題:
使用與LED串聯的電阻器來控制其電壓會增加總能量消耗嗎?
Exocytosis
2019-08-13 21:37:41 UTC
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這聽起來像是一個愚蠢的問題,但我想確認一下。我在YouTube上觀看了有關使用LED的視頻。這些LED在20 mA時需要2伏左右的電壓。

為了使用5伏電源為一個LED供電,作者串聯了一個電阻。他計算出他需要大約150歐姆(使用U = RI,5-2 = 3伏,3V / 20mA = 150ohms)。

我感到不安的是,為了控制電壓,電阻器也必須消耗能量。 P = UI,因此3x20mA = 60mW,在LED頂部2x20mA = 40mW。換句話說,將+ 150%的能源消耗增加到點亮LED的實際需求中。

我是否缺少某些東西?或者僅僅為了能夠使用需要較低電壓的電子組件而花費額外的能量? 第二個問題,有沒有辦法避免對這種類型的電路(5V電源,2V LED)這樣做?

-備註-

  1. 我用電壓而不是電流來形容,因為這是本·伊特爾(Ben Eater)在視頻中的呈現方式
  2. 我對使用額外的組件以減少本地消耗,同時在整體上將電路引入浪費時的總體問題最為感興趣。這不僅僅與LED有關,在這裡僅作為示例,因此建議這與“如何有效驅動LED?”重複。遺漏了要點(儘管我同意問題的第二部分是相關的)。
  3. ol>
“我是否缺少某些東西?或者僅僅為了能夠使用需要較低電壓的電子組件而花費額外的能量?”另一種選擇是使用LDO,降壓轉換器或PWM模塊等來轉換電壓。
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我建議在問題標題中將“電壓”替換為“電流”,因為這是電阻器要控制的內容。
@GlenYates然後,其他具有相同(常見)誤解的人將找不到問題。
@pipe和其他選擇也不是完全免費的(效率要高得多)。下次我會說得更好。
六 答案:
JRE
2019-08-13 23:25:03 UTC
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您有正確的主意。部分。

與串聯電阻器一起使用的LED確實浪費了電阻器中消耗的能量。根據電源電壓的不同,電阻器中浪費的能量可能比LED浪費的更多。

到目前為止,您是正確的。

我要糾正的想法是,電阻在那裡可以降低電壓。

電阻在那裡限制電流。

LED是電流驅動的設備。正向電壓隨電流和溫度變化。

要使LED保持穩定的亮度,請調節電流。

您會注意到,串聯電阻的計算使用了所需的LED電流。取電源電壓與LED的正向電壓(大約)之差,然後將其除以電流,即可得出串聯電阻的值。

如果您嘗試僅通過調節電壓來調節LED,則將很快損壞LED。在正向電壓以下,LED根本不亮。剛好高於正向電壓時,LED成為短路的次佳選擇。兩者之間只有很小的範圍,它點亮並僅流過一點電流。

僅用穩壓器就不可能達到這個很小的範圍-它會隨溫度和電流移動moves-電流會使LED變暖,而變暖會使LED傳導更多。您會通過某種測量電流的反饋電路來上下隨意地改變電壓。

