Reequipar una llum empenta LED: 9 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Aquest projecte va començar perquè tenia un llum d’empenta LED al meu armari que no era prou brillant perquè pogués veure-ho bé. Vaig pensar que les bateries s’estaven descarregant, però quan les vaig substituir no es van fer més brillants. Vaig pensar que obriria la llum per veure què passava a l'interior i si podia afegir fàcilment alguns LEDs per fer-lo més brillant. Però, per descomptat, els LED de colors fan que cada projecte sigui més divertit, de manera que vaig decidir afegir-hi LEDs vermells, verds i blaus. Això semblava una oportunitat perfecta per escriure alguna cosa per al concurs Made with Math: si no esteu familiaritzat amb la llei d'Ohm o com es calcula el valor de la resistència que limita el corrent d'un LED, aquest manual us mostrarà com fer-ho.

Si teniu cap pregunta, no dubteu a deixar cap comentari i intentaré respondre-us.

Subministraments

• Llum d’empenta alimentat per bateria, també anomenat llum de disc o llum d’aixeta. Disponible a Amazon o a les ferreteries. Aquest projecte funcionarà tant amb llums LED més recents com amb llums incandescents més antigues.
• LEDs que escolliu
• Assortiment de resistències: els valors dependran de la quantitat de bateries que prengui la llum i de quins LEDs trieu (esbrinar-ho forma part d'aquest instructiu).
• Tenalles d'agulla
• Mini joc de tornavisos (de vegades és necessari per desmuntar la llum)
• Soldador (recomanat)
• Multímetre (recomanat)

Pas 1: desmunteu la llum

Comenceu desmuntant la llum. Normalment, necessitareu un mini tornavís per treure la tapa posterior. Dins d’aquest podem veure un circuit senzill format pels terminals de la bateria, un botó, un LED i una resistència. Un circuit de llum incandescent tindrà un aspecte similar, però no tindrà resistència, de manera que n'haureu d'afegir si canvieu a LED.

Pas 2: decidiu quins LED voleu, busqueu les especificacions

Hi ha molts tipus de LEDs diferents, que ofereixen colors diferents. Haureu de decidir quants LEDs i de quin color voleu utilitzar. Probablement, el més senzill és afegir més LEDs del mateix color en paral·lel. Si voleu afegir LEDs en sèrie o barrejar colors, haureu de fer una mica més de matemàtiques, però per a això serveix aquest instructiu. Repassarem cada escenari.

Un cop hàgiu decidit els LEDs, haureu de buscar la seva caiguda de tensió directa i la potència actual del corrent. Aquesta informació sol estar disponible al lloc web on heu comprat els LED o al full de dades. Els LED de 5 mm, com els que es mostren a la part superior, són molt habituals i normalment tenen una intensitat de 20 mA. La caiguda de tensió directa oscil·la entre els 2V i els 4V i depèn del color.

Pas 3: determinar els voltatges

Si no teniu un multímetre, haureu de determinar com a mínim el voltatge del compartiment de la bateria de la llum. Per calcular la resistència que limita el corrent és necessari conèixer el voltatge de la bateria. Podeu fer-ho només comptant les bateries. Una sola bateria alcalina AA (o AAA) proporciona aproximadament 1,5 V, una mica més alta quan estan fresques. Quan es combinen bateries en sèrie, les tensions s’afegeixen. Per tant, en aquest cas, amb quatre bateries AA noves, hauria d’esperar poc més de 6V.

Si teniu a mà un multímetre, no pot fer mal mesurar també les tensions. Feu-ho mentre el LED està encès. En aquest cas, podeu veure que obtinc 6,26 V de la bateria, mentre que tinc una caiguda de 3,26 V sobre el LED i una caiguda de 2,98 V sobre la resistència. És interessant notar que estic caient gairebé la meitat del voltatge sobre la resistència; això suposa molta pèrdua d’energia. Més informació sobre això més endavant. Si no teniu ganes de llegir el codi de color, també podeu mesurar la resistència de la vostra resistència; feu-ho mentre el LED estigui apagat.

