Eine LED benötigt eine Mindestspannung, bevor sie sich überhaupt einschaltet. Diese Spannung variiert je nach LED-Typ, liegt aber typischerweise in der Nähe von 1,5 V bis 4,4 V. Sobald diese Spannung erreicht ist, steigt der Strom sehr schnell mit der Spannung an, begrenzt nur durch den kleinen Widerstand der LED. Folglich führt jede viel höhere Spannung zu einem sehr großen Strom durch die LED, bis entweder das Netzteil nicht mehr genug Strom liefern kann und seine Spannung abfällt oder die LED zerstört wird.

Oben ist ein Beispiel für die Strom-Spannungs-Beziehung für eine LED. Da der Strom so schnell mit der Spannung ansteigt, können wir unsere Analyse normalerweise vereinfachen, indem wir annehmen, dass die Spannung an einer LED unabhängig vom Strom ein konstanter Wert ist. In diesem Fall sieht 2V ungefähr richtig aus.

Direkt über die Batterie

Keine Batterie ist eine perfekte Spannungsquelle. Wenn der Widerstand zwischen den Anschlüssen abnimmt und die Stromaufnahme steigt, nimmt die Spannung an den Batterieanschlüssen ab. Folglich gibt es eine Grenze für den Strom, den die Batterie liefern kann. Wenn die Batterie nicht zu viel Strom liefern kann, um Ihre LED zu zerstören, und die Batterie selbst nicht zerstört wird, indem Sie so viel Strom beziehen, ist es am einfachsten und effizientesten, die LED direkt über die Batterie zu legen.

Die meisten Batterien erfüllen diese Anforderungen nicht, einige Knopfzellen jedoch schon. Sie kennen sie vielleicht von LED Throwies .

Reihenwiderstand

Die einfachste Methode, den LED-Strom zu begrenzen, besteht darin, einen Widerstand in Reihe zu schalten. Wir wissen aus dem Ohmschen Gesetz, dass der Strom durch einen Widerstand gleich der Spannung an ihm geteilt durch den Widerstand ist. Somit besteht für einen Widerstand eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom. Das Platzieren eines Widerstands in Reihe mit der LED dient dazu, die obige Spannungs-Strom-Kurve so abzuflachen, dass kleine Änderungen der Versorgungsspannung nicht dazu führen, dass der Strom radikal ansteigt. Der Strom wird immer noch zunehmen, nur nicht radikal.

Der Wert des Widerstands ist einfach zu berechnen: Subtrahieren Sie die Durchlassspannung der LED von Ihrer Versorgungsspannung, und dies ist die Spannung, die über dem Widerstand liegen muss. Verwenden Sie dann das Ohmsche Gesetz , um den Widerstand zu finden, der erforderlich ist, um den gewünschten Strom in der LED zu erhalten.

Der große Nachteil hierbei ist, dass ein Widerstand die Spannung reduziert, indem er elektrische Energie in Wärme umwandelt. Wir können die Leistung im Widerstand mit einer der folgenden berechnen:

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

Jede Leistung im Widerstand ist Leistung, die nicht zur Lichterzeugung verwendet wird. Warum also bringen wir die Versorgungsspannung nicht sehr nahe an die LED-Spannung, damit wir keinen sehr großen Widerstand brauchen und so unsere Leistungsverluste reduzieren? Denn wenn der Widerstand zu klein ist, wird er den Strom nicht gut regulieren, und unsere Schaltung wird großen Schwankungen des Stroms mit Temperatur, Herstellungsschwankungen und Versorgungsspannung ausgesetzt sein, so als ob wir überhaupt keinen Widerstand hätten. Als Faustregel gilt, dass mindestens 25 % der Spannung über dem Widerstand abfallen sollten. Somit kann man mit einem Vorwiderstand nie einen besseren Wirkungsgrad als 75% erreichen.

Sie fragen sich vielleicht, ob mehrere LEDs parallel geschaltet werden können und sich einen einzigen Strombegrenzungswiderstand teilen. Sie können, aber das Ergebnis wird nicht stabil sein, eine LED kann den gesamten Strom in Anspruch nehmen und beschädigt werden. Siehe Warum genau kann ein einzelner Widerstand nicht für viele parallele LEDs verwendet werden? .

Lineare Stromquelle

Wenn das Ziel darin besteht, den LEDs einen konstanten Strom zuzuführen, warum nicht eine Schaltung erstellen, die den Strom zu den LEDs aktiv regelt? Dies wird als Stromquelle bezeichnet, und hier ein Beispiel für eine, die Sie mit gewöhnlichen Teilen bauen können:

So funktioniert es: Q2 erhält seinen Basisstrom durch R1. Wenn Q2 einschaltet, fließt ein großer Strom durch D1, durch Q2 und durch R2. Da dieser Strom durch R2 fließt, muss die Spannung an R2 ansteigen (Ohmsches Gesetz). Wenn die Spannung an R2 auf 0,6 V ansteigt, beginnt sich Q1 einzuschalten, wodurch der Basisstrom von Q2 gestohlen wird und der Strom in D1, Q2 und R2 begrenzt wird.

Also steuert R2 den Strom. Diese Schaltung funktioniert, indem sie die Spannung über R2 auf nicht mehr als 0,6 V begrenzt. Um den für R2 benötigten Wert zu berechnen, können wir also einfach das Ohmsche Gesetz verwenden, um den Widerstand zu finden, der uns den gewünschten Strom bei 0,6 V liefert.

