淺談LED電路設計

序篇

潛水都潛水這麼久了，總該來點貢獻了。此文是保哥與好友學&凱一起玩LED的一些經驗。

保哥的車種為G5，學的車種為BW'S，凱的車種為新勁戰。剛好三種車都不一樣，可以拿來做不同的實驗。

另外，文內已有電路的設計方法，請自行計算阻值。也可參照線路圖下去做，但不保證每個人做出來的東西都一樣，也有可能使用材料的不同，會造成不同的瑕疵!這點請住意。

此文章只有PO在小老婆。若在其他地方出現視為轉載。請尊重。

目錄:
第一篇:零件解說
        LED
        二極體

第二篇:電路設計
        限流設計
                方式一
                方式二
        定電流設計

第三篇:實作篇

第四篇:裝載篇(土炮無敵)

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-5 00:34 編輯 ]

第一篇:零件解說

LED:
　　LED的種類千百種，但大致上可區分為普通亮度和高亮度兩種。但到底有什麼不同呢?也就是加入相同大小的電流，高亮度LED效率較高，發光亮度高，相較之下普通亮度LED就會較暗。
　　包裝又可以分成好幾種形式，傳統包裝形式的(圓形包裝)，SMD包裝(貼片式元件)。傳統包裝形式LED會用直徑來表示零件大小，例如:5mm、10mm…等等。SMD包裝會使用長寬大小來表示，例如:1206、0805、5050、3020…等等。當然還是有些其他的包裝，例如:食人魚LED…等等的。
　　LED依照顏色的不同，有不同的切入電壓，可分類成紅、黃色約為2.0~2.4V，電流約為20~35mA。白、藍、綠色約為3.2~3.6V，電流約為20~45mA。由此可知LED工作的電流大小約為30mA最為適當(這對後面設計LED電路很重要!)。
　　接下來，何謂切入電壓?簡單來說就是要讓LED亮起來的最低電壓大小。假設你串連三顆紅色LED，那你的導通電壓約為6V~7.2V左右。如何挑選限流電阻?設計電路，最偉大的公式就是V=IR，V是電壓、I是電流、R是電阻。假設我們使用三顆紅色LED串聯並且接上電阻，則我們電池使用12伏特，且限定電流為30mA。V=12V、I=30mA  =>  (12 – 6 ~ 7.2) =  30mA x R  =>  R = 200 ~ 160 歐姆。有了這公式，大家可以自己推其他顏色的公式。

二極體:
　　常用的二極體有兩種，一種是普通二極體(1N4148、1N4001~4007)，另一種是積納二極體(穩壓)，普通的二極體也有切入電壓，約為0.6~0.7V，積納二極體則有崩潰電壓。
　　1N4148一般是配合電晶體使用，使用場合為高速頻率切換的電子式開關，最高耐壓75~100V左右，最大電流只能承受150mA，所以，若使用的LED和電阻超過150mA就不適合使用1N4148。
　　1N4001~4007是很普遍的二極體，能承受1A的高電流，耐壓從50V~1000V左右(依編號不同)，當使用四個二極體組合時，可製作成橋式整流器。
　　積納二極體的編號通常是以崩潰電壓標示(2.2、2.7…等)。崩潰電壓有點類似切入電壓，也是加入的電壓超過崩潰電壓之後才會造成導通，但電壓會維持在崩潰電壓上面，所以可以當作是穩壓使用。

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-4 23:48 編輯 ]

第二篇:電路設計

限流設計:一般大家常用一顆LED串聯限流電阻，並在兩端接受電源。又或者三顆LED串聯並且接上限流電阻，並在兩端加上電源大。大體上分成這兩種方式。
方式一: 一顆LED配一顆電阻

V=IR => (12 – 2) = 30mA x R => R = 330歐姆。所以限流電阻為330R，則電阻上的功率為P = I2 x R = (30m)2 x 330 = 297mW。由電阻上的功率大小可得知，必須使用1/2W功率大小的電阻，1/4W功率大小的電阻會發燙，甚至燒掉。總電流IT = 30mA x 9 = 270mA，總功率P=IV=PT=270m x12=3.24W。所以無法使用1N4148，但可使用1N4001。
如果電阻固定，電壓飄動(12~15V)，V = IR  => (12~15 - 2) = I x330 => I = 30~39.3mA。可以看的出來由於電瓶的電壓飄動，會造成電流的飄動範圍有9.3mA這麼多。
方式二: 三顆LED配一顆電阻

