La tensión de avance del LED es un rango, así que ¿cómo se calcula el valor de la resistencia?

Question

En todos los ejemplos de LEDs que encuentro, tienen la tensión de avance fijada en un número específico (por ejemplo, 2,1v) y calculan la resistencia necesaria en base a ese número. Pero cuando busco en las hojas de datos, el voltaje delantero viene en rangos (2,0v - 2,5v). Esto tiene sentido para mí, ya que no todos los LEDs son iguales. Pero me está dificultando saber qué resistencia usar.

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

Decidí utilizar la Ley de Ohm en el extremo inferior y superior del rango de tensión de avance para calcular las resistencias.

$$(3.0v - 2.0v)/20mA = 50\Omega$$ $$(3.0v - 2.5v)/20mA = 25\Omega$$

El problema viene cuando elijo una resistencia. Digamos que elijo la resistencia de 50 ohmios pero el LED que obtengo realmente tiene un voltaje delantero de 2,5v. La cantidad real de corriente que pasaría por el LED sería de 10mA. Eso no es utilizar el LED a su máximo potencial.

Si utilizo la resistencia de 25 ohmios y el LED tiene una tensión directa de 2,0v, entonces la cantidad de corriente que pasa por el LED sería de 40mA. Mi LED explotaría.

Utilizando el "valor establecido" de 2,1v para calcular la resistencia nos da 45 Ohms.

$$(3.0v - 2.1v)/20mA = 45\Omega$$

Si mi LED tuviera una tensión directa de 2,0v, la corriente sería de 22mA. Eso está por encima de la capacidad del LED. Si el LED tuviera una tensión directa de 2,5v, la corriente sería de 11mA, lo que no es utilizar el LED a su máximo potencial.

Nota: No me preocupa demasiado sacar todo el potencial de un LED. (Si he entendido bien, 10mA debería funcionar bien para iluminar un LED.) Sólo quiero saber cómo manejan este problema los verdaderos ingenieros. ¿Es aceptable tener una corriente de 10mA? ¿Se puede llegar a 22mA aunque las especificaciones digan 20mA? ¿Qué se hace cuando se necesita que los LEDs funcionen con un brillo máximo?

Answer 1

Este es un problema general con el uso de una resistencia limitadora de corriente con los LEDs cuando la tensión de alimentación está cerca de la tensión directa del LED. Sencillamente, no hay suficiente sobrecarga para que la resistencia sea lo suficientemente grande como para absorber las diferencias de tensión de avance entre diodos.

También tienes el problema de que las propias baterías tendrán una autonomía importante y probablemente serán de más de 3V cuando sean nuevas.

Por lo general, es mejor accionar los LED con una fuente de corriente que con una fuente de tensión. Sin embargo, incluso en ese caso, se necesita cierto margen para que el limitador de corriente funcione, y medio voltio es muy poco.

Hay formas de hacerlo con la suficiente precisión bajo todas sus restricciones, pero se complica y tiene un coste implicado y drena la batería más rápidamente.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

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

Pero, en última instancia, a menos que tus requisitos sean estrictos en cuanto a la corriente de avance necesaria, es mejor que pongas otra batería para tener 4,5V nominales y utilices una resistencia más grande.

Answer 2

Parece que le está dando demasiadas vueltas al problema.

1. Por ejemplo, un LED blanco puede mostrar quizás \$\frac{1}{4}\:\textrm{V}\$ cambiar su tensión por un factor de \$\times\: 2\$ en la corriente que lo atraviesa. Sin embargo, dos LEDs blancos diferentes del mismo lote podrían presentar la misma variación, sólo que uno a otro.
2. Además, los LEDs son bastante resistentes y suelen utilizarse en modos pulsados (multiplexados) en los que la corriente de pico es mucho mayor que la media. Y normalmente lo soportan sin problemas.
3. Por último, la conciencia humana de la luminosidad es, afortunadamente, logarítmica. Así que un cambio de corriente en el LED en un factor de \$\times\:2\$ significa un cambio en la percepción del cambio de brillo que es apenas perceptible (a menos que el LED parpadee intencionalmente con las dos corrientes diferentes para que sea más fácil de percibir).

Así que, en definitiva, el nivel exacto de corriente no suele ser tan importante cuando un LED se utiliza como luz indicadora. Además, el voltaje de un LED no varía demasiado.

