Rozumiem, że nie mogę podłączyć diody LED bezpośrednio do akumulatora, ponieważ pobierze zbyt dużo prądu. Dlatego w obwodzie musi być coś jeszcze, aby ograniczyć prąd. Jakie są dostępne opcje? Czy niektóre metody są bardziej wydajne niż inne?

Dioda LED wymaga minimalnego napięcia, zanim w ogóle się włączy. Napięcie to zmienia się w zależności od rodzaju diody LED, ale zwykle wynosi około 1,5 V - 4,4 V. Po osiągnięciu tego napięcia prąd gwałtownie wzrośnie wraz z napięciem, ograniczonym jedynie niewielką rezystancją LED. W rezultacie każde napięcie znacznie wyższe niż to spowoduje bardzo duży prąd przez diodę LED, dopóki zasilacz nie będzie w stanie dostarczyć wystarczającej ilości prądu i jego napięcie spadnie, lub dioda LED ulegnie zniszczeniu.

Powyżej znajduje się przykład zależności prąd-napięcie dla diody LED. Ponieważ prąd rośnie tak szybko wraz z napięciem, zwykle możemy uprościć naszą analizę, zakładając, że napięcie na diodzie LED jest wartością stałą, niezależnie od prądu. W tym przypadku 2V wygląda dobrze.

Prosto na całej baterii

Żadna bateria nie jest idealnym źródłem napięcia. Gdy opór między jego zaciskami maleje, a pobór prądu rośnie, napięcie na zaciskach akumulatora będzie maleć. W związku z tym istnieje ograniczenie prądu, który może zapewnić bateria. Jeśli akumulator nie jest w stanie dostarczyć zbyt dużego prądu, aby zniszczyć diodę LED, a sam akumulator nie zostanie zniszczony przez pozyskanie tak dużej ilości prądu, umieszczenie diody LED bezpośrednio na akumulatorze jest najłatwiejszym i najbardziej wydajnym sposobem na zrobienie tego.

Większość baterii nie spełnia tych wymagań, ale niektóre ogniwa monetowe spełniają. Być może znasz ich z lampek LED .

Rezystor szeregowy

Najprostszym sposobem ograniczenia prądu LED jest umieszczenie rezystora szeregowo. Z prawa Ohma wiemy, że prąd przez rezystor jest równy napięciu na nim podzielonemu przez rezystancję. Zatem istnieje rezystancja liniowa zależność między napięciem a prądem. Umieszczenie rezystora w szeregu z diodą LED służy do spłaszczenia krzywej napięcie-prąd powyżej tak, że niewielkie zmiany napięcia zasilania nie powodują gwałtownego wzrostu prądu. Prąd wciąż wzrośnie, ale nie radykalnie.

Wartość rezystora można łatwo obliczyć: odejmij napięcie przewodzące diody LED od napięcia zasilania, a jest to napięcie, które musi znajdować się na oporniku. Następnie użyj prawa Ohma, aby znaleźć oporność niezbędną do uzyskania pożądanego prądu w diodzie LED.

Dużą wadą jest to, że rezystor obniża napięcie poprzez zamianę energii elektrycznej na ciepło. Możemy obliczyć moc rezystora za pomocą dowolnego z poniższych:

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

Jakakolwiek moc rezystora nie jest mocą wykorzystywaną do wytworzenia światła. Dlaczego więc nie zbliżamy napięcia zasilania do napięcia LED, więc nie potrzebujemy bardzo dużego rezystora, co zmniejszy nasze straty mocy? Ponieważ jeśli rezystor jest zbyt mały, nie będzie dobrze regulował prądu, a nasz obwód będzie podlegał dużym zmianom prądu wraz z temperaturą, zmianami produkcyjnymi i napięciem zasilania, tak jakbyśmy wcale nie mieli rezystora. Zasadniczo co najmniej 25% napięcia powinno spadać na rezystor. Tak więc nigdy nie można osiągnąć wydajności wyższej niż 75% przy zastosowaniu rezystora szeregowego.

Być może zastanawiasz się, czy wiele diod LED można ustawić równolegle, dzieląc jeden opornik ograniczający prąd. Możesz, ale wynik nie będzie stabilny, jedna dioda LED może pochłonąć cały prąd i zostać uszkodzona. Zobacz Dlaczego dokładnie nie można zastosować jednego rezystora dla wielu równoległych diod LED? .

Liniowe źródło prądu

Jeśli celem jest dostarczenie stałego prądu do diod LED, dlaczego nie stworzyć obwodu, który aktywnie reguluje prąd do diod LED? Nazywa się to bieżącym źródłem , a tutaj jest przykładem takiego, który można zbudować ze zwykłych części:

Oto jak to działa: Q2 pobiera prąd podstawowy przez R1. Gdy Q2 się włącza, duży prąd przepływa przez D1, przez Q2 i przez R2. Gdy ten prąd przepływa przez R2, napięcie na R2 musi wzrosnąć (prawo Ohma). Jeśli napięcie na R2 wzrośnie do 0,6 V, wówczas Q1 zacznie się włączać, kradnąc prąd podstawowy z Q2, ograniczając prąd w D1, Q2 i R2.

Tak więc R2 kontroluje prąd. Obwód ten działa poprzez ograniczenie napięcia na R2 do nie więcej niż 0,6 V. Aby obliczyć wartość potrzebną dla R2, możemy po prostu użyć prawa Ohma, aby znaleźć rezystancję, która daje nam pożądany prąd przy 0,6 V.

