La tensione diretta del LED è un intervallo, quindi come si calcola il valore della resistenza?

In tutti gli esempi di LED che trovo, hanno la tensione diretta impostata su un numero specifico (ovvero 2,1 v) e calcolano la resistenza necessaria in base a quel numero. Ma quando cerco fogli dati, la tensione diretta arriva in intervalli (2,0 v - 2,5 v). Questo ha senso per me poiché non tutti i LED sono uguali. Ma mi sta rendendo difficile capire quale resistore usare.

Così ho deciso di progettare un circuito. Ho una sorgente di tensione 3v (2 batterie AA) che si collega a una resistenza che si collega a un LED che si ricollega alla sorgente di tensione. La massima corrente sostenibile del LED è di 20 mA.

Ho deciso di utilizzare la legge di Ohm sul limite inferiore e superiore dell'intervallo di tensione diretta per calcolare le resistenze.

( 3,0 v - 2,5 v ) / 20 m A = 25

Il problema si presenta quando scelgo un resistore. Diciamo che scelgo il resistore da 50 Ohm ma il LED che ottengo in realtà ha una tensione diretta di 2,5v. La quantità effettiva di corrente che passerebbe attraverso il LED sarebbe 10mA. Non sta usando il LED per il suo pieno potenziale.

Se uso la resistenza da 25 Ohm e il LED ha una tensione diretta di 2,0 V, la quantità di corrente che passa attraverso il LED sarebbe 40 mA. Il mio LED esploderebbe.

L'uso del "valore impostato" di 2,1 v per calcolare la resistenza ci dà 45 Ohm.

Se il mio LED avesse una tensione diretta di 2,0 V, la corrente sarebbe di 22 mA. Questo è oltre la valutazione per il LED. Se il LED avesse una tensione diretta di 2,5 V, la corrente sarebbe di 11 mA che non utilizza il LED per il suo pieno potenziale.

Nota: non sono troppo preoccupato per ottenere il pieno potenziale da un LED. (Se ho capito bene, 10mA dovrebbe funzionare bene per illuminare un LED.) Voglio solo sapere come i veri ingegneri gestiscono questo problema. Avere una corrente di 10 mA è accettabile? Puoi effettivamente cavartela con 22mA anche se le specifiche dicono 20mA? Cosa fai quando hai bisogno dei tuoi LED per funzionare alla massima luminosità?

Questo è un problema generale nell'uso di un resistore limitatore di corrente con LED quando la tensione di alimentazione è vicina alla tensione diretta del LED. Semplicemente non si ha abbastanza sovraccarico per il resistore da essere abbastanza grande da assorbire il diodo per deviare le differenze di tensione diretta.

Hai anche il problema che le batterie stesse avranno un intervallo significativo e probabilmente saranno più di 3 V quando sono nuove.

In generale, è meglio pilotare i LED con una sorgente di corrente piuttosto che una sorgente di tensione. Tuttavia, anche in questo caso, è necessario un po 'di margine per far funzionare il limitatore di corrente e mezzo volt è davvero stretto.

Ci sono modi per farlo in modo sufficientemente accurato sotto tutti i tuoi vincoli, ma diventa complicato e comporta un costo e scarica la batteria più velocemente.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Abbastanza sorprendente dopo tutti questi anni che nessuno sembra averlo messo su un semplice piccolo SOIC.

Ma, alla fine, a meno che i tuoi requisiti non siano rigorosi sulla corrente diretta necessaria, è meglio semplicemente inserire un'altra batteria in modo da avere 4,5 V nominali e utilizzare un resistore più grande.

Sembra che tu stia pensando troppo al problema.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 2$
2. Inoltre, i LED sono piuttosto resistenti e vengono spesso utilizzati in modalità pulsate (multiplexate) in cui la corrente di picco è molto più alta della media. E di solito possono gestirlo bene.
3. $\times\:2$ indica un cambiamento nella percezione del cambiamento di luminosità che è appena percettibile (a meno che il LED non sia sfarfallato intenzionalmente con le due diverse correnti per rendere più facile la percezione).

