Die LED-Durchlassspannung ist ein Bereich. Wie berechnen Sie den Widerstandswert?

In allen LED-Beispielen, die ich finde, ist die Durchlassspannung auf eine bestimmte Zahl (dh 2,1 V) eingestellt und der benötigte Widerstand wird anhand dieser Zahl berechnet. Wenn ich jedoch Datenblätter nachschlage, liegt die Durchlassspannung in Bereichen (2,0 V - 2,5 V). Das macht für mich Sinn, da nicht alle LEDs gleich angelegt sind. Aber es fällt mir schwer, herauszufinden, welchen Widerstand ich verwenden soll.

Also habe ich beschlossen, eine Schaltung zu entwerfen. Ich habe eine 3-V-Spannungsquelle (2 AA-Batterien), die mit einem Widerstand verbunden ist, der mit einer LED verbunden ist, die mit der Spannungsquelle verbunden ist. Der maximale Dauerstrom der LED beträgt 20mA.

Ich entschied mich für das Ohmsche Gesetz am unteren und oberen Ende des Durchlassspannungsbereichs, um Widerstände zu berechnen.

Das Problem kommt, wenn ich einen Widerstand wähle. Angenommen, ich wähle den 50-Ohm-Widerstand, aber die LED, die ich erhalte, hat tatsächlich eine Durchlassspannung von 2,5 V. Die tatsächliche Strommenge, die durch die LED fließen würde, wäre 10 mA. Damit wird das Potenzial der LED nicht ausgeschöpft.

Wenn ich den 25-Ohm-Widerstand verwende und die LED eine Durchlassspannung von 2,0 V hat, beträgt der Strom, der durch die LED fließt, 40 mA. Meine LED würde explodieren.

Die Verwendung des "eingestellten Wertes" von 2,1 V zur Berechnung des Widerstands ergibt 45 Ohm.

Wenn meine LED eine Durchlassspannung von 2,0 V hätte, wäre der Strom 22 mA. Das ist mehr als die Bewertung für die LED. Wenn die LED eine Durchlassspannung von 2,5 V hätte, wäre der Strom 11 mA, was bedeutet, dass die LED nicht ihr volles Potenzial entfaltet.

Hinweis: Es geht mir nicht so sehr darum, das volle Potenzial einer LED auszuschöpfen. (Wenn ich das richtig verstehe, sollten 10 mA gut funktionieren, um eine LED zum Leuchten zu bringen.) Ich möchte nur wissen, wie echte Ingenieure mit diesem Problem umgehen. Ist ein Strom von 10 mA akzeptabel? Können Sie tatsächlich mit 22mA durchkommen, obwohl die technischen Daten 20mA anzeigen? Was tun Sie, wenn Ihre LEDs bei maximaler Helligkeit arbeiten sollen?

Dies ist ein allgemeines Problem bei der Verwendung eines Strombegrenzungswiderstands mit LEDs, wenn die Versorgungsspannung nahe an der Durchlassspannung der LED liegt. Sie haben einfach nicht genug Overhead, damit der Widerstand groß genug ist, um die Vorwärtsspannungsunterschiede von Diode zu Diode aufzusaugen.

Sie haben auch das Problem, dass die Batterien selbst eine erhebliche Reichweite haben und im Neuzustand wahrscheinlich mehr als 3 V betragen.

Im Allgemeinen ist es besser, LEDs mit einer Stromquelle als mit einer Spannungsquelle zu betreiben. Aber selbst dann brauchen Sie etwas Headroom, damit der Strombegrenzer funktioniert, und ein halbes Volt ist wirklich knapp.

Es gibt Möglichkeiten, dies unter all Ihren Umständen genau genug zu tun, aber es wird kompliziert und mit Kosten verbunden, und der Akku wird schneller entladen.

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Ziemlich erstaunlich nach all den Jahren, dass niemand das auf eine einfache kleine SOIC gebracht zu haben scheint.

Letztendlich ist es jedoch besser, nur eine andere Batterie einzulegen, damit Sie eine Nennspannung von 4,5 V haben und einen größeren Widerstand verwenden, es sei denn, Ihre Anforderungen sind eng an den erforderlichen Durchlassstrom.

Es klingt, als würden Sie das Problem überdenken.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 2$
2. Außerdem sind LEDs ziemlich robust und werden häufig in gepulsten (Multiplex-) Modi verwendet, in denen der Spitzenstrom viel höher als der Durchschnitt ist. Und sie können normalerweise gut damit umgehen.
3. Schließlich ist das menschliche Bewusstsein für Helligkeit glücklicherweise logarithmisch. Also eine Änderung des Stroms in der LED um einen Faktor von$\times\:2$

Alles in allem ist die genaue Stromstärke normalerweise nicht so wichtig, wenn eine LED als Anzeigelampe verwendet wird. Und die Spannung an einer LED variiert sowieso nicht allzu sehr.

