Tegangan maju LED adalah kisaran, jadi bagaimana Anda menghitung nilai resistor?

14

Dalam semua contoh LED yang saya temukan, mereka memiliki tegangan maju diatur ke nomor tertentu (yaitu 2.1v) dan menghitung resistor yang diperlukan berdasarkan angka itu. Tetapi ketika saya mencari lembar data, tegangan maju datang dalam rentang (2.0v - 2.5v). Ini masuk akal bagi saya karena tidak semua LED diciptakan sama. Tapi itu menyulitkan saya untuk mencari tahu resistor apa yang digunakan.

Jadi saya memutuskan untuk merancang sebuah sirkuit. Saya memiliki sumber tegangan 3V (2 baterai AA) yang terhubung ke resistor yang terhubung ke LED yang menghubungkan kembali ke sumber tegangan. Maksimum berkelanjutan saat LED adalah 20mA.

Saya memutuskan untuk menggunakan Hukum Ohm pada ujung tegangan maju dan rendah untuk menghitung resistensi.

(3.0v-2.0v)/20mSEBUAH=50Ω
(3.0v2.5v)/20mA=25Ω

Masalahnya muncul ketika saya memilih resistor. Katakanlah saya memilih resistor 50 Ohm tetapi LED yang saya dapatkan sebenarnya memiliki tegangan maju 2,5V. Jumlah aktual saat ini yang akan melalui LED adalah 10mA. Itu tidak menggunakan LED untuk itu potensi penuh.

Jika saya menggunakan resistor 25 Ohm dan LED memiliki tegangan maju 2,0v, maka jumlah arus yang melalui LED adalah 40mA. LED saya akan meledak.

Menggunakan "set value" dari 2.1v untuk menghitung hambatan memberi kita 45 Ohm.

(3.0v2.1v)/20mA=45Ω

Jika LED saya memiliki tegangan maju 2,0v, arus akan 22mA. Itu lebih dari peringkat untuk LED. Jika LED memiliki tegangan maju 2.5V, arusnya adalah 11mA yang tidak menggunakan LED untuk potensi penuhnya.

Catatan: Saya tidak terlalu khawatir tentang potensi penuh dari LED. (Jika saya mengerti dengan benar, 10mA harus bekerja dengan baik untuk menyalakan LED.) Saya hanya ingin tahu bagaimana insinyur nyata menangani masalah ini. Apakah memiliki arus 10mA dapat diterima? Bisakah Anda benar-benar lolos dengan 22mA meskipun spesifikasi mengatakan 20mA? Apa yang Anda lakukan ketika Anda membutuhkan LED Anda untuk beroperasi pada kecerahan puncak?

Aust
sumber
1
ya, Anda dapat mengendarai sinyal 20mA LED di 22mA. Anda mungkin bisa mengemudi lebih dari itu jika panas ditangani. itu akan mengurangi masa pakai, tetapi seberapa sering Anda melihat LED "hangus" sebelum produk tersebut dibuang?
Dandavis
1
Jika Anda melihat perangkat dari beberapa kaki dan tidak di bawah sinar matahari langsung, sesedikit 2mA bisa berfungsi. Cahaya efektif seperti yang kita lihat adalah logaritmik.
Peter Smith
Saya tidak akan pernah berencana untuk mengemudikan LED 20mA pada 22mA, tetapi karena tegangan baterai turun dengan cepat Anda mungkin akan lolos begitu saja. Saya telah menemukan bahwa LED indikator sederhana biasanya hanya membutuhkan beberapa mA kecuali mereka menyalakan diffuser besar atau sesuatu. Saya juga akan menunjukkan bahwa dua baterai alkaline akan menghasilkan tegangan mulai dari sekitar 3,1V hingga sekitar 2V ketika habis. Jadi mengendarai 2.5V LED akan membutuhkan pengatur dorongan. Juga, LED Vf sering ditentukan pada maks Jika. Jika Anda tidak perlu maks Jika, Anda mungkin tidak perlu menekan maks Vf juga.
mkeith
2
Jangan lupa bahwa resistor juga memiliki variasi sampel. Tergantung pada toleransi yang Anda pilih, resistensi sebenarnya dari nominal 50 Ohm Anda bisa kurang dari 45 Ohm atau lebih dari 55 Ohm. Anda mendesain kinerja sirkuit nominal pada nilai komponen nominal, dan memastikan bahwa pada batas toleransi, perangkat Anda tidak mendorong apa pun di luar kemampuannya atau masuk ke keadaan yang tidak terduga.
Anthony X
Anda tidak mengerti intinya. Bukannya mereka diproduksi secara tidak merata, itu karena mereka arus konstan dan bukan tegangan konstan ... dan juga melayang berdasarkan usia dan suhu persimpangan ... dan perubahan tegangan non-linier dan kecil menyebabkan perubahan arus besar. Terapkan tegangan konstan 2.2V ke LED, hasil acak. Terapkan 20mA arus konstan, hasil yang dapat diprediksi. Pikirkan saat ini.
Harper - Pasang kembali Monica