Si no sabeu fer servir un multímetre, hi ha molts bons tutorials, a Instrucables i a altres llocs. He fet aquest.

Pas 4: càlcul de la resistència per a un únic LED

Abans d’anar més enllà, expliquem com calcular el valor de la resistència per a un sol LED. Una resistència es regeix per la llei d'Ohm, que estableix que V = IR, o bé

Equació 1: Voltatge [volts] = Corrent [amplificadors] x Resistència [ohms]

El voltatge de la bateria i la caiguda de tensió del LED són (aproximadament) constants. Així doncs, al circuit anterior, la caiguda de tensió a través de la resistència és

Equació 2: Vresistor = Vbatt-VLED

Connectar-ho a la llei d’Ohm per a la resistència ens dóna:

Equació 3: Vbatt-VLED = IR

Si tenim un corrent objectiu per al LED (anomenem-lo ILED), ho sabem tot a l’equació 3, excepte la resistència. Podem reordenar aquesta equació per resoldre per R:

Equació 4: R = (Vbatt-VLED) / ILED

Per exemple, diguem que tenim un paquet de bateries de 2xAA (que subministra 3V), un LED vermell amb una caiguda de tensió directa d’1,8V i que volem 20mA mitjançant el LED. Connectar els números a l’equació 4 ens dóna:

R = (3V-1,8V) / 0,02A = 60 Ω

Les resistències solen tenir valors divertits, de manera que és probable que no tingueu una resistència de 60Ω. Allà és útil saber combinar resistències en sèrie i paral·lel. Tot i això, està bé si no obteniu exactament 20 mA a través del LED; probablement estigui "prou a prop" per a la majoria d'aplicacions.

Finalment, és una idea errònia comuna que la resistència ha d’anar abans que el LED per deixar caure el voltatge o limitar el corrent. En realitat, això no és cert: resulta que la resistència es pot col·locar després del LED. Mireu un vídeo que explica per què és cert aquí.

Pas 5: afegir més LEDs en paral·lel

Comencem pel cas més senzill: només voleu afegir més LEDs del mateix color en paral·lel per fer la llum més brillant. Pot ser temptador només afegir els LED directament en paral·lel a l’existent, mantenint la resistència única. Això funciona, com podeu veure a les fotos anteriors (els tres LED s’encenen), però hi ha un problema. El corrent a través de la resistència única no canvia quan s’afegeixen més LED en paral·lel. Com que els LED estan en paral·lel, el corrent a través de la resistència única es dividirà uniformement entre ells. Abans, doncs, on tenia 20 mA mitjançant un únic LED, ara només tinc uns 20/3 = 6,67 mA per cada LED, i no seran tan brillants.

En canvi, si afegiu una resistència individual en sèrie amb cada LED, obtindreu la quantitat completa de corrent a través de cada LED. L’inconvenient és que això us esgotarà la bateria tres vegades més ràpid. Això no és un gran problema en el meu cas perquè tinc la llum muntada en un armari i no l’utilitzaré tan sovint.

Per tant, si adopteu aquest enfocament, heu evitat fer matemàtiques: només necessiteu algunes més de la mateixa resistència. En el meu cas, tinc una resistència de 100 Ω i un LED blanc: només en necessito dos més per obtenir un total de tres LED en paral·lel. (Malauradament, em vaig oblidar de fer una foto d'aquest pas, abans de canviar a LEDs de colors).