Quindi, tutto sommato, il livello esatto di corrente di solito non è così importante quando un LED viene utilizzato come indicatore luminoso. E la tensione attraverso un LED non varia molto, comunque.

La cosa principale è assicurarsi che ci sia un sovraccarico di tensione sufficiente per far funzionare il LED in modo coerente in un progetto e che il metodo di regolazione della corrente sia sufficiente per la necessità (qualunque cosa ciò significhi) e non costi troppo (. ..) e non occupa troppo spazio (...) e non riscalda le cose circostanti non dovrebbe (...) e non scarica la batteria più del necessario (...) e altrimenti non interferisce con altre specifiche di progettazione (qualunque esse siano.)

In breve, di solito ci sono troppe altre preoccupazioni di cui preoccuparsi.

[Se il LED viene utilizzato come uno dei tre LED RGB, con l'intento di utilizzarlo come pixel LED in un ampio display esterno, potrebbe essere molto importante (o meno, a seconda dei requisiti) che le correnti siano attentamente calibrato in ciascuno dei singoli LED al fine di garantire che possano essere soddisfatti criteri di progettazione reali come il "bilanciamento del bianco". (Oltre a qualsiasi "binning" di LED che potrebbe essere stato fatto prima dell'assemblaggio in un pixel RGB.)]

Si presenta un problema, per quanto riguarda la corrente del LED, in cui il problema utilizza una bassa tensione ambientale ed esagera il problema facendo variare abbastanza le tensioni del LED (il che, suppongo, potrebbe accadere). Tuttavia, esiste una soluzione modesta a questi casi Non posso dire che a nessuno piacerebbe preoccuparsi di mettere tre BJT e una resistenza al problema. Ma supponiamo che tu abbia effettivamente un obiettivo di progettazione di controllo "low overhead" e controllo costante della corrente indipendentemente dalla variazione della tensione del LED. In tal caso, probabilmente il metodo più economico è utilizzare un mirror corrente, come segue:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

$Q_1$$Q_3$

Con situazioni ambientali basse, un resistore rende un regolatore di corrente molto scarso. È così. Quindi o vivi con esso, oppure no, a seconda delle circostanze.

$V_{CC}$

^{simula questo circuito}

$V_{BE}$$R_2$$R_3$$V_{CC}$$R_3$$V_{CC}$$R_1$$V_{BE}$$R_2$$R_1$$V_{CC}$

$V_{CC}$$2.5\:\textrm{V}$

Innanzitutto, specificare un singolo produttore di LED e un numero di parte. L'intervallo in Vf da una parte all'altra non sarà eccezionale come suggerisci (non 0,5 V).

In secondo luogo, piccole variazioni di luminosità non sono facilmente rilevabili per gli occhi. Quindi non devi preoccuparti di piccole variazioni da unità a unità.

Terzo, quando possibile, alimentate i LED da una tensione regolata, non dalla batteria, in modo da rimuovere una fonte di variazione.

In quarto luogo, quando l'unica fonte di alimentazione disponibile è variabile (come una batteria), si guida il LED con una sorgente di corrente anziché una sorgente di tensione con un resistore di limitazione della corrente. Se è disponibile almeno una tensione regolata (anche se è una bassa tensione), è abbastanza facile creare una sorgente di corrente soddisfacente per pilotare un indicatore LED utilizzando solo un transistor e alcune resistenze. Questo è economico ma occupa spazio su design fortemente limitati dallo spazio.

Se non è disponibile nemmeno una singola tensione regolata, è comunque possibile creare una sorgente di corrente decente utilizzando due diodi in serie come riferimento di tensione.

Non sono sicuro di essere un vero ingegnere, ma ho dovuto fare tutte queste cose durante la progettazione di prodotti di consumo, ed è così che ho affrontato. Un'altra cosa che può davvero aiutarti con gli indicatori LED è quando i carichi pesanti causano l'abbassamento della tensione della batteria. Ad esempio, un motore o un altoparlante a vibrazione può causare la caduta della tensione della batteria su alcuni prodotti. Tale caduta potrebbe causare uno sfarfallio evidente o una variazione della luminosità del LED quando il LED viene azionato dalla batteria. Questo è un altro motivo per utilizzare una fonte corrente.

