Ich habe mich lange gefragt, warum in Schemata, in denen LEDs zum Beleuchten verwendet werden, häufig ein Widerstand zur LED gehört, und schließlich scheint die Antwort in dieser Frage zu erklären, warum. (Dies ist der einfachste Weg, den Strom durch die LED zu steuern, um ein Abbrennen der LED zu verhindern.)

Aber ist das nicht ein großes Problem? Verschwenden diese Widerstände nicht viel Strom und gibt es nicht wirklich eine andere praktische Lösung?

UPD: Ein vernünftiges Update für die Frage bei all den guten Antworten, die ich erhalten habe, besteht darin, vielleicht einige Zahlen anzugeben, um zu zeigen, wie viel Energie in einer typischen Beleuchtungsanwendung durch die Erwärmung von Widerständen verloren geht. (Die meisten Antworten sagen, dass der Energieverlust so gering ist, dass es keine Rolle spielt. Ich denke, es wäre gut, wenn jemand die reellen Zahlen erhalten könnte, um diese Antwort zu verfestigen, dann könnte ich diese Antwort akzeptieren und sie für die Zukunft oben belassen Interessierte.)

Ja, es verschwendet Energie, aber die meiste Zeit reicht es nicht aus, um eine Rolle zu spielen.

In Fällen, in denen es auf die Effizienz ankommt, wenden Sie andere kompliziertere Mittel an. Schauen Sie sich zum Beispiel den Schaltplan für mein KnurdLight- Beispielprojekt an. Dies ist batteriebetrieben und fast der gesamte Strom fließt in die LEDs. In diesem Fall habe ich einen Aufwärtswandler verwendet, der den LED-Strom direkt reguliert, anstatt eines normalen Netzteils, das die Spannung reguliert. Es gibt keinen Vorwiderstand, der eine feste Spannungsversorgung zumindest teilweise wie eine Stromquelle aussehen lässt, da die Stromversorgung in erster Linie eine Stromquelle ist. R6 ist in Reihe mit dem LED-String geschaltet, hat jedoch nur 30 Ω und dient zum Erfassen des Stroms, damit der Aufwärtswandler ihn regeln kann.

Warum Widerstände?

Der Grund, warum wir Widerstände zum Einstellen des LED-Stroms verwenden, ist, dass eine LED eine Diode ist und wie die meisten Dioden nur wie ein Spannungsabfall aussieht, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Beim Anschluss an eine Spannungsquelle ist nur sehr wenig Strom zu steuern. Die Steigung des V / I-Diagramms ist so steil, dass eine Änderung der Diodenspannung um 0,1 V eine 10-fache Änderung des Stroms bedeuten kann. Ein direkter Anschluss an eine Stromversorgung ohne funktionsfähigen Strombegrenzungsmechanismus zerstört daher wahrscheinlich die LED. Also setzen wir dort einen Widerstand ein, um die Steigung flach genug zu machen, um den Strom zu steuern.

In der Regel ermitteln Sie anhand von Helligkeitsmessungen im Datenblatt, wie viel Strom Sie in der LED haben möchten, oder kaufen Sie eine und raten Sie. Bei typischen Anzeige-LEDs beginne ich mit 2 mA für normale oder 0,5 mA für hocheffiziente LEDs und muss den Strom normalerweise weiter reduzieren.

Sobald Sie einen Strom gewählt haben, nehmen Sie diesen, die Spannung Ihrer Quelle (VS) und die Durchlassspannung Ihrer LED bei Ihrem Strom (VF), und versuchen Sie, dies aus dem Diagramm im Datenblatt und nicht aus der Tabelle zu entnehmen, die normalerweise verwendet wird wird bei 10 mA oder mehr charakterisiert), und stecken Sie sie in die folgende Gleichung, um Ihren Widerstand zu erhalten:

R = (VS - VF) / I

Herleitung: Vorausgesetzt, der Spannungsabfall am Widerstand ist VR = I * R(Ohmsches Gesetz), der Strom in der Schleife ist konstant (Kirchoffsches Stromgesetz) und die Quellenspannung ist gleich VF + VR(Kirchoffsches Spannungsgesetz):

VS = VF + VR = VF + I * R; VS - VF = I * R; R = (VS - VF) / I

Hochleistungs-LEDs

Bei Anwendungen, bei denen die Stromverschwendung ein Problem darstellt, z. B. bei Beleuchtungsanwendungen in großem Maßstab, verwenden Sie keinen Widerstand, sondern einen Stromregler, um den Strom der LED einzustellen.

