Przez długi czas zastanawiałem się, dlaczego w schematach wykorzystujących diody LED do oświetlenia bardzo często stosuje się rezystor współpracujący z diodą LED, a na koniec wydaje się, że odpowiedź w tym pytaniu wyjaśnia dlaczego. (Jest to najprostszy sposób kontrolowania prądu za pomocą diody LED, aby zapobiec spaleniu się diody LED).

Ale czy to nie jest duży problem? Czy te rezystory nie marnują dużo energii i czy naprawdę nie ma innego praktycznego rozwiązania?

UPD: Rozsądną aktualizacją pytania, na które udzielono wszystkich dobrych odpowiedzi, które otrzymałem, może być podanie liczb, które pokażą, ile mocy tracą na ciepło rezystory w typowym zastosowaniu oświetleniowym? (Większość odpowiedzi mówi, że utrata mocy jest tak mała, że ​​to nie ma znaczenia. Myślę, że byłoby dobrze, gdyby ktokolwiek mógł uzyskać prawdziwe liczby, aby ugruntować tę odpowiedź, wtedy mógłbym zaakceptować tę odpowiedź i zachować ją na przyszłość zainteresowani ludzie).

Tak, marnuje energię, ale przez większość czasu nie ma wystarczającej mocy, aby mieć znaczenie.

W przypadkach, w których liczy się efektywność, używasz innych, bardziej skomplikowanych środków. Na przykład spójrz na schemat mojego przykładowego projektu KnurdLight . Jest to zasilanie bateryjne i prawie cała moc trafia do diod LED. W tym przypadku zastosowałem przetwornicę podwyższającą, która bezpośrednio regulowała prąd LED zamiast normalnego zasilacza regulującego napięcie. Nie ma szeregowego rezystora, który sprawiałby, że stały zasilacz wyglądałby przynajmniej częściowo jak źródło prądu, ponieważ zasilacz jest przede wszystkim źródłem prądu. R6 jest połączony szeregowo z łańcuchem LED, ale ma tylko 30 Ω i służy do wykrywania prądu, aby przetwornica podwyższająca mogła go regulować.

Dlaczego rezystory

Powodem, dla którego używamy rezystorów do ustawiania prądu LED, jest to, że dioda LED jest diodą, i jak większość diod, po prostu z tendencją do przodu wygląda jak spadek napięcia. Prąd kontrolny jest bardzo niewielki, jeśli jest podłączony do źródła napięcia; nachylenie wykresu V / I jest tak strome, że zmiana napięcia diody o 0,1 V może oznaczać 10-krotną zmianę prądu. Zatem bezpośrednie połączenie z zasilaniem bez sprawnego mechanizmu ograniczania prądu prawdopodobnie zniszczy diodę LED. Dlatego umieszczamy tam rezystor, aby nachylenie było wystarczająco płytkie, aby kontrolować prąd.

Zazwyczaj ustalasz, ile prądu chcesz w diodzie LED na podstawie pomiaru jasności z arkusza danych, lub kup jeden i zgadnij. W przypadku typowych wskaźników LED, zaczynam od 2 mA dla normalnych lub 0,5 mA dla wysokowydajnych diod LED i zwykle muszę dalej zmniejszyć prąd.

Gdy już wybierzesz prąd, weź to, napięcie źródła (VS) i napięcie przewodzenia diody LED przy twoim prądzie (VF, spróbuj pobrać to z wykresu w karcie danych, a nie z tabeli, co zwykle charakteryzuje się 10 mA lub więcej) i podłącz je do następującego równania, aby uzyskać opór:

R = (VS - VF) / I

Wyprowadzenie: Biorąc pod uwagę, że spadek napięcia na rezystorze wynosi VR = I * R(prawo Ohma), że prąd w pętli jest stały (prawo prądu Kirchoffa), a napięcie źródła jest równe VF + VR(prawo napięcia Kirchoffa):

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

Diody LED dużej mocy

W zastosowaniach, w których marnotrawstwo energii stanowi problem, na przykład w zastosowaniach oświetleniowych na dużą skalę, nie używasz rezystora, ale zamiast tego używasz regulatora prądu, aby ustawić prąd diody LED.

