La razón por la que no podemos conectar una fuente de voltaje (como una batería) a un LED es que un cambio muy pequeño en el voltaje conduce a un cambio muy grande en la corriente. Esta relación también depende de la temperatura, por lo que es muy difícil hacer un circuito estable.
Poner una resistencia en serie con el LED hace que la relación de corriente-voltaje sea menos como un LED y más como una resistencia. Conocemos bien esta relación por la ley de Ohm: \ $ E = IR \ $, el voltaje es el producto de la corriente y la resistencia. Por lo tanto, la corriente aún aumenta con el voltaje, pero hay un rango de voltajes mucho más amplio sobre el cual la corriente del LED estará dentro de las especificaciones.
El problema con la resistencia es que desperdicia energía como calor. La potencia es el producto del voltaje y la corriente: \ $ P = IE \ $. Entonces, si tenemos un LED que está funcionando a \ $ 20mA \ $ y \ $ 1.5V \ $, y lo estamos alimentando con una batería de $ 12V \ $ y una resistencia, el voltaje sobre la resistencia debe ser de $ 12V 1.5V = 10.5V \ $ y la corriente es la misma que en el LED, \ $ 20mA \ $. Por lo tanto, el poder desperdiciado en la resistencia es \ $ 20mA \ cdot 10.5V = 210mW \ $. La potencia en el LED es \ $ 20mA \ cdot 1.5V = 30mW \ $. Puede ver que la mayor parte de nuestra energía se destina a calentar la resistencia y no a encender el LED.
Algunas baterías (en particular las celdas de monedas) tienen una alta resistencia interna. Tienen efectivamente una gran resistencia en serie con ellos como consecuencia de su química y construcción. Estas baterías no pueden suministrar mucha corriente, porque si lo hacen, el voltaje caerá sobre la resistencia interna (según la ley de Ohm). Con estas baterías, efectivamente tiene la resistencia limitadora de corriente intrínseca a la batería, y puede conectar el LED directamente a ella.
¿Pero qué sucede si no está utilizando una celda de moneda y no quiere gastar energía en una resistencia, o necesita una mejor regulación de la corriente (brillo) de la que puede proporcionar una resistencia simple? Lo que necesitas es una fuente actual. La mayoría de nuestras fuentes de energía (baterías, verrugas) son fuentes de voltaje: intentan proporcionar un voltaje constante, y la corriente será lo que sea necesario para lograr ese objetivo. Una fuente de corriente intenta proporcionar una corriente constante, y el voltaje será lo que sea necesario.
Una forma de convertir una fuente de voltaje en una fuente de corriente de manera eficiente es con un convertidor DC-DC de modo conmutado, como este:
Hay algunos detalles de este circuito que son un poco diferentes porque lo dibujé para una pregunta diferente, pero aún se aplica. D1 no necesita ser un LED IR; Cualquier LED funcionará. Aunque la hoja de datos 555 dice que requiere un mínimo de 4.4V, funciona en 3V. Puede usar cualquier cosa hasta el máximo de 55 V del 555 y el circuito seguirá funcionando. Esta no es una solución sofisticada o ideal, pero demuestra la idea simplemente con los componentes que probablemente tenga a mano.
Una implementación más sofisticada utilizará un temporizador mejor que el 555, como un microcontrolador, o uno de los muchos circuitos integrados diseñados específicamente para esta aplicación. Probablemente operará a una frecuencia más alta para permitir un inductor más pequeño y una mayor eficiencia. También tendrá alguna ruta de retroalimentación para ajustar el ciclo de trabajo para mantener la corriente deseada. Puede hacer esto con un sensor de efecto Hall, o reemplazando Q1 con un MOSFET y midiendo la caída de voltaje sobre eso, o colocando una resistencia de bajo valor en la ruta y midiendo ese voltaje. Con un mecanismo de retroalimentación en su lugar, su LED mantendrá exactamente el mismo brillo en una amplia gama de voltajes de entrada.
El diseño de estas cosas es un tema en sí mismo, pero aquí hay una breve explicación de cómo funciona. El 555 genera una onda cuadrada en algún lugar alrededor de 20 kHz. El ajuste de R1 cambiará el ciclo de trabajo de esta onda cuadrada y, por lo tanto, el brillo del LED.
Cuando la salida del 555 es baja, Q1 está activado y L1 ve casi la tensión total de la batería. Esto hace que una corriente fluya en L1, lentamente al principio y luego más rápidamente.
Cuando el 555 sube de nivel, Q1 se apaga. Ahora el lado superior de L1 no está conectado a la batería. La corriente debe continuar fluyendo a la velocidad que estaba fluyendo (esto es lo que hacen los inductores), de modo que la parte superior de L1 se convertirá en el voltaje negativo necesario para encender D1 a la corriente de L1 cuando Q1 se apagó. / p>
Como Q1 permanece apagado, la energía almacenada en L1 se convertirá en luz y calor mediante D1, y la corriente en L1 y D1 disminuirá.
En algún momento, Q1 se vuelve a encender, y esto se repite.