Công nghệ LED và cách tính toán điện trở hạn dòng cho LED

Led Anh Bia

Ta không thể phủ nhận sự tăng trưởng ngày càng nhanh chóng của công nghệ LED ứng dụng vào cuộc sống chúng ta. Đi đâu các bạn cũng sẽ bắt gặp LED, từ các tấm quảng cáo đèn LED ngoài đường, đèn giao thông hiển thị cũng nhờ công nghệ LED, ngay cả trên chiếc điện thoại Smartphone của bạn cũng đã tích hợp sẵn một con LED phía sau để chiếu sáng…Thế mới biết công nghệ LED đã ứng dụng rộng rãi như thế nào. Lý do tại sao ư? Đơn giản là vì LED nhỏ gọn, dễ điều khiển, màu sắc đa dạng, đáp ứng nhanh, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao mà giá thành ngày càng rẻ…

Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu lại rõ hơn về công nghệ LED, các kiến thức điện tử cần có để có thể tính toán, thiết kế mạch LED hiệu quả. Nào chúng ta cùng bắt đầu thôi!

1. Công nghệ LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode hay điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N – Theo wiki Tiếng Việt.

LED có màu sắc khác nhau sẽ có bước sóng và điện áp [ΔV] ghim giữa hai đầu LED khác nhau. Mời bạn tham khảo bảng chi tiết dưới đây.

Màu sắc

Bước sóng [nm]

Điện áp [ΔV]

Hồng ngoại

λ > 760

ΔV < 1.63

Đỏ

610 < λ < 760

1.63 < ΔV < 2.03

Cam

590 < λ < 610

2.03 < ΔV < 2.10

Vàng

570 < λ < 590

2.10 < ΔV < 2.18

Xanh lá

500 < λ < 570

1.9 < ΔV < 4.0

Xanh da trời

450 < λ < 500

2.48 < ΔV < 3.7

Tím

400 < λ < 450

2.76 < ΔV < 4.0

Đỏ tía

multiple types

2.48 < ΔV < 3.7

Tia cực tím

λ < 400

3.1 < ΔV < 4.4

Hồng

multiple types

ΔV ~ 3.3

Trắng

Broad spectrum

ΔV = 3.5

 

Gía trị điện áp [ΔV] sẽ được đề cập chi tiết trong datasheet của LED tại thông số Forward Voltage [VF] , bạn cần biết gía trị VF để phục vụ cho việc tính toán sau này.

Với các đèn LED công suất lớn, phục vụ chiếu sáng cho gia đình, nơi làm việc. Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm qua hai bài viết dưới đây:

2. Cần hiểu về định luật Ohm

Tại sao lại đề cập đến định luật Ohm?

Bởi vì độ sáng của LED phụ thuộc vào dòng điện qua LED. Tức là khi hoạt động (hay khi phát sáng), LED sẽ ghim một điện áp bằng VF tại hai đầu LED. Để điều khiển độ sáng mạnh, yếu của LED, ta thay đổi cường độ dòng điện cấp vào LED. Thông thường, các LED cắm 2 ly, 3 ly hoặc LED SMD có kích thước 0603, 0805, 1206 sẽ có dòng điện tối đa cho phép cấp vào LED là <20mA. Chính vì vậy, nếu bạn cấp thẳng một nguồn điện 5V mà dòng điện không được giới hạn dưới 20mA thì LED sẽ bị đứt ngay. Đó là lý do tại sao ta cần điện trở để hạn dòng cho LED. Bạn có thể tham khảo thông số Forward Current [IF] để phục vụ cho việc tính toán.

Bây giờ chúng ta cùng ôn lại định luật Ohm một xíu nhé

Theo WikiPedia Định luật Ohm

Định luật Ohm là một định luật vật lý về sự phụ thuộc vào cường độ dòng điện của hiệu điện thế và điện trở. Nội dung của định luật cho rằng cường độ dòng điện đi qua 2 điểm của một vật dẫn điện luôn tỷ lệ thuận với hiệu điện thế đi qua 2 điểm đó, với vật dẫn điện có điện trở là một hằng số, ta có phương trình toán học mô tả mối quan hệ như sau:

I = U/R

Hay có thể phát biểu: dòng điện đi qua điện trở bằng tỉ số giữa hiệu điện thế trên hai đầu điện trở và trở kháng của điện trở đó.

3. Cách mắc và cách tính toán điện trở hạn dòng cho LED

Trong sơ đồ mạch điện, LED được ký hiệu như hình bên dưới, để LED có thể phát sáng, ta cần phân cực thuận cho LED, tức là cấp một điện áp dương vào cực Anode và điện áp âm vào cực Cathode (VA >VC).

Led Symbol

Mẹo: Để nhớ cực nào là âm, cực nào là dương của LED rất đơn giản, ta nhớ rằng Anode có chữ A đầu tiên là Anh, Cathode có chứ C đầu tiên là Chị. Anh là dương, Chị là âm 😀

3.1. Mắc một LED đơn

Mac Led Don
Cách mắc LED đơn

Với một LED đơn, ta mắc như hình trên: cực Anode mắc nối tiếp với điện trở vào dương 12V. Cực Cathode mắc trực tiếp vào 0V của nguồn.

