz rezystor będzie miał wartość 100Ω, to zgodnie z prawem Ohma, aby przez rezystor mógł popłynąć prąd 40mA, napięcie pomiędzy jego kończami musi wynosić :

W związku z tym, źródło prądowe zwiększy napięcie do:

Nasz układ będzie więc pracował w następujący sposób:

Efekt jest więc taki, że ponownie przez nasz układ płynie 40mA, czyli wszelkie opisane w tym artykule problemy takiego połączenia nadal są aktualne. Wniosek:

Dla diod LED połączonych równolegle i zasilanych ze źródła prądowego, dodanie rezystora (rezystorów) nie likwiduje zagrożeń opisanych w niniejszym artykule.

No dobrze, ale:

Co się stanie, jeżeli źródło prądowe nie może dostarczyć napięcia większego niż np. 5V?

Jeżeli na przykład źródło prądowe jest zasilane ze źródła napięcia, które nie pozwala mu na wyjściu osiągnąć napięcia większego niż np. 5V, to oczywiście źródło prądowe nie będzie w stanie przy takim schemacie (z rezystorem 100Ω) dostarczyć prąd 40mA. Nie może tego zrobić, bo żeby to osiągnąć musiałoby zwiększyć napięcie na wyjściu do 6,23V, a nie ma takiej możliwości.

Jak więc nasz układ będzie pracował w takiej sytuacji?

Zrobiłem symulację odczytując wartości napięcia i prądów diod z wykresów i wyszło mi, że:




 będzie to wyglądało mniej więcej tak:

a na wykresie tak:

czyli dioda LED1 będzie świecić bardzo mocno w granicach jej maksymalnych możliwości, a dioda LED2 będzie na pograniczu rozpoczęcia emisji strumienia światła, ale dla ludzkiego oka będzie ono niewidoczne.


Przykład pomiarów

Poniżej rzeczywiste pomiary według opisanego wcześniej sposobu, jedynie prądy poszczególnych diod mierzone amperomierzem:

Zauważ, że prądy diod są prawie takie same jak w poprzednim teście. A dlaczego nie są dokładnie takie same? Dlatego że:

• źródło prądowe dostarczało o 0,6mA więcej niż od niego oczekiwaliśmy), przez co napięcia odłożone na diodach także są inne, a to oznacza, że diody pracowały w innej części charakterystyki,
• prądy diod mierzone były amperomierzem, który wprowadza drobny błąd pomiarowy.

Powyższe różnice nie są jednak istotne dla naszych rozważań.

---

Rezystory dla każdej diody - to jest to!

Idea wykorzystania rezystora nie była chybiona, pod warunkiem, że rozdzielając diody na dwie gałęzie dodamy drugi rezystor tak, by każda dioda miała własny:

Co nam to da?

Jeżeli dioda ma własny rezystor w swojej gałęzi obwodu, to rezystor ten działa jak swoisty "stabilizator prądu", czyli lokale stałe źródło prądu, którym rządzi oczywiście Prawo Ohma.

Ponieważ nasz układ składa się z dwóch gałęzi zasilanych z tego samego źródła prądowego o określonym napięciu rozkład prądów i napięć będzie indywidualny dla każdej z gałęzi.

I znowu dokonałem symulacji dla naszego przykładowego obwodu:




Nanieśmy obliczenia na nasz schemat:

oraz na wykresy:

Zauważ, że teraz mamy sytuację, w której prądy diod znacznie się wyrównały. Oznacza to, że tak podłączone diody do źródła prądowego będą świecić w sposób zbliżony:

Nie będzie to jednak idealnie ten sam poziom strumienia światła, ale w większości przypadków różnica będzie praktycznie niezauważalna. Porównaj z poprzednim wykresem tej zależności :-)

Niestety takie połączenie także nie likwiduje głównego zagrożenia jakim jest uszkodzenie się jednej z diod. W takim przypadku cały prąd popłynie przez drugą diodę i doprowadzi do jej uszkodzenia.

Na szczęście przy takim połączeniu diod, uszkodzenie jednej z nich jest znacznie mniej prawdopodobne, niż w pozostałych opisanych wyżej przypadkach ze względu na w miarę równomierny rozkład prądów.

Przykład pomiarów

Poniżej rzeczywiste pomiary według opisanego wcześniej sposobu:

Jak widzisz pomiary potwierdzają powyżej opisane zasady.

---

Podsumowanie


Generalnie łączenie równoległe diod LED i zasilanie ich ze wspólnego źródła prądowego nie jest wskazane i obarczone dużym ryzykiem. Jeżeli więc nie masz alternatywy i musisz zasilać diody ze źródła prądowego i łączyć je równolegle, to zastosuj wariant z osobnymi rezystorami dla każdej diody.

Jak w takim układzie łączyć diody LED?

Szeregowo, ale o tym będzie następny artykuł z tego cyklu. Osobno omówię także przypadek połączenia równoległego przy zasilaniu ze źródła napięcia.