Diese Stromregler arbeiten wie schaltende Spannungsregler. Statt die Ausgangsspannung zu unterteilen und mit einer Referenz zu vergleichen und den Ausgang einzustellen, verwenden sie ein Stromerfassungselement (Stromerfassungstransformator oder Widerstand mit niedrigem Wert), um die Spannung zu erzeugen, die entsteht wird mit der Referenz verglichen. Dies kann je nach Schaltelementverlust und Schalthäufigkeit zu einem hohen Wirkungsgrad führen. (Höhere Frequenzen reagieren schneller und verwenden kleinere Komponenten, sind jedoch weniger effizient.)

Wenn eine LED mit einem Widerstand betrieben wird, muss die Versorgungsspannung höher sein als der Vorwärtsabfall der LED. Der aus der Versorgung entnommene Strom entspricht dem Strom durch die LED. Der Prozentsatz der Versorgungsspannung, der zur LED fließt, entspricht dem Verhältnis der LED-Durchlassspannung zur Versorgungsspannung.

Es gibt andere Möglichkeiten, LEDs anzusteuern, die mit Versorgungsspannungen unterhalb des Vorwärtsabfalls der LED arbeiten oder die weniger Strom aus der Versorgung ziehen, als sie durch die LED führen. Solche Techniken können z. B. die Hälfte des Stroms reduzieren, der aus einer 5-Volt-Versorgung entnommen wird, um 20 mA durch eine 2-Volt-LED zu speisen, aber die erforderliche Schaltungsanordnung ist mit ziemlicher Sicherheit teurer als ein Widerstand. In vielen Situationen macht der Stromverbrauch einer LED selbst bei Batteriebetrieb nur einen winzigen Bruchteil des Gesamtenergieverbrauchs aus. Selbst wenn man den LED-bezogenen Stromverbrauch um 99% senken könnte, wenn man nur 0,05 US-Dollar für zusätzliche Schaltkreise benötigt, wären die Einsparungen die Kosten nicht wert, wenn man nur einen Widerstand verwendet und den suboptimalen Wirkungsgrad akzeptiert.

Sie wollten eine Berechnung. Hier ist die Grundform der Berechnung.

Eine typische rote LED hat einen Durchlassspannungsabfall von 1.8 Vund einen maximalen Dauerstrom von ungefähr 20 mA.

Was ist nun unsere Spannung? Nehmen wir an, wir möchten eine 3-V-Quelle verwenden.

Wir werden also einen Spannungsabfall 3.0 V - 1.8 V = 1.2 Vüber unserem Widerstand haben. Der Strom durch den Widerstand wird so sein 20 mA, wie unsere Kraft ist 1.2 V * 20 mA = 24 mW. Das ist nicht wirklich viel Strom, obwohl es einen erheblichen Bruchteil des Stromverbrauchs der LED darstellt. Die LED selbst verwendet1.8V * 20mA = 36 mW.

Ja, es verschwendet Strom. Auf der anderen Seite kostet ein Widerstand in der Massenproduktion einen Bruchteil eines Pennys (0,01 US-Dollar für unsere internationalen Mitarbeiter). Wenn die Kosten / Nutzen / Schwierigkeits-Analyse durchgeführt ist, sieht ein einfacher Widerstand wirklich gut aus.

Wenn Sie die LED mit 5 V oder einer gleich geringen Spannung betreiben, ist die verschwendete Leistung häufig sehr gering (zig Milliwatt).

Sicher, es ist ein Problem in Systemen mit Batterien mit begrenzter Kapazität, aber dann werden andere Schemata (wie LED-Treiber mit PWM ) verwendet.

Ja und nein. Wenn Strom durch den Widerstand fließt, erzeugt er Wärme und verschwendet daher Energie. Wenn Sie jedoch den Widerstand herausnehmen (und daher die LED mit einer höheren Spannung betreiben ), treiben Sie mehr Strom durch den Stromkreis und verbrauchen somit tatsächlich mehr Strom als mit dem eingebauten Widerstand.

Denken Sie daran, dass bei konstanter Spannung der Strom umgekehrt proportional zum Widerstand ist. Je mehr Widerstand Sie in den Stromkreis einbauen, desto weniger Strom leiten Sie durch und desto weniger Strom verbrauchen Sie. Während der Widerstand selbst eine Rolle bei der Erzeugung von Wärme im Stromkreis spielt, bedeutet seine Anwesenheit dort tatsächlich, dass insgesamt weniger Wärme erzeugt wird.

