Я розумію, що не можу підключити світлодіод безпосередньо до акумулятора, тому що він буде забирати занадто багато струму. Таким чином, в ланцюзі повинно бути щось інше для обмеження струму. Які варіанти є? Чи є деякі методи ефективнішими, ніж інші?

Світлодіод потребує мінімальної напруги, перш ніж він взагалі увімкнеться. Ця напруга змінюється залежно від типу світлодіодів, але зазвичай знаходиться поблизу від 1,5 В - 4,4 В. Як тільки ця напруга буде досягнута, струм буде дуже швидко зростати з напругою, обмеженою лише малим опором світлодіода. Отже, будь-яка напруга, значно більша за це, призведе до дуже величезного струму через світлодіод, поки або джерело живлення не зможе подати достатній струм і його напруга спаде, або світлодіод не знищиться.

Вище наведено приклад співвідношення струм-напруга для світлодіода. Оскільки струм зростає так швидко з напругою, зазвичай ми можемо спростити наш аналіз, вважаючи, що напруга на світлодіоді є постійним значенням, незалежно від струму. У цьому випадку 2V виглядає правильно.

Прямо по всій батареї

Жоден акумулятор не є ідеальним джерелом напруги. Коли опір між його клемами зменшується, а подача струму збільшується, напруга на клемах акумулятора зменшиться. Отже, існує обмеження струму, який може забезпечити акумулятор. Якщо акумулятор не може подати занадто багато струму, щоб знищити ваш світлодіод, а сам акумулятор не буде знищений шляхом підведення цього великого струму, найпростіший і найефективніший спосіб зробити це світлодіодом прямо через акумулятор.

Більшість батарей не відповідають цим вимогам, але деякі монети мають. Ви можете їх знати зі світлодіодних килимів .

Серійний резистор

Найпростіший метод обмеження світлодіодного струму - це розміщення послідовно резисторів. Ми знали із закону Ома, що струм через резистор дорівнює напрузі по ньому, поділеній на опір. Таким чином, існує лінійна залежність між напругою і струмом для резистора. Послідовне розміщення резистора за допомогою світлодіода служить для згладження кривої напруги струму вище такого, що невеликі зміни напруги живлення не спричиняють різкого виходу струму. Струм все одно буде зростати, тільки не радикально.

Значення резистора просто обчислити: відняти напругу світлодіода вперед від напруги живлення, і це напруга, яке повинно бути поперек резистора. Потім використовуйте закон Ома, щоб знайти опір, необхідний для отримання потрібного струму в світлодіоді.

Великий недолік тут полягає в тому, що резистор знижує напругу, перетворюючи електричну енергію в теплову. Ми можемо обчислити потужність резистора за допомогою будь-якого з них:

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

Будь-яка потужність в резисторі - це сила, яка не використовується для отримання світла. То чому б нам не зробити напругу живлення дуже близькою до напруги світлодіода, тому нам не потрібен дуже великий резистор, тим самим зменшуючи наші втрати потужності? Тому що якщо резистор занадто малий, він не буде регулювати струм добре, і наша схема буде зазнавати великих змін в струмі з температурою, варіацією виготовлення та напругою живлення, так, як якщо б у нас не було резистора. Як правило, щонайменше 25% напруги слід опускати над резистором. Таким чином, ніколи не можна досягти кращої 75% ефективності за допомогою серійного резистора.

Вам може бути цікаво, чи можна паралельно поставити кілька світлодіодів, розділяючи один обмежувальний резистор струму. Можна, але результат не буде стабільним, один світлодіод може повірити весь струм і пошкодитися. Див. Чому саме не можна використовувати один резистор для багатьох паралельних світлодіодів? .

Лінійне джерело струму

Якщо мета - подавати постійний струм до світлодіодів, чому б не зробити схему, яка активно регулює струм до світлодіодів? Це називається джерелом струму , і ось приклад одного ви можете побудувати за допомогою звичайних деталей:

Ось як це працює: Q2 отримує базовий струм через R1. По мірі включення Q2 великий струм протікає через D1, через Q2 і через R2. Коли цей струм протікає через R2, напруга через R2 повинно зростати (закон Ома). Якщо напруга в R2 зросте до 0,6 В, тоді Q1 почне включатися, викрадаючи базовий струм від Q2, обмежуючи струм у D1, Q2 та R2.

Отже, R2 контролює струм. Ця схема працює шляхом обмеження напруги в R2 не більше 0,6 В. Отже, для обчислення значення, необхідного для R2, ​​ми можемо просто використовувати закон Ома, щоб знайти опір, який дає нам бажаний струм при 0,6 В.

