Il motivo per cui non possiamo semplicemente collegare una sorgente di tensione (come una batteria) a un LED è che una variazione molto piccola della tensione ai capi porta a una variazione molto ampia della corrente. Questa relazione dipende anche dalla temperatura, quindi è molto difficile creare un circuito stabile.
Mettendo un resistore in serie con il LED, il rapporto corrente-tensione diventa meno simile a un LED e più simile a un resistore. Conosciamo bene questa relazione dalla legge di Ohm: \ $ E = IR \ $, la tensione è il prodotto di corrente e resistenza. Pertanto, la corrente aumenta ancora con la tensione, ma esiste una gamma molto più ampia di tensioni su cui la corrente del LED rientra nelle specifiche.
Il problema con il resistore è che spreca energia sotto forma di calore. La potenza è il prodotto di tensione e corrente: \ $ P = IE \ $. Quindi se abbiamo un LED che funziona a \ $ 20mA \ $ e \ $ 1.5V \ $ e lo stiamo alimentando con una batteria \ $ 12V \ $ e un resistore, la tensione sul resistore deve essere \ $ 12V- 1,5 V = 10,5 V \ $ e la corrente è la stessa del LED, \ $ 20mA \ $. Pertanto, la potenza sprecata nel resistore è \ $ 20mA \ cdot 10.5V = 210mW \ $. La potenza del LED è \ $ 20mA \ cdot 1.5V = 30mW \ $. Puoi vedere che la maggior parte della nostra energia è destinata a riscaldare il resistore e a non alimentare il LED.
Alcune batterie (in particolare le celle a bottone) hanno un'elevata resistenza interna. Hanno effettivamente un grosso resistore in serie con loro come conseguenza della loro chimica e costruzione. Queste batterie non possono fornire molta corrente, perché se lo fanno, la tensione scenderà oltre la resistenza interna (per la legge di Ohm). Con queste batterie, hai effettivamente il resistore limitatore di corrente intrinseco alla batteria e puoi collegare il LED direttamente ad esso.
Ma cosa succede se non si utilizza una cella a bottone e non si desidera sprecare energia in un resistore o è necessaria una regolazione della corrente (luminosità) migliore di quella che può fornire un semplice resistore? Quello di cui hai bisogno è una fonte attuale. La maggior parte delle nostre fonti di energia (batterie, verruche) sono fonti di tensione: cercano di fornire una tensione costante e la corrente sarà tutto ciò che è necessario per raggiungere tale obiettivo. Una sorgente di corrente cerca di fornire una corrente costante e la tensione sarà quella necessaria.
Un modo per convertire una sorgente di tensione in una sorgente di corrente in modo efficiente è con un convertitore CC-CC a commutazione, come questo:
Ci sono alcuni dettagli di questo circuito che sono un po 'diversi perché l'ho disegnato per una domanda diversa, ma si applica comunque. D1 non deve essere un LED IR; qualsiasi LED funzionerà. Sebbene la scheda tecnica 555 dica che richiede un minimo di 4,4 V, funziona a 3 V. Puoi usare qualsiasi cosa fino al massimo di 18V del 555 e il circuito funzionerà ancora. Questa non è una soluzione sofisticata o ideale, ma dimostra l'idea semplicemente con i componenti che probabilmente hai a portata di mano.
Un'implementazione più sofisticata utilizzerà un timer migliore del 555, come un microcontrollore, o uno dei tanti circuiti integrati progettati proprio per questa applicazione. Probabilmente funzionerà a una frequenza più alta per consentire un induttore più piccolo e una maggiore efficienza. Avrà anche un percorso di feedback per regolare il ciclo di lavoro per mantenere la corrente desiderata. Può farlo con un sensore ad effetto hall, o sostituendo Q1 con un MOSFET e misurando la caduta di tensione su quello, o inserendo un resistore di basso valore nel percorso e misurando quella tensione. Con un tale meccanismo di feedback in atto, il tuo LED manterrà esattamente la stessa luminosità su un'ampia gamma di tensioni di ingresso.
La progettazione di queste cose è un argomento in sé, ma ecco una breve spiegazione di come funziona. Il 555 genera un'onda quadra da qualche parte intorno ai 20 kHz. La regolazione di R1 cambierà il ciclo di lavoro di questa onda quadra, e quindi la luminosità del LED.
Quando l'uscita del 555 è bassa, Q1 è acceso e L1 vede quasi la piena tensione della batteria. Questo fa sì che una corrente fluisca in L1, prima lentamente, poi più rapidamente.
Quando il 555 diventa alto, Q1 si spegne. Ora il lato superiore di L1 non è collegato alla batteria. La corrente deve continuare a fluire alla velocità con cui scorreva (questo è ciò che fanno gli induttori), in modo che la gamba superiore di L1 diventerà qualsiasi tensione negativa necessaria per accendere D1 a qualunque corrente fosse in L1 quando Q1 si è spento.
Quando Q1 rimane spento, l'energia immagazzinata in L1 verrà convertita in luce e calore da D1 e la corrente in L1 e D1 diminuirà.
Ad un certo punto, Q1 viene trasformata di nuovo, e questo si ripete.