Lo principal es asegurarse de que hay suficiente voltaje por encima para que el LED funcione de forma consistente en un diseño y que el método de regulación de la corriente es suficiente para la necesidad (sea lo que sea) y no cuesta 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 por lo demás no interfiere con otras especificaciones de diseño (sean las que sean).

En resumen, suele haber demasiadas otras preocupaciones como para estar pendiente de ellas.

[Si el LED se utiliza como uno de los tres LEDs RGB, con la intención de utilizarlo como un píxel LED en una gran pantalla externa, entonces puede ser muy importante (o no, dependiendo de los requisitos) que las corrientes sean cuidadosamente calibradas en cada uno de los LEDs individuales con el fin de asegurar que los criterios de diseño reales, tales como el "balance de blancos", se puedan cumplir. (Además de cualquier "binning" de LEDs que se haya realizado antes del montaje en un píxel RGB)].

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Presentas un problema, respecto a la corriente de los LEDs, en el que se utiliza un voltaje bajo y se exagera el problema haciendo que los voltajes de los LEDs varíen bastante (lo cual, supongo, podría ocurrir.) Hay una solución modesta para estos casos, aunque no puedo decir que a nadie le interese molestarse en poner tres BJTs y una resistencia al problema. Pero digamos que realmente tienes un objetivo de diseño de control de "baja sobrecarga" y control de corriente consistente independientemente de la variación de voltaje del LED. En tal caso, probablemente el método más barato es utilizar un espejo de corriente, de la siguiente manera:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Incluso entrando en saturación, \$Q_1\$ seguirá entregando una corriente bastante consistente (dentro del 1% más o menos) al LED y lo hará con sólo unos cientos de milivoltios de sobrecarga. (El cortocircuito \$Q_3\$ y la eliminación de su colector de tierra significaría un 10% de variación al pasar a la saturación, lo que todavía no es horrible).

En situaciones de baja sobrecarga, una resistencia es un regulador de corriente muy pobre. Así es como es. Así que o vives con ello, o no, dependiendo de las circunstancias.

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Bien, eso fue divertido. Probablemente no debería haber añadido el circuito anterior debido al nivel de desconexión entre mis razones para añadirlo y mi capacidad para comunicar esa razón suficientemente bien. Así que, con el deseo añadido de alguna medida de independencia de \$V_{CC}\$ así como la capacidad de trabajar con pocos gastos generales también, ofrezco la siguiente reflexión. Se me pasó por la cabeza añadirla durante la discusión, pero en ese momento mi turno había terminado y tenía que irme a la cama. Así que, por favor, disfruten de lo siguiente para que podamos tener una discusión aún más interesante.

simular este circuito

Por lo tanto, necesitarás tres \$V_{BE}\$ (más un poco más necesario para \$R_2\$ y, si es necesario, \$R_3\$ (que se puede cortocircuitar) para que esta cosa empiece a funcionar. Pero tendrá algunos independencia de la corriente del LED frente a \$V_{CC}\$ también. Establecer \$R_3\$ para tener un efecto multiplicador si no te gusta gastar demasiado exceso de corriente (sobre la corriente del LED.) Pero ten en cuenta que esto también aumenta la variación de la corriente sobre las variaciones de \$V_{CC}\$ . Establecer \$R_1\$ para que proporcione la cantidad adecuada de corriente en este lado del espejo. Hay una \$V_{BE}\$ a través de ella, por lo que es fácil de hacer. Establecer \$R_2\$ para que siempre haya al menos un 10% de la corriente en \$R_1\$ en el colector del NPN (al mínimo permitido \$V_{CC}\$ que usted decida).

Una vez más, esto es sólo yo ir en una juerga de la diversión y responder a la discusión. Utiliza BJTs emparejados según corresponda. Todavía hay otros enfoques, tales como el Wyatt que está muerto plana en un amplio rango de temperatura y \$V_{CC}\$ rango y si trabajara en él podría operar desde casi \$2.5\:\textrm{V}\$ Pero entonces tendría que explicar por qué logra eso y depende de los 3300 ppm por grado de cambio de resistencia que se encuentran en las resistencias de alambre de cobre y de película metálica como parte de su independencia de la temperatura. Hay un artículo sobre eso de los años 90, en alguna parte.

Answer 3

En primer lugar, se especifica un único fabricante de LEDs y un número de pieza. El rango en Vf de pieza a pieza no será tan grande como sugieres (no 0,5V).

