Persze, viccből tesznek a 12/24 voltos szalagokra áramkorlátozó ellenállásokat vagy viccből korlátozzák az áramot is, persze, mehetne ezek nélkül is, valóban.
Az áramkorlátozó ellenállás szükségessége rémesen egyszerű a LED szalagoknál. Először matematikai bizonyítás következzék:
Vegyük a korábban már belinkelt LED karakterisztikát és válasszuk ki a fehér LED-hez tartozó görbét.
Tegyük fel, hogy a fenti karakterisztikával megadott, sorba kapcsolt szalag hármasokba beépített fehér LED névleges maximális árama In=Ud=15mA, ekkor a diagramból leolvasható, hogy ehhez az áramhoz kb. Udn=3,3V diódafeszültség tartozik. Névleges maximális teljesítménye: Pn=Udn*In=3,3V*0,015A=49,5 mW.
Ha az alapadatokkal megvagyunk, akkor rögtön kiszámíthatjuk a dióda egyenáramú ellenállását a névleges áramon: Rdn=Udn/In=3,3V/0,015A=220 Ohm
Másképp kifejezve: ha 3,3 V-ot kapcsolsz a LED-re, akkor az áram így alakul Id=In=Udn/Rdn=3,3V/220ohm=0,015A, azaz 15 mA.
Eddig egy LED-del foglalkoztunk, de a körben három van sorba kapcsolva, így a feszültség ezeken összesen Udn_3LED=3*Udn=3*3,3V=9,9 V lesz. A teljesítmény hasonlóan az egy LED teljesítményének háromszorosa: P_3LED=Udn_3LED*Id=9,9V*0,015=149,5mW
Ugyanígy számítsuk ki a LED egyenáramú ellenállását a sorba kapcsolt hármas csoportra: Rdn_3LED=3*Rdn=3*220ohm=660 Ohm
Végül írjuk fel az áram nagyságát a 3-as csoportokon 9,9 V rákapcsolása mellett: Id_3LED=Udn_3LED/Rdn_3LED=9,9V/660ohm=0,015 A, azaz 15 mA.
Tehát ha 9,9V-ot kapcsolunk a LED hármasokra, akkor az áram továbbra is 15 mA lesz. Összteljesítmény a 3-as LED csoportokra: Pösszes=Udn_3LED*Id=9,9V*0,015=149,5mW, egy diódára visszaosztva pedig Pd=Pösszes/3=0,1495W/3=49,5 mW, tehát névleges teljesítményen mennek a LED-ek Eddig szuper.
De a boltban csak a gyakori feszültségekre kapható tápegység, 9,9 V körül csak 9 V és 12 V-os tápegység van. Nézzük mi lesz 9 V esetén: ekkor egy LED-re 3 V jut, ez a karakterisztika alapján 12 mA áramot eredményez, ami kisebb a névlegesnél, bár bajt nem okoz. De a cél az, hogy a névleges áramon (teljesítményen) menjenek a LED-ek!
Nézzük hát a 12 V-os tápot: ekkor egy LED-re 4 V jut. Nézzük csak a karakterisztikát: ajajj, lementünk a diagramról..., de ha a görbét képzeletben folytatjuk kb. 40 mA adódik. Ajajj, ez nagyon nem lesz jó. Számítsuk ki egy LED-re jutó (hő)teljesítményt a P=U*I formula szerint: ez 4V*0,04A=160 mW, a megengedett 49,5 mW helyett... Hűha! Ez nagy valószínűséggel tönkremenetelhez vezet a túlzott hőfejlődés miatt. Tehát a 12 V-os táp nem lesz jó, így más megoldást kell keresnünk.
De olyan jó lenne valamilyen gyakori feszültségről járatni a LED hármasokat a névleges áram mellett!
Gondolkodjunk: a LED hármasokra semmiképp nem juthat 9,9 V-nál több, mert ha ezt túllépjük, akkor túlterheljük a LED-et, mivel jóval nagyobb áram folyik rajta ekkor a megengedettnél. Valamit csinálni kéne a 12V-9,9V különbségből adódó 2,1 V többlettel. Hmm... Azt tanultam, hogy a sorba kapcsolt ellenállásokon megoszlik a feszültség és minden elemen ugyanakkora az áram értéke (a Kirchhoff II-es, huroktörvényéből következően). Ez nagyon jó! Tehát nekem egy olyan sorosan beiktatott ellenállás kellene, melyre pontosan 2,1 V jut. De mekkora értékű legyen? Nézzük csak: 2,1 V kell jusson az ellenállásra úgy, hogy rajta 15 mA folyik. Feszültség-áram-ellenállás? ÓÓÓ, hát ide alkalmazható az Ohm törvény! Nézzük csak: R=2,1V/0,015A=140 Ohm.