Ich mache eine mathematische Prüfung. Ich benutze eine 12V-Quelle und verbinde 3 LED-Dioden mit Widerständen. Die eine Diode mit Widerstand hat 12V, die nächste Diode mit Widerstand schließe ich ebenfalls an 12V an und die letzte auch. An der Quelle habe ich 60mA. Widerstände haben einen Spannungsabfall von 9V und eine Leistungsaufnahme von insgesamt 540mW. Unabhängig von P = V * II werden insgesamt 720mW in die Quelle eingespeist.

Aber wenn ich Dioden in einer Reihe verbinde und den Widerstand hinzufüge, betrug der Gesamtstromverbrauch nur 240 mW in der Quelle. Ich benutze Dioden 3V 20mA.

Besser ist es, die Spannungsquelle so gering wie möglich zu halten, um nur dort Strom zu verbrauchen, wo wir wollen. Oder verwenden Sie eine Reihe von LED-Dioden für höhere Spannungen. Deshalb haben wir im Computer so viele Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungen vom Transformator.

Oder eine andere Idee. Wir haben eine 9V-Quelle und ich schließe eine 3V-Diode an und ich brauche einen Widerstand, um die Spannung zu senken. Die Gesamtleistung beträgt 180 mW, wobei die Diode nur 60 mW benötigt. Wenn ich jedoch 3 Strang-Dioden anschließe, habe ich immer noch 180 mW. Wenn ich jedoch 3 Dioden anschließe, von denen jede separat an dieselbe Quelle angeschlossen ist, habe ich 540 mW verbrauchte Leistung .

Sieht so aus, als ob es besser ist, Zeichenfolgen zu verwenden, anstatt sie mit der Quelle zu verbinden.

Es gibt keine Möglichkeit, den Leistungsverlust nur mit einem passiven oder linearen aktiven Gleichstromkreis zu vermeiden. Der Grund ist, dass die Effizienz von zwei Dingen bestimmt wird:

1. Die Versorgungsspannung
2. Der LED-Strom

Es ist egal, was Sie zwischen die LED und das Netzteil stecken. Es kann sich um einen Widerstand, einige Dioden, einen linearen Regler oder eine transistorbasierte Stromquelle handeln. Wenn die LED 10 mA für die gewünschte Helligkeit benötigt und Sie eine 5-V-Versorgung haben, brennen Sie insgesamt 50 mW. Zeitraum.

Bei einer festen Versorgungsspannung und einem festen LED-Strom besteht Ihre einzige Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz darin, mehrere LEDs in Reihe zu schalten. Wenn Sie eine 5-V-Versorgung haben und der Spannungsabfall Ihrer LEDs 2 V bei 10 mA beträgt, können Sie zwei in Reihe schalten. Dies ist mit einer Einschränkung verbunden - Sie können die LEDs nicht unabhängig voneinander schalten.

Wenn Sie die Kontrolle über die Stromversorgung haben, können Sie noch einige andere Dinge tun. Wenn Ihre Versorgungsspannungen von einer Wechselstromquelle stammen, können Sie dem Transformator eine Wicklung hinzufügen, um eine Niederspannungs-LED-Versorgung zu erstellen. Wenn Sie nur eine Gleichstromversorgung haben, können Sie mit einem Schaltwandler eine niedrigere Spannung erzeugen. Beides ist jedoch nicht besonders praktisch. Wenn Sie keinen Netzstrom mehr haben, sind Sie wahrscheinlich nicht über die Effizienz einiger Kontrollleuchten besorgt. Und hocheffiziente Schaltregler sind teuer und störungsanfällig.

LEDs verbrauchen normalerweise nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtstroms eines Systems. Es ist selten die Mühe oder die Kosten wert, ein separates Netzteil nur für sie hinzuzufügen.

Stellen Sie sich einen Widerstand nicht als eine Stromsenke vor, die Elektrizität (Strom) ableitet. Ein Teil der Energie geht in Form von Wärme verloren, aber nicht viel (im Allgemeinen). Stellen Sie sich den Widerstand in der Wasseranalogie so vor, als würde der Schlauch, durch den der Strom fließt, kleiner. Bei gleicher Anfangskraft (Spannung) wird die fließfähige Strommenge (Strom) reduziert. Dies verringert die am Ausgangsende des Schlauchs verfügbare Kraft (dies wird als Spannungsabfall bezeichnet).