2.9 Расчёт светодиодного резистора

Светодиод должен иметь резистор последовательно  соединенный в его цепи, для  ограничения тока, проходящего через  светодиод, иначе он выйдет из строя  практически мгновенно.

Резистор R определяется по формуле :

R = (V S - V L) / I

Рисунок 2.6 - Схема подключения .

V S = напряжение  питания 

V L= прямое  напряжение, расчётное для каждого  типа диодов (как правило от 2 до 4 волт)

I = ток  светодиода (например 20мA), это должно  быть меньше максимально допустимого для выбраного диода

Например: Если напряжение питания V S = 9 В, и есть красный светодиод (V = 2V), требующие I = 20мA = 0.020A,

R = ( 9 В) / 0.02A = 350 Ом.

Вычисление  светодиодного резистора с использованием Закон Ома 

Закон Ома гласит, что сопротивление  резистора R = V / I, где :

V = напряжение  через резистор (V = S - V L в данном  случае)

I = ток  через резистор 

Итак  R = (V S - V L) / I =(9В-3,6В)/0,02А=270Ом. 

1. Практическая  часть

     Устанавливается светильник с помощью своей «ножки» путем погружения ее в землю. Обычно на даче устанавливают несколько светильников, обозначающие какой-либо контур, например дорожку или крыльцо дома. Единственный светодиод светильника не в состоянии осветить площадь дачи или усадьбы, он лишь обозначает место и выполняет декоративную функцию. К светильнику прилагается описание, где подробно описывается внешнее устройство и правила пользования светильником, но его технические характеристики не приводятся, поэтому автору пришлось самостоятельно их «добывать» путем осмотра, измерений и испытаний. Принцип работы светильника простой. В дневное время фотоэлемент, вмонтированный в верхнюю крышку плафона (рис.1,а), преобразовывает солнечную энергию в электрическую и заряжает аккумулятор. С наступлением темноты фоторезистор (датчик освещенности), также вмонтированный в верхнюю крышку плафона, через электронную схему включает единственный светодиод, излучающий желтый свет. Ночью аккумулятор разряжается и отдает запасенную днем электроэнергию. С рассветом тот же фоторезистор с помощью той же электронной схемы отключает светодиод. При достаточной освещенности фотоэлемент снова заряжает аккумулятор. Таким образом, светильник включается и выключается автоматически и работает автономно, без внешнего источника тока. Технические характеристики светильника: - аккумулятор - 1 шт., NiMH (никель-металло-гидридный), типоразмер АА, емкость 600 мА*ч, номинальное напряжение 1,2 В, расчетное количество циклов заряд-разряд - 500 раз;

     - максимальный ток заряда разряженного  аккумулятора от фотоэлемента (при  перпендикулярном падении солнечных  лучей) - 60 мА; 
-  при горизонтальном размещении фотоэлемента, т.е. при освещении солнечными лучами под углом 45...60° ток заряда около 40 мА; 
-  в пасмурною погоду ток заряда снижается до 2...5 мА; 
-  ток, потребляемый электронной схемой, в дневное время - 4...5 мкА; 
- напряжение фотоэлемента зависит от освещенности и составляет (без нагрузки) О...2,35В; 
-  длительность свечения светодиода в ночное время зависит от степени заряженности аккумулятора и его старения и колеблется в пределах 3...8 ч. При вводе светильника в эксплуатацию рекомендуется зарядить аккумулятор от отдельного зарядного устройства или выключить электронный блок на несколько суток, чтобы фотоэлемент максимально зарядил аккумулятор.  Если это не способствует увеличению длительности ночного свечения светодиода, то аккумулятор следует заменить. Светильник легко разбирается. Плафон снимается поворотом на 90°. Вся электронная начинка размещается снаружи и внутри плафона. Для доступа внутрь плафона необходимо отвинтить 3 шурупа и снять крышку(рис.1,а,б).

     Фотоэлемент (размерами 55x55 мм) и фоторезистор смонтированы на верхней крышке плафона, чтобы  максимально освещаться солнцем. Выключатель  и аккумулятор установлены на крышке плафона, а монтажная плата (размерами 17x43 мм) с радиоэлементами - внутри плафона. Принципиальная схема светильника (рис.4) нарисована  по монтажной плате (рис.2 и рис.3). Автор стремился обозначить все элементы так же, как и на монтажной плате (рис.2 и рис.3). Но производитель применил новую, более совершенную принципиальную схему, а монтажную плату заменить «не успел». На рис.4 показана новая принципиальная схема, расположенная изготовителями на старой монтажной плате. С одной стороны, в новой схеме количество радиоэлементов уменьшено, но, с другой, введены новые, например индуктивность L1. Эти изменения хорошо видно на рис.2. Рисуя принципиальною схему, автор самостоятельно ввел обозначения радиоэлементов, необозначенных на монтажной плате. Необходимость применения новой схемы вызвано стремлением производителей удешевить светильник. Для нормальной работы светодиода необходимо напряжение 3 В, в то время как аккумулятор выдает лишь 1,2 В. При таком напряжении светодиод не светится. Чтобы получить необходимые 3 В, конструкторы должны были выбрать один из вариантов: применить два или три аккумулятора, соединенных последовательно, что значительно повысило бы стоимость светильника, или применить электронною схему, которая увеличивала бы напряжение на светодиоде при использовании одного аккумулятора. Изготовители выбрали второй, более дешевый, вариант. 
Из принципиальной схемы видно (рис.4), что фотоэлемент BL1 соединен с аккумулятором G1 через диод D1 без выключателя. Это означает, что фотоэлемент всегда будет заряжать аккумулятор при достаточном солнечном освещении. Диод D1 препятствует разрядке аккумулятора, когда напряжение фотоэлемента ниже напряжения на аккумуляторе, когда же оно выше, диод свободно пропускает ток заряда. Выключателем SA1, вмонтированным в крышку плафона, можно отключать электронную схему, что бы она не разряжала аккумулятор, например, при хранении светильника или при необходимости длительного заряда аккумулятора. Транзистор Q2 типа S9014C (n-р-n; 45 В; 0,1 А) выполняет функцию ключа, в его базу включен фоторезистор R9 (обозначено автором), его тип не установлен, но величина сопротивления изменяется в зависимости от освещенности от 2,3 мОм до 190 Ом. При наступлении темноты сопротивление фоторезистора значительно увеличивается, потенциал на базе транзистора достигает порогового значения, транзистор Q2 открывается и запускает генератор, собранный на транзисторах Q1 (S9015C; р-n-р; 45 В; 0,1 А) и Q4 (S8050D; n-р-n; 25 В; 1,5 А). Обратною связь в генераторе выполняет конденсатор C2 (1000 пФ). Форма импульсов на светодиоде показана на рис.4, частота их 
следования 59 кГц, а амплитуда достигает 3 В, при напряжении аккумулятора 1,2 В. Увеличения напряжения происходит за счет накопления энергии на индуктивности L1 (4,5 мкГн).