Jawaban:

15

Itu adalah masalah umum dengan menggunakan resistor pembatas arus dengan LED ketika tegangan suplai dekat dengan tegangan maju LED. Anda tidak memiliki cukup overhead untuk resistor menjadi cukup besar untuk menyerap dioda untuk perbedaan tegangan maju dioda.

Anda juga memiliki masalah bahwa baterai itu sendiri akan memiliki jangkauan yang signifikan dan kemungkinan akan lebih dari 3V ketika baru.

Secara umum, lebih baik untuk mengarahkan LED dengan sumber arus daripada sumber tegangan. Namun, meski begitu, Anda perlu ruang kepala untuk limiter saat ini untuk bekerja dan setengah volt benar-benar ketat.

Ada beberapa cara untuk melakukannya dengan cukup akurat di bawah semua kendala Anda, tetapi itu menjadi rumit dan melibatkan biaya dan menguras baterai lebih cepat.

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Cukup luar biasa setelah bertahun-tahun bahwa tidak ada yang tampaknya telah menempatkan itu pada SOIC kecil yang sederhana.

Tapi, pada akhirnya, kecuali jika kebutuhan Anda ketat pada arus maju yang diperlukan, Anda lebih baik hanya membuang baterai lain sehingga Anda memiliki 4,5V nominal dan menggunakan resistor yang lebih besar.

Trevor_G
sumber
@andre setuju, Lihat komentar saya di bawah jawaban Jonk.
Trevor_G
Ini adalah rangkaian terbaik setelah Anda melewati apa yang dapat dilakukan dengan satu transistor. Saya yakin Anda juga bisa menghilangkan regulator linier dan hanya menggunakan zener atau bias dioda maju biasa sebagai referensi.
mkeith
@ ingat ya masalah dengan dioda adalah varians baterai.
Trevor_G
1
@ Chris benar, dan dengan LED tua di 5V tidak masalah. Tetapi dengan semakin rendah hal-hal 3.3V overhead mereka yakin akan lebih baik sekarang.
Trevor_G
2
Itulah alasan mengapa senter LED murah menggunakan jumlah baterai TIGA 1.5V yang sulit digunakan.
Agent_L
8

Sepertinya Anda terlalu memikirkan masalahnya.

  1. 14V×2
  2. Selain itu, LED cukup tangguh dan sering digunakan dalam mode berdenyut (multipleks) di mana arus puncak jauh lebih tinggi daripada rata-rata. Dan mereka biasanya bisa menanganinya dengan baik.
  3. ×2

Jadi, secara keseluruhan, level arus yang tepat biasanya tidak begitu penting ketika LED digunakan sebagai lampu indikator. Dan voltase pada LED tidak terlalu bervariasi.