V=IR  => (12 – 2x3) = 30mA x R  => R = 200歐姆。所以限流電阻為200R，則電阻上的功率為P = I2 x R = (30m)2 x 220 = 180mW。由電阻上的功率大小可得知，可使用1/2W或1/4W功率大小的電阻。總電流IT = 30mA x 3 = 90mA，總功率P=IV=PT=90m x12=1.08W。所以1N4148、1N4001均可使用，但建議使用1N4001。如果電阻固定，電壓飄動(12~15V)，V = IR  => (12~15 – 2x3) = I x200 => I = 30~45mA。可以看的出來由於電瓶的電壓飄動，會造成電流的飄動範圍有15mA這麼多。若是電阻沒有挑選好，LED可是會燒掉的哦，這也是為什麼常常燒小燈的原因。

總結:
兩者總功率相差了2.16W (3.24-1.08)，難道方式一的接線法比較好?其實不然，從上面數據可以發現方式一光是消耗在電阻上面的功率就為2.67W (297mW x 9)，所以實際上加在LED上面的功率為 570mW (3.24- 2.67)。方式二消耗在電阻上面的功率為540mW (180mW x 3)，加在LED上面的功率為 540mW (1.08- 540m)。但方法一電壓電流飄動的範圍小(9.3mA)，方式二電壓電流飄動的範圍較大(15mA)，所以方法一實則是使用高消耗換取安定度的方法。則方式二是採用低消耗，但飄動範圍大的方法，但如果電阻選擇的好，那就能兼顧消耗與穩定。

定電流設計:

從圖可以看出，這是方法二的改良法。使用積納二極體穩壓，再用電晶體實施定電流。VB = 2.2V，VBE = 0.7，VE = VB – VBE = 2.2 – 0.7 = 1.5V。IC = IE = VE / R=1.5 / 50 = 30mA。IZ = (12 – 2.2) / 10K = 980uA = 1mA。IT = 30mA x 3 + 1mA = 91mA。PT=91m x12=1.092W。由資料和線路顯示無論加入電壓如何飄動(12~15V)，VE 始終等於1.5V 。而達到定電流，的效果。兼顧消耗及穩定度。(但電晶體會微燙)

附註:文章發表好像沒有上下標的功能.....這點請大家原諒，原WORD內有上下標。

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-5 00:32 編輯 ]

第三篇:實作篇

其實保哥發表這篇文章的主要原因，就是因為看到網路上使用LED當車底燈，所以手癢，想要來玩玩，剛好又看到保利龍膠是一種方常好的防水的方法。
可參考以下兩篇:
自製LED底盤燈~簡簡單單
自製LED燈版 - 車底燈車廂燈DIY
總共做了三塊3X3的車底燈，和一塊車廂燈(這些東西都不是裝在我的車上，純粹好玩，所以幫朋友做，幫朋友裝。一台BW'S，一台新勁戰，保哥的車呢是台G5)。
做車底燈保哥最大的想法，就是能快速拆換，能隨心情變色。所以一直在想辦法找尋防水的快速接頭。使用HID那種AMP的防水接頭實在太貴，所以保哥就和學一起跑去電子街尋找可以防水的快速接頭，終於皇天不負苦心人，被保哥挖到了，一條25元。請看圖。(順便推一下，憑南台灣觀光護照，五星級飯店，第二天+10元讓你再住一天)


接頭的地方由於夠長，密合度佳，所以只要在線頭尾部的地方上保利龍膠，就可媲美AMP接頭了。

白光3X3:
正面元件:由於為了廣度，所以保哥在焊接LED時，將他側個角度，所以並不是朝上方的

背面接線:

正面發光:


側邊發光:



七彩光3X3:
正面元件:

背面接線:

正面發光，綠色:

正面發光，藍色:

正面發光，紅色:

正面發光，散色:


影片:



橘色3X3:

正面發光:

側面發光:



白光車廂燈:
正面元件圖:

背面接線圖:

正面發光圖:

側面發光圖:  




電流消耗:
自製可變電源供應器(+9V~-9V) + 調整電壓14V:

橘光消耗總電流:約80mA:

白光消耗總電流:約75mA:








總結:
其實LED的省電真不是蓋的，如果設計的好，其實能達到既省電，又高亮的境界，嘻嘻。
鑒於材料的問題，保哥手邊沒有2.2V積納二極體，所以我拿兩顆1N4148代替積納二極體。兩顆1N4148切入電壓為0.7 x 2 = 1.4V，比2.2V少太多了，所以RE電阻也要改一下，經計算RE電阻約為22R。其實可以拿手邊現有的電子零件任意代替，只要依照前敘步驟自行計算，另外電晶體方面，建議使用9013。

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-7 10:49 編輯 ]

第四篇:裝載篇(土炮無敵)

挑了一天無風無雨更無小蚊夜晚，保哥與學準備將七彩車底燈裝到學的機車(BW’S)上面。至於車廂燈準備裝到凱的新勁戰上面，日後在PO上。
BW'S真的是非常難拆，是我拆過所有車上最難拆的一台(我也只拆過這一台，當然是最難拆的XDD)。保哥連自己的G5都沒有拆過哦。

原來BWS要拿下馬桶得要先拆油箱蓋(超級超級奇怪的…)，這設計真是囧到不行，一邊拆一邊聞汽油味。

拆下來了!