Trong ví dụ này, mình sử dụng nguồn 12V và LED xanh lá cây (green) để lấy ví dụ tính toán cụ thể. Bạn có thể thay đổi một nguồn VS bất kì không nhất thiết phải là 12V và sử dụng LED có màu bất kì.

Với mạch mắc nối tiếp như hình trên:

VR = VS – VL (1)

I = I1 = IL

Theo định luật Ohm: I1 = VR/R1 (2)

Với VL chính là Forward Voltage [VF] của LED xanh lá cây. Tra bảng phía trên hoặc xem trong datasheet ta sẽ được giá trị là 2V.

IL chính là cường độ dòng điện ta mong muốn cấp vào LED. Thông thường giá trị này ta chọn khoảng 5-10mA là LED sáng đẹp. Giá trị này có thể được thay đổi tùy thuộc vào nhu cầu thiết kế của bạn nhưng không được lớn hơn Forward Current [IF]

Càng gần giá trị Forward Current [IF] thì LED càng sáng mạnh và phát nhiệt dẫn đến giảm tuổi thọ của LED. Bạn cần cân nhắc trong thiết kế nhé. Mình thường làm các dự án low energy và LED mình dùng chủ yếu để báo hiệu hoặc debug code nên không cần quá sáng, mình tính toán R1 sao cho IL khoảng 2-3mA cũng đã đủ dùng rồi.

Trong ví dụ này, sau khi tra datasheet và chọn lựa, chúng ta thống nhất VL = VF = 2V, IL = 5mA nhé.

Từ (1) (2), I1 = (VS – VL)/R1 ó R1 = (VS – VL)/I1 = (12-2)/5 = 2kΩ.

Từ đây, ta rút ra được công thức tổng quát để tính điện trở hạn dòng cho LED:

R = (VS – VF)/IL

Với:

R là giá trị điện trở sẽ hạn dòng cho LED;

VS là điện áp lớn nhất sẽ cung cấp cho LED;

VF là điện áp ghim trên 2 đầu LED khi được phân cực thuận (xem trong datasheet);

IL là dòng điện mong muốn cung cấp cho LED.

Với công thức này, ta có thể nhanh chóng và dễ dàng tính ra giá trị điện trở mong muốn. Bạn cũng đừng quên tính toán công suất cho điện trở để chọn điện trở cho phù hợp nhé. Có thể trong ví dụ này, dòng qua điện trở quá nhỏ, ta không cần tính toán tới nhưng khi tính toán cho các loại LED công suất, LED siêu sáng hoặc mạch mắc nhiều LED bạn cần tính toán lại công suất cho điện trở với công thức:

PR = RIL2

Với ví dụ này, PR = 2000 x (5×10-3)2 = 0.05 W. Trở 0603 1/10W có thể dư sức đáp ứng được :D.

3.2. Mắc nhiều LED nối tiếp

Mac Led Noi Tiep
Cách mắc nhiều LED nối tiếp

Khi mắc nối tiếp thì

IL = IL1 = IL2 = IL3 = …

VF = VF1 + VF2 + VF3 + …

Công thức tổng quát:

R = (VS – nVF)/IL

PR = RIL2

Với n là số LED được mắc nối tiếp. Lưu ý là nVF phải luôn nhỏ hơn VS nhé.

3.3. Mắc nhiều LED song song

Mac Led Song Song
Cách mắc nhiều LED song song

Trong sơ đồ này, ta lần lượt tính RB1..RB6 cho từng nhánh như trường hợp mắc một LED đơn.

3.4. Mắc nhiều LED hỗn hợp song song – nối tiếp

Mac Led Hon Hop
Cách mắc LED hỗn hợp

Ta kết hợp mắc song song và nối tiếp sẽ cho ra được cách mắc hỗn hợp.

Trong sơ đồ này, ta lần lượt tính RB1..RB6 cho từng nhánh như trường hợp mắc nhiều LED nối tiếp.

Ngoài ra, còn có cách mắc ma trận LED dùng phương pháp quét LED theo hàng và cột để điều khiển.

Led Ma Tran
LED ma trận

Trên thị trường cũng có bán module LED ma trận được kết nối sẵn, các bạn có thể tự nghiên cứu thêm.

Với bài viết này kết hợp với bài viết Phân cực Transistor để điều khiển relay, bạn đã có thể tạo ra cho mình một mạch đèn LED nhiều màu sắc rực rỡ. Hãy thử vận dụng kiến thức từ hai bài viết để tính toán và thiết kế một mạch điều khiển LED sử dụng transistor và khoe thành quả ngay bên dưới bình luận cho Điện Tử Bốn Phương được biết bạn nhé.

Nếu có khó khăn gì liên quan đến LED thì hãy để lại bình luận ngay bên dưới nha bạn. Đội ngũ kỹ thuật Điện Tử Bốn Phương sẽ hỗ trợ giải đáp các thắc mắc của bạn.

Cảm ơn bạn đã dành thời gian đọc bài viết này.

Trân trọng.


Điện Tử Bốn Phương © 2021

Cảm ơn bạn đã theo dõi toàn bộ bài viết. Mời bạn đọc cùng đóng góp và bình luận ngay bên dưới.
Bạn có mong muốn giao lưu, chia sẻ kiến thức cùng mọi người? Hãy đăng nhập và truy cập vào Diễn đàn ngay.

Trả lời