Como posso conduzir com eficiência um LED?

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Entendo que não consigo conectar um LED diretamente a uma bateria, pois ela consumirá muita corrente. Portanto, deve haver algo mais no circuito para limitar a corrente. Que opções existem? Alguns métodos são mais eficientes que outros?

Phil Frost
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Respostas:

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Um LED requer uma tensão mínima antes de acender. Essa voltagem varia de acordo com o tipo de LED, mas geralmente é de aproximadamente 1,5V a 4,4V. Quando essa tensão é atingida, a corrente aumenta muito rapidamente com a tensão, limitada apenas pela pequena resistência do LED. Conseqüentemente, qualquer voltagem muito superior a isso resultará em uma corrente muito grande através do LED, até que a fonte de alimentação não consiga fornecer corrente suficiente e sua voltagem diminua, ou o LED seja destruído.

apenas diodo

Acima está um exemplo da relação tensão-corrente de um LED. Como a corrente aumenta tão rapidamente com a tensão, geralmente podemos simplificar nossa análise assumindo que a tensão através de um LED é um valor constante, independentemente da corrente. Nesse caso, 2V parece certo.

Diretamente através da bateria

Nenhuma bateria é uma fonte de tensão perfeita. À medida que a resistência entre seus terminais diminui e o consumo de corrente aumenta, a tensão nos terminais da bateria diminui. Conseqüentemente, há um limite para a corrente que a bateria pode fornecer. Se a bateria não puder fornecer muita corrente para destruir o seu LED, e a própria bateria não será destruída pela alimentação dessa corrente, colocar o LED diretamente na bateria é a maneira mais fácil e eficiente de fazê-lo.

A maioria das baterias não atende a esses requisitos, mas algumas células-moeda atendem. Você pode conhecê-los de lances de LED .

Resistor em série

O método mais simples para limitar a corrente do LED é colocar um resistor em série. Sabemos pela lei de Ohm que a corrente através de um resistor é igual à tensão através dele dividida pela resistência. Portanto, existe uma relação linear entre tensão e corrente para um resistor. A colocação de um resistor em série com o LED serve para achatar a curva tensão-corrente acima, de modo que pequenas alterações na tensão de alimentação não façam a corrente disparar radicalmente. A corrente ainda aumentará, mas não radicalmente.

com resistor

O valor do resistor é simples de calcular: subtraia a tensão direta do LED da tensão de alimentação, e essa é a tensão que deve estar no resistor. Em seguida, use a lei de Ohm para encontrar a resistência necessária para obter a corrente desejada no LED.

A grande desvantagem aqui é que um resistor reduz a tensão convertendo energia elétrica em calor. Podemos calcular a potência no resistor com qualquer um destes:

P=IE
P=I2R
P=E2/R

Qualquer energia no resistor é energia que não é usada para iluminar. Então, por que não tornamos a tensão de alimentação muito próxima da tensão do LED, para que não precisemos de um resistor muito grande, reduzindo assim nossas perdas de energia? Porque se o resistor for muito pequeno, ele não regulará bem a corrente, e nosso circuito estará sujeito a grandes variações de corrente com temperatura, variação de fabricação e tensão de alimentação, como se não tivéssemos nenhum resistor. Como regra geral, pelo menos 25% da tensão deve cair sobre o resistor. Portanto, nunca é possível obter eficiência superior a 75% com um resistor em série.

Você pode estar se perguntando se vários LEDs podem ser colocados em paralelo, compartilhando um único resistor limitador de corrente. Você pode, mas o resultado não será estável, um LED poderá sobrecarregar toda a corrente e ser danificado. Consulte Por que exatamente um único resistor não pode ser usado para muitos LEDs paralelos? .