Ale co zyskaliśmy? Teraz nadmiar napięcia spada właśnie w Q2 i R2 zamiast rezystora szeregowego. Niewiele bardziej wydajne i znacznie bardziej złożone. Dlaczego mielibyśmy się tym przejmować?

Pamiętaj, że w przypadku rezystora szeregowego potrzebowaliśmy co najmniej 25% całkowitego napięcia na rezystorze, aby uzyskać odpowiednią regulację prądu. Mimo to prąd nadal nieco się różni w zależności od napięcia zasilania. W tym obwodzie prąd prawie nie zmienia się wraz z napięciem zasilania we wszystkich warunkach. Możemy połączyć wiele diod LED szeregowo z D1, tak aby ich całkowity spadek napięcia wynosił 20 V. Następnie potrzebujemy tylko 0,6 V dla R2, plus trochę więcej, aby Q2 miał miejsce do pracy. Nasze napięcie zasilania może wynosić 21,5 V, a my marnujemy tylko 1,5 V na przedmioty, które nie są diodami LED. Oznacza to, że nasza wydajność może zbliżyć się do 20 . To o wiele lepsze niż 75%, które możemy zebrać z rezystorem szeregowym.$20V / 21.5V = 93 \%$

Tryb przełączany Bieżące źródła

Aby uzyskać najlepsze rozwiązanie, istnieje sposób (przynajmniej w teorii) napędzania diod LED ze 100% wydajnością. Nazywa się to zasilaczem impulsowym i wykorzystuje cewkę do przekształcenia dowolnego napięcia na dokładnie napięcie potrzebne do napędzania diod LED. Nie jest to prosty obwód i nie możemy sprawić, aby był w 100% sprawny w praktyce, ponieważ żadne prawdziwe komponenty nie są idealne. Jednak odpowiednio zaprojektowany może być bardziej wydajny niż liniowe źródło prądu powyżej i utrzymać pożądany prąd w szerszym zakresie napięć wejściowych.

Oto prosty przykład, który można zbudować ze zwykłych części:

Nie twierdzę, że ten projekt jest bardzo wydajny, ale służy do wykazania zasady działania. Oto jak to działa:

U1, R1 i C1 generują falę prostokątną. Regulacja R1 kontroluje cykl pracy i częstotliwość, a tym samym jasność diody LED.

Gdy wyjście (pin 3) jest niskie, Q1 jest włączone. Prąd przepływa przez cewkę indukcyjną L1. Prąd ten rośnie, gdy energia jest magazynowana w cewce.

Następnie moc wyjściowa jest wysoka. Q1 wyłącza się. Ale cewka indukcyjna działa jak koło zamachowe prądu. Prąd płynący w L1 musi nadal płynąć, a jedynym sposobem na to jest przejście przez D1. Energia zmagazynowana w L1 jest przekazywana do D1.

Moc wyjściowa znów spada, a zatem obwód naprzemiennie przechowuje energię w L1 i wyrzuca ją w D1. Tak naprawdę dioda LED miga szybko, ale przy częstotliwości około 25 kHz nie jest widoczna.

Ciekawe jest to, że nie ma znaczenia, jakie jest nasze napięcie zasilania, ani jakie jest napięcie przewodzenia D1. W rzeczywistości możemy umieścić wiele diod LED w szeregu z D1 i nadal będą świecić, nawet jeśli całkowite napięcie przewodzenia diod LED przekroczy napięcie zasilania.

Dzięki dodatkowym obwodom możemy stworzyć pętlę sprzężenia zwrotnego, która monitoruje prąd w D1 i skutecznie dostosowuje dla nas R1, dzięki czemu dioda LED utrzyma tę samą jasność w szerokim zakresie napięć zasilania. Przydatne, jeśli chcesz, aby dioda LED pozostała jasna w miarę rozładowywania się baterii. Zamień U1 na mikrokontroler i dokonaj pewnych poprawek tu i tam, aby uczynić to bardziej wydajnym, a naprawdę masz coś.

Jest jeszcze jeden sposób, o wiele rzadziej spotykany. Dobry dla jednej diody LED, bardzo prosty, możesz rzucić na nią wszystko od około 4v do 20v, i na szczęście daje LED dość stały prąd.

Niebieski to napięcie wejściowe od 20 do 4 V. Zielony to prąd do diody LED, około 12 mA. Czerwony to moc rozpraszana przez JFET, arkusz danych tutaj .

Oto zbiór opcji sterowników LED, z którymi możesz grać.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

to nie do końca prawda - ponieważ zależy to od wielu czynników.

problem z diodami polega na tym, że 1) gdy zaczną przewodzić, niewielki wzrost napięcia spowoduje ogromny wzrost prądu. przy odpowiedniej kombinacji może to oznaczać uszkodzenie; 2) w miarę nagrzewania się diod ich spadek napięcia do przodu zmniejsza się, co powoduje wzrost prądu przez diody. co z kolei powoduje rozpraszanie mocy na diodach LED, a diody nagrzewają się. co prowadzi do błędnego koła.

Tak więc jednym ze sposobów uniknięcia tego jest wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego, aby gdy prąd w diodach poszedł w górę, napięcie na diodach spadło.

wiele sposobów, aby to zrobić. rezystory, czujniki, aktywne elementy sterujące itp.