Але що ми здобули? Тепер будь-яка надлишкова напруга просто падає в Q2 та R2, а не резистор серії. Не набагато ефективніше і набагато складніше. Чому ми б турбувались?

Пам'ятайте, що для серійного резистора нам потрібно було щонайменше 25% від загальної напруги, щоб перетинати резистор, щоб отримати адекватне регулювання струму. Незважаючи на це, струм все ще трохи змінюється залежно від напруги живлення. При цій схемі струм навряд чи змінюється залежно від напруги живлення при будь-яких умовах. Ми можемо поставити безліч світлодіодів послідовно з D1, щоб їх загальний падіння напруги було, наприклад, 20В. Тоді нам потрібно лише 0,6 В для R2, ​​а ще трохи, щоб Q2 мав можливість працювати. Наша напруга може бути 21,5 В, а ми витрачаємо лише 1,5 В на речі, які не є світлодіодами. Це означає, що наша ефективність може наближатися до . Це набагато краще, ніж 75%, які ми можемо зібрати за допомогою серійного резистора.$20V / 21.5V = 93 \%$

Поточні джерела переключеного режиму

Для остаточного рішення існує спосіб (принаймні теоретично) керувати світлодіодами зі 100% ефективністю. Це називається джерелом живлення в комутованому режимі і використовує індуктор для перетворення будь-якої напруги в саме напругу, необхідну для приведення світлодіодів. Це не проста схема, і ми не можемо зробити її на 100% ефективною на практиці, оскільки жоден реальний компонент не є ідеальним. Однак, правильно розроблена, це може бути ефективніше, ніж лінійне джерело струму вище, і підтримувати бажаний струм в більш широкому діапазоні вхідних напруг.

Ось простий приклад, який можна побудувати із звичайними деталями:

Я не буду стверджувати, що ця конструкція є дуже ефективною, але вона служить для демонстрації принципу роботи. Ось як це працює:

U1, R1 і C1 генерують квадратну хвилю. Регулювання R1 регулює робочий цикл та частоту, а отже, яскравість світлодіода.

Коли вихід (контакт 3) низький, Q1 включається. Струм протікає через індуктор, L1. Цей струм зростає в міру накопичення енергії в індукторі.

Потім, вихід виходить високим. Q1 вимикається. Але індуктор діє як маховик струму. Струм, який протікав у L1, повинен продовжувати текти, і єдиний спосіб зробити це через D1. Енергія, що зберігається в L1, передається D1.

Вихід знову знижується, і, таким чином, схема чергується між зберіганням енергії в L1 і скиданням її в D1. Так насправді світлодіод блимає швидко, але приблизно на 25 кГц він не видно.

Акуратне в цьому питання - це неважливо, яка наша напруга живлення, або яка пряма напруга D1. Насправді ми можемо поставити багато світлодіодів послідовно з D1, і вони все одно будуть світитися, навіть якщо загальна напруга світлодіодів у прямому напрямку перевищує напругу живлення.

За допомогою додаткової схеми ми можемо зробити цикл зворотного зв’язку, який відстежує струм у D1 та ефективно регулює R1 для нас, тому світлодіод буде підтримувати однакову яскравість у широкому діапазоні напруг живлення. Зручно, якщо ви хочете, щоб світлодіод залишався яскравим, коли батарея розряджається. Замініть U1 мікроконтролером і зробіть тут і там деякі настройки, щоб зробити це більш ефективним, і у вас дійсно є щось.

Є ще один спосіб, набагато рідше видно. Добре для одного світлодіода, дуже простий, ви можете кинути на нього що завгодно, приблизно, від 4 до 20 В, і він радісно дає світлодіоду досить постійний струм.

Синій - це напруга на вході, від 20 до 4 В. Зелений - це струм до світлодіода, близько 12 мА. Червоний - це потужність, що розсіюється JFET, таблиця даних тут .

Ось набір варіантів світлодіодних драйверів, з якими можна грати.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

це не зовсім так - адже це залежить від безлічі факторів.

Проблема з світлодіодами полягає в тому, що 1) як тільки вони почнуть проводити, невелике підвищення напруги призведе до величезного збільшення струму. при правильній комбінації це може означати збитки; 2) У міру нагрівання світлодіодів їх падіння напруги вперед зменшується, через що струм через світлодіоди збільшується. що в свою чергу призводить до того, що розсіювання потужності на світлодіодах піднімається вгору, а світлодіоди нагріваються. що призводить до порочного циклу.

Отож, один із способів уникнути цього - ввести негативний зворотний зв'язок, щоб, коли струм у світлодіодах піднімався, напруга через світлодіоди знижувалося.

багато способів це зробити. резистори, датчики, активні елементи управління тощо.