Die Hauptsache ist, sicherzustellen, dass es einen ausreichenden Spannungs-Overhead gibt, um die LED in einem Design konsequent zu betreiben, und dass die Methode zur Regelung des Stroms für den Bedarf ausreicht (was auch immer das bedeuten mag) und nicht zu viel kostet (. ..) und nimmt nicht zu viel Platz ein (...) und erwärmt nicht die umgebenden Dinge, die es nicht sollte (...) und entleert die Batterie nicht mehr als nötig (...) und Andernfalls werden andere Konstruktionsspezifikationen (wie auch immer) nicht beeinträchtigt.

Kurz gesagt, es gibt normalerweise viel zu viele andere Probleme, um sich Sorgen zu machen.

[Wenn die LED als eine von drei RGB-LEDs verwendet wird, mit der Absicht, sie als LED-Pixel in einem großen externen Display zu verwenden, kann es sehr wichtig sein (oder nicht, je nach den Anforderungen), dass die Ströme sorgfältig sind kalibriert in jeder der einzelnen LEDs, um sicherzustellen, dass tatsächliche Designkriterien wie "Weißabgleich" erfüllt werden können. (Außer LED "Binning", das möglicherweise vor dem Zusammenbau zu einem RGB-Pixel durchgeführt wurde.)]

Sie stellen ein Problem in Bezug auf den LED-Strom dar, bei dem das Problem eine niedrige Overhead-Spannung verwendet und das Problem dadurch übertrieben wird, dass die LED-Spannungen erheblich variieren (was, wie ich vermute, passieren kann). Für solche Fälle gibt es jedoch eine bescheidene Lösung Ich kann nicht sagen, dass sich irgendjemand die Mühe machen würde, drei BJTs und einen Widerstand gegen das Problem einzusetzen. Nehmen wir jedoch an, Sie haben das Designziel, unabhängig von der LED-Spannungsschwankung einen geringen Overhead und eine konsistente Stromregelung zu erreichen. In einem solchen Fall ist wahrscheinlich die billigste Methode die Verwendung eines Stromspiegels wie folgt:

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$Q_1$$Q_3$

In Situationen mit geringem Overhead stellt ein Widerstand einen sehr schlechten Stromregler dar. Ist einfach so. Sie leben also entweder damit oder nicht, je nach den Umständen.

$V_{CC}$

^{simulieren Sie diese Schaltung}

$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}$

Zunächst geben Sie einen einzelnen LED-Hersteller und eine Teilenummer an. Der Bereich in Vf von Teil zu Teil wird nicht so groß sein, wie Sie vorschlagen (nicht 0,5 V).

Zweitens sind kleine Helligkeitsschwankungen für das Auge nicht leicht erkennbar. Sie müssen sich also nicht um kleine Abweichungen von Gerät zu Gerät kümmern.

Drittens, wenn möglich, versorgen Sie die LEDs aus einer geregelten Spannung und nicht aus der Batterie, sodass Sie eine Variationsquelle entfernen.

Viertens, wenn die einzige verfügbare Stromquelle variabel ist (z. B. eine Batterie), treiben Sie die LED mit einer Stromquelle anstelle einer Spannungsquelle mit einem Strombegrenzungswiderstand an. Wenn mindestens eine geregelte Spannung zur Verfügung steht (auch wenn es sich um eine niedrige Spannung handelt), ist es ziemlich einfach, eine zufriedenstellende Stromquelle für die Ansteuerung einer LED-Anzeige mit nur einem Transistor und wenigen Widerständen herzustellen. Dies ist billig, beansprucht jedoch Platz bei sehr platzbeschränkten Designs.

Wenn nicht einmal eine einzige geregelte Spannung zur Verfügung steht, können Sie mit zwei in Reihe geschalteten Dioden als Spannungsreferenz eine anständige Stromquelle herstellen.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich ein echter Ingenieur bin, aber ich musste all diese Dinge tun, während ich Verbraucherprodukte entwarf, und so ging ich damit um. Eine andere Sache, die Sie mit LED-Anzeigen wirklich erhalten kann, ist, wenn schwere Lasten die Batteriespannung veranlassen, zu sinken. Beispielsweise kann ein Vibrationsmotor oder ein Lautsprecher bei einigen Produkten zu einem Absinken der Batteriespannung führen. Dieser Abfall kann ein merkliches Flackern oder eine Veränderung der LED-Helligkeit verursachen, wenn die LED von der Batterie betrieben wird. Dies ist ein weiterer Grund, stattdessen eine aktuelle Quelle zu verwenden.