或者,只需調節電流即可。提供的電流不要超過以所需的亮度點亮LED所需的電流,並讓電壓隨心所欲-電壓無關緊要。

您的答案是最接近正確的答案。
@GSLI:我在其他兩個小時之後發布了我的答案。它還在爬。而且,如果它保持較低的投票率,那麼,沒什麼大不了的。
您沒有回答有關如何在不浪費大量能量的情況下如何使用5V電源的這種LED的第二個問題。
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@Exocytosis: [此問題及其答案提供了有關高效LED驅動器的更多信息。](https://electronics.stackexchange.com/questions/55823/how-can-i-ficiently-drive-an-led)我真的只發布了我的回答是要解決您的假設,即您需要調節電壓。儘管這並未嚴格解決您的問題,但這似乎引起了很多人的共鳴。
當然,用某種測量電流的反饋電路來改變電壓正是恆流電源的作用。這種反饋迴路在現代世界中無處不在,開關電源無處不在。我們只是在改變我們“反饋”的測量類型。這是非常有效的,而且一點都不實際。
每個LED之間的正向電壓也不同。
關於*“它隨溫度和電流而移動” *:不,僅溫度。電流不是理想電壓源的自由參數-電流由電壓確定(儘管對電壓的微小變化非常敏感)。(由於[正向電壓的負溫度係數為-2 mV /°C](https://electronics.stackexchange.com/questions/13195/diode-temperature-effect/13196#13196),因此如果電壓足夠高,則會導致熱失控。)
@JRE:不,不是,所以我不會選擇您的答案。實際上,我的“假設”與您的假設相反。我觀看了此視頻(https://m.youtube.com/watch?v=poWJTSV4Yio),作者改變了電壓,以顯示LED在低於,高於和高於要求的電壓下的行為。因此,在下一個視頻中,我們將假定添加的電阻器也用於控制電壓。但是,我始終牢記電力背後的物理原理,對我來說很明顯,在高電壓下會破壞LED的是移動電荷載流子,即電流。
TimWescott
2019-08-13 21:53:19 UTC
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是的,那個電阻浪費了功率。

如果作者使用LED作為指示燈,那麼他們由於選擇LED而浪費了更多的電力。需要20mA電流才能在明亮的房間中顯示的LED是1970年代的典型技術。如果您購買更高亮度的LED,則會以20mA的電流炸開眼球,並且會發現電流降至1mA左右。這樣一個帶有匹配電阻的LED在3.3V時將使用3.3mW,而僅20mA,1.5V的LED(不要在意電阻)將使用30mW。

降低電路功耗的最終方法是使用您能找到的最高效的LED,並使用開關轉換器為它們供電。一個好的開關轉換器的效率在80%到95%之間,因此,您所消耗的功率比LED還要多25%到5%。但是,您必須為每個LED(或LED串)使用一個,並且很難為每個指示燈證明一個超高效的開關轉換器。

到目前為止最好的答案。Umar提到的恆流電路怎麼樣?
@Exocytosis:我不想長的複雜答案,所以我省略了開關電路需要恆定電流輸出(或至少具有相當高的阻抗輸出)的地方。為了有效,這種恆流源將需要切換。
只是出於好奇,這些電源會產生恆定的恆定電流還是振蕩的電流?我之所以這樣問,是因為我在原理圖和Wikipedia頁面描述中看到了使用電容器脈衝電荷的方式的振盪器,這讓我想知道這怎麼可能最終保持恆定(除非我想很低的通濾波器會過濾輸出)。
只要不斷增加組件,就可以任意減小電流紋波。使紋波小於1%是一件容易的事。
Andy aka
2019-08-13 21:45:33 UTC
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不,您沒有丟失任何東西。電阻消耗的能量是浪費的,但是,如果您考慮使用數十個或數百個LED的電路,則可以考慮使用降壓穩壓器將LED電路的電源電壓降低到3伏,從而為每個LED節省大量的淨功率。驅動器。

您仍然需要一個50歐姆的電阻,但它只會下降1伏左右,並且僅消耗20 mW。

好消息是,許多現代LED只需幾個mA即可為“標準”應用獲得足夠的亮度。

User323693
2019-08-13 22:05:45 UTC
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我要提到的一點是要用作驅動LED的電路。當需要驅動多個LED時,恆流電路可以派上用場,以節省功率。

通常,期望以剛好接近正向渦降的電壓來驅動LED。僅需要電壓來偏置LED。亮度應受通過它的電流的控制。BJT和運算放大器可以充當簡單的恆流電路。當驅動串聯LED或大功率LED時,該問題至關重要。

應根據LED的數量以及成本或功率標準來做出決定。保持與電阻器組合不變。如果必須節電,請重新考慮電源電壓水平和LED選項的整個策略。其他答案已經使低功耗選項成為現實