接下來拆下馬桶



馬桶蓋XDDD


屁股空空如也




拆前擋板


前擋板空空如也


接下來就牽線到後輪，鎖上LED車底燈，接上接頭。再將零件組回去，這時已經是半夜一點鐘了，囧rz。(以後再拍些照片，由於時間問題，所以有許多照片沒拍到)。裝好後輪之後，留下前輪的線，方便下次裝前輪車底燈，嘻。

請看後輪影片:



END～

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-7 10:52 編輯 ]

大大影片好像不能看耶~

能否修改一下~ 感謝

不建議用OK線做跳線 除了易斷太細還很貴

回覆#6

原文章由 】笨〃豪♂ 於 2009-8-6 21:45 發表
大大影片好像不能看耶~

能否修改一下~ 感謝

已修正^^
由於是掛在skydriver底下，所以有時候路徑會跑掉
感謝通知～


回覆#7

原文章由 tw159134 於 2009-8-6 23:34 發表
不建議用OK線做跳線 除了易斷太細還很貴

OK線是之前留下來的。而且向公司拿，一捲也是很便宜的。
如果怕容易斷請上膠帶或是保利龍膠，那就不會掉了。
當然用單心線是最好的，但不方便焊接。
卸卸建議～

[ 本文章最後由 小保007 於 2009-8-7 00:07 編輯 ]

原文章由 小保007 於 2009-8-4 23:42 發表
二極體:
　　常用的二極體有兩種，一種是普通二極體(1N4148、1N4001~4007)，另一種是積納二極體(穩壓)，普通的二極體也有切入電壓，約為0.6~0.7V，積納二極體則有崩潰電壓。
　　1N4148一般是配合電晶體使用，使用場合為高速頻率切換的電子式開關，最高耐壓75~100V左右，最大電流只能承受150mA，所以，若使用的LED和電阻超過150mA就不適合使用1N4148。

二極體的順向偏壓跟通過的電流量有關(電流越大偏壓越大),實際會壓降多少還是參考
DATASHEET 為準,如果是用估算的方式,大多將它估算 0.7V
(可是在你的計算例中卻完全忽略它了? )

1N4148 小弟查到的 DATASHEET 最高耐逆向電壓 75V ,常態使用電流最大 200mA,
提供給您做參考
1N4148 大多用在信號處理(因為反應快但耐電流小),小電流(<1A)整流/擋逆向突波的話使用
1N4001 族群會比較好(1N4007 可以擋 1KV 喔 )

原文章由 小保007 於 2009-8-4 23:43 發表
定電流設計:

從圖可以看出，這是方法二的改良法。使用積納二極體穩壓，再用電晶體實施定電流。VB = 2.2V，VBE = 0.7，VE = VB – VBE = 2.2 – 0.7 = 1.5V。IC = IE = VE / R=1.5 / 50 = 30mA。IZ = (12 – 2.2) / 10K = 980uA = 1mA。IT = 30mA x 3 + 1mA = 91mA。PT=91m x12=1.092W。由資料和線路顯示無論加入電壓如何飄動(12~15V)，VE 始終等於1.5V 。而達到定電流，的效果。兼顧消耗及穩定度。(但電晶體會微燙)

不好意思,小弟的電子學太弱了,所以請教一下不懂的地方
圖中 IZ 跟 IT ,如果說 IZ 是流經 R1 的電流(0.98mA)這個 OK,而認知上也知道
IZ=D3(稽納二極體)所流經的電流,R1=D3 的限流電阻

如果單以 (2.2-0.7)/50=30mA 來看,算的應該是 IB (而不是 =IC=IE )吧?
IB都=30mA 了,經過增益後的 IC 應該是上百 mA 了,LED 回路耐得住嗎?

第二,如果以電工學 總流入電流=總流出電流 來看,IB 算出來的 30mA (三顆電晶體並聯=90mA)
是從哪裡生出來的? (雖然你對 IB 的算法我也看得懂,但前面有 R1 的話就很奇怪了),
如果 IT=90+0.98 (mA),那表示這 91mA 全都是經過 R1 過來的?
那 R1 的壓降=0.091*10K=910V ,總電流來看也奇怪,算壓降更奇怪

第三,IC 又流經 50Ω R2,勢必又增加不少壓降在 R2 這邊,對 LED 這邊的驅動電壓又有影響,
這樣子好嗎? (所以一般設計NPN 型的 IB 限流電阻都放在 B 極這邊吧?)

越想越想不通,可能是我電子學還不到家的關係 ,
所以說,是我想錯了還是你講錯了? 可否指導一下

P.S. 冒昧問一下這個定電流回路是理論回路還是有實做成功案例?

[ 本文章最後由 shouzama3380 於 2009-8-8 10:52 編輯 ]