Eftermontera ett LED -ljus: 9 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:42

Detta projekt startade för att jag hade ett LED -ljus i min garderob som inte var tillräckligt starkt för att jag skulle se bra. Jag trodde att batterierna bara började ta slut, men när jag bytte ut dem blev det inte ljusare! Jag tänkte att jag skulle öppna ljuset för att se vad som hände inuti, och om jag enkelt kunde lägga till några fler lysdioder för att göra det ljusare. Men naturligtvis gör färgade lysdioder varje projekt roligare, så jag bestämde mig för att lägga till röda, gröna och blå lysdioder istället. Det här verkade som ett perfekt tillfälle att skriva något för Made with Math Contest - om du inte är bekant med Ohms lag eller hur du beräknar det strömbegränsande motståndsvärdet för en LED, kommer denna instruktör att visa dig hur.

Om du har några frågor, tveka inte att lämna en kommentar, så ska jag försöka återkomma till dig!

Tillbehör

• Batteridriven push-lampa, även kallad puckljus eller kranljus. Finns på Amazon eller i järnaffärer. Detta projekt kommer att fungera med både nyare LED -lampor och äldre glödlampor.
• Valfria lysdioder
• Diverse motstånd - värdena beror på hur många batterier ditt ljus tar och vilka lysdioder du väljer (att räkna ut det är en del av denna instruerbara!)
• Nåltång
• Mini skruvmejselsats (behövs ibland för att ta isär ljuset)
• Lödkolv (rekommenderas)
• Multimeter (rekommenderas)

Steg 1: Demontera ditt ljus

Börja med att ta isär ditt ljus. Du behöver vanligtvis en miniskruvmejsel för att göra detta genom att ta bort bakstycket. Inuti den här kan vi se en enkel krets bestående av batteripolerna, en knapp, en LED och ett motstånd. En glödlampskrets kommer att se likadan ut, men kommer inte att ha ett motstånd - så du måste lägga till en om du byter till lysdioder.

Steg 2: Bestäm vilka lysdioder du vill ha, leta upp specifikationer

Det finns många olika typer av lysdioder där ute, och de finns i alla olika färger. Du måste bestämma hur många och vilken färg -lysdioder du vill använda. Det enklaste är nog att lägga till fler lysdioder i samma färg parallellt. Om du vill lägga till lysdioder i serie eller blanda färger måste du göra lite mer matte - men det är vad denna instruerbara är till för! Vi kommer att gå igenom varje scenario.

När du har bestämt dig för lysdioder måste du leta upp deras spänningsfall framåt och strömstyrkan. Denna information är vanligtvis tillgänglig på webbplatsen där du köpte lysdioderna eller i databladet. 5 mm lysdioder som de som visas ovan är mycket vanliga, och vanligtvis är de klassade med en framström på 20mA. Framspänningsfallet sträcker sig från ca 2V-4V och beror på färgen.

Steg 3: Bestäm spänningar

Om du inte har en multimeter måste du minst bestämma spänningen i lampans batterifack. Att veta spänningen på ditt batteripaket krävs för att beräkna det strömbegränsande motståndet. Du kan göra detta genom att bara räkna batterierna. Ett enda alkaliskt AA (eller AAA) batteri ger cirka 1,5 V, lite högre när de är färska. När du kombinerar batterier i serie, lägger spänningarna ihop. Så i det här fallet, med fyra färska AA -batterier, borde jag förvänta mig drygt 6V.

Om du har en multimeter till hands kan det inte skada att mäta spänningarna också. Gör detta medan lysdioden är tänd. I det här fallet kan du se att jag får 6,26V från batteriet, medan jag har en 3,26V nedgång över lysdioden och en 2,98V nedgång över motståndet. Det är intressant att notera att jag tappar nästan hälften av min spänning över motståndet - det är mycket slösad kraft! Mer om det senare. Om du inte känner för att läsa färgkoden kan du också mäta motståndet på ditt motstånd - gör detta medan lysdioden är släckt.

Om du inte vet hur du använder en multimeter finns det gott om bra handledning där ute, på Instrucables och på andra ställen. Jag gjorde den här.

Steg 4: Beräkning av motståndet för en enda lysdiod

Innan vi går vidare, låt oss förklara hur man beräknar motståndsvärdet för en enda lysdiod. Ett motstånd styrs av Ohms lag, som säger att V = IR, eller

Ekvation 1: Spänning [volt] = Ström [ampere] x Resistans [ohm]

Batteriets spänning och spänningsfallet över lysdioden är (ungefär) konstant. Så i kretsen ovan är spänningsfallet över motståndet

Ekvation 2: Vresistor = Vbatt-VLED

Att ansluta det till Ohms lag för motståndet ger oss:

Ekvation 3: Vbatt-VLED = IR

Om vi har en målström för lysdioden - kalla den ILED - då vet vi allt i ekvation 3 förutom motståndet. Vi kan ordna om ekvationen för att lösa för R:

Ekvation 4: R = (Vbatt-VLED)/ILED

Så till exempel, säg att vi har ett 2xAA -batteri (som levererar 3V), en röd lysdiod med ett spänningsfall på 1,8V framåt och vi vill ha 20mA genom lysdioden. Genom att koppla ihop siffrorna i ekvation 4 får vi:

R = (3V-1.8V) /0.02A = 60 Ω

Motstånd tenderar att komma i roliga värden - så oddsen är att du inte har ett 60Ω -motstånd som ligger runt. Det är där det är praktiskt att veta hur man kombinerar motstånd i serie och parallell. Det är dock OK om du inte får exakt 20mA genom lysdioden - "nära nog" är nog OK för de flesta applikationer!

