Come calcolare il resistore in serie a un LED

Perché un LED ha bisogno di un resistore in serie

Un LED conduce come qualsiasi diodo, con una corrente che cresce esponenzialmente con la tensione, quindi una piccola variazione di tensione produce una grande variazione di corrente. Collegato direttamente a un'alimentazione, un LED tipico assorbe molto più della sua corrente nominale e si brucia.

Un resistore in serie risolve il problema. Imposta la corrente facendo cadere la tensione che il LED non usa, e rende la corrente molto meno sensibile alle piccole differenze di tensione.

Il simulatore del LED mostra quanto sia ripido il problema. Con il preset del LED rosso (20 mA nominali a 2,0 V), il modello dà 20 mA a 2,0 V, ma circa 27 mA a 2,1 V e circa 34 mA a 2,2 V. Un aumento del 10 % della tensione dà circa il 70 % di corrente in più.

La formula

Applica il secondo principio di Kirchhoff alla maglia: la tensione di alimentazione è uguale alla tensione sul LED più la tensione sul resistore, quindi V_s = V_f + I × R. Ricavando R si ottiene:

R = (V_s − V_f) / I

• V_s è la tensione di alimentazione in volt.
• V_f è la tensione diretta del LED alla corrente scelta, ricavata dal datasheet.
• I è la corrente diretta desiderata in ampere, pari o inferiore alla corrente nominale.

Scegli prima I. Il valore del datasheet è spesso 20 mA per un LED standard da 5 mm, ma una corrente più bassa, come 5–10 mA, è spesso abbastanza luminosa per un indicatore ed è più delicata per il LED.

Esempio svolto: LED rosso a 5 V

Prendiamo un LED rosso con V_f = 2,0 V e una corrente obiettivo di 20 mA, alimentato a 5 V.

1. Tensione sul resistore: 5 − 2,0 = 3,0 V. 2. Resistenza: 3,0 / 0,02 = 150 Ω. 3. Potenza nel resistore: P = I² × R = 0,02² × 150 = 0,06 W, ovvero 3,0 V × 20 mA. 4. Potenza nel LED: 2,0 V × 20 mA = 0,04 W.

150 Ω è un valore standard della serie E12, quindi si può usare così com'è. Un resistore da un quarto di watt (0,25 W) ha ampio margine rispetto a 0,06 W. Se il valore calcolato non è standard, arrotonda al valore standard successivo. La corrente scende allora leggermente sotto l'obiettivo, che è la direzione sicura.

Per un LED meno luminoso scegli una corrente più bassa: a 10 mA la stessa alimentazione richiede 3,0 / 0,01 = 300 Ω.

Perché la tensione diretta dipende dal colore

La tensione diretta è determinata soprattutto dal gap di banda del semiconduttore, che stabilisce anche il colore della luce. Un gap di banda più largo significa una tensione diretta più alta e una lunghezza d'onda più corta.

I preset di Curvo Studio per LED da 5 mm a 20 mA mostrano l'andamento.

• Rosso (AlGaInP, 625 nm): 2,0 V
• Arancione (605 nm): 2,05 V
• Giallo (590 nm): 2,1 V
• Verde (InGaN, 525 nm): 3,0 V
• Blu (InGaN, 470 nm): 3,2 V
• Bianco (chip blu con fosforo): 3,2 V

Il salto tra giallo e verde avviene perché i materiali passano da AlGaInP a InGaN, non perché la tensione cambi in modo graduale con la lunghezza d'onda. Sono valori tipici. I componenti reali variano tra costruttori, lotti e temperatura, quindi controlla il datasheet del LED che usi.

La stessa formula vale per ogni colore. Un LED blu a 5 V e 20 mA richiede (5 − 3,2) / 0,02 = 90 Ω, quindi il valore standard successivo è 100 Ω, che dà circa 18 mA. Con un'alimentazione a 3,3 V, un LED blu lascia solo 0,1 V sul resistore, quindi la corrente diventa estremamente sensibile all'esatta tensione diretta e il calcolo non è più affidabile.

Potenza nominale e altre verifiche

Dopo aver scelto il resistore, controlla tre cose.

• Potenza del resistore: P = I² × R. Scegli una potenza nominale di almeno il doppio di quella calcolata, quando possibile, perché lascia margine e mantiene il componente freddo.
• Corrente del LED: non superare mai la corrente continua nominale del LED.
• Tensione inversa: i LED tollerano poca tensione inversa. I preset usano un massimo di 5 V e il simulatore segnala il LED in sovraccarico in breakdown.

Se l'alimentazione varia, calcola per la tensione più bassa per essere certo che il LED si accenda, poi controlla la corrente alla tensione più alta per essere certo che il LED sia al sicuro.

Provalo nel simulatore del LED

Apri il simulatore del LED e scegli il preset rosso da 5 mm. Il simulatore applica una tensione direttamente ai capi del LED, quindi il resistore in serie che calcoli è quello che aggiungeresti all'esterno. Il suo parametro di resistenza serie (12 Ω per questo preset) è la resistenza interna del corpo del LED, non il resistore esterno.

• Imposta la tensione applicata a 2,0 V e leggi la corrente, circa 20 mA, il valore nominale.
• Aumentala a 2,1 V e 2,2 V e osserva la corrente salire verso il sovraccarico.
• Passa al preset blu e trova la tensione che dà 20 mA, che dovrebbe essere 3,2 V.
• Sottrai ogni tensione diretta dalla tua tensione di alimentazione, dividi per 20 mA e confronta i valori di resistore che ottieni per ogni colore.