Syy, miksi emme voi kiinnittää vain jännitelähdettä (kuten akkua) LED-valoon, on se, että hyvin pieni jännitteenmuutos johtaa erittäin suureen virranmuutokseen. Tämä suhde riippuu myös lämpötilasta, joten vakaan piirin luominen on erittäin vaikeaa.
Vastuksen asettaminen sarjaan LEDin kanssa tekee nykyisestä jännitteestä vähemmän samanlaisen kuin LED ja enemmän kuin vastuksen. Tunnemme tämän suhteen hyvin Ohmin laista: \ $ E = IR \ $, jännite on virran ja vastuksen tulo. Siten virta kasvaa edelleen jännitteen mukana, mutta on olemassa paljon laajempi jännitealue, jonka yli LED-virta on määriteltyjen rajojen sisällä.
Vastuksen ongelma on, että se hukkaa energiaa lämpönä. Virta on jännitteen ja virran tulo: \ $ P = IE \ $. Joten jos meillä on LED, joka toimii \ $ 20mA \ $ ja \ $ 1.5V \ $, ja virtalähteenä se on $ 12V \ $ -akku ja vastus, vastuksen yli olevan jännitteen on oltava $ 12V- 1,5 V = 10,5 V \ $ ja virta on sama kuin LED: ssä, \ $ 20mA \ $. Siten vastuksessa hukattu teho on \ $ 20mA \ cdot 10.5V = 210mW \ $. LEDin teho on \ $ 20mA \ cdot 1.5V = 30mW \ $. Voit nähdä, että suurin osa energiastamme menee kohti vastuksen lämmittämistä eikä LEDin virran kytkemistä.
Joillakin paristoilla (erityisesti kolikkokennoilla) on korkea sisäinen vastus. Heillä on käytännössä iso vastus sarjassa heidän kemiansa ja rakenteensa seurauksena. Nämä paristot eivät voi toimittaa paljon virtaa, koska jos ne toimivat, jännite laskee yli sisäisen vastuksen (Ohmin lain mukaan). Näiden paristojen avulla virtaa rajoittava vastus on itse asiassa luonnostaan akulle ominainen ja voit liittää LEDin suoraan siihen.
Mutta entä jos et käytä kolikkokennoa etkä halua tuhlata energiaa vastukseen tai tarvitset parempaa virran (kirkkauden) säätöä kuin yksinkertainen vastus voi tarjota? Tarvitset nykyisen lähteen. Suurin osa energialähteistämme (paristot, seinämän syyliä) ovat jännitelähteitä: ne yrittävät tuottaa vakion jännitteen, ja virta on mitä tahansa tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Virtalähde yrittää tarjota vakiovirran, ja jännite on mikä tahansa tarvittava.
Yksi tapa muuntaa jännitelähde virtalähteeksi on kytkentäinen DC-DC-muunnin, kuten tämä:
Tässä piirissä on joitain yksityiskohtia, jotka ovat hieman erilaisia, koska piirsin sen toiseen kysymykseen, mutta se pätee edelleen. D1: n ei tarvitse olla IR-LED; mikä tahansa LED toimii. Vaikka 555-tietolehden mukaan se vaatii vähintään 4,4 V, se toimii 3 V: lla. Voit käyttää mitä tahansa 555: n 18 V: n maksimiin asti, ja piiri toimii edelleen. Tämä ei ole hienostunut tai ihanteellinen ratkaisu, mutta se osoittaa idean yksinkertaisesti komponenttien kanssa, joita sinulla todennäköisesti on käytettävissä.
Kehittyneempi toteutus käyttää parempaa ajastinta kuin 555, kuten mikro-ohjain, tai yksi monista IC: stä, jotka on suunniteltu juuri tähän sovellukseen. Se todennäköisesti toimii korkeammalla taajuudella pienemmän induktorin ja suuremman hyötysuhteen mahdollistamiseksi. Sillä on myös jonkinlainen takaisinkytkentäreitti säätämään käyttöjaksoa halutun virran ylläpitämiseksi. Se voi tehdä tämän hall-efektianturilla tai korvaamalla Q1 MOSFETillä ja mittaamalla sen yli olevan jännitehäviön tai asettamalla pieniarvoisen vastuksen polulle ja mittaamalla kyseisen jännitteen. Kun tällainen takaisinkytkentämekanismi on paikallaan, ledi ylläpitää täsmälleen saman kirkkauden laajalla tulojännitealueella.
Näiden asioiden suunnittelu on itsessään aihe, mutta tässä on lyhyt kuvaus sen toiminnasta. 555 tuottaa neliöaallon noin 20 kHz: n taajuudella. R1: n säätäminen muuttaa tämän neliöaallon toimintajaksoa ja siten LEDin kirkkautta.
Kun 555: n lähtö on matala, Q1 kytketään päälle ja L1 näkee melkein koko akun jännitteen. Tämä saa virran virtaamaan L1: ssä, ensin hitaasti, sitten nopeammin.
Kun 555 nousee korkealle, Q1 sammuu. Nyt L1: n yläosaa ei ole kytketty akkuun. Virran on jatkettava virtaamista sillä nopeudella, jolla se juuri virtasi (tätä tekevät induktorit), niin että L1: n yläosasta tulee mitä tahansa negatiivista jännitettä, jota tarvitaan D1: n sytyttämiseen missä tahansa L1: n virrassa, kun Q1 sammutettiin. / p>
Kun Q1 pysyy pois päältä, L1: ään varastoitu energia muuttuu valoksi ja lämmöksi D1: n avulla, ja virta L1: ssä ja D1: ssä vähenee.
Jossakin vaiheessa Q1 kääntyy uudelleen päälle, ja tämä toistuu.