En segundo lugar, las pequeñas variaciones de brillo no son fácilmente detectables por el ojo. Así que no hay que preocuparse por las pequeñas variaciones de una unidad a otra.

En tercer lugar, cuando sea posible, alimenta los LED con una tensión regulada, no con la batería, de modo que eliminas una fuente de variación.

En cuarto lugar, cuando la única fuente de alimentación disponible es variable (como una batería), se conduce el LED con una fuente de corriente en lugar de una fuente de tensión con una resistencia limitadora de corriente. Si hay al menos una tensión regulada disponible (aunque sea una tensión baja), es bastante fácil hacer una fuente de corriente satisfactoria para accionar un indicador LED utilizando sólo un transistor y unas pocas resistencias. Esto es barato, pero ocupa espacio en diseños muy limitados.

Si no se dispone de una sola tensión regulada, se puede hacer una fuente de corriente decente utilizando dos diodos en serie como referencia de tensión.

No estoy seguro de ser un verdadero ingeniero, pero he tenido que hacer todas estas cosas mientras diseñaba productos de consumo, y así es como lo he afrontado. Otra cosa que realmente puede conseguir con los indicadores LED es cuando las cargas pesadas causan el voltaje de la batería a la caída. Por ejemplo, un motor que vibra o un altavoz pueden hacer que el voltaje de la batería caiga en algunos productos. Esa caída puede causar un parpadeo o una variación notable en el brillo del LED cuando éste se alimenta de la batería. Esta es otra razón para utilizar una fuente de corriente 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 una tensión regulada:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

En el esquema anterior, no importa si el LED se alimenta de 3,3V o VBATT o lo que sea, siempre que el GPIO se alimente de una fuente regulada. He copiado esto de otra respuesta. Usted querrá ajustar la resistencia de emisor para obtener la corriente específica que está buscando. Cuando no hay mucha sobrecarga disponible, también puedes reducir R2 para que el voltaje de la base sea inferior a 1V.

Este es un circuito para cuando no hay tensión regulada disponible:

simular este circuito

En el circuito anterior, D1 y D2 actúan como referencia de tensión. La tensión variará, pero no tanto como la de la batería. Este voltaje constante en la base de Q1 se convierte en un voltaje constante a través de R3, y por lo tanto, en una corriente de colector constante (el transistor no se saturará a menos que VBATT sea muy bajo). 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 tensión disponible para mantener el LED iluminado.

A continuación se muestran algunos resultados de la simulación en los que se compara el simple interruptor saturado con resistencia limitadora de corriente (D1), frente al circuito divisor de tensión de referencia (D2) frente a la referencia de dos diodos (D5). Esto es con un LED de 3V. Observe que los valores de las resistencias han sido ajustados para obtener alrededor de 9mA a VBATT = 4.2V.

Como puedes ver, la fuente de corriente con el divisor de tensión de referencia mantuvo un buen rendimiento hasta, digamos, 3,35V. Así que sólo necesita alrededor de 350mV de sobrecarga.

El circuito de referencia de dos diodos mantuvo un buen rendimiento hasta unos 3,45 V, lo que supone unos 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 hay que tener en cuenta que tanto el circuito de referencia de dos diodos como el circuito de referencia del divisor de tensión 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.

Answer 4

Este es un problema común con el uso de una resistencia como el dispositivo de limitación de corriente, y una fuente de tensión que es sólo una pequeña distancia de tensión por encima del rango de tensión de funcionamiento de los LEDs, y un rango de tensión de avance de los LEDs es tan amplia.

En primer lugar, el "rango" de tensión de avance de los LEDs no es un rango que se pueda seleccionar para que funcione, sino que es el rango de tensiones al que el LED puede funcionar SI se le da la corriente correcta (la corriente de avance) (esta tensión variará de una unidad a otra, y de un lote a otro).

Sin cambiar nada de su hardware, 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 una vf real de 2.0v funcionarán a la máxima corriente de avance y por lo tanto brillo, y las que tienen una vf más alta (>2.0) funcionarán a 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 los límites seguros.

Así que si quieres mejorar o corregir las 3 razones que he dado, si por ejemplo tu aplicación no puede tolerar una menor luminosidad del LED, podrías hacer cualquiera de las dos cosas 1) utilizar un circuito de limitación de corriente mejor que una simple resistencia. hay algunos chips que lo hacen. 2) utilizar una tensión más alta por encima de la tensión de avance. 3) utilizar un LED con un rango más estrecho de especificación de tensión directa.