Capisco che non riesco a collegare un LED direttamente a una batteria perché assorbirà troppa corrente. Pertanto, ci deve essere qualcos'altro nel circuito per limitare la corrente. Quali opzioni ci sono? Alcuni metodi sono più efficienti di altri?

Un LED richiede una tensione minima prima di accendersi affatto. Questa tensione varia a seconda del tipo di LED, ma è generalmente vicina a 1,5 V - 4,4 V. Una volta raggiunta questa tensione, la corrente aumenterà molto rapidamente con la tensione, limitata solo dalla piccola resistenza del LED. Di conseguenza, qualsiasi tensione molto più alta di questa provocherà una corrente enorme attraverso il LED, fino a quando l'alimentatore non è in grado di fornire abbastanza corrente e le sue tensioni di tensione, o il LED viene distrutto.

Sopra è un esempio della relazione corrente-tensione per un LED. Poiché la corrente aumenta così rapidamente con la tensione, di solito possiamo semplificare la nostra analisi ipotizzando che la tensione attraverso un LED sia un valore costante, indipendentemente dalla corrente. In questo caso, 2V sembra giusto.

Dritto attraverso la batteria

Nessuna batteria è una fonte di tensione perfetta. Quando la resistenza tra i suoi terminali diminuisce e l'assorbimento di corrente aumenta, la tensione ai terminali della batteria diminuirà. Di conseguenza, esiste un limite alla corrente che la batteria può fornire. Se la batteria non è in grado di fornire troppa corrente per distruggere il tuo LED e la batteria stessa non verrà distrutta acquistando così tanta corrente, posizionare il LED direttamente sulla batteria è il modo più semplice ed efficiente per farlo.

La maggior parte delle batterie non soddisfa questi requisiti, ma alcune celle a bottone lo fanno. Potresti conoscerli dai lanciatori di LED .

Resistore serie

Il metodo più semplice per limitare la corrente del LED è posizionare un resistore in serie. Sappiamo dalla legge di Ohm che la corrente attraverso un resistore è uguale alla tensione attraverso di essa divisa per la resistenza. Pertanto, esiste una relazione lineare tra tensione e corrente per un resistore. Posizionare un resistore in serie con il LED serve ad appiattire la curva tensione-corrente al di sopra in modo tale che piccoli cambiamenti nella tensione di alimentazione non facciano schizzare radicalmente la corrente. La corrente continuerà ad aumentare, ma non radicalmente.

Il valore del resistore è semplice da calcolare: sottrarre la tensione diretta del LED dalla tensione di alimentazione e questa è la tensione che deve trovarsi attraverso il resistore. Quindi, usa la legge di Ohm per trovare la resistenza necessaria per ottenere la corrente desiderata nel LED.

Il grande svantaggio qui è che un resistore riduce la tensione convertendo l'energia elettrica in calore. Possiamo calcolare la potenza nel resistore con uno di questi:

P = I 2 R P = E 2 /$P = IE$
$P = I^2 R$
$P = E^2/R$

Qualsiasi potenza nel resistore è potenza non utilizzata per fare luce. Quindi perché non rendere la tensione di alimentazione molto vicina alla tensione del LED, quindi non abbiamo bisogno di una resistenza molto grande, riducendo così le nostre perdite di potenza? Perché se la resistenza è troppo piccola, non regolerà bene la corrente e il nostro circuito sarà soggetto a grandi variazioni di corrente con temperatura, variazione di produzione e tensione di alimentazione, proprio come se non avessimo alcuna resistenza. Come regola generale, almeno il 25% della tensione deve essere calato sul resistore. Pertanto, non si può mai raggiungere un rendimento migliore del 75% con un resistore in serie.

Potresti chiederti se più LED possono essere messi in parallelo, condividendo un singolo resistore di limitazione della corrente. È possibile, ma il risultato non sarà stabile, un LED potrebbe bloccare tutta la corrente e danneggiarsi. Vedi Perché esattamente un singolo resistore non può essere usato per molti LED paralleli? .

Fonte di corrente lineare

Se l'obiettivo è fornire una corrente costante ai LED, perché non creare un circuito che regola attivamente la corrente ai LED? Questo si chiama una fonte corrente , e qui un esempio di quello che puoi costruire con parti ordinarie:

Ecco come funziona: Q2 ottiene la sua corrente di base attraverso R1. All'accensione di Q2, una grande corrente scorre attraverso D1, Q2 e R2. Mentre questa corrente scorre attraverso R2, la tensione attraverso R2 deve aumentare (legge di Ohm). Se la tensione attraverso R2 aumenta a 0,6 V, allora Q1 inizierà ad accendersi, rubando la corrente di base da Q2, limitando la corrente in D1, Q2 e R2.

Quindi, R2 controlla la corrente. Questo circuito funziona limitando la tensione attraverso R2 a non più di 0,6 V. Quindi, per calcolare il valore necessario per R2, possiamo semplicemente usare la legge di Ohm per trovare la resistenza che ci dà la corrente desiderata a 0.6V.

