При проектировании различных электронных устройств часто возникает необходимость последовательного, параллельного или комбинированного соединения компонентов. Светодиоды не являются исключением. Учитывая их небольшой размер, для увеличения яркости в одном светильнике можно разместить несколько светодиодных чипов.
Как правильно собрать электрическую цепь, чтобы ее надежность была на высоком уровне? Что нужно знать о светодиодах при их параллельном или последовательном соединении?
Параллельное соединение
Необходимость в параллельном подключении возникает, когда напряжения питания недостаточно для питания нескольких светодиодов последовательно. Теоретически, в простейшем случае все аноды и все катоды излучающих диодов могут быть подключены отдельно. Затем подключите их к источнику напряжения, соблюдая полярность. 
Но такая схема неосуществима, поскольку дифференциальное сопротивление открытого диода слишком мало, что провоцирует режим короткого замыкания. В результате все диоды в цепи вспыхнут один раз, а затем погаснут навсегда.
Но, как говорится: "Нет правила без исключений". В китайских игрушках и зажигалках можно заметить, что светодиоды питаются непосредственно от батарейки без каких-либо промежуточных компонентов. Почему они не сгорают? Причина в том, что ток в цепи ограничен внутренним сопротивлением круглых батарей AG1. Их мощности недостаточно для повреждения светодиода.
Резкое увеличение тока в нагрузке можно ограничить с помощью резистора. Как правильно это сделать с одним светодиодом, подробно описано в этой статье. Для схемы с несколькими параллельно подключенными светодиодами и одним резистором схема будет выглядеть следующим образом. Однако это не очень надежная конструкция освещения. Почему? Ответ кроется в особенностях структуры полупроводников. В процессе производства невозможно изготовить два абсолютно одинаковых полупроводниковых прибора. Даже светодиоды из одной партии будут иметь разное дифференциальное (внутреннее) сопротивление, которое влияет на прямое напряжение. Это относится не только к светодиодам, но и к другим полупроводникам. Среди диодов, транзисторов и тиристоров вы также не найдете двух устройств с одинаковыми электрическими характеристиками.
Из второй диаграммы видно, что резистор R1 ограничивает только общий ток цепи, который затем распределяется по ветвям с помощью диодов в соответствии с их сопротивлением. Согласно закону Ома, диод с наименьшим сопротивлением p-n-перехода будет получать наибольшую порцию тока. И, скорее всего, он будет выше номинального значения, что ускорит деградацию кристалла. Работа диода в режиме перегрузки по току рано или поздно приведет к его выходу из строя. Оставшиеся в работе светодиоды будут распределять ток сгоревшего элемента между собой, что также приведет к резкой потере яркости.
Как и в первом варианте, китайцы без колебаний разрабатывают лампы на основе "полуработающих" схем. Схему с одним резистором часто можно встретить в недорогих фонарях и маломощных лампах на пальчиковых батарейках. А чтобы диоды проработали хотя бы год, сопротивление резистора было намеренно завышено, как бы исключая возможную перегрузку.
Ниже приведен единственно правильный вариант параллельного соединения светодиодов. Здесь ограничивающий резистор подключен последовательно с каждым светодиодом. Такое расположение схемы помогает выровнять токи в отдельных ветвях, не позволяя им превышать рабочее значение.
Рекомендуется подключать светодиоды только через резистор от стабилизированного источника постоянного напряжения.
Пример расчета
Для закрепления теоретических знаний мы рассмотрим параллельное подключение светодиодов на конкретном примере.
В этой схеме мы имеем два светодиода: красный с малым током и белый с большой мощностью в один ватт, которые можно включать и выключать для удобства.
Последовательное подключение светодиодов
- Источник напряжения U = +5 В;
- Светодиод LED1 горит красным при ULED1 = 1,8 В и ILED1 = 0,02 А;
- Светодиод LED2 имеет белый цвет при ULED2 = 3,2 В и ILED2 = 0,35 A.
Требуется расчет параметров и подбор резисторов R1 и R2.
При параллельном подключении на обе ветви (R1-LED1 и R2- LED2) подается одинаковое напряжение 5 В. Сопротивление каждого резистора определяется по формуле:
Округлите значение R2 до следующего наибольшего значения из стандартной серии E24 — 5,1 Ом. Подставив его обратно в формулу, мы получим фактический ток во второй ветви:
С учетом возможного отклонения сопротивления выбранного резистора, которое для серии E24 может составлять до 5%, оптимальным является ток 0,33 А. Уменьшение рабочего тока примерно на 4% не сильно повлияет на яркость и позволит диоду работать без перегрузки.
Мощность, рассеиваемая резисторами, определяется с учетом преобразования тока светодиода LED2 по формуле:
Резистор R1 будет соответствовать любому резистору, будь то планарный или шлейфовый резистор с сопротивлением 160 Ом и мощностью 0,125 Вт. Резистор R2 должен быть способен эффективно отводить тепло во время длительной работы светильника. Поэтому он выбран с двойным запасом хода, а именно: 5,1 Ом — 1 Вт.
Последовательное соединение
При последовательном подключении светодиодов необходимо соблюдать следующее правило: "Напряжение питания должно быть больше, чем сумма падений напряжения на светодиодах". 
Остаток дисбаланса напряжения подавляется одним резистором R, правильное включение которого показано на рисунке.
Как подключать светодиоды
Все диоды подключены поочередно от анода к катоду. Сопротивление резистора определяет ток в цепи. Это означает, что последовательно можно соединять только диоды с одинаковым рабочим током.
Пример расчета
Давайте рассчитаем сопротивление и емкость резистора, используя три белых светодиода из серии Cree XM-L, которые имеют ток ILED = 0,7 А и выходное напряжение ULED = 2,9 В. В зависимости от требуемой цветовой температуры и яркости, светодиоды из разных групп серии XM-L могут быть объединены последовательно. Например, одна лампа Cree XM-L-T6 с TC=5000°K и две лампы Cree XM-L-T2 с TC=2600°K для сильного, нейтрального светового потока.
Питание схемы осуществляется от стабилизированного напряжения питания U = +12 В. Сопротивление резистора определяется по закону Ома:
Ближайший стандартный номинал — 4,7 Ом, при котором ток теоретически составит 0,702 А. Это не критично, но необходимо убедиться, что сопротивление резистора не изменится под воздействием температуры во время работы. Поэтому либо установите прецизионный резистор с допуском менее 1%, либо припаяйте последовательно с R1 = 4,7 Ом еще один резистор 0,1-0,2 Ом той же мощности.
Найдите мощность резистора: 
По аналогии с расчетами для первой схемы, установите резистор с примерно вдвое большим запасом мощности, т.е. один на 5 Вт. Вы можете заменить его двумя резисторами мощностью 2 Вт, но тогда вам придется пересчитать сопротивление.
Два важных момента
При первом включении стоит измерить ток в цепи и падение напряжения на каждом диоде с помощью мультиметра. Если измеренные значения отличаются от рассчитанных, пересчитайте сопротивление резистора. В противном случае ток в цепи может быть слишком низким (с потерей яркости) или слишком высоким (с перегревом светодиодного чипа).
При последовательном и параллельном подключении светодиодов нельзя рассчитывать только на способность источника питания обеспечить требуемый ток или напряжение. Оба эти параметра важны, и их продуктом является мощность. КПД источника питания всегда должен быть больше потребляемой мощности, чтобы гарантировать стабильную и непрерывную работу всего устройства.
