Ich verstehe, dass ich eine LED nicht direkt an eine Batterie anschließen kann, da sie zu viel Strom verbraucht. Es muss also noch etwas in der Schaltung sein, um den Strom zu begrenzen. Welche Möglichkeiten gibt es? Sind einige Methoden effizienter als andere?

Eine LED benötigt eine Mindestspannung, bevor sie überhaupt aufleuchtet. Diese Spannung variiert je nach LED-Typ, liegt jedoch normalerweise in der Nähe von 1,5 V bis 4,4 V. Sobald diese Spannung erreicht ist, steigt der Strom mit der Spannung sehr schnell an, begrenzt nur durch den geringen Widerstand der LED. Folglich führt eine viel höhere Spannung zu einem sehr großen Strom durch die LED, bis entweder das Netzteil nicht mehr genug Strom liefert und die Spannung nachlässt oder die LED zerstört wird.

Oben sehen Sie ein Beispiel für die Strom-Spannungs-Beziehung einer LED. Da der Strom mit der Spannung so schnell ansteigt, können wir unsere Analyse in der Regel vereinfachen, indem wir davon ausgehen, dass die Spannung an einer LED unabhängig vom Strom ein konstanter Wert ist. In diesem Fall sieht 2V ungefähr richtig aus.

Direkt über die Batterie

Keine Batterie ist eine perfekte Spannungsquelle. Wenn der Widerstand zwischen den Anschlüssen abnimmt und die Stromaufnahme steigt, nimmt die Spannung an den Batterieklemmen ab. Folglich gibt es eine Grenze für den Strom, den die Batterie liefern kann. Wenn die Batterie nicht zu viel Strom liefern kann, um Ihre LED zu zerstören, und die Batterie selbst nicht zerstört wird, indem sie so viel Strom bezieht, ist es am einfachsten und effizientesten, die LED direkt über die Batterie zu schieben.

Die meisten Batterien erfüllen diese Anforderungen nicht, einige Knopfzellen jedoch. Du könntest sie von LED Throwies kennen .

Reihenwiderstand

Die einfachste Methode zur Begrenzung des LED-Stroms besteht darin, einen Widerstand in Reihe zu schalten. Aus dem Ohmschen Gesetz ist bekannt, dass der Strom durch einen Widerstand gleich der Spannung ist, die durch den Widerstand geteilt wird. Somit gibt es eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom für einen Widerstand. Durch die Reihenschaltung eines Widerstandes mit der LED wird die darüber liegende Spannungs-Strom-Kurve abgeflacht, so dass bei kleinen Änderungen der Versorgungsspannung der Strom nicht radikal ansteigt. Der Strom wird immer noch zunehmen, nur nicht radikal.

Der Wert des Widerstands ist einfach zu berechnen: Subtrahieren Sie die Durchlassspannung der LED von Ihrer Versorgungsspannung, und dies ist die Spannung, die über dem Widerstand liegen muss. Dann verwenden Sie die Ohmsche Gesetz auf den Widerstand zu finden notwendig , den Strom in den LED gewünscht zu erhalten.

Der große Nachteil dabei ist, dass ein Widerstand die Spannung reduziert, indem er elektrische Energie in Wärme umwandelt. Wir können die Leistung im Widerstand folgendermaßen berechnen:

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

Jegliche Leistung im Widerstand ist Leistung, die nicht zur Erzeugung von Licht verwendet wird. Warum bringen wir die Versorgungsspannung nicht sehr nahe an die LED-Spannung, brauchen also keinen sehr großen Widerstand und reduzieren so unsere Leistungsverluste? Denn wenn der Widerstand zu klein ist, regelt er den Strom nicht gut und unsere Schaltung unterliegt großen Stromschwankungen in Bezug auf Temperatur, Herstellungsschwankungen und Versorgungsspannung, als ob wir überhaupt keinen Widerstand hätten. Als Faustregel gilt, dass mindestens 25% der Spannung über dem Widerstand abfallen sollten. Daher kann man mit einem Vorwiderstand niemals einen Wirkungsgrad von mehr als 75% erreichen.

Sie fragen sich möglicherweise, ob mehrere LEDs parallel geschaltet werden können, die sich einen Strombegrenzungswiderstand teilen. Sie können, aber das Ergebnis wird nicht stabil sein, eine LED kann den gesamten Strom verbrauchen und beschädigt werden. Siehe Warum kann nicht genau ein einziger Widerstand für viele parallele LEDs verwendet werden? .

Lineare Stromquelle

Wenn das Ziel ist, den LEDs einen konstanten Strom zuzuführen, warum nicht eine Schaltung herstellen, die den Strom zu den LEDs aktiv reguliert? Dies wird als aktuelle Quelle bezeichnet . Hier ein Beispiel für eine Quelle , die Sie mit normalen Teilen erstellen können:

So funktioniert es: Q2 erhält seinen Basisstrom über R1. Beim Einschalten von Q2 fließt ein großer Strom durch D1, Q2 und R2. Wenn dieser Strom durch R2 fließt, muss die Spannung an R2 ansteigen (Ohmsches Gesetz). Wenn die Spannung an R2 auf 0,6 V ansteigt, beginnt Q1 einzuschalten und stiehlt den Basisstrom von Q2, wodurch der Strom in D1, Q2 und R2 begrenzt wird.

R2 regelt also den Strom. Diese Schaltung begrenzt die Spannung an R2 auf nicht mehr als 0,6V. Um den für R2 benötigten Wert zu berechnen, können wir einfach das Ohmsche Gesetz verwenden, um den Widerstand zu finden, der uns den gewünschten Strom bei 0,6 V gibt.

