El voltaje directo del LED es un rango, entonces, ¿cómo se calcula el valor de la resistencia?

En todos los ejemplos de LED que encuentro, tienen el voltaje directo establecido en un número específico (es decir, 2.1v) y calculan la resistencia necesaria en función de ese número. Pero cuando busco hojas de datos, el voltaje directo viene en rangos (2.0v - 2.5v). Esto tiene sentido para mí, ya que no todos los LED son iguales. Pero me está haciendo difícil descubrir qué resistencia usar.

Entonces decidí diseñar un circuito. Tengo una fuente de voltaje de 3v (2 baterías AA) que se conecta a una resistencia que se conecta a un LED que se conecta nuevamente a la fuente de voltaje. La corriente sostenible máxima del LED es de 20 mA.

Decidí usar la Ley de Ohm en el extremo bajo y alto del rango de voltaje directo para calcular las resistencias.

( 3.0 v - 2.5 v ) / 20 m A = 25

El problema surge cuando elijo una resistencia. Digamos que elijo la resistencia de 50 ohmios, pero el LED que obtengo en realidad tiene un voltaje directo de 2.5v. La cantidad real de corriente que pasaría por el LED sería de 10 mA. Eso no está usando el LED a su máximo potencial.

Si uso la resistencia de 25 ohmios y el LED tiene un voltaje directo de 2.0v, la cantidad de corriente que pasa por el LED sería de 40 mA. Mi LED explotaría.

El uso del "valor establecido" de 2.1v para calcular la resistencia nos da 45 ohmios.

Si mi LED tuviera un voltaje directo de 2.0v, la corriente sería de 22mA. Eso está por encima de la calificación para el LED. Si el LED tuviera un voltaje directo de 2.5v, la corriente sería de 11mA, que no está usando el LED en todo su potencial.

Nota: no me preocupa demasiado sacar el máximo potencial de un LED. (Si entiendo correctamente, 10 mA debería funcionar bien para encender un LED). Solo quiero saber cómo los ingenieros reales manejan este problema. ¿Es aceptable tener una corriente de 10 mA? ¿Puedes salirte con 22 mA aunque las especificaciones digan 20 mA? ¿Qué haces cuando necesitas que tus LED funcionen con un brillo máximo?

Ese es un problema general con el uso de una resistencia limitadora de corriente con LED cuando el voltaje de suministro está cerca del voltaje directo del LED. Simplemente no tiene suficiente sobrecarga para que la resistencia sea lo suficientemente grande como para absorber las diferencias de voltaje directo de diodo a diodo.

También tiene el problema de que las baterías mismas tendrán un rango significativo y probablemente serán más de 3V cuando sean nuevas.

En general, es mejor controlar los LED con una fuente de corriente en lugar de una fuente de voltaje. Sin embargo, incluso entonces, necesita un poco de espacio libre para que funcione el limitador de corriente y medio voltio es realmente ajustado.

Hay formas de hacerlo con la suficiente precisión bajo todas sus limitaciones, pero se complica y tiene un costo involucrado y agota la batería más rápido.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Bastante sorprendente después de todos estos años que nadie parece haber puesto eso en un pequeño SOIC simple.

Pero, en última instancia, a menos que sus requisitos sean estrictos con respecto a la corriente directa necesaria, es mejor que solo agregue otra batería para que tenga 4.5V nominales y use una resistencia más grande.

Parece que estás pensando demasiado en el problema.

1. $\frac{1}{4}\:\textrm{V}$$\times\: 2$ en la corriente a través de él. Pero dos LED blancos diferentes del mismo lote pueden exhibir tanta variación, solo uno a otro.
2. Además, los LED son bastante resistentes y a menudo se usan en modos pulsados ​​(multiplexados) donde la corriente máxima es mucho más alta que el promedio. Y generalmente pueden manejarlo bien.
3. Finalmente, la conciencia humana del brillo es afortunadamente logarítmica. Entonces, un cambio en la corriente en el LED por un factor de$\times\:2$

Entonces, en general, el nivel exacto de corriente generalmente no es tan importante cuando se usa un LED como luz indicadora. Y el voltaje a través de un LED no varía tanto, de todos modos.

