Параллельное и последовательное соединение светодиодов

Параллельное соединение: а — неправильно; б — правильно

В электротехнике очень часто для обеспечения каких-либо требований используют последовательное или параллельное соединение элементов. Для светодиодных приборов принцип наращивания особенно актуален: светодиоды как отдельные элементы представляют собой достаточно миниатюрную конструкцию. Здесь, однако, есть свои особенности, о которых мы поговорим.

На рисунке представлены способы параллельного соединения светодиодов, причем вариант «а» не рекомендуется для применения на практике, вместо него следует использовать вариант «б». В чем здесь разница? Как и любые другие реальные элементы, светодиоды имеют технологические разбросы величины прямого падения напряжения, а значит, через них будут проходить разные токи. Интенсивность света светодиодных ячеек окажется разной даже при одинаковых типономиналах излучателей, что «на глаз» мы воспримем как разную яркость (или неоднородно-яркое пятно, если станем наблюдать издалека). Предпочтительнее все-таки выровнять токи балластными резисторами по варианту «б».
Последовательное соединение светодиодов

С последовательным соединением все гораздо проще: светодиоды включаются друг за другом, через них протекает один и тот же ток, а падение напряжение на цепочке равно сумме падений напряжений на отдельных светодиодах.

Можно также выполнять комбинацию «последовательной» и «параллельной» схем, то есть соединять «в параллель» последовательные гирлянды светодиодов. И здесь возникает великий соблазн выбрать балластный резистор как можно меньшего сопротивления, суммарное падение напряжение цепочки «подогнать» как можно ближе к напряжению питания. На первый взгляд такое решение кажется эффектным: ведь сократятся тепловые потери на балласте! Не спешите — давайте разберемся, почему к этому вопросу нужно подойти с максимальной осторожностью.

Еще раз вернемся к источнику питания G. Если этот источник стабильный, то есть не меняет значение выходного напряжения, изменения тока через светодиоды тоже окажется минимальным, и можно выбирать балластный резистор поменьше. Ну а если источник нестабилизированный? Бывает такое? Да сплошь и рядом! Допустим, что вы, окрыленные прочитанным, собрали гирлянду из светодиодов и подключили ее к промышленной сети через простейший выпрямитель. Сеть — нестабильный источник энергии. Мало того, что напряжение имеет полное право (по действующим стандартам) «гулять» процентов на 10, так еще в сети периодически возникают провалы (что не так страшно) и выбросы (что намного опасней) со средним 20-процентным допуском. Для наших светодиодных гирлянд эти броски могут стать губительными. Судите сами, почему.

При помощи полученных ранее сведений, можно вывести еще одну формулу — для вычисления отношения максимального и минимального значения тока в гирлянде при изменении напряжения питания:

k = (Gmax — UHL)/ (Gmin — UHL)

При исчезающее малом падении напряжения на светодиодах этой величиной можно пренебречь, и тогда в формуле  останутся только минимальное и максимальное напряжения питания. Ну а если прямое суммарное падение напряжения и напряжение питания будут сопоставимы, ток может меняться в разы!

В продолжении темы о наращивании светодиодных источников приведем некоторые данные из интересного технического отчета фирмы «Osram». Рассматривалась матрица из 16 светодиодов типа TOPLED LAE67 со средним прямым падением напряжения 2,125 В и технологическим разбросом в пределах 2,05…2,20 В. Первый вариант матрицы представлен на рисунке (а), который можно назвать последовательным соединением параллельных ячеек (авторы отчета назвали такой вариант — с одиночным резистором). Светодиоды HL1…HL4 имеют минимальное прямое падение напряжения (2,05 В), светодиоды HL5…HL12 — среднее (2,125 В), a HL13…HL16 — максимальное (2,2 В). Характер распределения токов в каждой ячейке мы можем увидеть на том же самом рисунке. Очевидно: светодиоды с минимальным прямым падением напряжения находятся «на грани» максимально допустимых токовых параметров, в то время как «максимальные» светодиоды недогружены. Это чревато, во-первых, снижением надежности матрицы, и, во-вторых, неравномерностью свечения ячеек.

Последовательное соединение параллельных ячеек: a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9

Последовательное соединение параллельных ячеек: a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9

Исследователи усугубили ситуацию, имитировав выход из строя светодиода HL9. Результат мы видим на рис. (б): выросли токи оставшихся в линейке светодиодов, а ток через HL1 вообще превысил предельно допустимый. В скором времени следует ожидать выхода из строя HL1, затем HL5 и, наконец, HL13. Итог весьма неприятный: один неисправный светодиод выводит из строя всю матрицу, а при ремонте придется менять четыре светодиода вместо одного.

Намного более удачен и надежен способ параллельного соединения последовательных ячеек. Обратите внимание на распределение токов в в режиме нормального функционирования: разбаланс токов составляет примерно 5 процентов, небольшое различие яркости глаз едва ли заметит. Все светодиоды работают в номинальном режиме, с большим запасом по токовой перегрузке.

Параллельное соединение последовательных ячеек: a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9

Параллельное соединение последовательных ячеек: a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9

Опять имитируется «несчастный случай» — перегорание светодиода HL9 (б). Заметьте: распределение токов в остальных ветках не меняется, а значит, матрица продолжит излучать свет, которого станет теперь немного меньше. Вот и все последствия отказа ячейки!