ฉันสงสัยมานานแล้วว่าทำไมในโครงร่างที่ใช้หลอดไฟ LED สำหรับให้แสงสว่างเป็นเรื่องธรรมดามากที่จะใส่ตัวต้านทานไปกับหลอด LED และในที่สุดดูเหมือนว่าคำตอบในคำถามนี้จะอธิบายว่าทำไม (เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการควบคุมกระแสผ่าน LED ของเขาเพื่อป้องกัน LED จากการเผาไหม้)

แต่ถึงกระนั้นนี่ไม่ใช่ปัญหาใหญ่หรือ ตัวต้านทานเหล่านั้นไม่เปลืองพลังงานมากและไม่มีวิธีแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติอื่น ๆ อีกหรือเปล่า?

UPD: การอัปเดตที่สมเหตุสมผลสำหรับคำถามที่ให้คำตอบที่ดีทั้งหมดที่ฉันได้รับคืออาจให้ตัวเลขบางอย่างเพื่อแสดงว่ากำลังสูญเสียพลังงานความร้อนจากตัวต้านทานในแอปพลิเคชันระบบแสงสว่างทั่วไปเท่าใด (คำตอบส่วนใหญ่บอกว่าการสูญเสียพลังงานฉันเล็กมากจนไม่สำคัญฉันคิดว่ามันคงจะดีถ้าใคร ๆ สามารถรับจำนวนจริงเพื่อทำให้คำตอบนั้นแข็งตัวฉันก็สามารถยอมรับคำตอบนั้น ผู้ที่สนใจ)

ใช่มันเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน แต่ส่วนใหญ่แล้วมันไม่สามารถใช้พลังงานได้มากพอ

ในกรณีที่เรื่องประสิทธิภาพการใช้งานคุณใช้วิธีการที่ซับซ้อนกว่านี้ ตัวอย่างเช่นลองดูแผนผังสำหรับโครงการตัวอย่างKnurdLightของฉัน นี่คือการทำงานของแบตเตอรี่และกำลังไฟทั้งหมดจะเข้าสู่ LEDs ในกรณีนี้ฉันใช้ตัวแปลงเพิ่มที่ควบคุมกระแสไฟ LED โดยตรงแทนแหล่งจ่ายไฟปกติที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า ไม่มีตัวต้านทานแบบอนุกรมที่จะทำให้การจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ดูอย่างน้อยบางส่วนเหมือนแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าเนื่องจากแหล่งจ่ายไฟเป็นแหล่งกระแสในตอนแรก R6 อยู่ในอนุกรมกับสตริง LED แต่มีเพียง 30 Ωและใช้สำหรับตรวจจับกระแสเพื่อให้บูสเตอร์คอนเวอร์เตอร์สามารถควบคุมมันได้

ทำไมต้องตัวต้านทาน

เหตุผลที่เราใช้ตัวต้านทานเพื่อตั้งค่า LED ปัจจุบันคือ LED เป็นไดโอดและเช่นเดียวกับไดโอดส่วนใหญ่ดูเหมือนว่าแรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อเอนเอียงไปข้างหน้า มีน้อยมากในการควบคุมกระแสถ้าเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดัน ความชันของกราฟ V / I นั้นสูงชันจนการเปลี่ยนแปลงแรงดันไดโอด 0.1 V อาจหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน 10X ดังนั้นการเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งจ่ายไฟที่ไม่มีกลไก จำกัด กระแสไฟฟ้าที่ใช้งานได้จะทำลาย LED ได้ ดังนั้นเราจึงใส่ตัวต้านทานเข้าไปที่นั่นเพื่อทำให้ความลาดชันตื้นพอที่จะควบคุมกระแส

โดยทั่วไปคุณจะทราบว่าคุณต้องการกระแสใน LED มากน้อยเพียงใดโดยอิงจากการวัดความสว่างจากแผ่นข้อมูลหรือซื้อและคาดเดา สำหรับ LED แสดงสถานะทั่วไปฉันเริ่มต้นด้วย 2 mA สำหรับปกติหรือ 0.5 mA สำหรับไฟ LED ประสิทธิภาพสูงและมักจะต้องลดกระแสต่อไป