Fonte de corrente linear

Se o objetivo é fornecer uma corrente constante para os LEDs, por que não fazer um circuito que regule ativamente a corrente para os LEDs? Isso é chamado de fonte atual e, aqui, um exemplo de um que você pode construir com partes comuns:

regulador de corrente ativo

Eis como funciona: O Q2 obtém sua corrente base através de R1. Quando o Q2 é ativado, uma grande corrente flui através de D1, através de Q2 e R2. Como essa corrente flui através de R2, a tensão através de R2 deve aumentar (lei de Ohm). Se a tensão através de R2 aumentar para 0,6V, Q1 começará a ligar, roubando a corrente base de Q2, limitando a corrente em D1, Q2 e R2.

Então, R2 controla a corrente. Este circuito funciona limitando a tensão no R2 para não mais que 0,6V. Portanto, para calcular o valor necessário para R2, podemos usar a lei de Ohm para encontrar a resistência que nos dá a corrente desejada em 0,6V.

Mas o que ganhamos? Agora, qualquer tensão em excesso está sendo reduzida no Q2 e R2, em vez de um resistor em série. Não é muito mais eficiente e muito mais complexo. Por que nos incomodaríamos?

20V/21.5V=93%

fonte atual

Fontes de corrente de modo comutado

Para a solução definitiva, existe uma maneira de (em teoria, pelo menos) acionar LEDs com 100% de eficiência. É chamado de fonte de alimentação de modo comutado e usa um indutor para converter qualquer voltagem exatamente na voltagem necessária para acionar os LEDs. Não é um circuito simples, e não podemos torná-lo totalmente 100% eficiente na prática, pois nenhum componente real é ideal. No entanto, adequadamente projetado, isso pode ser mais eficiente do que a fonte de corrente linear acima e manter a corrente desejada em uma faixa mais ampla de tensões de entrada.

Aqui está um exemplo simples que pode ser construído com peças comuns:

driver de LED de modo comutado

Não vou afirmar que esse design é muito eficiente, mas serve para demonstrar o princípio de operação. Veja como funciona:

U1, R1 e C1 geram uma onda quadrada. O ajuste de R1 controla o ciclo de serviço e a frequência e, conseqüentemente, o brilho do LED.

Quando a saída (pino 3) está baixa, Q1 é ligado. A corrente flui através do indutor, L1. Essa corrente cresce à medida que a energia é armazenada no indutor.

Então, a saída aumenta. Q1 desliga. Mas um indutor atua como um volante da corrente. A corrente que estava fluindo em L1 deve continuar fluindo, e a única maneira de fazer isso é através de D1. A energia armazenada em L1 é transferida para D1.

A saída baixa novamente e, portanto, o circuito alterna entre armazenar energia em L1 e descarregar em D1. Então, na verdade, o LED pisca rapidamente, mas em torno de 25kHz, não é visível.

O mais interessante é que não importa qual é a nossa tensão de alimentação ou qual é a tensão direta de D1. De fato, podemos colocar muitos LEDs em série com D1 e eles ainda acenderão, mesmo se a tensão direta total dos LEDs exceder a tensão de alimentação.

Com alguns circuitos extras, podemos fazer um loop de feedback que monitora a corrente em D1 e efetivamente ajusta R1 para nós, para que o LED mantenha o mesmo brilho em uma ampla faixa de tensões de alimentação. Prático, se você quiser que o LED permaneça brilhante à medida que a bateria fica fraca. Substitua U1 por um microcontrolador e faça alguns ajustes aqui e ali para tornar isso mais eficiente, e você realmente tem alguma coisa.

fonte de comutação ideal

Phil Frost
fonte
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Também existe um PWM sem indutor para limitar a carga térmica dentro da especificação do pacote, mesmo durante a condução com uma corrente de pico mais alta que a classificação contínua do dispositivo. Um brilho percebido mais alto para menos energia média foi reivindicado por alguns que usam esta técnica. Ainda é necessário algum tipo de limitação de corrente nesse caso, seja impedância da bateria, resistor em série ou fonte de corrente.
HikeOnPast
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@HikeOnPast que foi coberto #
Phil Frost
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Boa resposta. Talvez a seção "resistor em série" também deva apontar que é uma má idéia acionar vários LEDs paralelos dessa maneira. Os diodos do mundo real não têm as mesmas características e o que acontece é que o diodo com menor voltagem direta conduzirá a maior parte da corrente e se desgastará mais rapidamente.
precisa saber é o seguinte
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+1 - este post deve ser grudento ou pendurado em uma galeria ou algo para todos que perguntarem sobre "como acender um LED" ou todas as milhares de variações da mesma pergunta.
você
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@clabacchio graphs por gnuplot
Phil Frost
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Existe uma outra maneira, muito menos comum. Bom para um LED, muito simples, você pode acionar algo entre 4v e 20v, e felizmente fornece ao LED uma corrente bastante constante.

