A voltagem direta do LED é uma faixa, então como você calcula o valor do resistor?

Em todos os exemplos de LEDs que encontro, eles têm a voltagem direta definida para um número específico (ou seja, 2,1v) e calculam o resistor necessário com base nesse número. Mas quando eu procuro folhas de dados, a voltagem direta vem em faixas (2.0v - 2.5v). Isso faz sentido para mim, pois nem todos os LEDs são criados iguais. Mas está dificultando para mim descobrir qual resistor usar.

Então eu decidi projetar um circuito. Eu tenho uma fonte de tensão de 3V (2 pilhas AA) que se conecta a um resistor que se conecta a um LED que se conecta de volta à fonte de tensão. A corrente máxima sustentável do LED é 20mA.

Decidi usar a Lei de Ohm na extremidade baixa e alta da faixa de tensão direta para calcular as resistências.

O problema surge quando eu escolho um resistor. Digamos que eu escolha o resistor de 50 Ohm, mas o LED que recebo tem uma voltagem direta de 2,5v. A quantidade real de corrente que passaria pelo LED seria 10mA. Isso não está usando o LED em seu potencial máximo.

Se eu usar o resistor de 25 Ohm e o LED tiver uma voltagem direta de 2,0v, a quantidade de corrente que passa pelo LED seria 40mA. Meu LED explodiria.

O uso do "valor ajustado" de 2.1v para calcular a resistência nos dá 45 Ohms.

Se meu LED tivesse uma voltagem direta de 2,0v, a corrente seria 22mA. Isso está acima da classificação para o LED. Se o LED tivesse uma voltagem direta de 2,5v, a corrente seria 11mA, que não está usando o LED em seu potencial máximo.

Nota: Não estou muito preocupado em obter todo o potencial de um LED. (Se bem entendi, 10mA deve funcionar bem para acender um LED.) Quero apenas saber como os engenheiros reais lidam com esse problema. Ter uma corrente de 10mA é aceitável? Você pode realmente obter 22mA mesmo que as especificações digam 20mA? O que você faz quando precisa que seus LEDs operem com o brilho máximo?

Esse é um problema geral com o uso de um resistor limitador de corrente com LEDs quando a tensão de alimentação está próxima da tensão direta do LED. Você simplesmente não possui sobrecarga suficiente para que o resistor seja grande o suficiente para absorver o diodo e diferenciar as diferenças de tensão direta.

Você também tem o problema de que as próprias baterias terão um alcance significativo e provavelmente serão maiores que 3V quando novas.

Geralmente, é melhor acionar LEDs com uma fonte de corrente ao invés de uma fonte de tensão. No entanto, mesmo assim, você precisa de espaço para o limitador de corrente funcionar e meio volt é realmente apertado.

Existem várias maneiras de fazê-lo com precisão sob todas as suas restrições, mas isso fica complicado e tem um custo envolvido e a bateria é descarregada mais rapidamente.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

É incrível, depois de todos esses anos, que ninguém parece ter colocado isso em um SOIC simples.

Mas, em última análise, a menos que seus requisitos sejam rigorosos com a corrente de avanço necessária, é melhor você instalar outra bateria para ter 4,5 V nominais e usar um resistor maior.

Parece que você está pensando demais no problema.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 2$
2. Além disso, os LEDs são bastante resistentes e geralmente são usados ​​nos modos pulsado (multiplexado), onde a corrente de pico é muito maior que a média. E eles geralmente podem lidar com isso muito bem.
3. $\times\:2$

Portanto, em geral, o nível exato de corrente geralmente não é tão importante quando um LED é usado como luz indicadora. E a tensão através de um LED não varia muito, de qualquer maneira.

O principal é garantir que haja sobrecarga de tensão suficiente para realmente operar o LED de forma consistente em um projeto e que o método de regular a corrente seja suficiente para a necessidade (o que quer que isso possa significar) e não custe muito (. ..) e não ocupa muito espaço (...) e não esquenta as coisas ao redor, não deveria (...) e não gasta a bateria mais do que o necessário (...) e caso contrário, não interfere com outras especificações de design (sejam elas quais forem.)

Em resumo, geralmente existem muitas outras preocupações para se preocupar.

[Se o LED for usado como um dos três LEDs RGB, com a intenção de usá-lo como um pixel de LED em uma tela externa grande, pode ser muito importante (ou não, dependendo dos requisitos) que as correntes sejam cuidadosamente calibrado em cada um dos LEDs individuais, a fim de garantir que critérios de projeto reais, como "balanço de branco", sejam atendidos. (Além de qualquer "binning" de LED que possa ter sido feito antes da montagem em um pixel RGB.)]

Você apresenta um problema, em relação à corrente do LED, em que o problema usa uma tensão de sobrecarga baixa e exagera o problema, pois as tensões do LED variam bastante (o que, suponho, pode acontecer.) Há uma solução modesta para esses casos, embora Não posso dizer que alguém se importaria em colocar três BJTs e um resistor para o problema. Mas digamos que você realmente tenha um objetivo de projeto de controle de "baixa sobrecarga" e controle de corrente consistente, independentemente da variação de tensão do LED. Nesse caso, provavelmente o método mais barato é usar um espelho atual, da seguinte maneira:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

$Q_1$$Q_3$

Em situações de sobrecarga baixa, um resistor produz um regulador de corrente muito ruim. É assim que é. Então você vive ou não, dependendo das circunstâncias.

