Napięcie przewodzenia diody LED jest zakresem, więc jak obliczyć wartość rezystora?

We wszystkich przykładach diod LED, które znajduję, mają one napięcie przewodzenia ustawione na określoną liczbę (tj. 2,1 V) i obliczają potrzebny opornik na podstawie tej liczby. Ale kiedy szukam w arkuszach danych, napięcie przewodzenia jest w zakresach (2,0 V - 2,5 V). Ma to dla mnie sens, ponieważ nie wszystkie diody LED są sobie równe. Ale trudno mi ustalić, jakiego rezystora użyć.

Postanowiłem więc zaprojektować obwód. Mam źródło napięcia 3 V (2 baterie AA), które łączy się z rezystorem, który łączy się z diodą LED, która łączy się z powrotem ze źródłem napięcia. Maksymalny prąd podtrzymania diody LED wynosi 20 mA.

Postanowiłem użyć prawa Ohma dla dolnego i górnego końca zakresu napięciowego do obliczania rezystancji.

Problem pojawia się, gdy wybieram rezystor. Powiedzmy, że wybieram rezystor 50 omów, ale dioda LED, którą otrzymuję, ma napięcie przewodzenia 2,5 V. Rzeczywista ilość prądu, która przejdzie przez diodę LED, wyniesie 10 mA. To nie wykorzystuje diody LED do pełnego potencjału.

Jeśli użyję rezystora 25 Ohm, a dioda LED ma napięcie przewodzenia 2,0 V, wówczas ilość prądu przepływającego przez diodę LED wyniesie 40 mA. Moja dioda LED wybuchłaby.

Użycie „wartości zadanej” 2,1 V do obliczenia rezystancji daje nam 45 omów.

Gdyby moja dioda LED miała napięcie przewodzące 2,0 V, prąd wynosiłby 22 mA. To ponad ocena dla diody LED. Gdyby dioda LED miała napięcie przewodzenia 2,5 V, prąd wynosiłby 11 mA, co nie wykorzystuje jej do pełnego potencjału.

Uwaga: nie przejmuję się zbytnio pełnym wykorzystaniem potencjału diody LED. (Jeśli dobrze rozumiem, 10mA powinno działać dobrze, aby zapalić diodę.) Chcę tylko wiedzieć, jak prawdziwi inżynierowie radzą sobie z tym problemem. Czy dopuszczalny jest prąd 10mA? Czy rzeczywiście można uzyskać 22 mA, mimo że w specyfikacji podano 20 mA? Co robisz, gdy potrzebujesz, aby diody LED działały z maksymalną jasnością?

Jest to ogólny problem z użyciem rezystora ograniczającego prąd z diodami LED, gdy napięcie zasilania jest zbliżone do napięcia przedniego diody LED. Po prostu nie ma wystarczająco dużo narzutu, aby rezystor był wystarczająco duży, aby pochłonąć diodę, aby diody przewyższyły różnice napięć.

Masz również problem z tym, że same baterie będą miały znaczny zasięg i prawdopodobnie będą wyższe niż 3 V, gdy nowe.

Zasadniczo lepiej jest zasilać diody LED źródłem prądu niż źródłem napięcia. Jednak nawet wtedy potrzebujesz ogranicznika, aby działał ogranicznik prądu, a pół wolta jest naprawdę ciasne.

Istnieją sposoby, aby zrobić to wystarczająco dokładnie w ramach wszystkich twoich ograniczeń, ale komplikuje się, wiąże się to z kosztami i szybciej wyczerpuje baterię.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Całkiem zdumiewające po tylu latach, że wydaje się, że nikt nie postawił tego na prosty SOIC.

Ale ostatecznie, chyba że twoje wymagania są napięte w stosunku do potrzebnego prądu przewodzenia, lepiej po prostu wrzucić inną baterię, aby mieć 4,5 V nominalną i użyć większego rezystora.

Wygląda na to, że przesadzasz z problemem.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 2$
2. Ponadto diody LED są dość mocne i często są używane w trybach pulsacyjnych (multipleksowanych), w których prąd szczytowy jest znacznie wyższy niż średnia. I zazwyczaj potrafią sobie z tym poradzić.
3. $\times\:2$

Podsumowując, dokładny poziom prądu zwykle nie jest tak ważny, gdy dioda LED jest używana jako lampka kontrolna. Napięcie na diodzie LED i tak nie zmienia się aż tak bardzo.