เมื่อคุณเลือกกระแสคุณก็จะทำเช่นนั้นความต่างศักย์ของแหล่งที่มาของคุณ (VS) และแรงดันไปข้างหน้าของ LED ของคุณที่กระแสของคุณ (VF) ให้ลองหาสิ่งนี้จากกราฟในแผ่นข้อมูลแทนที่จะเป็นตาราง มีลักษณะที่ 10 mA หรือมากกว่า) และเสียบเข้ากับสมการต่อไปนี้เพื่อรับความต้านทานของคุณ:

R = (VS - VF) / I

ที่มา: ระบุว่าแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานคือVR = I * R(กฎของโอห์ม) ว่ากระแสในลูปเป็นค่าคงที่ (กฎปัจจุบันของเคิร์ชอฟฟ์) และแรงดันแหล่งที่มาเท่ากับVF + VR(กฎแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์):

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

LED พลังงานสูง

สำหรับแอปพลิเคชั่นที่ปัญหาพลังงานสิ้นเปลืองเช่นในแอปพลิเคชั่นแสงสว่างขนาดใหญ่คุณไม่ได้ใช้ตัวต้านทาน แต่ใช้ตัวควบคุมกระแสไฟฟ้าเพื่อตั้งค่ากระแสไฟ LED แทน

ตัวควบคุมกระแสไฟฟ้าเหล่านี้ทำงานเหมือนสวิตช์ควบคุมแรงดันไฟฟ้ายกเว้นแทนที่จะแบ่งแรงดันเอาท์พุทและเปรียบเทียบกับการอ้างอิงและการปรับเอาท์พุทพวกเขาใช้องค์ประกอบตรวจจับกระแสไฟฟ้า (หม้อแปลงกระแสสัมผัสหรือตัวต้านทานค่าต่ำ) เพื่อสร้างแรงดัน เปรียบเทียบกับการอ้างอิง สิ่งนี้จะช่วยให้คุณมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยขึ้นกับการสูญเสียองค์ประกอบและความถี่ในการสลับเปลี่ยน (ความถี่ที่สูงขึ้นจะตอบสนองเร็วขึ้นและใช้ส่วนประกอบที่เล็กลง แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า)

เมื่อ LED ถูกขับเคลื่อนด้วยตัวต้านทานจำเป็นต้องให้แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าการตกไปข้างหน้าของ LED กระแสที่ดึงออกจากแหล่งจ่ายจะเท่ากับกระแสผ่าน LED เปอร์เซ็นต์ของพลังงานไฟฟ้าที่ไปยัง LED จะสอดคล้องกับอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า LED กับแรงดันไฟฟ้า

มีวิธีการอื่น ๆ ในการขับเคลื่อน LED ซึ่งจะทำงานกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟด้านล่างหล่นไปข้างหน้าของ LED หรือซึ่งจะดึงกระแสจากแหล่งจ่ายน้อยกว่าที่พวกเขาใส่ผ่าน LED เทคนิคดังกล่าวอาจลดลงครึ่งหนึ่งจากกระแสที่จ่ายจาก 5 โวลต์เพื่อป้อน 20mA ผ่าน LED 2 โวลต์ แต่วงจรที่ต้องการจะมีราคาแพงกว่าตัวต้านทาน ในหลาย ๆ สถานการณ์แม้เมื่อทำงานจากแบตเตอรี่พลังงานที่ใช้โดย LED จะแสดงถึงการใช้พลังงานโดยรวมเพียงเล็กน้อย แม้ว่าจะสามารถลดการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องกับ LED ลง 99% โดยใช้วงจรพิเศษเพียง $ 0.05 แต่การประหยัดจะไม่คุ้มกับค่าใช้จ่ายเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ตัวต้านทานและยอมรับประสิทธิภาพย่อยที่เหมาะสม