Ecco una fonte di corrente per quando il LED è alimentato dalla batteria, ma hai a disposizione un segnale GPIO che deriva da una tensione regolata:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Nello schema sopra, non importa se il LED è alimentato da 3,3 V o VBATT o altro, purché il GPIO sia alimentato da una fonte regolata. L'ho copiato da un'altra risposta. Dovresti modificare la resistenza dell'emettitore per ottenere la corrente specifica che stai cercando. Quando non è disponibile molto sovraccarico, è anche possibile ridurre R2 in modo che la tensione di base sia inferiore a 1 V.

Ecco un circuito per quando non c'è tensione regolata disponibile:

^{simula questo circuito}

Nel circuito sopra, D1 e D2 fungono da riferimento di tensione. La tensione può variare, ma non tanto quanto la tensione della batteria. Questa tensione costante alla base di Q1 viene quindi sfruttata in una tensione costante attraverso R3, e quindi, corrente di collettore costante (il transistor non sarà saturo a meno che VBATT non sia molto basso). In realtà non l'ho fatto in un progetto di produzione, ma credo che funzionerebbe bene.

Rispetto a un semplice interruttore saturo, entrambi i circuiti fanno un buon lavoro per mantenere la corrente desiderata anche quando la tensione è appena sufficiente per mantenere il LED acceso.

Ecco alcuni risultati della simulazione confrontando il semplice interruttore saturo con la resistenza di limitazione della corrente (D1), rispetto al circuito di riferimento del partitore di tensione (D2) rispetto al riferimento a due diodi (D5). Questo è con un LED 3V. Si noti che i valori della resistenza sono stati ottimizzati per ottenere circa 9 mA a VBATT = 4,2 V.

Come puoi vedere, la sorgente di corrente con il riferimento del partitore di tensione ha mantenuto buone prestazioni, diciamo 3,35 V. Quindi ha bisogno solo di circa 350mV di spese generali.

Il circuito di riferimento a due diodi ha mantenuto buone prestazioni fino a circa 3,45 V, ovvero circa 450 mV di sovraccarico.

Il circuito standard in realtà non mantiene affatto una corrente regolata. La corrente scende linearmente con la tensione della batteria.

Si noti inoltre che il circuito di riferimento a due diodi e il circuito di riferimento del partitore di tensione hanno entrambi una corrente più elevata a tutte le tensioni della batteria rispetto al circuito standard, ad eccezione della tensione massima della batteria.

Questo è un problema comune con l'utilizzo di un resistore come limitatore di corrente e una sorgente di tensione che è solo una piccola distanza di tensione al di sopra dell'intervallo di tensione operativa dei LED, E un intervallo di tensione diretta dei LED è così ampio.

In primo luogo per spiegare, la "gamma" di tensione diretta dei LED non è una gamma in cui è possibile selezionare per farla funzionare, è la gamma di tensioni che il LED potrebbe funzionare a SE data la corrente corretta (la corrente diretta) (questa tensione varia da unità a unità e da lotto a lotto).

Senza cambiare alcun hardware, il resistore corretto per progettare il circuito è utilizzare la tensione più bassa possibile nell'intervallo vf (2.0 v) per eseguire i calcoli, ciò significa che le unità con un vf effettivo di 2.0 v funzioneranno al massimo corrente diretta e quindi luminosità, e quelli con un vf più alto (> 2.0) funzioneranno con meno corrente e meno luminosità rispetto al design massimo di questo tipo di LED, ma almeno qualsiasi unità di questo modello LED funzionerà entro limiti di sicurezza.

Quindi, se si desidera migliorare o correggere i 3 motivi che ho indicato, se ad esempio l'applicazione non può tollerare una luminosità inferiore dal LED, è possibile effettuare una delle seguenti operazioni: 1) utilizzando un circuito con limite di corrente migliore rispetto a un semplice resistore. ci sono alcuni chip che lo fanno. 2) utilizzando una tensione superiore al di sopra della tensione diretta. 3) utilizzo di un LED con una gamma più ristretta di specifiche di tensione diretta.