LEDの順方向電圧は範囲なので、抵抗値をどのように計算しますか？

私が見つけたすべてのLEDの例では、順方向電圧が特定の数値（つまり2.1v）に設定されており、その数値に基づいて必要な抵抗を計算しています。しかし、データシートを調べると、順方向電圧の範囲（2.0v-2.5v）があります。すべてのLEDが均等に作成されているわけではないため、これは理にかなっています。しかし、どの抵抗器を使用するかを把握するのが難しくなっています。

そこで、回路を設計することにしました。電圧源に接続するLEDに接続する抵抗器に接続する3V電圧源（単3電池2本）があります。LEDの最大持続電流は20mAです。

抵抗を計算するために、順方向電圧範囲の下限と上限でオームの法則を使用することにしました。

問題は、抵抗器を選ぶときに発生します。50オームの抵抗器を選んだとしても、実際に得られるLEDの順方向電圧は2.5vです。LEDを流れる実際の電流量は10mAです。それは、LEDを最大限に活用していません。

25オームの抵抗を使用し、LEDの順方向電圧が2.0vの場合、LEDを流れる電流の量は40mAになります。LEDが爆発します。

2.1vの「設定値」を使用して抵抗を計算すると、45オームになります。

LEDの順方向電圧が2.0vの場合、電流は22mAになります。これはLEDの定格を超えています。LEDの順方向電圧が2.5vの場合、電流は11mAになり、LEDを最大限に使用していません。

注： LEDの可能性を最大限に引き出すことにあまり関心はありません。（正しく理解すれば、10mAでLEDが点灯するはずです。）実際のエンジニアがこの問題をどのように処理するかを知りたいだけです。10mAの電流は許容できますか？仕様では20mAと書かれていますが、実際に22mAで逃げることはできますか？LEDをピーク輝度で動作させる必要がある場合はどうしますか？

これは、供給電圧がLEDの順方向電圧に近い場合にLEDで電流制限抵抗を使用する場合の一般的な問題です。単に、ダイオード間の順方向電圧差を吸収するのに十分な大きさの抵抗器のための十分なオーバーヘッドがありません。

また、バッテリー自体の範囲が大きくなり、新品の場合は3V以上になる可能性があるという問題もあります。

一般に、LEDは電圧源よりも電流源で駆動する方が適切です。ただし、それでも、電流リミッターが機能するにはある程度の余裕が必要であり、0.5ボルトは非常にタイトです。

すべての制約の下で十分に正確に行う方法がありますが、複雑になり、コストがかかり、バッテリーの消耗が早くなります。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

これらすべての年月を経て、誰もそれを単純な小さなSOICに載せたことはないように思えるのは驚くべきことです。

ただし、最終的には、必要な順方向電流の要件が厳しい場合を除き、公称4.5Vを確保し、より大きな抵抗を使用するために、別のバッテリーを投入することをお勧めします。

あなたは問題を過度に考えているように聞こえます。

1. たとえば、白色LEDはおそらく×の電圧に対する電圧の V変化$\frac{1}{4}\:\textrm{V}$それを通る電流で 2。しかし、同じバッチからの2つの異なる白色LEDは、1つずつだけ多くの変動を示す可能性があります。$\times\: 2$
2. また、LEDは非常に頑丈で、ピー​​ク電流が平均よりもはるかに高いパルス（多重化）モードでよく使用されます。そして、彼らは通常それをうまく処理できます。
3. 最後に、明るさの人間の認識は幸いなことに対数的です。したがって、LEDの電流は×倍に変化しますは、明るさの変化の知覚の変化がほとんど知覚できないことを意味します（LEDが2つの異なる電流で意図的にちらつき、知覚しやすくしない限り）。$\times\:2$

したがって、全体として、LEDがインジケータライトとして使用される場合、電流の正確なレベルは通常それほど重要ではありません。とにかく、LEDの両端の電圧はそれほど変化しません。

主なことは、設計でLEDを実際に一貫して動作させるのに十分な電圧オーバーヘッドがあることと、電流を調整する方法がニーズ（それが意味するものは何でも）に十分であり、コストがかかりすぎないことを確認することです（ ..）そして、あまりスペースをとらない（...）、周囲の物を加熱しない（...）、必要以上にバッテリーを消耗しない（...）そしてそれ以外の場合は、他の設計仕様に干渉しません（それらが何であれ）。

要するに、他の懸念があまりにも多くあり、心配する必要はありません。

[LEDが3つのRGB LEDの1つとして使用され、大型の外部ディスプレイのLEDピクセルとして使用する場合、電流が慎重に流れることが非常に重要です（要件によってはそうでない場合があります） 「ホワイトバランス」などの実際の設計基準を確実に満たすために、個々のLEDごとに調整されます。（RGBピクセルに組み立てる前に行われた可能性のあるLED「ビニング」に加えて。）]

LED電流に関して問題を提示します。問題は低オーバーヘッドの電圧を使用し、LED電圧をかなり変化させることで問題を誇張します（おそらく発生する可能性があります）。私は誰も3つのBJTと抵抗器を問題に置くことを気にかけるとは言えません。しかし、実際には、LED電圧の変動に関係なく、「低オーバーヘッド」制御と一貫した電流制御という設計目標があるとしましょう。そのような場合、おそらく最も安価な方法は、次のようにカレントミラーを使用することです。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