คุณต้องการคำนวณ นี่คือรูปแบบพื้นฐานของการคำนวณ

ไฟ LED สีแดงโดยทั่วไปมีแรงดันไปข้างหน้าและปัจจุบันอย่างต่อเนื่องสูงสุดประมาณ1.8 V20 mA

ทีนี้แรงดันของเราคืออะไร? ให้บอกว่าเราต้องการใช้แหล่งกำเนิด 3 V

ดังนั้นเราจะมีแรงดันตก3.0 V - 1.8 V = 1.2 Vคร่อมตัวต้านทานของเรา ปัจจุบันผ่านตัวต้านทานจะเป็นดังนั้นอำนาจของเราคือ20 mA 1.2 V * 20 mA = 24 mWนั่นไม่ใช่พลังงานมากจริง ๆ แม้ว่ามันจะเป็นส่วนสำคัญของการใช้พลังงานของ LED LED นั้นใช้1.8V * 20mA = 36 mW.

ใช่มันเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน ในทางกลับกันการผลิตในปริมาณมากตัวต้านทานจะเสียค่าใช้จ่ายเพียงเศษเสี้ยวของเงิน (0.01 ดอลลาร์สหรัฐสำหรับคนต่างชาติของเรา) เมื่อการวิเคราะห์ค่าใช้จ่าย / ผลประโยชน์ / ความยากลำบากตัวต้านทานง่าย ๆ เริ่มดูดีจริงๆ

พลังงานที่สูญเปล่ามักจะมีขนาดเล็กมาก (หลายสิบมิลลิวัตต์) หากคุณกำลังขับ LED ด้วย 5 V หรือแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กเท่ากัน

แน่นอนว่ามันเป็นปัญหาในระบบที่คุณมีแบตเตอรี่ความจุ จำกัด แต่จะใช้รูปแบบอื่น ๆ (เช่นไดรเวอร์ LED ที่ใช้PWM )

ใช่และไม่. เมื่อกระแสผ่านตัวต้านทานจะสร้างความร้อนและทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน อย่างไรก็ตามหากคุณนำตัวต้านทานออกมา (และทำให้ LED ขับด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า) คุณจะขับกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรมากขึ้นและทำให้การเผาไหม้พลังงานมากขึ้นกว่าการใช้ตัวต้านทานแทน

โปรดจำไว้ว่าด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่กระแสจะแปรผกผันกับความต้านทาน ยิ่งคุณต้านทานอินไลน์เข้าสู่วงจรมากเท่าไรคุณก็ยิ่งไหลผ่านน้อยลงเท่านั้นและยิ่งใช้พลังงานน้อยลงเท่านั้น ดังนั้นในขณะที่ตัวต้านทานมีบทบาทในการสร้างความร้อนในวงจรการมีอยู่ของมันหมายความว่าความร้อนโดยรวมจะน้อยลง

ฉันทำการทดสอบทางคณิตศาสตร์ ฉันใช้แหล่งจ่ายไฟ 12V และฉันเชื่อมต่อไดโอด Led 3 ตัวพร้อมตัวต้านทาน ไดโอดตัวหนึ่งที่มีตัวต้านทานมี 12V ไดโอดต่อไปที่มีตัวต้านทานฉันขอขึ้นไปถึง 12V และอันสุดท้ายก็เช่นกัน ที่แหล่งที่มาฉันมี 60mA ตัวต้านทานมีแรงดันไฟฟ้าตก 9V และการใช้พลังงานรวม 540mW โดยไม่คำนึงถึง P = V * II จะได้รับแหล่งรวม 720mW

แต่เมื่อฉันต่อสายไดโอดและฉันก็เพิ่มการใช้พลังงานทั้งหมดของตัวต้านทานเพียง 240mW ในแหล่งที่มา ฉันใช้ไดโอด 3V 20mA

มันเป็นซิมที่ดีกว่าคือใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้สิ้นเปลืองพลังงานเฉพาะที่เราต้องการเท่านั้น หรือใช้สายไฟของไดโอด led สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น นั่นเป็นเหตุผลที่เรามีคอมพิวเตอร์เอาท์พุทมากมายด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างจากหม้อแปลง

