LEDをバッテリーに直接接続することはできません。これは、LEDが大量の電流を消費するためです。したがって、電流を制限するには、回路内に何か他のものがなければなりません。どんなオプションがありますか？一部の方法は他の方法よりも効率的ですか？

LEDをオンにするには、最低電圧が必要です。この電圧はLEDの種類によって異なりますが、通常は1.5V〜4.4Vの範囲内です。この電圧に達すると、電流は電圧とともに非常に急速に増加し、LEDの小さな抵抗によってのみ制限されます。そのため、電源が十分な電流を供給できず、電圧が低下するか、LEDが破壊されるまで、これよりはるかに高い電圧ではLEDに非常に大きな電流が流れます。

上記は、LEDの電流と電圧の関係の例です。電流は電圧とともに非常に急速に上昇するため、通常は、LEDの両端の電圧が電流に関係なく一定の値であると想定することにより、分析を簡素化できます。この場合、2Vは適切に見えます。

バッテリー全体

バッテリーは完璧な電圧源ではありません。端子間の抵抗が減少し、消費電流が増加すると、バッテリー端子の電圧が低下します。そのため、バッテリーが供給できる電流には制限があります。バッテリーがLEDを破壊するほど多くの電流を供給できず、この電流を供給してもバッテリー自体が破壊されない場合、LEDをバッテリー全体にまっすぐに配置するのが最も簡単で効率的な方法です。

ほとんどのバッテリーはこれらの要件を満たしていませんが、一部のコイン電池は満たしています。あなたは、LED throwiesからそれらを知っているかもしれません。

直列抵抗

LED電流を制限する最も簡単な方法は、抵抗を直列に配置することです。オームの法則から、抵抗を流れる電流は、抵抗を横切る電圧を抵抗で割った値に等しいことがわかっています。したがって、抵抗の電圧と電流の間には線形の関係があります。LEDと直列に抵抗を配置すると、上記の電圧電流曲線が平坦化され、電源電圧のわずかな変化によって電流が急激に増加することがなくなります。急進的にではなく、電流は依然として増加します。

抵抗の値は簡単に計算できます。電源電圧からLEDの順方向電圧を引くと、これが抵抗にかかる電圧になります。次に、オームの法則を使用して、LEDに必要な電流を得るために必要な抵抗を見つけます。

ここでの大きな欠点は、抵抗器が電気エネルギーを熱に変換することで電圧を下げることです。これらのいずれかを使用して、抵抗器の電力を計算できます。

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

抵抗器の電力は、光を生成するために使用されない電力です。それでは、なぜ供給電圧をLED電圧に非常に近づけないので、非常に大きな抵抗器を必要とせず、電力損失を削減できるのでしょうか。抵抗器が小さすぎると、電流を適切に調整できず、回路には、抵抗器がまったくないかのように、温度、製造上の変動、および供給電圧に伴う電流の大きな変動が生じるためです。経験則として、抵抗の電圧の少なくとも25％を落とす必要があります。したがって、直列抵抗で75％を超える効率を達成することはできません。

単一の電流制限抵抗を共有して、複数のLEDを並列に接続できるかどうか疑問に思われるかもしれません。できますが、結果は安定せず、1つのLEDがすべての電流を独占し、損傷する可能性があります。多くの並列LEDに単一の抵抗器を使用できないのはなぜですか？を参照してください。。

線形電流源

目標がLEDに定電流を供給することである場合、LEDへの電流をアクティブに調整する回路を作成してみませんか？これは現在のソースと呼ばれ、ここでは通常のパーツで構築できる例を示します。

仕組みは次のとおりです。Q2はR1を介してベース電流を取得します。Q2がオンになると、D1、Q2、R2に大きな電流が流れます。この電流がR2を流れると、R2の両端の電圧が増加する必要があります（オームの法則）。R2の両端の電圧が0.6Vに増加すると、Q1がオンになり、Q2からベース電流を盗み、D1、Q2、およびR2の電流を制限します。

したがって、R2は電流を制御します。この回路は、R2の両端の電圧を0.6V以下に制限することにより機能します。したがって、R2に必要な値を計算するには、オームの法則を使用して、0.6Vで必要な電流を与える抵抗を見つけることができます。