Lo principal es asegurarse de que haya suficiente sobrecarga de voltaje para operar realmente el LED de manera consistente en un diseño y que el método de regulación de la corriente sea suficiente para la necesidad (lo que sea que eso signifique) y no cueste demasiado (. ..) y no ocupa demasiado espacio (...) y no calienta las cosas circundantes que no debería (...) y no agota la batería más de lo necesario (...) y de lo contrario no interfiere con otras especificaciones de diseño (cualesquiera que sean).

En resumen, generalmente hay demasiadas otras preocupaciones para preocuparse.

[Si el LED se usa como uno de los tres LED RGB, con la intención de usarlo como un píxel de LED en una pantalla externa grande, entonces puede ser muy importante (o no, según los requisitos) que las corrientes sean cuidadosamente calibrado en cada uno de los LED individuales para garantizar que se puedan cumplir los criterios de diseño reales, como el "balance de blancos". (Además de cualquier "agrupamiento" de LED que se haya realizado antes del ensamblaje en un píxel RGB.)]

Usted presenta un problema, con respecto a la corriente del LED, donde el problema utiliza un voltaje de baja sobrecarga y exagera el problema al hacer que los voltajes del LED varíen bastante (lo cual, supongo, podría suceder). Sin embargo, existe una solución modesta para tales casos. No puedo decir que a nadie le importaría molestarse en poner tres BJT y una resistencia al problema. Pero supongamos que realmente tiene un objetivo de diseño de control de "baja sobrecarga" y control de corriente constante, independientemente de la variación de voltaje del LED. En tal caso, probablemente el método más barato es usar un espejo actual, como sigue:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Incluso moviéndose a la saturación, $Q_1$$Q_3$

Con situaciones de baja sobrecarga, una resistencia hace un regulador de corriente muy pobre. Así es como es. Entonces, o vives con eso, o no, dependiendo de las circunstancias.

Bueno. Eso fue divertido. Probablemente no debería haber agregado el circuito anterior debido al nivel de desconexión entre mis razones para agregarlo y mi capacidad para comunicar esa razón lo suficientemente bien. Entonces, con el deseo agregado de cierta medida de independencia de$V_{CC}$

^{simular 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}$

Primero, especifica un único fabricante de LED y número de pieza. El rango en Vf de parte a parte no será tan grande como sugiere (no 0.5V).

En segundo lugar, pequeñas variaciones en el brillo no son fácilmente detectables a simple vista. Por lo tanto, no tiene que preocuparse por pequeñas variaciones de una unidad a otra.

Tercero, cuando sea posible, alimenta los LED desde un voltaje regulado, no la batería, para eliminar una fuente de variación.

Cuarto, cuando la única fuente de energía disponible es variable (como una batería), usted maneja el LED con una fuente de corriente en lugar de una fuente de voltaje con una resistencia limitadora de corriente. Si hay al menos un voltaje regulado disponible (incluso si es un voltaje bajo), es bastante fácil hacer una fuente de corriente satisfactoria para manejar un indicador LED usando solo un transistor y algunas resistencias. Esto es barato, pero ocupa espacio en diseños con limitaciones de espacio.

Si ni siquiera hay un solo voltaje regulado disponible, aún puede hacer una fuente de corriente decente usando dos diodos en serie como referencia de voltaje.

No estoy seguro de si soy un verdadero ingeniero, pero he tenido que hacer todo esto mientras diseñaba productos de consumo, y así es como lo manejé. Otra cosa que realmente puede conseguirlo con los indicadores LED es cuando las cargas pesadas hacen que el voltaje de la batería se hunda. Por ejemplo, un motor de vibración o un altavoz pueden hacer que el voltaje de la batería caiga en algunos productos. Esa caída puede causar un parpadeo o variación notable en el brillo del LED cuando el LED se alimenta de la batería. Esta es otra razón para usar una fuente actual en su lugar.

