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?

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.

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.

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:

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

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:

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?

$20V / 21.5V = 93 \%$

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:

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.

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 .

Aqui está uma coleção de opções de driver de LED com as quais você pode jogar.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

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.