Aber was haben wir gewonnen? Jetzt wird an Q2 und R2 anstelle eines Vorwiderstands nur noch eine überschüssige Spannung abgefallen. Nicht viel effizienter und viel komplexer. Warum sollten wir uns die Mühe machen?

Denken Sie daran, dass bei einem Vorwiderstand mindestens 25% der Gesamtspannung über dem Widerstand liegen müssen, um eine angemessene Stromregelung zu erreichen. Trotzdem variiert der Strom immer noch ein wenig mit der Versorgungsspannung. Bei dieser Schaltung ändert sich der Strom unter allen Bedingungen kaum mit der Versorgungsspannung . Wir können viele LEDs in Reihe mit D1 schalten, so dass ihr Gesamtspannungsabfall beispielsweise 20 V beträgt. Dann brauchen wir nur noch 0,6 V für R2 und ein bisschen mehr, damit Q2 Platz zum Arbeiten hat. Unsere Versorgungsspannung könnte 21,5 V betragen, und wir verschwenden nur 1,5 V in Dingen, die keine LEDs sind. Dies bedeutet, dass unser Wirkungsgrad sich annähern kann . Das ist viel besser als die 75%, die wir mit einem Vorwiderstand aufbringen können.$20V / 21.5V = 93 \%$

Stromquellen im geschalteten Modus

Für die endgültige Lösung gibt es eine Möglichkeit, LEDs (zumindest theoretisch) mit einer Effizienz von 100% anzusteuern. Es wird als Schaltnetzteil bezeichnet und verwendet eine Induktivität, um eine Spannung in genau die Spannung umzuwandeln, die zum Ansteuern der LEDs erforderlich ist. Es ist keine einfache Schaltung, und wir können sie in der Praxis nicht zu 100% effizient gestalten, da keine realen Komponenten ideal sind. Bei richtiger Auslegung kann dies jedoch effizienter sein als die obige lineare Stromquelle und den gewünschten Strom über einen größeren Bereich von Eingangsspannungen aufrechterhalten.

Hier ist ein einfaches Beispiel, das mit normalen Teilen erstellt werden kann:

Ich behaupte nicht, dass dieses Design sehr effizient ist, aber es dient dazu, das Funktionsprinzip zu demonstrieren. So funktioniert das:

U1, R1 und C1 erzeugen eine Rechteckwelle. Das Einstellen von R1 steuert das Tastverhältnis und die Frequenz und folglich die Helligkeit der LED.

Wenn der Ausgang (Pin 3) niedrig ist, ist Q1 eingeschaltet. Strom fließt durch die Induktivität L1. Dieser Strom wächst, wenn im Induktor Energie gespeichert wird.

Dann geht die Ausgabe hoch. Q1 schaltet ab. Ein Induktor dient jedoch als Schwungrad für Strom. Der Strom, der in L1 floss, muss weiter fließen, und der einzige Weg, dies zu tun, ist durch D1. Die in L1 gespeicherte Energie wird auf D1 übertragen.

Der Ausgang geht wieder auf Low und somit wechselt der Stromkreis zwischen dem Speichern von Energie in L1 und dem Entladen in D1. Tatsächlich blinkt die LED schnell, aber bei etwa 25 kHz ist sie nicht sichtbar.

Das Schöne daran ist, dass es keine Rolle spielt, wie hoch unsere Versorgungsspannung ist oder wie hoch die Durchlassspannung von D1 ist. Tatsächlich können wir viele LEDs in Reihe mit D1 schalten, und sie leuchten auch dann noch, wenn die gesamte Durchlassspannung der LEDs die Versorgungsspannung überschreitet.

Mit einigen zusätzlichen Schaltkreisen können wir eine Rückkopplungsschleife erstellen, die den Strom in D1 überwacht und R1 für uns effektiv einstellt, sodass die LED über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen die gleiche Helligkeit beibehält. Praktisch, wenn die LED bei niedrigem Batteriestand hell bleiben soll. Ersetzen Sie U1 durch einen Mikrocontroller und nehmen Sie hier und da einige Anpassungen vor, um dies effizienter zu machen, und Sie haben wirklich etwas.

Es gibt einen anderen Weg, der weitaus weniger verbreitet ist. Gut für eine LED, sehr einfach, Sie können alles von ungefähr 4V bis 20V darauf werfen, und es gibt der LED einen ziemlich konstanten Strom.

Blau ist die Eingangsspannung von 20 V bis 4 V. Grün ist der Strom zur LED, ungefähr 12mA. Rot ist die vom JFET abgegebene Leistung, Datenblatt hier .

Hier ist eine Sammlung von LED-Treiberoptionen, mit denen Sie spielen können.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema mit CircuitLab erstellt}

Das ist nicht ganz richtig, da es von vielen Faktoren abhängt.

das problem mit leds ist, dass 1) sobald sie anfangen zu leiten, ein wenig ansteigen der spannung zu einem enormen anstieg des stromes führt. mit der richtigen kombination kann das schaden bedeuten; 2) Wenn sich die LEDs erwärmen, sinkt ihr Vorwärtsspannungsabfall, wodurch der Strom durch die LEDs steigt. Dies wiederum führt dazu, dass die Verlustleistung der LEDs steigt und sich die LEDs erwärmen. das führt zu einem Teufelskreis.

Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, eine negative Rückkopplung einzuführen, sodass die Spannung an den LEDs abnimmt, wenn der Strom in den LEDs ansteigt.

viele Möglichkeiten, das zu tun. Widerstände, Sensoren, aktive Steuerungen usw.