Entiendo que no puedo conectar un LED directamente a una batería porque consumirá demasiada corriente. Por lo tanto, debe haber algo más en el circuito para limitar la corriente. ¿Qué opciones hay? ¿Son algunos métodos más eficientes que otros?

Un LED requiere un voltaje mínimo antes de encenderse. Este voltaje varía con el tipo de LED, pero generalmente está cerca de 1.5V - 4.4V. Una vez que se alcanza este voltaje, la corriente aumentará muy rápidamente con el voltaje, limitado solo por la pequeña resistencia del LED. En consecuencia, cualquier voltaje mucho más alto que esto dará como resultado una corriente muy grande a través del LED, hasta que la fuente de alimentación no pueda suministrar suficiente corriente y su voltaje se hunda, o el LED se destruya.

Arriba hay un ejemplo de la relación corriente-voltaje para un LED. Dado que la corriente aumenta tan rápidamente con el voltaje, generalmente podemos simplificar nuestro análisis asumiendo que el voltaje a través de un LED es un valor constante, independientemente de la corriente. En este caso, 2V parece correcto.

Directamente a través de la batería

Ninguna batería es una fuente de voltaje perfecta. A medida que disminuye la resistencia entre sus terminales y aumenta el consumo de corriente, el voltaje en los terminales de la batería disminuirá. En consecuencia, hay un límite en la corriente que puede proporcionar la batería. Si la batería no puede suministrar demasiada corriente para destruir su LED, y la batería en sí no se destruirá al obtener tanta corriente, colocar el LED directamente sobre la batería es la forma más fácil y eficiente de hacerlo.

La mayoría de las baterías no cumplen con estos requisitos, pero algunas celdas de monedas sí. Es posible que los conozca de los tiradores LED .

Resistor en serie

El método más simple para limitar la corriente del LED es colocar una resistencia en serie. Sabíamos por la ley de Ohm que la corriente a través de una resistencia es igual al voltaje a través de ella dividido por la resistencia. Por lo tanto, hay una relación lineal entre el voltaje y la corriente para una resistencia. Colocar una resistencia en serie con el LED sirve para aplanar la curva de voltaje-corriente arriba de tal manera que pequeños cambios en el voltaje de suministro no causen que la corriente se dispare radicalmente. La corriente seguirá aumentando, pero no radicalmente.

El valor de la resistencia es simple de calcular: reste el voltaje directo del LED de su voltaje de suministro, y este es el voltaje que debe estar a través de la resistencia. Luego, usa la ley de Ohm para encontrar la resistencia necesaria para obtener la corriente deseada en el LED.

La gran desventaja aquí es que una resistencia reduce el voltaje al convertir la energía eléctrica en calor. Podemos calcular la potencia en la resistencia con cualquiera de estos:

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

Cualquier potencia en la resistencia es una potencia que no se usa para hacer luz. Entonces, ¿por qué no hacemos que el voltaje de suministro sea muy cercano al voltaje del LED, por lo que no necesitamos una resistencia muy grande, lo que reduce nuestras pérdidas de energía?Porque si la resistencia es demasiado pequeña, no regulará bien la corriente, y nuestro circuito estará sujeto a grandes variaciones de corriente con la temperatura, la variación de fabricación y el voltaje de alimentación, como si no tuviéramos resistencia alguna. Como regla general, al menos el 25% del voltaje debe caer sobre la resistencia. Por lo tanto, uno nunca puede lograr una eficiencia superior al 75% con una resistencia en serie.

Tal vez se pregunte si se pueden poner varios LED en paralelo, compartiendo una sola resistencia limitadora de corriente. Puede, pero el resultado no será estable, un LED puede acaparar toda la corriente y sufrir daños. Vea ¿Por qué no se puede usar una sola resistencia para muchos LED paralelos? .

Fuente de corriente lineal

Si el objetivo es entregar una corriente constante a los LED, ¿por qué no hacer un circuito que regule activamente la corriente a los LED? Esto se llama una fuente actual , y aquí un ejemplo de uno que puede construir con partes ordinarias:

Así es como funciona: Q2 obtiene su corriente base a través de R1. A medida que Q2 se enciende, una gran corriente fluye a través de D1, a través de Q2 y a través de R2. A medida que esta corriente fluye a través de R2, el voltaje a través de R2 debe aumentar (ley de Ohm). Si el voltaje en R2 aumenta a 0.6V, entonces Q1 comenzará a encenderse, robando la corriente de base de Q2, limitando la corriente en D1, Q2 y R2.