$V_{CC}$

^{simule este circuito}

$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}$

Primeiro, você especifica um único fabricante e número de peça de LED. O intervalo em Vf de uma parte para outra não será tão grande quanto você sugere (não 0,5V).

Segundo, pequenas variações no brilho não são facilmente detectáveis ​​pelo olho. Portanto, você não precisa se preocupar com pequenas variações de unidade para unidade.

Terceiro, quando possível, você alimenta os LEDs a partir de uma tensão regulada, não a bateria, para remover uma fonte de variação.

Quarto, quando a única fonte de energia disponível é variável (como uma bateria), você aciona o LED com uma fonte de corrente em vez de uma fonte de tensão com um resistor limitador de corrente. Se houver pelo menos uma tensão regulada disponível (mesmo que seja baixa tensão), é muito fácil criar uma fonte de corrente satisfatória para acionar um indicador LED usando apenas um transistor e alguns resistores. Isso é barato, mas ocupa espaço em projetos com restrições de espaço.

Se não houver sequer uma única tensão regulada disponível, você ainda poderá criar uma fonte de corrente decente usando dois diodos em série como referência de tensão.

Não tenho certeza se sou um engenheiro de verdade, mas tive que fazer tudo isso ao projetar produtos de consumo, e foi assim que lidei com isso. Outra coisa que realmente pode ajudá-lo com os indicadores LED é quando cargas pesadas fazem a tensão da bateria diminuir. Por exemplo, um motor de vibração ou alto-falante pode causar a queda da tensão da bateria em alguns produtos. Essa queda pode causar uma oscilação perceptível ou variação no brilho do LED quando o LED é acionado pela bateria. Esse é outro motivo para usar uma fonte atual.

Aqui está uma fonte de corrente para quando o LED é alimentado pela bateria, mas você tem um sinal GPIO disponível, derivado de uma tensão regulada:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

No esquema acima, não importa se o LED é alimentado a partir de 3.3V ou VBATT ou o que for, desde que o GPIO seja alimentado por uma fonte regulada. Copiei isso de outra resposta. Você deseja ajustar o resistor do emissor para obter a corrente específica que está procurando. Quando não há muita sobrecarga disponível, você também pode reduzir o R2 para que a tensão de base seja menor que 1V.

Aqui está um circuito para quando não há tensão regulada disponível:

^{simule este circuito}

No circuito acima, D1 e D2 atuam como uma referência de tensão. A voltagem varia, mas não tanto quanto a voltagem da bateria. Essa tensão constante na base de Q1 é então alavancada em uma tensão constante em R3 e, portanto, em corrente constante do coletor (o transistor não será saturado, a menos que o VBATT seja muito baixo). Na verdade, não fiz isso em um design de produção, mas acredito que funcionaria bem.

Comparado com um simples interruptor saturado, ambos os circuitos mantêm um bom trabalho em manter a corrente desejada, mesmo quando há pouca tensão disponível para manter o LED aceso.

Aqui estão alguns resultados de simulação comparando a chave saturada simples com o resistor limitador de corrente (D1) versus o circuito de referência do divisor de tensão (D2) vs a referência de dois diodos (D5). Isso é com um LED de 3V. Observe que os valores do resistor foram ajustados para obter cerca de 9mA em VBATT = 4,2V.

Como você pode ver, a fonte de corrente com a referência do divisor de tensão manteve um bom desempenho, digamos 3,35V. Portanto, ele precisa apenas de 350mV de sobrecarga.

O circuito de referência de dois diodos manteve um bom desempenho em torno de 3,45V, ou seja, em torno de 450mV de sobrecarga.

O circuito padrão realmente não mantém uma corrente regulada. A corrente cai linearmente com a tensão da bateria.

Observe também que o circuito de referência de dois diodos e o circuito de referência do divisor de tensão possuem corrente mais alta em todas as tensões da bateria em comparação com o circuito padrão, exceto na tensão máxima da bateria.

Esse é um problema comum com o uso de um resistor como dispositivo limitador de corrente e uma fonte de tensão que está apenas a uma pequena distância acima da faixa de tensão operacional dos LEDs, e que a faixa de tensão direta dos LEDs é tão ampla.

Em primeiro lugar, para explicar, a faixa de tensão direta dos LEDs não é uma faixa na qual você pode selecioná-la, é a faixa de voltagens em que o LED possivelmente operará se for dada a corrente correta (a corrente direta) (essa voltagem varia de unidade a unidade e de lote para lote).

Sem alterar nenhum hardware, o resistor correto para projetar o circuito é usar a tensão mais baixa possível na faixa de vf (2,0v) para fazer seus cálculos. Isso significa que as unidades com um vf real de 2,0v funcionarão no máximo corrente direta e, portanto, brilho, e aqueles com vf mais alto (> 2,0) serão executados com menos corrente e menos brilho do que o design máximo desse tipo de LED, mas pelo menos qualquer unidade deste modelo de LED funcionará dentro de limites seguros.

Portanto, se você quiser melhorar ou corrigir os três motivos que eu mencionei, se, por exemplo, sua aplicação não puder tolerar um brilho mais baixo do LED, você pode: 1) usar um circuito limite de corrente melhor do que um simples resistor. existem alguns chips que fazem isso. 2) usando uma voltagem mais alta acima da voltagem direta. 3) usando um LED com uma faixa mais estreita de especificação de tensão direta.