Ma cosa abbiamo guadagnato? Ora qualsiasi tensione in eccesso viene semplicemente eliminata in Q2 e R2, invece di un resistore in serie. Non molto più efficiente e molto più complesso. Perché dovremmo preoccuparci?

Ricorda che con un resistore in serie, avevamo bisogno che almeno il 25% della tensione totale attraversasse il resistore per ottenere un'adeguata regolazione della corrente. Anche così, la corrente varia ancora leggermente con la tensione di alimentazione. Con questo circuito, la corrente varia a malapena con la tensione di alimentazione in tutte le condizioni. Possiamo mettere molti LED in serie con D1, in modo tale che la loro caduta di tensione totale sia di 20 V. Quindi, abbiamo bisogno solo di un altro 0,6 V per R2, più un po 'di più in modo che Q2 abbia spazio per funzionare. La nostra tensione di alimentazione potrebbe essere di 21,5 V e stiamo sprecando solo 1,5 V in cose che non sono LED. Ciò significa che la nostra efficienza può avvicinarsi a 20 . È molto meglio del 75% che possiamo raccogliere con un resistore in serie.$20V / 21.5V = 93 \%$

Sorgenti correnti in modalità commutata

Per la soluzione definitiva, esiste un modo (almeno in teoria) di guidare i LED con un'efficienza del 100%. Si chiama alimentatore switching e utilizza un induttore per convertire qualsiasi tensione esattamente nella tensione necessaria per pilotare i LED. Non è un circuito semplice e in pratica non possiamo renderlo completamente efficiente al 100% poiché nessun componente reale è l'ideale. Tuttavia, progettato correttamente, questo può essere più efficiente della sorgente di corrente lineare sopra e mantenere la corrente desiderata su una gamma più ampia di tensioni di ingresso.

Ecco un semplice esempio che può essere costruito con parti ordinarie:

Non pretenderò che questo design sia molto efficiente, ma serve a dimostrare il principio di funzionamento. Ecco come funziona:

U1, R1 e C1 generano un'onda quadra. La regolazione di R1 controlla il ciclo di lavoro e la frequenza e, di conseguenza, la luminosità del LED.

Quando l'uscita (pin 3) è bassa, Q1 è attivato. La corrente scorre attraverso l'induttore, L1. Questa corrente cresce quando l'energia viene immagazzinata nell'induttore.

Quindi, l'uscita aumenta. Q1 si spegne. Ma un induttore funge da volano per la corrente. La corrente che scorreva in L1 deve continuare a scorrere e l'unico modo per farlo è attraverso D1. L'energia immagazzinata in L1 viene trasferita in D1.

L'uscita si abbassa di nuovo e quindi il circuito si alterna tra accumulo di energia in L1 e scarico in D1. Quindi, in realtà, il LED lampeggia rapidamente, ma a circa 25kHz, non è visibile.

La cosa bella di questo è che non importa quale sia la nostra tensione di alimentazione o quale sia la tensione diretta di D1. In effetti, possiamo mettere molti LED in serie con D1 e si accenderanno comunque, anche se la tensione diretta diretta dei LED supera la tensione di alimentazione.

Con alcuni circuiti extra, possiamo creare un circuito di feedback che monitora la corrente in D1 e regola efficacemente R1 per noi, quindi il LED manterrà la stessa luminosità su una vasta gamma di tensioni di alimentazione. Pratico, se si desidera che il LED rimanga luminoso quando la batteria si scarica. Sostituisci U1 con un microcontrollore e apporta alcune modifiche qua e là per renderlo più efficiente e hai davvero qualcosa.

C'è un altro modo, molto meno comunemente visto. Buono per un LED, molto semplice, puoi lanciare qualsiasi cosa da circa 4v a 20v, e dà felicemente al LED una corrente abbastanza costante.

Blu è la tensione di ingresso, da 20v a 4v. Il verde è la corrente del LED, circa 12 mA. Il rosso è la potenza dissipata dal JFET, scheda tecnica qui .

Ecco una raccolta di opzioni di driver LED con cui puoi giocare.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

non è del tutto vero, in quanto dipende da molti fattori.

il problema con i led è che 1) una volta che iniziano a condurre, un piccolo aumento della tensione creerà un enorme aumento di corrente. con la giusta combinazione, ciò può significare danni; 2) man mano che i led si riscaldano, la loro caduta di tensione diretta diminuisce, causando un aumento della corrente attraverso i led. che a sua volta fa aumentare la dissipazione di potenza sui led e si surriscaldano. che ha un circolo vizioso.

Quindi un modo per evitare ciò è quello di introdurre un feedback negativo in modo che quando la corrente nei led aumenta, la tensione tra i led diminuisce.

molti modi per farlo. resistori, sensori, controlli attivi, ecc.