Я долго задавался вопросом, почему в схемах, в которых для освещения используются светодиоды, очень часто приходится использовать резистор, идущий вместе со светодиодом, и, наконец, кажется, что ответ на этот вопрос объясняет, почему. (Это самый простой способ контролировать ток с помощью светодиода, чтобы он не горел.)

Но все же, разве это не большая проблема? Разве эти резисторы не тратят много энергии и нет ли другого практического решения?

UPD: Разумное обновление вопроса, учитывая все хорошие ответы, которые я получил, - возможно, предоставить некоторые цифры, показывающие, сколько энергии теряется на нагрев от резисторов в типичном осветительном приложении? (Большинство ответов говорят, что потери мощности у меня настолько малы, что это не имеет значения. Думаю, было бы хорошо, если бы кто-то мог получить реальные цифры, чтобы закрепить этот ответ, тогда я мог бы принять этот ответ и держать его на вершине на будущее заинтересованные люди.)

Да, это напрасная трата энергии, но в большинстве случаев ее недостаточно, чтобы иметь значение.

В тех случаях, когда эффективность имеет значение, вы используете другие более сложные средства. Например, взгляните на схему моего примера проекта KnurdLight . Это питание от батареи, и почти все питание идет на светодиоды. В этом случае я использовал повышающий преобразователь, который напрямую регулировал ток светодиода вместо обычного источника питания, который регулирует напряжение. Отсутствует последовательный резистор, чтобы источник постоянного напряжения выглядел хотя бы частично как источник тока, потому что источник питания - это, в первую очередь, источник тока. R6 последовательно соединен со светодиодной цепочкой, но составляет всего 30 Ом и предназначен для измерения тока, чтобы повышающий преобразователь мог регулировать его.

Почему резисторы?

Причина, по которой мы используем резисторы для установки тока светодиода, заключается в том, что светодиод - это диод, и, как и большинство диодов, он просто выглядит как падение напряжения при прямом смещении. Существует очень мало для контроля тока, если подключен к источнику напряжения; наклон графика V / I настолько крутой, что изменение напряжения диода на 0,1 В может означать изменение тока в 10 раз. Таким образом, прямое подключение к источнику питания без работающего механизма ограничения тока, скорее всего, приведет к разрушению светодиода. Поэтому мы установили резистор, чтобы наклон был достаточно мелким для контроля тока.

Как правило, вы вычисляете, какой ток вам нужен в светодиоде, основываясь на измерении яркости из таблицы данных, или покупаете его и угадываете. Для типичных индикаторных светодиодов я начинаю с 2 мА для нормальных или 0,5 мА для высокоэффективных светодиодов, и обычно приходится дополнительно уменьшать ток.

Как только вы выбираете ток, вы берете это, напряжение вашего источника (VS) и прямое напряжение вашего светодиода на ваш ток (VF), попробуйте получить это из графика в листе данных, а не в таблице, которая обычно (10 мА или более), и включите их в следующее уравнение, чтобы получить сопротивление:

R = (VS - VF) / I

Вывод: учитывая, что падение напряжения на резисторе составляет VR = I * R(закон Ома), что ток в контуре постоянен (закон тока Кирхгофа), и что напряжение источника равно VF + VR(закон напряжения Кирхгофа):

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

Светодиоды высокой мощности

В тех случаях, когда проблема с энергопотреблением является проблемой, например в крупномасштабных системах освещения, вы не используете резистор, а вместо этого используете регулятор тока для установки тока светодиода.

Эти регуляторы тока работают как переключающие регуляторы напряжения, за исключением того, что вместо деления выходного напряжения и сравнения с эталонным сигналом и регулировки выхода они используют чувствительный к току элемент (трансформатор тока или резистор низкого значения) для генерации напряжения, которое сравнивается с эталоном. Это может дать вам большую эффективность, в зависимости от потери переключающего элемента и частоты переключения. (Более высокие частоты реагируют быстрее и используют меньшие компоненты, но менее эффективны.)

Когда светодиод управляется резистором, необходимо, чтобы напряжение питания было выше, чем прямое падение светодиода; ток от источника будет равен току через светодиод. Процент мощности питания, поступающей на светодиод, будет соответствовать отношению прямого напряжения светодиода к напряжению питания.

Существуют и другие способы управления светодиодами, которые будут работать с напряжением питания ниже прямого падения светодиода или потреблять меньше тока от источника питания, чем они пропускают через светодиод. Такие методы могут, например, уменьшить вдвое ток, потребляемый от 5-вольтового источника питания для подачи 20 мА через 2-вольтовый светодиод, но требуемая схема почти наверняка будет дороже, чем резистор. Во многих ситуациях, даже при работе от батарей, мощность, потребляемая светодиодом, будет представлять собой незначительную долю общего потребления энергии; даже если бы можно было снизить энергопотребление, связанное со светодиодами, на 99%, используя дополнительные схемы стоимостью всего 0,05 долл., экономия не будет стоить затрат по сравнению с простым использованием резистора и принятием неоптимальной эффективности.

Вы хотели расчет. Вот основная форма расчета.

Типичный красный светодиод имеет прямое падение напряжения 1.8 Vи максимальный непрерывный ток около 20 mA.