$Q_1$$Q_3$

低オーバーヘッドの状況では、抵抗器は非常に貧弱な電流レギュレータを作ります。それだけです。ですから、状況に応じて、あなたはそれと共に生きるか、生きないかです。

$V_{CC}$

^{この回路をシミュレートする}

$V_{BE}$$R_2$$R_3$$V_{CC}$, as well. Set $R_3$ to have a multiplier effect if you don't like wasting too much excess current (over the LED's current.) But be aware that this also increases the variation of current over variations of $V_{CC}$. Set $R_1$ so that it provides the appropriate amount of current on this side of the mirror. There's one $V_{BE}$ across it, so this is easy to do. Set $R_2$ so that there is always at least 10% of the current in $R_1$ in the collector of the NPN (at the minimum allowable $V_{CC}$ you decide on.)

Again, this is just me going off on a fun jag and responding to the discussion. Use matched BJTs as appropriate. There are still other approaches, such as the Wyatt which is dead flat over a wide temperature range and $V_{CC}$ range and if I worked on it might operate from almost as low as $2.5\:\textrm{V}$ and uses three BJTs (plus a mirror I might add then.) But then I'd have to explain why it achieves that and depends upon the 3300 ppm per degree change in resistance found in copper wire and metal film resistors as part of its temperature independence. There is an article on that from the 1990's, somewhere.

First, you specify a single LED manufacturer and part number. The range in Vf from part to part will not be as great as you suggest (not 0.5V).

Second, small variations in brightness are not readily detectable to the eye. So you don't have to worry about small variations from unit-to-unit.

Third, when possible, you power the LED's from a regulated voltage, not the battery, so that you remove one source of variation.

Fourth, when the only power source available is variable (such as a battery), you drive the LED with a current source instead of a voltage source with a current limiting resistor. If there is at least one regulated voltage available (even if it is a low voltage), it is pretty easy to make a satisfactory current source for driving an LED indicator using only one transistor and a few resistors. This is cheap but does take up room on highly space constrained designs.

If there is not even one single regulated voltage available, you can still make a decent current source using two diodes in series as a voltage reference.

I am not sure if I am a real engineer, but I have had to do all this stuff while designing consumer products, and that is how I dealt with it. One other thing that can really get you with LED indicators is when heavy loads cause the battery voltage to sag. For example, a vibration motor or speaker may cause battery voltage to droop on some products. That droop may cause a noticeable flicker or variation in the LED brightness when the LED is driven from the battery. This is another reason to use a current source instead.

Here is a current source for when the LED is powered from the battery, but you have a GPIO signal available which is derived from a regulated voltage:

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

In the above schematic, it doesn't matter if the LED is powered from 3.3V or VBATT or whatever, as long as the GPIO is powered from a regulated source. I copied this from another answer. You would want to tweak the emitter resistor to get the specific current you are looking for. When there is not much overhead available, you can also reduce R2 so that the base voltage is less than 1V.

Here is a circuit for when there is no regulated voltage available:

^{simulate this circuit}

In the above circuit, D1 and D2 act as a voltage reference. The voltage will vary, but not as much as the battery voltage. This constant voltage at the base of Q1 is then leveraged into a constant voltage across R3, and thus, constant collector current (the transistor will not be saturated unless VBATT is very low). I haven't actually done this in a production design, but I believe it would work OK.

Compared with a simple saturated switch, both circuits do a good job of maintaining the desired current even when there is barely enough voltage available to keep the LED illuminated.

Here are some simulation results comparing the simple saturated switch with current limiting resistor (D1), vs the voltage divider reference circuit (D2) vs the two-diode reference (D5). This is with a 3V LED. Note that the resistor values have been tweaked to get around 9mA at VBATT = 4.2V.

As you can see, the current source with the voltage divider reference maintained good performance to, let's say 3.35V. So it only needs around 350mV of overhead.

The two diode reference circuit maintained good performance down to around 3.45V, which is around 450mV of overhead.

The standard circuit really doesn't maintain a regulated current at all. Current drops linearly with battery voltage.

Also note that the two-diode reference circuit and the voltage divider reference circuit both have higher current at all battery voltages compared to the standard circuit, except for at the max battery voltage.

This is a common issue with using a resistor as the current limiting device, and a voltage source that is only a small voltage distance above the LEDs operating voltage range, AND an LEDs forward voltage range being so broad.

Firstly to explain, the LEDs forward voltage "range" is not a range you can select to operate it at, its the range of voltages the LED will possibly operate at IF given the correct current (the forward current) (this voltage will vary from unit to unit, and from batch to batch).

Without changing any of your hardware, the correct resistor to design the circuit is to use lowest possible voltage in the vf range (2.0v) to do your calculations with, this means the units with an actual vf of 2.0v will run at the max forward current and hence brightness, and those with a higher vf (>2.0) will run at less current and less brightness than the max design of this type of LED, but at least any unit of this model LED will operate within safe limits.

So if you wanted to improve or correct the 3 reasons I gave, if for example your application cant tolerate lower brightness from the LED, you could do either of: 1) using a better current limit circuit than a simple resistor. there are some chips that do this. 2) using a higher voltage above the forward voltage. 3) using an LED with a narrower range of forward voltage specification.