Najważniejsze jest upewnienie się, że nadmiar napięcia jest wystarczający do faktycznego działania diody LED konsekwentnie w projekcie i że metoda regulacji prądu jest wystarczająca dla potrzeb (cokolwiek to może znaczyć) i nie kosztuje zbyt wiele (. ..) i nie zajmuje zbyt dużo miejsca (...) i nie nagrzewa otaczających rzeczy, nie powinien (...) i nie wyczerpuje baterii bardziej niż to konieczne (...) i w przeciwnym razie nie koliduje z innymi specyfikacjami projektowymi (bez względu na to, jakie mogą być).

Krótko mówiąc, zwykle istnieje zbyt wiele innych problemów, aby się martwić.

[Jeśli dioda LED jest używana jako jedna z trzech diod RGB, z zamiarem użycia jej jako piksela LED na dużym zewnętrznym wyświetlaczu, może być bardzo ważne (lub nie, w zależności od wymagań), że prądy są ostrożne skalibrowane dla każdej z poszczególnych diod LED w celu zapewnienia spełnienia rzeczywistych kryteriów projektowych, takich jak „balans bieli”. (Poza wszelkimi „grupowaniem” diod LED, które mogło zostać wykonane przed złożeniem w piksel RGB.)]

Przedstawiasz problem dotyczący prądu LED, w którym problem wykorzystuje niskie napięcie napowietrzne i przesadza z tym, że napięcia diod LED różnią się nieco (co, jak przypuszczam, może się zdarzyć). Istnieje jednak skromne rozwiązanie takich przypadków. Nie mogę powiedzieć, że ktokolwiek chciałby zadać sobie trud postawienia trzech BJT i ​​opornika na problem. Ale powiedzmy, że faktycznie masz cel projektowy polegający na kontroli „niskiego narzutu” i spójnej kontroli prądu niezależnie od zmian napięcia LED. W takim przypadku prawdopodobnie najtańszą metodą jest użycie bieżącego lustra, jak następuje:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

$Q_1$$Q_3$

W sytuacjach niskiego obciążenia rezystor stanowi bardzo słaby regulator prądu. Tak to jest. Więc albo z tym żyjesz, albo nie, w zależności od okoliczności.

$V_{CC}$

^{zasymuluj ten obwód}

$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}$

Najpierw podajesz jednego producenta LED i numer części. Zasięg Vf między częściami nie będzie tak duży, jak sugerujesz (nie 0,5 V).

Po drugie, niewielkie zmiany jasności nie są łatwo wykrywalne dla oka. Więc nie musisz się martwić o małe różnice między jednostkami.

Po trzecie, jeśli to możliwe, zasilasz diody LED napięciem regulowanym, a nie baterią, aby usunąć jedno źródło zmienności.

Po czwarte, gdy jedynym dostępnym źródłem zasilania jest zmienna (taka jak bateria), zasilasz diodę LED źródłem prądu zamiast źródła napięcia z rezystorem ograniczającym prąd. Jeśli dostępne jest co najmniej jedno regulowane napięcie (nawet jeśli jest to niskie napięcie), dość łatwo jest stworzyć zadowalające źródło prądu do napędzania wskaźnika LED za pomocą tylko jednego tranzystora i kilku rezystorów. Jest to tanie, ale zajmuje miejsce w przypadku projektów o ograniczonej przestrzeni.

Jeśli nie ma nawet jednego pojedynczego regulowanego napięcia, nadal możesz stworzyć przyzwoite źródło prądu, używając dwóch diod połączonych szeregowo jako napięcia odniesienia.

Nie jestem pewien, czy jestem prawdziwym inżynierem, ale musiałem robić to wszystko podczas projektowania produktów konsumenckich i tak sobie z tym poradziłem. Inną rzeczą, która może naprawdę dać ci wskaźniki LED, jest to, gdy duże obciążenia powodują spadek napięcia akumulatora. Na przykład silnik wibracyjny lub głośnik może powodować spadek napięcia akumulatora w niektórych produktach. Opadnięcie może spowodować zauważalne migotanie lub zmiany jasności diody LED, gdy dioda LED zostanie wyjęta z akumulatora. To kolejny powód, aby zamiast tego użyć bieżącego źródła.