Какое у нас напряжение? Допустим, мы хотим использовать источник 3 В.

Таким образом, у нас будет падение напряжения 3.0 V - 1.8 V = 1.2 Vна нашем резисторе. Ток через резистор будет 20 mA, поэтому наша сила есть 1.2 V * 20 mA = 24 mW. Это не очень много энергии, хотя это значительная часть потребляемой мощности светодиода. Сам светодиод использует1.8V * 20mA = 36 mW.

Да, это пустая трата энергии. С другой стороны, при серийном производстве резистор будет стоить несколько центов (0,01 долл. США для наших международных сотрудников). Когда анализ затрат / выгод / трудностей сделан, простой резистор начинает выглядеть действительно хорошо.

Потраченная впустую мощность часто очень мала (десятки милливатт), если вы управляете светодиодом с напряжением 5 В или таким же небольшим напряжением.

Конечно, это проблема в системах, где у вас есть аккумуляторы ограниченной емкости, но тогда используются другие схемы (например, драйверы светодиодов, использующие ШИМ ).

Да и нет. Когда ток проходит через резистор, он генерирует тепло и, следовательно, тратит энергию. Однако, если вы вынули резистор (и, следовательно, вывели светодиод на более высокое напряжение), вы бы пропустили больше тока через цепь и, таким образом, фактически сожгли больше энергии, чем с резистором на месте.

Помните, что при постоянном напряжении ток обратно пропорционален сопротивлению. Чем больше сопротивление, которое вы подключаете к цепи, тем меньше ток, который вы пропускаете, и, следовательно, меньше энергии вы потребляете. Таким образом, хотя сам резистор играет роль в генерировании тепла в цепи, его присутствие там фактически означает, что в целом будет генерироваться меньше тепла.

Я делаю математический тест. Я использую источник 12 В и подключаю 3 светодиодных диода с резисторами. Этот один диод с резистором имеет 12 В, следующий диод с резистором, который я подключаю к 12 В, и последний тоже. У источника у меня 60мА. Резистор имеет падение напряжения 9 В и потребляемую мощность в общей сложности 540 мВт. Независимо от P = V * II получается что-то общее на 720 мВт в источнике.

Но когда я подключаю диоды к цепочке и добавляю резистор, общая потребляемая мощность в источнике составляет всего 240 мВт. Я использую диоды 3V 20mA.

Для симов лучше использовать источник напряжения как можно ниже, чтобы потреблять энергию только там, где мы хотим. Или используйте цепочку светодиодов для более высокого напряжения. Вот почему у нас в компьютере так много выходов с разными напряжениями от трансформатора.

Или другая идея. У нас есть источник 9В, и я подключаю один диод 3В, и мне нужно использовать резистор для снижения напряжения. Общая мощность будет 180 мВт. Где диод будет работать только 60 мВт. Но когда я подключаюсь к цепочке 3-диодов, у меня остается 180 мВт. Но когда я подключаю 3 диода, но каждый из них подключен к одному и тому же источнику, то у меня будет 540 мВт использованной мощности. ,

Похоже, лучше использовать строку, а не соединять каждый источник.

Невозможно избежать потери мощности, используя только пассивную или линейную активную цепь постоянного тока. Причина в том, что эффективность определяется двумя вещами:

1. Напряжение питания
2. Светодиодный ток

Неважно, что вы помещаете между светодиодом и источником питания. Это может быть резистор, некоторые диоды, линейный регулятор или транзисторный источник тока. Если для светодиода требуется 10 мА для требуемой яркости, и у вас есть источник питания 5 В, вы сжигаете всего 50 мВт. Период.

При фиксированном напряжении питания и фиксированном токе светодиодов единственным вариантом повышения эффективности является последовательное включение нескольких светодиодов. Если у вас есть напряжение питания 5 В, а падение напряжения на ваших светодиодах составляет 2 В при 10 мА, вы можете подключить два последовательно. Это имеет ограничение - вы не сможете самостоятельно переключать светодиоды.

Если у вас есть контроль над источником питания, вы можете сделать еще пару вещей. Если ваши напряжения питания получены от источника переменного тока, вы можете добавить обмотку к трансформатору, чтобы создать низковольтный светодиодный источник питания. Если у вас есть только источник постоянного тока, вы можете использовать переключающий преобразователь для генерации более низкого напряжения. Тем не менее, ни один из них не очень практичен. Если вы работаете от сети переменного тока, вас, вероятно, не беспокоит эффективность нескольких световых индикаторов. А высокоэффективные переключающие регуляторы дороги и чреваты проблемами.

Светодиоды обычно потребляют лишь небольшую часть общего тока системы. Редко стоит потраченных усилий или затрат, чтобы добавить отдельный источник питания только для них.

Не думайте, что резистор является источником питания, который отводит электричество (ток). Некоторая мощность теряется в виде тепла, да, но не сильно (в общем). Используя аналогию с водой, просто представьте, что резистор делает шланг, по которому течет ток, меньше. Учитывая ту же начальную силу (напряжение), количество электричества, которое может течь (ток), уменьшается. это уменьшает усилие, имеющееся на выходном конце шланга (это называется падением напряжения).