しかし、私たちは何を得ましたか？これで、直列抵抗ではなく、Q2とR2で過剰な電圧が降下します。それほど効率的ではなく、はるかに複雑です。どうしてわざわざ？

直列抵抗を使用する場合、適切な電流レギュレーションを得るには、合計電圧の少なくとも25％が抵抗にかかる必要があることに注意してください。それでも、電流は供給電圧に応じて少し変化します。この回路では、すべての条件下で電流が電源電圧に対してほとんど変化しません。多くのLEDをD1と直列に接続して、合計の電圧降下が20 Vになるようにすることができます。その後、R2にはさらに0.6Vが必要になりますが、Q2には十分な余裕があります。供給電圧は21.5Vになる可能性があり、LED以外のものでは1.5Vしか無駄にしません。これは、効率が近づくことができることを意味します。これは、直列抵抗で75％をマスターできるよりもはるかに優れています。$20V / 21.5V = 93 \%$

スイッチモード電流源

究極のソリューションとして、100％の効率で（少なくとも理論的には）LEDを駆動する方法があります。スイッチドモード電源と呼ばれ、インダクタを使用して、LEDを駆動するのに必要な電圧に正確に変換します。これは単純な回路ではなく、実際のコンポーネントは理想的ではないため、実際に完全に100％効率化することはできません。ただし、適切に設計されていれば、これは上記の線形電流源よりも効率的であり、より広い範囲の入力電圧にわたって所望の電流を維持できます。

以下は、通常のパーツで構築できる簡単な例です。

この設計が非常に効率的であるとは主張しませんが、動作の原理を実証するのに役立ちます。仕組みは次のとおりです。

U1、R1、およびC1は方形波を生成します。R1を調整すると、デューティサイクルと周波数、したがってLEDの輝度が制御されます。

出力（ピン3）がローになると、Q1がオンになります。インダクタL1に電流が流れます。この電流は、エネルギーがインダクタに蓄積されるにつれて大きくなります。

次に、出力が高くなります。Q1がオフになります。ただし、インダクタは電流のフライホイールとして機能します。L1に流れていた電流は流れ続ける必要があり、それを行う唯一の方法はD1を経由することです。L1に蓄積されたエネルギーはD1に転送されます。

出力は再びローになるため、回路はL1にエネルギーを蓄積することとD1にエネルギーをダンプすることを交互に繰り返します。そのため、実際にはLEDが急速に点滅しますが、25kHz付近では見えません。

これについてのきちんとしたことは、電源電圧が何であれ、D1の順方向電圧が何であっても関係ありません。実際、多くのLEDをD1と直列に配置することができ、LEDの総順方向電圧が供給電圧を超えても、それらは点灯し続けます。

いくつかの追加の回路を使用して、D1の電流を監視し、R1を効果的に調整するフィードバックループを作成して、LEDが幅広い供給電圧にわたって同じ輝度を維持できるようにします。バッテリーが少なくなってもLEDを明るくしたい場合に便利です。U1をマイクロコントローラーに置き換えて、これをより効率的にするために、あちこちで調整を行います。

もう1つの方法がありますが、あまり一般的ではありません。非常にシンプルな1つのLEDに適しています。約4vから20vの範囲で何でも投げることができ、LEDにほぼ一定の電流を喜んで与えます。

青は入力電圧、20v〜4vです。緑はLEDへの電流で、約12mAです。赤は、JFETによって消費される電力です。データシートはこちら。

使用できるLEDドライバーオプションのコレクションを次に示します。

^{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}

それは多くの要因に依存するので、まったく真実ではありません。

LEDの問題は、1）伝導が開始されると、電圧が少し増加すると電流が大幅に増加することです。適切な組み合わせでは、損害を意味する可能性があります。2）LEDが熱くなると、順方向電圧降下が低下し、LEDを流れる電流が上昇します。その結果、LEDの電力消費が増加し、LEDが加熱されます。それは悪循環につながります。

そのため、これを回避する1つの方法は、LEDの電流が上昇するとLEDの両端の電圧が低下するように、負帰還を導入することです。

それを行う多くの方法。抵抗器、センサー、アクティブ制御など