Я понимаю, что не могу подключить светодиод непосредственно к батарее, потому что он будет потреблять слишком много тока. Таким образом, в цепи должно быть что-то еще для ограничения тока. Какие есть варианты? Являются ли некоторые методы более эффективными, чем другие?

Светодиод требует минимального напряжения, прежде чем он вообще включится. Это напряжение изменяется в зависимости от типа светодиода, но обычно находится в пределах 1,5 - 4,4 В. Как только это напряжение достигнуто, ток будет очень быстро увеличиваться с напряжением, ограниченным только небольшим сопротивлением светодиода. Следовательно, любое напряжение, намного превышающее это, приведет к очень большому току через светодиод, пока либо источник питания не сможет подать достаточный ток и его провалы напряжения, либо светодиод не будет поврежден.

Выше приведен пример зависимости тока от напряжения для светодиода. Поскольку ток растет так быстро с напряжением, обычно мы можем упростить наш анализ, предполагая, что напряжение на светодиоде является постоянным значением, независимо от тока. В этом случае 2V выглядит примерно так.

Прямо через аккумулятор

Ни одна батарея не является идеальным источником напряжения. По мере того как сопротивление между его клеммами уменьшается, а потребление тока повышается, напряжение на клеммах батареи будет уменьшаться. Следовательно, существует ограничение на ток, который может обеспечить батарея. Если батарея не может подавать слишком большой ток для разрушения вашего светодиода, и сама батарея не будет разрушена при использовании такого большого тока, размещение светодиодов прямо на батарее является самым простым и наиболее эффективным способом сделать это.

Большинство аккумуляторов не соответствуют этим требованиям, но некоторые монеты соответствуют. Вы можете знать их по светодиодным броскам .

Резистор серии

Самый простой способ ограничения тока светодиода - это последовательное подключение резистора. Из закона Ома мы знаем, что ток через резистор равен напряжению на нем, деленному на сопротивление. Таким образом, существует прямая зависимость между напряжением и током для резистора. Последовательное включение резистора со светодиодом служит для сглаживания приведенной выше кривой напряжения-тока, так что небольшие изменения напряжения питания не приводят к радикальному увеличению тока. Ток все равно будет увеличиваться, просто не радикально.

Значение резистора легко рассчитать: вычтите прямое напряжение светодиода из напряжения питания, и это напряжение должно быть на резисторе. Затем используйте закон Ома, чтобы найти сопротивление, необходимое для получения желаемого тока в светодиоде.

Большой недостаток заключается в том, что резистор снижает напряжение путем преобразования электрической энергии в тепло. Мы можем рассчитать мощность в резисторе с помощью любого из них:

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

Любая мощность в резисторе - это энергия, которая не используется для создания света. Так почему бы нам не сделать напряжение питания очень близким к напряжению светодиода, поэтому нам не нужен очень большой резистор, что снижает наши потери мощности? Потому что, если резистор слишком мал, он не будет хорошо регулировать ток, и наша цепь будет подвержена значительным колебаниям тока в зависимости от температуры, производственных изменений и напряжения питания, как если бы у нас вообще не было резистора. Как правило, по крайней мере, 25% напряжения должно быть пропущено через резистор. Таким образом, с последовательным резистором никогда нельзя достичь эффективности выше 75%.

Вы можете быть удивлены, если несколько светодиодов могут быть подключены параллельно, совместно используя один ограничивающий ток резистор. Можно, но результат не будет стабильным, один светодиод может поглотить весь ток и повредиться. См. Почему точно нельзя использовать один резистор для множества параллельных светодиодов? ,

Линейный источник тока

Если целью является подача постоянного тока на светодиоды, почему бы не создать схему, которая активно регулирует ток на светодиодах? Это называется источником тока , и вот пример того, что вы можете построить из обычных частей:

Вот как это работает: Q2 получает свой базовый ток через R1. Когда Q2 включается, большой ток течет через D1, через Q2 и через R2. Когда этот ток протекает через R2, напряжение на R2 должно увеличиваться (закон Ома). Если напряжение на R2 возрастет до 0,6 В, тогда Q1 начнет включаться, крадя базовый ток из Q2, ограничивая ток в D1, Q2 и R2.