Aquí hay una fuente de corriente para cuando el LED se alimenta de la batería, pero tiene una señal GPIO disponible que se deriva de un voltaje regulado:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

En el esquema anterior, no importa si el LED se alimenta desde 3.3V o VBATT o lo que sea, siempre que el GPIO se alimente desde una fuente regulada. Copié esto de otra respuesta. Debería ajustar la resistencia del emisor para obtener la corriente específica que está buscando. Cuando no hay mucha sobrecarga disponible, también puede reducir R2 para que el voltaje base sea inferior a 1V.

Aquí hay un circuito para cuando no hay voltaje regulado disponible:

^{simular este circuito}

En el circuito anterior, D1 y D2 actúan como referencia de voltaje. El voltaje variará, pero no tanto como el voltaje de la batería. Este voltaje constante en la base de Q1 se aprovecha entonces en un voltaje constante a través de R3 y, por lo tanto, en una corriente de colector constante (el transistor no estará saturado a menos que VBATT sea muy bajo). Realmente no he hecho esto en un diseño de producción, pero creo que funcionaría bien.

En comparación con un simple interruptor saturado, ambos circuitos hacen un buen trabajo al mantener la corriente deseada, incluso cuando apenas hay suficiente voltaje disponible para mantener el LED iluminado.

Aquí hay algunos resultados de simulación que comparan el interruptor saturado simple con la resistencia limitadora de corriente (D1), frente al circuito de referencia del divisor de voltaje (D2) frente a la referencia de dos diodos (D5). Esto es con un LED de 3V. Tenga en cuenta que los valores de resistencia se han ajustado para obtener alrededor de 9 mA a VBATT = 4.2V.

Como puede ver, la fuente de corriente con la referencia del divisor de voltaje mantuvo un buen rendimiento, digamos 3.35V. Por lo tanto, solo necesita alrededor de 350 mV de sobrecarga.

El circuito de referencia de dos diodos mantuvo un buen rendimiento hasta alrededor de 3.45 V, que es alrededor de 450 mV de sobrecarga.

El circuito estándar realmente no mantiene una corriente regulada en absoluto. La corriente cae linealmente con el voltaje de la batería.

También tenga en cuenta que el circuito de referencia de dos diodos y el circuito de referencia del divisor de voltaje tienen una corriente más alta en todos los voltajes de la batería en comparación con el circuito estándar, excepto en el voltaje máximo de la batería.

Este es un problema común con el uso de una resistencia como dispositivo limitador de corriente, y una fuente de voltaje que está solo a una pequeña distancia de voltaje por encima del rango de voltaje operativo de los LED, Y un rango de voltaje directo de LED que es tan amplio.

En primer lugar para explicar, el "rango" de voltaje directo de los LED no es un rango que pueda seleccionar para operarlo, es el rango de voltajes en los que el LED posiblemente operará en SI dada la corriente correcta (la corriente directa) (este voltaje variará de unidad a unidad y de lote a lote).

Sin cambiar ninguno de sus equipos, la resistencia correcta para diseñar el circuito es usar el voltaje más bajo posible en el rango de vf (2.0v) para hacer sus cálculos, esto significa que las unidades con un vf real de 2.0v funcionarán al máximo la corriente directa y, por lo tanto, el brillo, y aquellos con un vf más alto (> 2.0) funcionarán con menos corriente y menos brillo que el diseño máximo de este tipo de LED, pero al menos cualquier unidad de este modelo de LED funcionará dentro de límites seguros.

Entonces, si desea mejorar o corregir las 3 razones que le di, si por ejemplo su aplicación no puede tolerar un brillo más bajo del LED, puede hacer lo siguiente: 1) usar un mejor circuito de límite de corriente que una resistencia simple. Hay algunas fichas que hacen esto. 2) usando un voltaje más alto por encima del voltaje directo. 3) utilizando un LED con un rango más estrecho de especificación de voltaje directo.