Yang utama adalah memastikan bahwa ada overhead tegangan yang cukup untuk benar-benar mengoperasikan LED secara konsisten dalam suatu desain dan bahwa metode pengaturan arus cukup untuk kebutuhan (apa pun artinya) dan tidak memerlukan biaya terlalu banyak (. ..) dan tidak memakan terlalu banyak ruang (...) dan tidak memanaskan hal-hal yang seharusnya tidak (...) dan tidak menguras baterai lebih dari yang diperlukan (...) dan jika tidak, tidak akan mengganggu spesifikasi desain lainnya (apa pun itu.)

Singkatnya, biasanya ada terlalu banyak kekhawatiran lain yang perlu dikhawatirkan.

[Jika LED digunakan sebagai salah satu dari tiga LED RGB, dengan maksud untuk menggunakannya sebagai piksel LED di layar eksternal yang besar, maka mungkin sangat penting (atau tidak, tergantung pada persyaratan) bahwa arusnya dengan hati-hati dikalibrasi di masing-masing LED individual untuk memastikan kriteria desain aktual seperti "keseimbangan putih" dapat dipenuhi. (Selain LED "binning" yang mungkin telah dilakukan sebelum perakitan menjadi piksel RGB.)]


Anda menyajikan masalah, mengenai arus LED, di mana masalah menggunakan tegangan overhead rendah dan membesar-besarkan masalah dengan memiliki tegangan LED yang sedikit berbeda (yang, saya kira, mungkin terjadi.) Ada solusi sederhana untuk kasus-kasus tersebut, meskipun Saya tidak bisa mengatakan ada orang yang mau repot-repot menempatkan tiga BJT dan resistor untuk masalah ini. Tetapi katakanlah Anda benar-benar memiliki tujuan desain kontrol "overhead rendah" dan kontrol arus yang konsisten terlepas dari variasi tegangan LED. Dalam kasus seperti itu, mungkin metode termurah adalah menggunakan mirror saat ini, sebagai berikut:

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Q1Q3

Dengan situasi overhead rendah, sebuah resistor membuat regulator arus yang sangat buruk. Begitulah adanya. Jadi Anda bisa hidup dengan itu, atau tidak, tergantung pada keadaan.


VCC

skema

mensimulasikan rangkaian ini

VBER2R3VCCR3VCCR1VBER2R1VCC

VCC2.5V

jonk
sumber
1
Karena ini adalah cermin saat ini, sirkuit ini menghabiskan daya sebanyak yang diberikannya ke LED. Terkadang itu bisa menjadi masalah nyata.
mkeith
Q2
Dalam simulasi, ia mempertahankan regulasi yang sangat baik. Saya pikir ada kesalahan. Anda tentu ingin agar Q3 menjadi NPN, bukan? Dengan emitor dibumikan, dan kolektor terhubung ke basis cermin saat ini? Begitulah cara saya mensimulasikannya.
mkeith
1
@mkeith Jangan terlalu percaya simulasi. Q1 dan Q2 tidak pernah persis sama, dan secara umum pada suhu yang berbeda (di atas semua arus di Q1 dan Q2 berbeda, situasi umum jika Anda tidak ingin membuang daya di Q2)
andre314
1
@ Trevor, dengan tiga baterai alkaline, tegangan bervariasi dari 4,5 hingga 3V saat baterai habis. Jika Vf adalah 2.5V, itu berarti tegangan melintasi resistor pembatas arus akan bervariasi dari 2V ke 0,5V, variasi 4x dalam arus LED. Inilah sebabnya saya akan menggunakan sumber saat ini dengan dua dioda sebagai referensi. Ini akan mempertahankan regulasi yang jauh lebih baik pada rentang tegangan baterai. Dengan hanya beberapa resistor tambahan.
mkeith
7

Pertama, Anda menentukan satu produsen LED dan nomor bagian. Kisaran dalam Vf dari bagian ke bagian tidak akan sebesar yang Anda sarankan (tidak 0,5V).