     В процессе ночного разряда, напряжения на аккумуляторе уменьшается и при  достижении его значения 0,7 В светодиод  гаснет, хотя генератор продолжает работать, потребляя небольшой ток. Аккумулятор получает полный разряд. С наступлением рассвета фоторезистор R9, воздействуя на базы транзисторов Q2 и Q4 (через резистор R7, R8), выключает работу генератора. При достаточной освещенности, когда напряжение на фотоэлементе превысит напряжение на аккумуляторе, начинается его заряд. Ток заряда аккумулятора все время меняется и зависит не только от освещенности фотоэлемента, но и от степени разряда аккумулятора.

     Чтобы аккумулятор получал достаточную  порцию заряда, необходимо, чтобы солнечные  лучи освещали фотоэлемент длительное время (рекомендуется 10... 12 ч). На практике это можно выполнить разве  только в Африке. В странах СНГ  много пасмурных дней, даже летом, и достаточной порции заряда аккумулятор  не получит, в результате, ночью светодиод  будет включен непродолжительное  время (всего несколько часов).  
В описанном садовом светильнике протекают малые токи, поэтому схема работает довольно надежно, но ничего вечного нет. Если возникли проблемы с транзисторами, то их необходимо заменить, они недефицитны, все они имеют корпус ТО-92 и одинаковую цоколевку, показанную на рис.4. Если вы присмотритесь к рис.3, то заметите на дорожке монтажной платы, в пайке светодиода, трещину. Она появилась в результате падения светильника. Светодиод имеет сравнительно большую массу и длинные ножки. Их необходимо было прикрепить к монтажной плате клеем, но изготовители этого не сделали, в результате -• трещина. Она устраняется повторной пайкой. 

     Принципиальная схема

     Что касается долговечности работы светодиода, то он практически вечный. 
Вторая неисправность типична для светильников, работающих на открытом воздухе, -окисление как жестяных контактов в гнезде установки аккумулятора, так и самих пластин аккумулятора. Причина - работа в условиях повышенной влажности (от росы или дождя). Чтобы ржавчина не появилась, необходимо смазать контакты гнезда и аккумулятора тонким слоем силиконовой смазки или солидола. Если ржавчина уже появилась, то ее перед смазыванием необходимо удалить. Кроме того, влага может вызвать коррозию токопроводящих дорожек, и, хотя они покрыты лаком при изготовлении, практика показывает, что нужно повторно покрыть лаком всю монтажную плату. В данном светильнике применен NiMH (никель-металлогидридный) аккумулятор 600 мА*ч, он выдерживает 500 циклов заряд-разряд, но в этих светильниках можно применить и NiCd (никель-кадмиевые) аккумуляторы, большой разницы между ними нет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение

      
На рынке представлено большое  разнообразие садовых светодиодных светильников на фотоэлементах, особенно китайских. Читатель может применить  подобные светильники не только на дачах, но и в сельских дворах. Некоторые  из представленных на рынках светильников могут иметь по 9 и более светодиодов  и обладать достаточной силой  освещения небольшой территории дач или сельских дворов. Зарядка  их аккумуляторов производится более  мощными фотоэлементами. Некоторые  из них устанавливают на высоких  столбах. Все эти светильники  вносят свою лепту в энергосбережение. Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния. 
Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение. В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная». Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.  
 
 
 
 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

     1) Роках А. Г. Фотоэлектрические  явления в полупроводниках и  диэлектриках. - Саратов: Издательство  Саратовского университета, 1984.

     2) Названов В. Ф. Основы оптоэлектроники.  – Саратов: Издательство Саратовского  университета, 1980.

     3) Носов Ю. Р. Оптоэлектроника.  – М.: Советское радио, 1977.

     4) Василевский А. М. и др. Оптическая  электроника/ А. М. Василевский,  М. А. Кропоткин, В. В. Тихонов.  – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.  Отд-ние, 1990.

     5) Шалимова К. В. Физика полупроводников.  – М.: Энергия, 1976.

     6) Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые  приборы/ В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. – М.: Высшая школа, 1973.