Hier ist eine Stromquelle für den Fall, dass die LED von der Batterie gespeist wird, aber Sie ein GPIO-Signal zur Verfügung haben, das von einer geregelten Spannung abgeleitet ist:

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Im obigen Schema spielt es keine Rolle, ob die LED mit 3,3 V oder VBATT oder was auch immer betrieben wird, solange der GPIO von einer geregelten Quelle betrieben wird. Ich habe das von einer anderen Antwort kopiert. Sie sollten den Emitterwiderstand anpassen, um den gewünschten Strom zu erhalten. Wenn nicht viel Overhead verfügbar ist, können Sie R2 auch so reduzieren, dass die Basisspannung weniger als 1 V beträgt.

Hier ist eine Schaltung für den Fall, dass keine geregelte Spannung verfügbar ist:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

In der obigen Schaltung wirken D1 und D2 als Spannungsreferenz. Die Spannung variiert, jedoch nicht so stark wie die Batteriespannung. Diese konstante Spannung an der Basis von Q1 wird dann in eine konstante Spannung über R3 und damit in einen konstanten Kollektorstrom umgewandelt (der Transistor wird nicht gesättigt, es sei denn, VBATT ist sehr niedrig). In einem Produktionsdesign habe ich das noch nicht gemacht, aber ich glaube, es würde funktionieren.

Verglichen mit einem einfachen gesättigten Schalter leisten beide Schaltkreise gute Arbeit, um den gewünschten Strom aufrechtzuerhalten, selbst wenn kaum genug Spannung zur Verfügung steht, um die LED zum Leuchten zu bringen.

Hier sind einige Simulationsergebnisse, die den einfachen gesättigten Schalter mit dem Strombegrenzungswiderstand (D1) mit der Spannungsteilerreferenzschaltung (D2) mit der Zweidiodenreferenz (D5) vergleichen. Dies ist mit einer 3V LED. Beachten Sie, dass die Widerstandswerte so angepasst wurden, dass sie bei VBATT = 4,2 V etwa 9 mA betragen.

Wie Sie sehen können, hat die Stromquelle mit der Spannungsteilerreferenz eine gute Leistung von beispielsweise 3,35 V aufrechterhalten. Es werden also nur ca. 350 mV Overhead benötigt.

Die Referenzschaltung mit zwei Dioden behielt eine gute Leistung bis zu etwa 3,45 V bei, was einem Overhead von etwa 450 mV entspricht.

Die Standardschaltung hält wirklich überhaupt keinen geregelten Strom aufrecht. Der Strom fällt linear mit der Batteriespannung ab.

Beachten Sie außerdem, dass sowohl der Zweidioden-Referenzkreis als auch der Spannungsteiler-Referenzkreis bei allen Batteriespannungen einen höheren Strom haben als bei der Standardschaltung, mit Ausnahme der maximalen Batteriespannung.

Dies ist ein häufiges Problem bei der Verwendung eines Widerstands als Strombegrenzungsvorrichtung und einer Spannungsquelle, die nur einen geringen Spannungsabstand über dem Betriebsspannungsbereich der LEDs aufweist, UND eines so breiten Durchlassspannungsbereichs der LEDs.

Erstens, um zu erklären, dass der "Bereich" der LED-Vorwärtsspannung kein Bereich ist, den Sie für den Betrieb auswählen können, sondern der Spannungsbereich, in dem die LED bei gegebenem korrekten Strom (dem Vorwärtsstrom) möglicherweise bei ZF arbeitet (diese Spannung variiert von) Einheit zu Einheit und von Charge zu Charge).

Ohne Änderungen an Ihrer Hardware ist der richtige Widerstand für die Auslegung der Schaltung die Verwendung einer möglichst niedrigen Spannung im VF-Bereich (2,0 V), um Ihre Berechnungen durchzuführen. Dies bedeutet, dass die Einheiten mit einer tatsächlichen VF von 2,0 V mit der maximalen Spannung betrieben werden Durchlassstrom und damit Helligkeit, und diejenigen mit einem höheren vf (> 2,0) werden mit einem geringeren Strom und einer geringeren Helligkeit als das maximale Design dieses LED-Typs betrieben, aber zumindest jede Einheit dieses LED-Modells wird innerhalb sicherer Grenzen arbeiten.

Wenn Sie also die 3 Gründe, die ich angegeben habe, verbessern oder korrigieren möchten, wenn Ihre Anwendung beispielsweise eine geringere Helligkeit der LED nicht tolerieren kann, können Sie eine der folgenden Aktionen ausführen: 1) Verwenden einer besseren Strombegrenzungsschaltung als ein einfacher Widerstand. Es gibt einige Chips, die dies tun. 2) Verwenden einer höheren Spannung über der Durchlassspannung. 3) Verwenden einer LED mit einem engeren Bereich der Vorwärtsspannungsspezifikation.