Hát ez szuper! Csak egy 140 Ohm-os ellenállást (amit előtétnek hívunk) kell sorba kapcsoljak a LED-ekkel ahhoz, hogy 12 V-on is névleges áram folyjon a LED-en! Tehát az előtét korlátozza majd az áramot. Klassz! (Persze erre az eredményre a Kirchhoff huroktörvénye és a szükséges Ohm törvény felírása útján is eljuthattunk volna.) Általános összefüggés: Relőtét=(Utáp-Ud)/Id, erre a feladatra specifikusan Relőtét=(Utáp-Udn_3LED)/Id=(12V-9,9V)/0,015A=140 Ohm
Az előtétellenállásos megoldásnak azonban van egy hátránya: nemcsak a diódáknak, hanem az újonnan beiktatott előtétellenállásnak is lesz teljesítményigénye, ami rajta szinte teljesen hővé alakul, így növeli a megoldás teljes teljesítményigényét. Az előtétellenállás teljesítménye: Pelőtét=Uelőtét*Id=2,1V*0,015V=31,5 mW lesz (az Uelőtét a korábban kiszámolt 12V-9,9V=2,1 V feszültségkülönbségből adódik). Tehát ez a megoldás 31,5 mW-al magasabb teljesítményt igényel, mint ami az előtétellenállás nélküli üzem esetén szükséges, így összesen 180 mW lesz (előtét nélkül 149,5mW-ot igényelt).
Érdemes ellenőrizni a számításunkat: Mivel ismerjük a 3-as LED csoportok egyenáramú ellenállását (Rdn_3LED=660 Ohm) és a szükséges előtétellenállás nagyságát (Relőtét=140 Ohm), kiszámolhatjuk a kör áramát. Kör eredő ellenállása: Reredő=Relőtét+Rdn_3LED=140ohm+660ohm=800 Ohm, az Ohm törvény alapján az áram: Id=Utáp/Reredő=12V/800ohm=0,015A, azaz 15 mA. Hurrá, jól számoltunk!
Tehát összefoglalva:
====================
1. A LED karakterisztika alapján 15 mA áramot 9,9 V rákapcsolásakor érjük el a LED hármas csoporton.
2. Ha a LED hármas csoporttal sorba kötünk 140 Ohm értékű ellenállást, akkor 12 V mellett szintén 15 mA áramot kapunk.
Az első megoldás hátránya, a nem szokásos nagyságú tápfeszültség-igény, ha névleges áramon (teljesítményen) akarjuk működtetni a LED csoportot.
A második megoldás nagy előnye, hogy a szokásos 12 V-os tápfeszültség mellett használható névleges áramon (teljesítményen), de az előtétellenálláson hő fejlődik, ami miatt ez a megoldás magasabb teljesítményt igényel, tehát összességében rosszabb hatásfokot eredményez.
Végül feltehetjük a várva várt kérdést: mégis miért az előtétellenállásos szalagok terjedtek el a rosszabb hatásfok ellenére? A válasz pofonegyszerű: a gyártási pontatlanságok és a csereszabatosság biztosítása miatt. Gondoljunk bele: kezelhetetlen káosz alakulna ki, ha az egyik fajta szalag mondjuk 9,1 V-ot, a másik 9,5 V-ot, a harmadik mondjuk 10 V-ot, a negyedik 11,5 V-ot, stb. igényelne a névleges teljesítményű (áramú) működtetéshez. Ezért elhatározták, hogy a LED szalagok névleges feszültsége legyen 12V (24V, 48V) és a különbségeket az előtétellenállás értékének a névleges teljesítményhez (áramhoz), az adott gyártási tételhez való hozzáigazításával "tüntetik" el.
Manapság persze minden a hatásfok körül forog, emiatt azt látom, hogy a mai, jó hatásfokú LED szalagoknál az a cél, hogy a LED-eken minél nagyobb áramot hajtsanak át, ez a karakterisztikából következően nagyobb LED-enkénti feszültséget eredményez, így kisebb lesz az adott LED csoport névleges áramhoz tartozó feszültsége és a LED szalag tápfeszültsége közötti különbség (Utáp-Udn_3LED), így csökkenthető a szükséges előtétellenállás értéke és emiatt csökken a rajta fejlődő hőmennyiség is.
Köszönöm, ha végigolvastad és szeretettel várom az "építő" jellegű hozzászólásokat.