หรือความคิดอื่น เรามีแหล่งกำเนิด 9V และฉันขอไดโอด 3V หนึ่งตัวและฉันต้องใช้ตัวต้านทานเพื่อลดแรงดัน พลังงานทั้งหมดจะเป็น 180mW ที่ไดโอดจะใช้เวลาเพียง 60mW แต่เมื่อฉันเชื่อมต่อในสาย 3 มิติแล้วฉันยังคงมี 180mW แต่เมื่อฉันเชื่อมต่อ 3 ไดโอด แต่แต่ละแยกเชื่อมต่อกับแหล่งเดียวกันนี้แล้วฉันจะใช้ 540mW .

ดูเหมือนว่าจะเป็นการดีกว่าที่จะใช้สตริงแทนที่จะเชื่อมต่อแต่ละแหล่งข้อมูล

ไม่มีวิธีใดที่จะหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานด้วยวงจร DC เชิงแอกทีฟหรือเชิงเส้น เหตุผลก็คือประสิทธิภาพจะถูกกำหนดโดยสองสิ่ง:

1. แรงดันไฟฟ้า
2. กระแสไฟ LED

ไม่สำคัญว่าคุณใส่อะไรระหว่าง LED และอุปกรณ์ มันอาจเป็นตัวต้านทานไดโอดบางตัวตัวควบคุมเชิงเส้นหรือแหล่งกระแสของทรานซิสเตอร์ หาก LED ต้องการ 10 mA สำหรับความสว่างที่ต้องการและคุณมีแหล่งจ่ายไฟ 5 V คุณจะเผาไหม้ทั้งหมด 50 mW ระยะเวลา

ด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่และกระแสไฟ LED คงที่ตัวเลือกเดียวของคุณสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพคือการใส่ LED หลายชุดเป็นชุด หากคุณมีแหล่งจ่ายไฟ 5 V และแรงดันไฟตกของ LED ของคุณคือ 2 V ที่ 10 mA คุณสามารถใส่สองชุดได้ สิ่งนี้มีข้อ จำกัด - คุณจะไม่สามารถสลับไฟ LED ได้อย่างอิสระ

หากคุณมีอำนาจควบคุมแหล่งจ่ายไฟมีอีกสองสิ่งที่คุณสามารถทำได้ หากแรงดันไฟฟ้าของอุปทานมาจากแหล่งจ่ายไฟ AC คุณสามารถเพิ่มขดลวดเข้ากับหม้อแปลงเพื่อสร้างแหล่งจ่ายไฟ LED แรงดันต่ำ หากคุณมีแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงเพียงอย่างเดียวคุณสามารถใช้ตัวแปลงสวิตช์เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้ไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมาย หากคุณกำลังไฟหมดไฟ AC คุณอาจไม่กังวลกับประสิทธิภาพของไฟแสดงสถานะสองสามดวง และหน่วยงานกำกับดูแลการเปลี่ยนที่มีประสิทธิภาพสูงมีราคาแพงและเกิดปัญหาได้ง่าย

โดยทั่วไปแล้วไฟ LED จะใช้เพียงส่วนน้อยของกระแสรวมของระบบ มันไม่ค่อยคุ้มกับปัญหาหรือค่าใช้จ่ายในการเพิ่มแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากสำหรับพวกเขา

อย่าคิดว่าตัวต้านทานเป็นตัวจ่ายพลังงานที่เปลี่ยนกระแสไฟฟ้า (กระแส) พลังงานบางส่วนสูญเสียไปในรูปของความร้อนใช่ แต่ไม่มาก (โดยทั่วไป) เมื่อใช้การเปรียบเทียบน้ำเพียงแค่คิดว่าตัวต้านทานเป็นตัวทำให้ท่ออ่อนตัวลงซึ่งกระแสจะไหลน้อยลง ด้วยแรงเริ่มต้น (แรงดันไฟฟ้า) เดียวกันปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่สามารถไหล (กระแส) จะลดลง สิ่งนี้จะช่วยลดแรงที่มีอยู่ที่ปลายท่อส่งออก (ซึ่งเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าตก)