Te regulatory prądu działają jak przełączające regulatory napięcia, z tym wyjątkiem, że zamiast dzielić napięcie wyjściowe i porównywać je z wartością odniesienia i regulować moc wyjściową, wykorzystują element wyczuwający prąd (transformator wyczuwalny prądowo lub rezystor niskiej wartości) do generowania napięcia, które jest porównywany z odniesieniem. Może to zapewnić dużą wydajność, w zależności od utraty elementu przełączającego i częstotliwości przełączania. (Wyższe częstotliwości reagują szybciej i używają mniejszych komponentów, ale są mniej wydajne).

Gdy dioda LED jest napędzana rezystorem, konieczne jest, aby napięcie zasilania było wyższe niż spadek diody LED do przodu; prąd pobierany z zasilacza będzie równy prądowi przez diodę LED. Procent mocy zasilającej, która trafia do diody LED, będzie odpowiadał stosunkowi napięcia przewodzenia diody LED do napięcia zasilania.

Istnieją inne sposoby napędzania diod LED, które będą działać przy napięciu zasilania poniżej przedniego spadku diody LED lub które będą pobierać mniej prądu z zasilacza niż przez diody LED. Takie techniki mogą np. Zmniejszyć o połowę prąd pobierany z 5-woltowego źródła zasilania, aby zasilić 20 mA przez 2-woltową diodę LED, ale wymagany obwód będzie prawie na pewno droższy niż rezystor. W wielu sytuacjach, nawet przy zasilaniu z baterii, energia pobierana przez diody LED będzie stanowić niewielki ułamek całkowitego zużycia energii; nawet gdyby można było zmniejszyć zużycie energii związane z diodami LED o 99% przy użyciu dodatkowego obwodu o wartości jedynie 0,05 USD, oszczędności nie byłyby warte kosztów w porównaniu z prostym użyciem rezystora i zaakceptowaniem nieoptymalnej wydajności.

Chciałeś obliczenia. Oto podstawowa forma obliczeń.

Typowa czerwona dioda LED ma przedni spadek napięcia 1.8 Vi maksymalny ciągły prąd około 20 mA.

Teraz jakie jest nasze napięcie? Powiedzmy, że chcemy użyć źródła 3 V.

Będziemy mieli spadek napięcia 3.0 V - 1.8 V = 1.2 Vna naszym oporniku. Prąd przez rezystor będzie 20 mA, więc nasza moc jest 1.2 V * 20 mA = 24 mW. To naprawdę nie jest dużo energii, chociaż jest to znaczna część zużycia energii przez diody LED. Sama dioda LED używa1.8V * 20mA = 36 mW.

Tak, marnuje energię. Z drugiej strony, w produkcji masowej rezystor będzie kosztował ułamek grosza (0,01 USD dla naszego międzynarodowego narodu). Po przeprowadzeniu analizy kosztów / korzyści / trudności prosty opornik zaczyna wyglądać naprawdę ładnie.

Zmarnowana moc jest często bardzo mała (dziesiątki miliwatów), jeśli napędzasz diodę LED napięciem 5 V lub jednakowo niskim napięciem.

Jasne, jest to problem w systemach, w których masz baterie o ograniczonej pojemności, ale wtedy są używane inne schematy (np. Sterowniki LED wykorzystujące PWM ).

Tak i nie. Gdy prąd przepływa przez rezystor, wytwarza ciepło, a zatem marnuje energię. Jednakże, jeśli wyjmiesz rezystor (i dlatego napędzasz diodę LED przy wyższym napięciu), będziesz napędzał więcej prądu przez obwód, a tym samym spaliłby więcej energii niż przy rezystorze na miejscu.

Pamiętaj, że przy stałym napięciu prąd jest odwrotnie proporcjonalny do rezystancji. Im większy opór włączysz do obwodu, tym mniej prądu przejdziesz, a zatem tym mniej energii zużyjesz. Tak więc, chociaż sam rezystor odgrywa rolę w wytwarzaniu ciepła w obwodzie, jego obecność w rzeczywistości oznacza, że ​​ogólnie będzie generowanych mniej ciepła.

