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

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.

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.

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?

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.

^{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.

Sepertinya Anda terlalu memikirkan masalahnya.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 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. $\times\:2$

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:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

$Q_1$$Q_3$

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.

$V_{CC}$

^{mensimulasikan rangkaian ini}

$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}$

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:

^{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:

^{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.

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.

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.