Kedua, variasi kecil dalam kecerahan tidak mudah terdeteksi oleh mata. Jadi Anda tidak perlu khawatir tentang variasi kecil dari unit ke unit.

Ketiga, bila memungkinkan, Anda menyalakan daya LED dari tegangan yang diatur, bukan baterai, sehingga Anda menghapus satu sumber variasi.

Keempat, ketika satu-satunya sumber daya yang tersedia adalah variabel (seperti baterai), Anda mengendarai LED dengan sumber arus alih-alih sumber tegangan dengan resistor pembatas arus. Jika ada setidaknya satu tegangan yang diatur tersedia (bahkan jika itu adalah tegangan rendah), sangat mudah untuk membuat sumber arus yang memuaskan untuk menggerakkan indikator LED menggunakan hanya satu transistor dan beberapa resistor. Ini murah tetapi memakan ruang pada desain yang sangat terbatas ruang.

Jika tidak ada satu pun tegangan yang diatur tunggal tersedia, Anda masih dapat membuat sumber arus yang layak menggunakan dua dioda secara seri sebagai referensi tegangan.

Saya tidak yakin apakah saya seorang insinyur sungguhan, tetapi saya harus melakukan semua hal ini saat merancang produk konsumen, dan itulah cara saya menghadapinya. Satu hal lain yang benar-benar dapat membantu Anda dengan indikator LED adalah ketika beban berat menyebabkan tegangan baterai melorot. Misalnya, motor getaran atau speaker dapat menyebabkan tegangan baterai terkulai pada beberapa produk. Droop itu dapat menyebabkan flicker yang terlihat atau variasi dalam kecerahan LED ketika LED digerakkan dari baterai. Ini adalah alasan lain untuk menggunakan sumber saat ini.

Berikut adalah sumber saat ini ketika LED dinyalakan dari baterai, tetapi Anda memiliki sinyal GPIO yang berasal dari tegangan yang diatur:

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Dalam skema di atas, tidak masalah jika LED diaktifkan dari 3.3V atau VBATT atau apa pun, selama GPIO didukung dari sumber yang diatur. Saya menyalin ini dari jawaban lain. Anda ingin men-tweak resistor emitor untuk mendapatkan arus spesifik yang Anda cari. Ketika tidak ada banyak overhead yang tersedia, Anda juga dapat mengurangi R2 sehingga tegangan basis kurang dari 1V.

Berikut ini adalah rangkaian untuk saat tidak ada tegangan yang diatur tersedia:

skema

mensimulasikan rangkaian ini

Di sirkuit di atas, D1 dan D2 bertindak sebagai referensi tegangan. Tegangan akan bervariasi, tetapi tidak sebanyak tegangan baterai. Tegangan konstan ini di dasar Q1 kemudian diungkit menjadi tegangan konstan di R3, dan dengan demikian, arus kolektor konstan (transistor tidak akan jenuh kecuali VBATT sangat rendah). Saya belum benar-benar melakukan ini dalam desain produksi, tetapi saya percaya itu akan berhasil OK.

Dibandingkan dengan saklar jenuh sederhana, kedua sirkuit melakukan pekerjaan yang baik untuk mempertahankan arus yang diinginkan bahkan ketika ada tegangan yang cukup tersedia untuk menjaga LED menyala.

Berikut adalah beberapa hasil simulasi yang membandingkan sakelar jenuh sederhana dengan resistor pembatas arus (D1), vs rangkaian referensi pembagi tegangan (D2) vs referensi dua dioda (D5). Ini dengan LED 3V. Perhatikan bahwa nilai-nilai resistor telah disesuaikan untuk mendapatkan sekitar 9mA pada VBATT = 4.2V.

masukkan deskripsi gambar di sini

Seperti yang Anda lihat, sumber arus dengan referensi pembagi tegangan mempertahankan kinerja yang baik, katakanlah 3.35V. Jadi itu hanya membutuhkan sekitar 350mV overhead.

