使用電阻限流之LED設計－一個巴掌拍不響

在這篇文章中，將要探討led的特性與使用電阻限流方式上的電路設計，由於目前有許多網友在這方面知識的不足，而衍伸出許多問題，甚至因本身特性上的不同，與普通二極體相提並論，在電機月刊上曾出現過如此的文章，其實這類電路的困難性很低。

先從材料開始說起，普通二級體材料為四價的鍺或矽，拿出元素週期表能明顯的看到，將這個材料加入三價或五價的元素後，因有加藥才有療效的緣故，所以變成兩個在特性上完全不一樣的東西，這時將兩塊合在一起時，就變成了二極體，在通電的時候，兩塊半導體合在一起的接觸面上，會形成ㄧ個阻止電子流(與電流大小相等方向相反)流過的障礙區，稱為空乏區，而在該區域會造成電壓降，該壓降電壓稱為障壁電勢(位)，ㄧ般典型值都在1V以下。

講到led，全名為發光二極體，至於英文就不用說了，因為英文不怎麼好沒在記的，材料上是直接使用三價與五價的元素拼湊，當通電時，ㄧ樣在接觸面上會形成空乏區與障壁電勢，可是這時的障壁電勢就會不一樣了，最低約1.8V，高的3v以上，障壁電勢對於二極體或led來說，都是一個損耗，所以應當越低越好，但是因為材料的不同，而使得它的攀升，在溫度上也是決定它大小的參數。

市面上出現1W、3W、5W，甚至聽說有10W的，隨著單顆瓦數的增加，障壁電勢與額定電流皆增加，相對的散逸的熱量相當驚人，通常散熱片的體積是led的數倍大，造成高瓦數效率越低，且參考現有碩、博士論文文章中提到，led亮度與電流幾乎呈現線性關係，電壓上變化不大，所以對於此類高瓦數led，因參數變化大且成本偏高，所以不適合使用電阻限流的方式，在此僅適用於一般小瓦數的led。

如下圖所示，為led的等效電路，內阻會隨著溫度的影響而變化，但它的值很小，電流大小也會影響兩端量到的電壓，所以有很多不定的參數影響它的電壓。

經由以下的電路來量測一顆led電壓大約多少，這是電阻限流方式很重要的參數，使用一顆9v電池，與一顆390歐姆電阻和led連接後，使用電錶直接量測led兩端電壓，記得一點，不同顏色、不同批的led都不一樣，同ㄧ批的led壓差上電表有時量測不到的，所以僅能視為相等。

對於現有的led手電筒會使用以下的電路，且每一入為一顆led，由於同ㄧ批led量測不到的電壓差，ㄧ但並聯時，假如左邊led因電壓較低，發生了分流效應，這方面能參閱基本電學，造成流過過多的電流可能發生毀壞，手電筒每顆led的平均電流僅有額定時的一半，所以才不至於有燒毀的危險。

以下為建議的電路架構，參數上有電源電壓、led順向壓降、串聯顆數、限定電流大小，來設計串聯電阻的大小與瓦數。

設計步驟：

步驟一：決定最高電源電壓

有些電壓是變動的，所以在取決電壓值時，以最高電壓為基準，ㄧ但變動過大時，會造成led亮度變化過大，所以對於電壓變動過大的電源，建議採取穩壓IC來穩定電壓，一般78系列穩壓IC，輸入必須高於輸出2V以上才能正常操作。

步驟二：決定led順向壓降

由上圖量測值為基準

步驟三：決定串聯顆數

串聯顆數受實際總需求量與最高電源電壓影響，led串聯時其順向電壓相加，假如電源為變動的，和盡量小於電源電壓2V以上，如果為穩定電源時，其合儘量小於電源1V以上，總數量均分上，盡量能平均每入串聯顆數相等。

步驟四：決定限流電流

ㄧ般來說除了高瓦數led外，皆限定在0.02A，個人之前研究操到0.04A，沒多久led就產生性能上的衰減，所以一般來說最好不要超過0.03A。

步驟四：決定限流電駔阻值

VR=(電源電壓-LED順向壓降*串聯顆數)

電阻值=VR/0.02

步驟五：決定電阻瓦數

瓦數=VR*0.02

ㄧ般電阻瓦數有人選用會將計算值除以0.6為實際選用值，為了不讓電阻操作在滿載，即

選用瓦數=瓦數/0.6

例題：實際測量紅色LED為2.2V，使用於卡車上，最高電壓能到27.2V，扣除電源上串接的二極體壓降0.7V，其最高電壓為26.5V，總需求量為50顆，其系統配置。

串聯顆數=26.5/2.2=12.04，由於串聯後離電源電壓過近，且與需求顆數平均分配，所以每10顆串聯。

VR=(26.5-2.2*10)=4.5

電阻值=4.5/0.02=225歐姆，無此數值選用220歐姆

電阻瓦數=4.5*0.02=0.09W

實際選用瓦數=0.09/0.6=0.15W

故選用1/4W電阻。

系統配置架構如下

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