Aber was haben wir gewonnen? Jetzt wird jede überschüssige Spannung nur in Q2 und R2 anstelle eines Vorwiderstands abgelassen. Nicht viel effizienter und viel komplexer. Warum sollten wir uns die Mühe machen?

Denken Sie daran, dass bei einem Vorwiderstand mindestens 25 % der Gesamtspannung über dem Widerstand liegen müssen, um eine angemessene Stromregelung zu erhalten. Trotzdem variiert der Strom immer noch ein wenig mit der Versorgungsspannung. Bei dieser Schaltung ändert sich der Strom unter allen Bedingungen kaum mit der Versorgungsspannung . Wir können viele LEDs mit D1 in Reihe schalten, sodass ihr Gesamtspannungsabfall etwa 20 V beträgt. Dann brauchen wir nur noch 0,6 V für R2 und etwas mehr, damit Q2 Platz zum Arbeiten hat. Unsere Versorgungsspannung könnte 21,5 V betragen, und wir verschwenden nur 1,5 V in Dingen, die keine LEDs sind. Das bedeutet, dass unsere Effizienz näher kommen kann$20V / 21.5V = 93 \%$. Das ist viel besser als die 75 %, die wir mit einem Vorwiderstand aufbringen können.

Geschaltete Stromquellen

Für die ultimative Lösung gibt es (zumindest theoretisch) eine Möglichkeit, LEDs mit 100 % Effizienz anzusteuern. Es wird als Schaltnetzteil bezeichnet und verwendet eine Induktivität, um jede Spannung in genau die Spannung umzuwandeln, die zum Ansteuern der LEDs benötigt wird. Es ist keine einfache Schaltung, und wir können sie in der Praxis nicht zu 100 % effizient machen, da keine echten Komponenten ideal sind. Bei richtiger Auslegung kann dies jedoch effizienter sein als die obige lineare Stromquelle und den gewünschten Strom über einen größeren Bereich von Eingangsspannungen aufrechterhalten.

Hier ist ein einfaches Beispiel, das mit gewöhnlichen Teilen gebaut werden kann:

Ich werde nicht behaupten, dass dieses Design sehr effizient ist, aber es dient dazu, das Funktionsprinzip zu demonstrieren. So funktioniert das:

U1, R1 und C1 erzeugen eine Rechteckwelle. Die Einstellung von R1 steuert den Arbeitszyklus und die Frequenz und folglich die Helligkeit der LED.

Wenn der Ausgang (Pin 3) niedrig ist, ist Q1 eingeschaltet. Strom fließt durch die Induktivität L1. Dieser Strom wächst, wenn Energie in der Spule gespeichert wird.

Dann geht der Ausgang hoch. Q1 schaltet ab. Aber ein Induktor wirkt als Schwungrad für Strom. Der Strom, der in L1 geflossen ist, muss weiter fließen, und das geht nur durch D1. Die in L1 gespeicherte Energie wird an D1 übertragen.

Der Ausgang wird wieder niedrig, und somit wechselt die Schaltung zwischen dem Speichern von Energie in L1 und dem Entladen in D1. Die LED blinkt also tatsächlich schnell, aber bei etwa 25 kHz ist sie nicht sichtbar.

Das Schöne daran ist, dass es egal ist, wie hoch unsere Versorgungsspannung ist oder wie hoch die Durchlassspannung von D1 ist. Tatsächlich können wir viele LEDs in Reihe mit D1 schalten und sie leuchten immer noch, selbst wenn die Gesamtdurchlassspannung der LEDs die Versorgungsspannung übersteigt.

Mit einigen zusätzlichen Schaltkreisen können wir eine Rückkopplungsschleife erstellen, die den Strom in D1 überwacht und R1 effektiv für uns anpasst, sodass die LED über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen dieselbe Helligkeit beibehält. Praktisch, wenn Sie möchten, dass die LED hell bleibt, wenn die Batterie schwach wird. Ersetzen Sie U1 durch einen Mikrocontroller und nehmen Sie hier und da einige Anpassungen vor, um dies effizienter zu machen, und Sie haben wirklich etwas.

Es gibt noch einen anderen Weg, der viel seltener zu sehen ist. Gut für eine LED, sehr einfach, Sie können alles von etwa 4 V bis 20 V darauf werfen, und es gibt der LED glücklicherweise einen ziemlich konstanten Strom.

Blau ist die Eingangsspannung, 20 V bis 4 V. Grün ist der Strom zur LED, ca. 12mA. Rot ist die Verlustleistung des JFET, Datenblatt hier .

Hier ist eine Sammlung von LED-Treiberoptionen, mit denen Sie spielen können.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

I understand that I can not connect an LED directly to a battery because it will draw too much current

Das stimmt nicht ganz, denn es hängt von vielen Faktoren ab.

Das Problem mit LEDs ist folgendes:

1. Sobald sie zu leiten beginnen, führt eine geringfügige Erhöhung der Spannung zu einem enormen Anstieg des Stroms. in der richtigen kombination kann das schäden bedeuten.

2. Wenn sich die LEDs erwärmen, nimmt ihr Durchlassspannungsabfall ab, wodurch der Strom durch die LEDs ansteigt. Das wiederum führt dazu, dass die Verlustleistung an den LEDs steigt und die LEDs sich erwärmen, was zu einem Teufelskreis führt.

Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, eine negative Rückkopplung einzuführen, sodass die Spannung an den LEDs abfällt, wenn der Strom in den LEDs ansteigt. Viele Möglichkeiten, das zu tun. Widerstände, Sensoren, aktive Steuerungen usw.