Sirkuit referensi dua dioda mempertahankan kinerja yang baik hingga sekitar 3,45V, yaitu sekitar 450mV overhead.

Sirkuit standar benar-benar tidak mempertahankan arus yang diatur sama sekali. Arus turun secara linier dengan tegangan baterai.

Juga perhatikan bahwa sirkuit referensi dua dioda dan sirkuit referensi pembagi tegangan keduanya memiliki arus yang lebih tinggi pada semua tegangan baterai dibandingkan dengan sirkuit standar, kecuali untuk pada tegangan baterai maks.

Nyonya
sumber
Lihat juga jawaban terkait saya dalam beberapa pertanyaan lain: electronics.stackexchange.com/questions/281359/…
mkeith
4
Mereka regulator tidak akan bekerja pada 3V, tidak cukup ruang kepala dengan 2.5V LED.
Trevor_G
@ Tevor, Itulah yang selalu dipikirkan orang. Tetapi mereka bekerja lebih baik pada voltase lebih rendah daripada NPN tunggal yang beroperasi sebagai sakelar jenuh dengan resistor pembatas arus. Perhatikan seberapa rendah resistor emitor.
mkeith
Seluruh tujuan dari sirkuit ini adalah bahwa ia membutuhkan ruang kepala yang jauh lebih sedikit untuk mencapai arus yang diperlukan. Biasanya dapat digunakan untuk mendorong LED biru atau putih dari 3.3V ke bawah. Anda tidak harus mengarahkan basis ke 1V. Itu bisa menjadi bias untuk menurunkan tegangan untuk mendapatkan ruang kepala. Resistor emitor juga harus diubah.
mkeith
Um 50 ohm akan menjadi kerugian 1.3V, 100 lebih dari 2. Tidak ada pasangan yang bekerja, tidak untuk memimpin 2.5V. 50R akan bekerja untuk LED tradisional gaya lama Anda.
Trevor_G
3

Ini adalah masalah umum dengan menggunakan resistor sebagai perangkat pembatas arus, dan sumber tegangan yang hanya berjarak tegangan kecil di atas rentang tegangan operasi LED, DAN rentang tegangan maju LED menjadi begitu luas.

Pertama-tama untuk menjelaskan, "kisaran" tegangan maju LED bukan rentang yang dapat Anda pilih untuk mengoperasikannya, kisaran tegangan LED mungkin akan beroperasi di JIKA diberikan arus yang benar (arus maju) (tegangan ini akan bervariasi dari unit ke unit, dan dari batch ke batch).

Tanpa mengubah perangkat keras Anda, penghambat yang benar untuk merancang rangkaian adalah dengan menggunakan tegangan serendah mungkin dalam kisaran vf (2.0v) untuk melakukan perhitungan Anda, ini berarti unit dengan vf sebenarnya 2.0v akan berjalan pada maks maju saat ini dan karenanya kecerahan, dan mereka dengan vf yang lebih tinggi (> 2,0) akan berjalan pada arus kurang dan kecerahan kurang dari desain max jenis LED ini, tetapi setidaknya setiap unit model LED ini akan beroperasi dalam batas aman.

Jadi jika Anda ingin memperbaiki atau memperbaiki 3 alasan yang saya berikan, jika misalnya aplikasi Anda tidak dapat mentolerir kecerahan yang lebih rendah dari LED, Anda dapat melakukan salah satu dari: 1) menggunakan rangkaian batas arus yang lebih baik daripada resistor sederhana. ada beberapa chip yang melakukan ini. 2) menggunakan tegangan yang lebih tinggi di atas tegangan maju. 3) menggunakan LED dengan kisaran spesifikasi tegangan maju yang lebih sempit.

Dean Si
sumber