Итак, R2 контролирует ток. Эта схема работает, ограничивая напряжение на R2 не более 0,6 В. Таким образом, чтобы вычислить значение, необходимое для R2, ​​мы можем просто использовать закон Ома, чтобы найти сопротивление, которое дает нам желаемый ток при 0,6 В.

Но что мы получили? Теперь любое избыточное напряжение просто падает в Q2 и R2 вместо последовательного резистора. Не намного эффективнее и намного сложнее. Зачем нам беспокоиться?

$20V / 21.5V = 93 \%$

Импульсные источники тока

Для окончательного решения есть способ (по крайней мере, теоретически) управлять светодиодами со 100% эффективностью. Он называется импульсным источником питания и использует катушку индуктивности для преобразования любого напряжения точно в напряжение, необходимое для питания светодиодов. Это не простая схема, и мы не можем сделать ее на 100% эффективной на практике, так как никакие реальные компоненты не являются идеальными. Однако при правильном проектировании это может быть более эффективным, чем указанный выше линейный источник тока, и поддерживать требуемый ток в более широком диапазоне входных напряжений.

Вот простой пример, который можно построить из обычных деталей:

Я не буду утверждать, что этот дизайн очень эффективен, но он служит для демонстрации принципа работы. Вот как это работает:

U1, R1 и C1 генерируют прямоугольную волну. Регулировка R1 контролирует рабочий цикл и частоту, а следовательно, и яркость светодиода.

Когда на выходе (вывод 3) низкий уровень, Q1 включается. Ток протекает через индуктор L1. Этот ток растет по мере накопления энергии в индукторе.

Затем выход идет высоко. Q1 выключается. Но индуктор действует как маховик для тока. Ток, который протекал в L1, должен продолжать течь, и единственный способ сделать это - через D1. Энергия, запасенная в L1, передается в D1.

Выход снова становится низким, и, таким образом, цепь переключается между накоплением энергии в L1 и сбросом ее в D1. Так что на самом деле светодиод быстро мигает, но на частоте около 25 кГц его не видно.

Важно то, что это не имеет значения, какое у нас напряжение питания или какое прямое напряжение у D1. Фактически, мы можем поставить много светодиодов последовательно с D1, и они будут гореть, даже если общее прямое напряжение светодиодов превышает напряжение питания.

С некоторыми дополнительными схемами мы можем создать петлю обратной связи, которая контролирует ток в D1 и эффективно настраивает R1 для нас, поэтому светодиод будет поддерживать ту же яркость в широком диапазоне напряжений питания. Удобно, если вы хотите, чтобы светодиод оставался ярким, когда батарея разряжается. Замените U1 на микроконтроллер и внесите некоторые поправки, чтобы сделать это более эффективным, и у вас действительно есть что-то.

Есть еще один способ, гораздо реже встречающийся. Хорошо для одного светодиода, очень просто, вы можете подать на него что угодно, от 4 до 20 В, и он, к счастью, дает светодиоду довольно постоянный ток.

Синий - входное напряжение от 20 до 4 В. Зеленый - это ток светодиода, около 12 мА. Красный - мощность, рассеиваемая JFET, таблица данных здесь .

Вот коллекция вариантов светодиодных драйверов, с которыми вы можете играть.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

это не совсем так, поскольку это зависит от множества факторов.

проблема с светодиодами заключается в том, что 1) как только они начнут проводить, небольшое увеличение напряжения создаст огромное увеличение тока. с правильной комбинацией, которая может означать убытки; 2) по мере нагрева светодиодов их прямое падение напряжения уменьшается, что приводит к повышению тока через светодиоды. это, в свою очередь, приводит к увеличению рассеиваемой мощности на светодиодах, и светодиоды нагреваются. это приводит к порочному кругу.

Таким образом, один из способов избежать этого - ввести отрицательную обратную связь, чтобы при увеличении тока в светодиодах напряжение на светодиодах падало.

много способов сделать это. резисторы, датчики, активные элементы управления и т. д.