Pas 6: afegiu més LEDs a la sèrie

Què passa amb afegir més LED en sèrie? Aquesta opció funciona si el voltatge de la bateria és prou alt. Els LED no s’encenen en absolut si el voltatge de la bateria és inferior a la caiguda de tensió cap endavant necessària. Igual que amb les bateries, quan es combinen LEDs en sèrie, les seves tensions augmenten. En el meu cas, el meu LED blanc té una caiguda de tensió de 3,4 V, de manera que posar-ne dos en sèrie requeriria 6,8 V, més del que proporciona la meva bateria. Tanmateix, per exemple, podeu fer-ho amb dos (o fins i tot tres) LED vermells. Si cada LED vermell tingués una caiguda de tensió de 2V i volguéssiu un corrent de 20mA, us donaria un valor de resistència de R = (6 - 4) / 0,02 = 100Ω. Compareu això només amb posar un sol LED vermell al circuit: R = (6 - 2) / 0,02 = 200Ω. En afegir un segon LED en sèrie, heu reduït molt la mida de la resistència, però encara només traieu 20 mA, de manera que no estigueu esgotant la bateria més ràpidament. Heu fet que el circuit sigui més eficient perquè dissipeu menys potència a la resistència. Això comporta una altra equació: per a una resistència, la potència és igual a la resistència del quadrat actual

P = I ^ 2 * R

Així, 20mA a través d’una resistència de 200Ω dissipa 80mW, mentre que 20mA a través d’una resistència de 100Ω només dissipa 40mW.

(de nou, disculpeu que no tinc cap imatge d'aquest exemple; he anat directament als LED de colors en paral·lel)

Pas 7: barrejar diferents LED de color

Si voleu barrejar LEDs de colors diferents, teniu dues opcions:

• Connecteu-los en sèrie: funciona sempre que la caiguda de tensió total dels LED sigui inferior a la tensió de la bateria (vegeu el pas anterior).
• Connecteu-los en paral·lel, cadascun amb la seva pròpia resistència, suposant que vulgueu que tots els LED tinguin el mateix corrent perquè tinguin la mateixa brillantor, només cal calcular el valor de la resistència per separat per a cada LED, donada la seva caiguda de tensió directa.

De vegades, és més fàcil prototipar circuits com aquest en una taula de control (si no sabeu utilitzar una taula de control, consulteu aquest tutorial). Una vegada més, és possible que no tingueu a mà els valors de resistència exactes, de manera que podeu jugar amb diferents combinacions en sèrie / paral·lel per afinar la vostra brillantor. En aquest cas, tinc un paquet de bateries 4xAA que proporciona uns 6V i LED vermells, verds i blaus amb caigudes de tensió d’uns 2V, 2V i 3V respectivament. Això em dóna un valor de resistència de R = (6-2) / 0,02 = 200 Ω per als LED vermells i verds i de 150 Ω per al LED blau. No tinc disponibles aquests valors exactes, però puc crear una resistència de 200Ω combinant dues resistències de 100Ω en sèrie i puc arribar "prou a prop" a una resistència de 150Ω combinant una resistència de 100Ω i una resistència de 47Ω en sèrie.

Pas 8: Afegir LEDs a la sèrie I en paral·lel

Us sentiu aventurer i voleu que això sigui MOLT brillant? Afegiu LEDs en sèrie I paral·lels. Una vegada més, recordeu que per afegir LED en sèrie, el voltatge de la bateria ha de ser superior a la suma de les caigudes de tensió del LED; i si afegiu LEDs en paral·lel, esgotarà la bateria més ràpidament. Feu un càlcul independent del valor de la resistència per a cada conjunt de LED de la sèrie.

Pas 9: torneu a posar-ho junts

Prototipar en una taula de tall, amb pinces de cocodril o doblegar cables amb alicates és una bona manera de provar diferents combinacions de LED / resistència abans de finalitzar el disseny. Quan hàgiu acabat, soldar els LED i les resistències junts us ajudaran a mantenir-los al lloc quan torneu a muntar la llum. Alguna cinta adhesiva o cola calenta també poden ajudar a evitar que es moguin. Amb els LED vermell-verd-blaus, vaig haver de desmuntar-lo i tornar-lo a muntar unes quantes vegades fins que els LEDs estiguessin disposats de manera que donessin un efecte uniformement difós per als tres colors. El producte final aquí probablement no serà molt útil al meu armari, però segur que sembla molt més fresc.

Accèssit al concurs Made with Math