Oto źródło prądu, kiedy dioda LED jest zasilana z akumulatora, ale masz dostępny sygnał GPIO, który pochodzi z regulowanego napięcia:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Na powyższym schemacie nie ma znaczenia, czy dioda LED jest zasilana z 3,3 V, VBATT, czy cokolwiek innego, o ile GPIO jest zasilane z regulowanego źródła. Skopiowałem to z innej odpowiedzi. Chcesz dostosować rezystor emitera, aby uzyskać konkretny prąd, którego szukasz. Gdy narzut nie jest dostępny, można również zmniejszyć R2, aby napięcie podstawowe było mniejsze niż 1 V.

Oto obwód, w którym nie ma dostępnego regulowanego napięcia:

^{zasymuluj ten obwód}

W powyższym obwodzie D1 i D2 działają jako napięcie odniesienia. Napięcie będzie się zmieniać, ale nie tak bardzo, jak napięcie akumulatora. To stałe napięcie u podstawy Q1 jest następnie przenoszone na stałe napięcie na R3, a zatem na stały prąd kolektora (tranzystor nie będzie nasycony, chyba że VBATT będzie bardzo niski). Tak naprawdę nie zrobiłem tego w projekcie produkcyjnym, ale wierzę, że zadziałałoby OK.

W porównaniu z prostym przełącznikiem nasyconym oba obwody dobrze utrzymują pożądany prąd, nawet gdy napięcie jest ledwo wystarczające, aby dioda LED świeciła.

Oto kilka wyników symulacji porównujących prosty przełącznik nasycony z rezystorem ograniczającym prąd (D1), w porównaniu z referencyjnym obwodem dzielnika napięcia (D2), w porównaniu z referencyjnym układem dwóch diod (D5). Jest to dioda LED o napięciu 3 V. Należy zauważyć, że wartości rezystorów zostały poprawione, aby uzyskać około 9 mA przy VBATT = 4,2 V.

Jak widać, źródło prądu z odniesieniem do dzielnika napięcia zachowało dobrą wydajność, powiedzmy 3,35 V. Dlatego potrzebuje tylko około 350 mV napowietrznych.

Obwód odniesienia diody utrzymywał dobrą wydajność do około 3,45 V, co stanowi około 450 mV obciążenia.

Standardowy obwód tak naprawdę wcale nie utrzymuje regulowanego prądu. Prąd spada liniowo wraz z napięciem akumulatora.

Zwróć również uwagę, że obwód odniesienia dla dwóch diod i obwód odniesienia dzielnika napięcia mają wyższy prąd przy wszystkich napięciach akumulatora w porównaniu do obwodu standardowego, z wyjątkiem maksymalnego napięcia akumulatora.

Jest to powszechny problem przy stosowaniu rezystora jako ogranicznika prądu oraz źródła napięcia, które jest tylko niewielką odległością napięcia powyżej zakresu napięcia roboczego diod LED, a zakres napięcia naprzód diod LED jest tak szeroki.

Po pierwsze, aby wyjaśnić, „zakres” napięcia przewodzenia diod LED nie jest zakresem, w którym można go wybrać, to zakres napięć, w których dioda LED może działać przy IF, biorąc pod uwagę prawidłowy prąd (prąd przewodzenia) (napięcie to będzie różnić się od jednostka do jednostki i od partii do partii).

Bez zmiany jakiegokolwiek sprzętu, właściwym rezystorem do zaprojektowania obwodu jest użycie najniższego możliwego napięcia w zakresie VF (2,0 V) do wykonania obliczeń, co oznacza, że ​​jednostki o faktycznym VF 2,0 V będą działać z maksymalną prąd przewodzenia, a tym samym jasność, a te o wyższym vf (> 2,0) będą pracowały przy mniejszym natężeniu prądu i mniejszej jasności niż maksymalna konstrukcja tego typu diod LED, ale przynajmniej dowolna jednostka tego modelu LED będzie działać w bezpiecznych granicach.

Więc jeśli chcesz poprawić lub skorygować 3 powody, które podałem, jeśli na przykład Twoja aplikacja nie toleruje niższej jasności diody LED, możesz wykonać jedną z następujących czynności: 1) używając lepszego obwodu ograniczenia prądu niż zwykłego rezystora. jest kilka żetonów, które to robią. 2) przy użyciu wyższego napięcia powyżej napięcia przewodzenia. 3) za pomocą diody LED o węższym zakresie specyfikacji napięcia przewodzenia.