Entonces, R2 controla la corriente. Este circuito funciona limitando el voltaje a través de R2 a no más de 0.6V. Entonces, para calcular el valor necesario para R2, podemos usar la ley de Ohm para encontrar la resistencia que nos da la corriente deseada a 0.6V.

¿Pero qué hemos ganado? Ahora, cualquier exceso de voltaje se está reduciendo en Q2 y R2, en lugar de una resistencia en serie. No mucho más eficiente, y mucho más complejo. ¿Por qué nos molestaríamos?

$20V / 21.5V = 93 \%$

Fuentes de corriente de modo conmutado

Para la solución definitiva, hay una manera de (en teoría, al menos) controlar los LED con un 100% de eficiencia. Se llama una fuente de alimentación de modo conmutado y utiliza un inductor para convertir cualquier voltaje exactamente al voltaje necesario para controlar los LED. No es un circuito simple, y no podemos hacerlo 100% eficiente en la práctica, ya que ningún componente real es ideal. Sin embargo, diseñado adecuadamente, esto puede ser más eficiente que la fuente de corriente lineal anterior y mantener la corriente deseada en un rango más amplio de voltajes de entrada.

Aquí hay un ejemplo simple que se puede construir con piezas ordinarias:

No afirmaré que este diseño es muy eficiente, pero sirve para demostrar el principio de funcionamiento. Así es como funciona:

U1, R1 y C1 generan una onda cuadrada. El ajuste de R1 controla el ciclo de trabajo y la frecuencia y, en consecuencia, el brillo del LED.

Cuando la salida (pin 3) es baja, Q1 se enciende. La corriente fluye a través del inductor, L1. Esta corriente crece a medida que la energía se almacena en el inductor.

Entonces, la salida va alta. Q1 se apaga. Pero un inductor actúa como un volante para la corriente. La corriente que fluía en L1 debe continuar fluyendo, y la única forma de hacerlo es a través de D1. La energía almacenada en L1 se transfiere a D1.

La salida vuelve a ser baja y, por lo tanto, el circuito alterna entre almacenar energía en L1 y descargarla en D1. Entonces, en realidad, el LED parpadea rápidamente, pero a alrededor de 25 kHz, no es visible.

Lo bueno de esto es que no importa cuál sea nuestro voltaje de suministro o cuál sea el voltaje directo de D1. De hecho, podemos poner muchos LED en serie con D1 y aún se encenderán, incluso si el voltaje directo total de los LED excede el voltaje de suministro.

Con algunos circuitos adicionales, podemos hacer un circuito de retroalimentación que monitorea la corriente en D1 y ajusta de manera efectiva R1 para nosotros, por lo que el LED mantendrá el mismo brillo en una amplia gama de voltajes de suministro. Práctico, si desea que el LED se mantenga brillante a medida que la batería se agota. Reemplace U1 con un microcontrolador y haga algunos ajustes aquí y allá para que esto sea más eficiente, y realmente tiene algo.

Hay otra forma, mucho menos frecuente. Bueno para un LED, muy simple, puede arrojar cualquier cosa de aproximadamente 4v a 20v, y felizmente le da al LED una corriente bastante constante.

Azul es el voltaje de entrada, 20v a 4v. El verde es la corriente para el LED, aproximadamente 12 mA. El rojo es el poder disipado por el JFET, hoja de datos aquí .

Aquí hay una colección de opciones de controlador LED con las que puedes jugar.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

eso no es del todo cierto, ya que depende de muchos factores.

El problema con los leds es que 1) una vez que comienzan a conducir, un pequeño aumento en el voltaje creará un tremendo aumento en la corriente. con la combinación correcta, eso puede significar daños; 2) a medida que los leds se calientan, su caída de voltaje directo disminuye, lo que hace que la corriente a través de los leds suba. eso a su vez hace que la disipación de energía en los leds aumente y los leds se calientan. eso lleva a un círculo vicioso.

Entonces, una forma de evitar eso es introducir retroalimentación negativa para que cuando la corriente en los leds aumente, el voltaje a través de los leds disminuya.

Muchas maneras de hacer eso. resistencias, sensores, controles activos, etc.