Azul é a tensão de entrada, 20v a 4v. Verde é a corrente para o LED, cerca de 12mA. Vermelho é a potência dissipada pelo JFET, folha de dados aqui .

Regulador de Corrente JFET

rdtsc
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Que bruxaria é essa? Como isso funciona?
Yarek T
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Embora esse seja um uso pouco ortodoxo para um JFET , esse efeito pode ser explicado pela classificação "Corrente de drenagem de tensão de porta zero" na folha de dados. Com o portão ligado diretamente à fonte, o portão sempre aparece como 0v, de modo que o JFET se comporta como se estivesse "ligado". O canal de condução dentro do JFET é estreito o suficiente para limitar efetivamente a quantidade de corrente que pode fluir através dele. Esse fenômeno varia muito com JFETs diferentes e até dispositivos do mesmo lote. (O 2N3819 é classificado como 2-20mA; 12mA é um valor típico.)
rdtsc
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"Existe uma outra maneira, muito menos vista". O JFET forma um CCS, portanto, conceitualmente, não é diferente das abordagens discutidas anteriormente. É muito menos usado por dois motivos: 1) JFETs têm consistência muito baixa de dispositivo para dispositivo; 2) a dissipação de energia no JFET pode facilmente exceder sua classificação.
dannyf
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Daí porque eu disse "você pode jogar qualquer coisa entre 4v e 20v nele" . É claro que a dissipação de energia deve ser levada em consideração e ~ 20v é o máximo para este dispositivo. Eficiente? Na verdade não. Mas bastante útil. Se você puder encontrar uma maneira mais simples de acionar um LED de 4v a 20v com uma corrente de +/- 0,3mA, adoraríamos vê-lo.
rdtsc
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A adição de um resistor RS em série com a fonte (lado do LED) permite a regulação da corrente abaixo da corrente máxima disponível I_DSS em VGS = 0. A queda de tensão no RS é igual a -VGS e o circuito encontra um equilíbrio com uma corrente mais baixa: quanto maior o RS, menor a corrente, até a desejada.
andrea
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isso não é bem verdade - pois depende de muitos fatores.

o problema com os leds é que 1) uma vez que eles começam a realizar, um pequeno aumento na tensão criará um tremendo aumento na corrente. com a combinação certa, isso pode significar danos; 2) à medida que os LEDs aquecem, sua queda de tensão direta diminui, o que faz com que a corrente através dos LEDs suba. isso, por sua vez, aumenta a dissipação de energia nos diodos emissores de luz, e os diodos aquecem. que leds a um ciclo vicioso.

Portanto, uma maneira de evitar isso é introduzir feedback negativo, de modo que quando a corrente nos leds aumenta, a tensão entre os leds diminui.

muitas maneiras de fazer isso. resistores, sensores, controles ativos, etc.

dannyf
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"isso não é verdade": o que exatamente? em qualquer caso, o uso da fonte de corrente fornece a quantidade necessária de corrente, independentemente da alteração da tensão do LED. Se a corrente do LED deve ser reduzida com a temperatura, talvez para evitar superaquecimento, isso é outra questão e provavelmente não há margens de projeto. Para esclarecer "muitas maneiras de fazer isso. Resistores, sensores, controles ativos etc.": é genérico, um mundo inteiro de eletrônicos, "certo" e "errado", como a pergunta original.
andrea