這是一個非常正確的觀點。經過一定數量的電阻器後,在PCB空間,組件成本和電路複雜性方面,使用恆流機制變得更具成本效益,該恆流機制可能僅需要2個BJT和2個電阻器。
@Umar:為什麼會部分回答?我對您使用恆定電流電路的觀點很感興趣(這里希望有簡短的介紹),但是您沒有回答主要問題。這看起來像是要寫為評論而不是答案的東西。請完成您的答案。
但是這些電路難道不是光榮的電阻器(仍然浪費熱量)嗎?
GSLI
2019-08-14 00:35:25 UTC
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這就是您所缺少的。您的電源具有給定的電勢:5 V.這不會消失。當在無法承受的元件上施加5 V電壓時,您必須做一些額外的電位操作,否則電路中的電壓/電流比將失衡-元件將被損壞(在這種情況下為LED)。

LED本身並不堅固,無法抵抗施加在其上的電勢-這就是為什麼數據表告訴您它只能承受2VDC的電勢。那是第一件事。第二件事是有多少電流流過-在這種情況下,數據表顯然顯示為20 mA。請理解,僅由於數據表提供的最大電流值為20mA,並不意味著您應該實際在該級別上操作設備(或者應該)。根據顏色,通常在8-10 mA和20 mA之間不會有明顯的差異。

您使用的電阻器有很多作用-它佔用了LED無法承受的電壓的餘量,並且將通過LED的電流限制為您希望通過它的電流。

電阻散發的熱量過量或殘留;實際上,僅是您將LED限制在的電流量所產生的熱量。這很重要。電阻器無法消散沒有流過的能量。當然,承載著電源的全部電流。

所以,歐姆定律說:

  R = E / I
R =(5 V-2 V)/ 0.008安
R = 3 V / 0.008安
R = 375歐姆
 

在這種情況下,我們將使用360歐姆(這是最接近的電阻)。

  I = E / R
I =(5 V-2 V)/ 360Ω
I = 3 V / 360Ω
I = 0.0083 A(或8.3 mA)。
 

現在,您知道有多少電流在流動,要使用什麼電阻器,就可以根據其耗散量來計算所需電阻的脂肪量:

瓦特定律在這裡很方便:

  P = I * E
P = 0.0083 A * 3 V
P = 0.0249瓦
P = 24.9毫瓦
 

現在您知道耗散了多少能量,可以調整電阻的大小。8瓦(1/8瓦)的電阻將耗散125mW。為了安全起見,您需要一個可以處理兩次 功率要求的電阻。因此,2 * 24.9 mW = 49.8 mW。這個小數目遠遠小於125mW,因此您可以使用8瓦電阻器。

我希望能幫上忙。

它仍然浪費能源,因為它沒有被轉換成有用的光。
@GSLI:不是重點。查看TimWescott的答案,它涵蓋了我的實際需求。
@Exocytosis-我讀了他的回答,這為您提供了很多信息,有些信息不准確,但沒有向您確切說明正在消耗多少能量,原因和位置。這樣,您可以學到一些東西,而不必再次詢問。您問:“將使用與LED串聯的電阻器來控制其電壓會增加總能量消耗嗎?”固定答案是“否”。如果有的話,電阻器會減少能量消耗,這就是電阻器的關鍵所在。
您確定這就是瓦特定律嗎?
關於*“ 8瓦(1/8瓦)電阻會耗散250 mW” *:您的意思不是125 mW嗎?
不好意思,是的。謝謝。
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我認為在TP和其他產品上所丟失的是這個事實:如果要在組件上施加的電壓超出其額定值,則必須處理該電壓。因為無論如何佈線,您都在創建分壓器,以便僅降低組件可以承受的電壓。
Harper - Reinstate Monica
2019-08-15 07:56:25 UTC
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LED被設計為以特定的電流驅動。

驅動它們的理想方法是使用電流源,例如以恆定電流模式運行的開關電源。這通常是效率最高的,但是在這樣的很小負載下,其開銷可能比電阻器差。

從本質上講,電阻器是將恆壓源轉換為電流源的一種超級便宜的方法(我沒有說恆定)。像任何阻性穩壓器(想想LM7805)一樣,它浪費大量能量作為熱量。



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