Wykonuję test matematyczny. Używam źródła 12 V i łączę 3 diody LED z rezystorami. Ta jedna dioda z Rezystorem ma napięcie 12V, kolejna dioda z Rezystorem podłączam również do 12V, a także ostatnia. U źródła mam 60mA. Rezystor ma spadek napięcia o wartości 9 V, a pobór mocy wyniósł łącznie 540 mW Niezależnie od P = V * II uzyskaj łącznie źródło 720 mW.

Ale kiedy podłączyłem diody w szeregu i dodałem Rezystor, całkowity pobór mocy wynosił tylko 240 mW źródła. Używam diod 3V 20mA.

Simowie lepiej wykorzystują źródło napięcia tak niskie, jak to możliwe, aby pobór mocy odbywał się tylko tam, gdzie chcemy. Lub użyj ciągu diod LED dla wyższego napięcia. Właśnie dlatego mamy w komputerze tak wiele wyjść o różnych napięciach niż transformator.

Lub inny pomysł. Mamy źródło 9V i podłączyłem jedną diodę 3V i potrzebuję użyć rezystora, aby obniżyć napięcie. Całkowita moc będzie wynosić 180 mW Gdy dioda zajmie tylko 60 mW Ale kiedy podłączyłem diody sznurkowe, mam jeszcze 180 mW Ale kiedy podłączyłem 3 diody, ale każda z nich jest osobno podłączona do tego samego źródła, wtedy będę miał 540 mW zużytej mocy .

Wygląda na to, że lepiej jest użyć łańcucha zamiast łączenia każdego ze źródeł.

Nie ma sposobu na uniknięcie strat mocy tylko przy pasywnym lub liniowym aktywnym obwodzie prądu stałego. Powodem jest to, że wydajność zależy od dwóch rzeczy:

1. Napięcie zasilania
2. Prąd LED

Nie ma znaczenia, co wkładasz między diodę LED a zasilacz. Może to być rezystor, niektóre diody, regulator liniowy lub źródło prądu oparte na tranzystorze. Jeśli dioda LED potrzebuje 10 mA dla pożądanej jasności, a masz zasilanie 5 V, spalasz łącznie 50 mW. Kropka.

Przy stałym napięciu zasilania i stałym prądzie LED jedyną opcją zwiększenia wydajności jest szeregowe połączenie wielu diod LED. Jeśli masz zasilanie 5 V, a spadek napięcia diod LED wynosi 2 V przy 10 mA, możesz połączyć dwa szeregowo. Jest to ograniczone - nie będzie można samodzielnie przełączać diod LED.

Jeśli masz kontrolę nad zasilaczem, możesz zrobić jeszcze kilka innych rzeczy. Jeśli napięcia zasilające pochodzą ze źródła prądu przemiennego, możesz dodać uzwojenie do transformatora, aby utworzyć źródło LED niskiego napięcia. Jeśli masz tylko zasilanie prądem stałym, możesz użyć przetwornika przełączającego, aby wygenerować niższe napięcie. Jednak żadne z nich nie jest zbyt praktyczne. Jeśli brakuje Ci prądu (sieci), prawdopodobnie nie martwisz się wydajnością kilku lampek kontrolnych. A wysokowydajne regulatory przełączania są drogie i podatne na awarie.

Diody LED zwykle zużywają tylko niewielką część całkowitego prądu systemu. Dodanie osobnego zasilacza tylko dla nich rzadko jest warte kłopotów lub wydatków.

Nie myśl o rezystorze jako o odbiorniku energii, który kieruje prąd (prąd). Część mocy jest tracona w postaci ciepła, tak, ale niewiele (ogólnie). Korzystając z analogii wody, pomyśl o rezystorze jako o wężu, przez który przepływa prąd. Biorąc pod uwagę tę samą siłę początkową (napięcie), ilość energii elektrycznej, która może przepłynąć (prąd) jest zmniejszona. zmniejsza to siłę dostępną na końcu wyjściowym węża (jest to znane jako spadek napięcia).