Mi chiedevo da molto tempo perché negli schemi che usano i LED per l'illuminazione è molto comune mettere un resistore in abbinamento al LED, e finalmente sembra che la risposta a questa domanda spieghi perché. (È il modo più semplice per controllare la corrente attraverso il LED per evitare che il LED si accenda.)

Ma non è questo un grosso problema? Quei resistori non sprecano molta energia e non esiste davvero un'altra soluzione pratica?

UPD: Un aggiornamento ragionevole per la domanda date tutte le buone risposte che ho ricevuto è forse quello di fornire alcuni numeri per mostrare quanta energia viene persa a causa del calore dei resistori in una tipica applicazione di illuminazione? (La maggior parte delle risposte afferma che la perdita di potenza è così piccola che non ha importanza. Penso che sarebbe bello se qualcuno potesse ottenere i numeri reali, per consolidare quella risposta, quindi potrei accettare quella risposta e tenerla in cima per il futuro persone interessate.)

Sì, spreca energia, ma il più delle volte non è abbastanza energia per importare.

Nei casi in cui l'efficienza è importante, usi altri mezzi più complicati. Ad esempio, dai un'occhiata allo schema del mio progetto di esempio KnurdLight . Questo è alimentato a batteria e quasi tutta la potenza viene immessa nei LED. In questo caso ho usato un convertitore boost che regolava direttamente la corrente del LED invece di un normale alimentatore che regola la tensione. Non esiste un resistore in serie che faccia sembrare un alimentatore a tensione fissa almeno in parte simile a una sorgente di corrente perché in primo luogo l'alimentatore è una sorgente di corrente. R6 è in serie con la stringa LED, ma è solo 30 Ω ed è per rilevare la corrente in modo che il convertitore boost possa regolarla.

Perché resistori?

Il motivo per cui usiamo resistori per impostare la corrente del LED è che un LED è un diodo e, come la maggior parte dei diodi, sembra solo una caduta di tensione quando polarizzato in avanti. C'è molto poco da controllare la corrente se collegato a una fonte di tensione; la pendenza del grafico V / I è così ripida che una variazione di 0,1 V della tensione del diodo potrebbe significare una variazione di 10X della corrente. Pertanto, una connessione diretta a un alimentatore senza un meccanismo di limitazione della corrente praticabile probabilmente distruggerà il LED. Quindi abbiamo inserito un resistore per rendere la pendenza abbastanza bassa da controllare la corrente.

In genere, capisci quanta corrente vuoi nel LED in base a una misurazione della luminosità dalla scheda tecnica o ne acquisti una e indovina. Per i tipici LED indicatori, inizio con 2 mA per normale o 0,5 mA per LED ad alta efficienza e di solito devo ridurre ulteriormente la corrente.

Una volta scelta una corrente, prendi quella, la tensione della tua sorgente (VS) e la tensione diretta del tuo LED alla tua corrente (VF, prova a ottenere questo dal grafico nella scheda tecnica piuttosto che nella tabella, che in genere è caratterizzato da 10 mA o più) e collegali alla seguente equazione per ottenere la tua resistenza:

R = (VS - VF) / I

Derivazione: dato che la caduta di tensione attraverso il resistore è VR = I * R(legge di Ohm), che la corrente nel circuito è costante (legge attuale di Kirchoff) e che la tensione di sorgente è uguale a VF + VR(legge di tensione di Kirchoff):

VS = VF + VR = VF + I * R; VS - VF = I * R; R = (VS - VF) / I

LED ad alta potenza

Per le applicazioni in cui la perdita di energia è un problema, come nelle applicazioni di illuminazione su larga scala, non si utilizza un resistore ma si utilizza un regolatore di corrente per impostare la corrente del LED.

Questi regolatori di corrente funzionano come i regolatori di tensione di commutazione, tranne che per dividere la tensione di uscita e confrontarla con un riferimento e regolare l'uscita, utilizzano un elemento sensibile alla corrente (trasformatore di rilevamento corrente o resistenza di basso valore) per generare la tensione che viene confrontato con il riferimento. Ciò può garantire molta efficienza, a seconda della perdita dell'elemento di commutazione e della frequenza di commutazione. (Le frequenze più alte reagiscono più velocemente e utilizzano componenti più piccoli ma sono meno efficienti.)

Quando un LED viene pilotato con un resistore, è necessario che la tensione di alimentazione sia superiore alla caduta in avanti del LED; la corrente assorbita dall'alimentazione sarà uguale alla corrente attraverso il LED. La percentuale di alimentazione fornita al LED corrisponderà al rapporto tra la tensione diretta del LED e la tensione di alimentazione.

Esistono altri modi per guidare i LED che funzioneranno con tensioni di alimentazione inferiori alla caduta in avanti del LED o che assorbiranno meno corrente dall'alimentazione di quanto non facciano passare attraverso il LED. Tali tecniche possono ad esempio ridurre della metà la corrente assorbita da un'alimentazione a 5 volt per alimentare 20 mA attraverso un LED a 2 volt, ma i circuiti richiesti saranno quasi certamente più costosi di una resistenza. In molte situazioni, anche quando funziona a batterie, l'energia consumata da un LED rappresenterà una piccola frazione del consumo complessivo di energia; anche se si potrebbe ridurre il consumo di energia correlato ai LED del 99% utilizzando solo circuiti aggiuntivi del valore di $ 0,05, i risparmi non varrebbero il costo se confrontati con il semplice utilizzo di un resistore e l'accettazione dell'efficienza non ottimale.

Volevi un calcolo. Ecco la forma base del calcolo.

Un tipico LED rosso ha una caduta di tensione diretta di 1.8 Ve una corrente continua massima di circa 20 mA.

Ora qual è la nostra tensione? Diciamo che vogliamo usare una sorgente a 3 V.

Quindi avremo una caduta di tensione 3.0 V - 1.8 V = 1.2 Vsul nostro resistore. La corrente attraverso il resistore sarà 20 mA, quindi il nostro potere è 1.2 V * 20 mA = 24 mW. Non si tratta di molta energia, sebbene rappresenti una frazione significativa del consumo di energia del LED. Il LED stesso utilizza1.8V * 20mA = 36 mW.

Sì, spreca energia. D'altra parte, nella produzione in serie un resistore costerà una frazione di centesimo (0,01 USD per il nostro popolo internazionale). Quando viene eseguita l'analisi costi / benefici / difficoltà, un semplice resistore inizia a sembrare davvero bello.

La potenza sprecata è spesso molto ridotta (decine di milliwatt) se si guida il LED a 5 V o con una tensione altrettanto piccola.

Certo, è un problema nei sistemi in cui hai batterie a capacità limitata, ma poi vengono utilizzati altri schemi (come i driver LED che utilizzano PWM ).

Sì e no. Quando la corrente passa attraverso la resistenza, genera calore e quindi spreca energia. Tuttavia, se togliessi il resistore (e quindi spingessi il LED a una tensione più alta), guideresti più corrente attraverso il circuito e quindi bruceresti più energia rispetto al resistore in posizione.

Ricorda che con una tensione costante, la corrente è inversamente proporzionale alla resistenza. Maggiore è la resistenza in linea nel circuito, minore è la corrente che passi e quindi minore è il consumo di energia. Quindi, mentre la resistenza stessa svolge un ruolo nella generazione di calore nel circuito, la sua presenza in realtà significa che verrà generato complessivamente meno calore.

Faccio test matematici. Uso una sorgente a 12 V e collego 3 diodi a Led con resistori. Quel diodo con resistenza ha 12 V, il diodo successivo con resistenza I si collega anche a 12 V e l'ultimo anche. Alla fonte ho 60mA. Il resistore ha una caduta di tensione di 9 V e il consumo energetico è stato in totale di 540 mW Indipendentemente da P = V * II ottenere qualcosa in totale 720 mW di sorgente.

Ma quando collego i diodi in stringa e aggiungo Resistor, il consumo totale di energia era di soli 240mW in sorgente. Uso diodi 3V 20mA.

Sims è meglio usare una fonte di tensione il più bassa possibile, per avere il consumo di energia solo lì dove vogliamo. Oppure usa una stringa di diodi led per una tensione più alta. Ecco perché abbiamo nel computer così tante uscite con tensioni diverse dal trasformatore.

O un'altra idea. Abbiamo una sorgente da 9 V e collego un diodo da 3 V e ho bisogno di usare il resistore per abbassare la tensione. La potenza totale sarà di 180mW dove il diodo impiegherà solo 60mW Ma quando collegherò in stringa 3diodi, allora avrò ancora 180mW Ma quando collegherò 3 diodi ma ognuno è collegato separatamente a questa stessa fonte, allora avrò 540mW di potenza usata .

Sembra che sia meglio usare la stringa piuttosto che connetterli ciascuno alla sorgente.

Non è possibile evitare la perdita di potenza solo con un circuito CC attivo passivo o lineare. Il motivo è che l'efficienza è determinata da due cose:

1. La tensione di alimentazione
2. La corrente del LED

Non importa cosa si inserisce tra il LED e l'alimentazione. Potrebbe essere un resistore, alcuni diodi, un regolatore lineare o una sorgente di corrente basata su transistor. Se il LED richiede 10 mA per la luminosità desiderata e si dispone di un'alimentazione a 5 V, si bruciano 50 mW in totale. Periodo.

Con una tensione di alimentazione fissa e una corrente LED fissa, l'unica opzione per aumentare l'efficienza è mettere più LED in serie. Se hai un'alimentazione a 5 V e la caduta di tensione dei tuoi LED è di 2 V a 10 mA, puoi metterne due in serie. Ciò comporta una limitazione: non sarà possibile cambiare i LED in modo indipendente.

Se hai il controllo dell'alimentazione, ci sono un paio di altre cose che puoi fare. Se le tensioni di alimentazione derivano da una fonte CA, è possibile aggiungere un avvolgimento al trasformatore per creare un'alimentazione a LED a bassa tensione. Se si dispone solo di un alimentatore CC, è possibile utilizzare un convertitore di commutazione per generare una tensione inferiore. Tuttavia, nessuno di questi è terribilmente pratico. Se stai esaurendo l'alimentazione CA (rete), probabilmente non sei preoccupato dell'efficienza di alcune spie. E i regolatori di commutazione ad alta efficienza sono costosi e soggetti a problemi.

I LED consumano in genere solo una piccola parte della corrente totale di un sistema. Raramente vale la pena il problema o la spesa per aggiungere un alimentatore separato solo per loro.

Non pensare a una resistenza come a un dissipatore che devia l'elettricità (corrente). Parte del potere si perde sotto forma di calore, sì, ma non molto (in generale). Usando l'analogia dell'acqua, basti pensare alla resistenza come a rendere il tubo attraverso il quale scorre la corrente. Data la stessa forza iniziale (tensione), la quantità di elettricità che può fluire (corrente) viene ridotta. questo riduce la forza disponibile all'estremità di uscita del tubo (questo è noto come caduta di tensione).