Slutligen är det en vanlig missuppfattning att motståndet måste komma före lysdioden för att tappa spänningen eller begränsa strömmen. Det är faktiskt inte sant - det visar sig att motståndet kan placeras efter lysdioden istället. Se en video som förklarar varför det stämmer här.

Steg 5: Lägga till fler lysdioder i parallell

Låt oss börja med det enklaste fallet: du vill bara lägga till fler lysdioder i samma färg parallellt för att göra ditt ljus ljusare. Det kan vara frestande att bara lägga till lysdioderna direkt parallellt med det befintliga och behålla det enda motståndet. Detta fungerar, som du kan se på bilderna ovan - alla tre lysdioder lyser - men det är ett problem! Strömmen genom det enda motståndet ändras faktiskt inte när du lägger till fler lysdioder parallellt. Eftersom lysdioderna är parallella kommer strömmen genom det enda motståndet att fördelas jämnt mellan dem. Så innan, där jag hade 20mA genom en enda LED, nu får jag bara ca 20/3 = 6,67mA genom varje LED - och de kommer inte att vara lika ljusa!

Om du istället lägger till ett individuellt motstånd i serie med varje lysdiod, får du hela strömmen genom varje lysdiod. Nackdelen är att detta kommer att tömma ditt batteri tre gånger så snabbt. Detta är inte en stor sak i mitt fall eftersom jag har ljuset monterat i en garderob och kommer inte att använda det så ofta.

Så om du tar detta tillvägagångssätt har du undvikit att göra någon matte - du behöver bara några fler av samma motstånd. I mitt fall har jag ett 100Ω motstånd och en vit lysdiod - jag behöver bara två till av varje för att få totalt tre lysdioder parallellt. (Tyvärr glömde jag att ta en bild av det steget innan jag gick över till färgade lysdioder).

Steg 6: Lägg till fler lysdioder i serien

Vad sägs om att lägga till fler lysdioder i serie? Det här alternativet fungerar om batterispänningen är tillräckligt hög. Lysdioder tänds inte alls om batterispänningen är lägre än det nödvändiga spänningsfallet framåt. Precis som med batterier, när du kombinerar lysdioder i serie, lägger deras spänningar till. I mitt fall har min vita LED ett spänningsfall på 3,4V, så att sätta två i serie skulle kräva 6,8V - mer än vad mitt batteri ger. Till exempel kan du göra det med två (eller till och med tre) röda lysdioder. Om varje röd lysdiod hade ett spänningsfall på 2V och du ville ha en ström på 20mA, skulle det ge dig ett motståndsvärde på R = (6 - 4) / 0,02 = 100Ω. Jämför det med att bara sätta en enda röd lysdiod i kretsen: R = (6 - 2) / 0,02 = 200Ω. Genom att lägga till en andra LED i serie har du minskat storleken på motståndet kraftigt - men du drar fortfarande bara 20mA, så du tömmer inte batteriet snabbare! Du har gjort kretsen mer effektiv eftersom du tappar mindre effekt i motståndet. Det ger en annan ekvation - för ett motstånd är effekten lika med ström i kvadrat gånger motstånd, eller

P = I^2*R

Så 20mA genom ett 200Ω motstånd försvinner 80mW, medan 20mA genom ett 100Ω motstånd bara avger 40mW.

(igen, ursäkta att jag inte har en bild av detta exempel - jag gick direkt till färgade lysdioder parallellt)

Steg 7: Blanda olika färg -lysdioder

Om du vill blanda olika färg -lysdioder har du två alternativ:

• Koppla dem i serie - det fungerar så länge det totala spänningsfallet över lysdioderna är mindre än batteripackets spänning (se föregående steg).
• Anslut dem parallellt, var och en med sitt eget motstånd - förutsatt att du vill att alla lysdioder ska ha samma ström så att de blir samma ljusstyrka, beräknar du bara motståndsvärdet separat för varje lysdiod, med tanke på dess spänningsfall framåt.

Ibland är det lättare att prototyper kretsar så här på en brödbräda först (om du inte vet hur du använder en brödbräda, kolla in denna handledning). Återigen har du kanske inte de exakta motståndsvärdena du vill ha till hands, så du kan leka med olika kombinationer i serie/parallell för att finjustera din ljusstyrka. I det här fallet har jag ett 4xAA -batteri som ger cirka 6 V och röda, gröna och blå lysdioder med spänningsfall på cirka 2 V, 2 V respektive 3 V. Det ger mig ett motståndsvärde på R = (6-2) /0.02 = 200Ω för de röda och gröna lysdioderna och 150Ω för den blå lysdioden. Jag har inte de exakta värdena tillgängliga, men jag kan skapa ett 200Ω motstånd genom att kombinera två 100Ω motstånd i serie, och jag kan komma "tillräckligt nära" ett 150Ω motstånd genom att kombinera ett 100Ω motstånd och 47Ω motstånd i serie.

Steg 8: Lägga till lysdioder i serie OCH parallell

Känner du dig äventyrlig och vill göra den här saken riktigt ljus? Lägg till lysdioder i serie OCH parallell! Återigen, kom ihåg att för att lägga till lysdioder i serie måste din batterispänning vara högre än summan av LED -spänningsfallet; och om du lägger till lysdioder parallellt tömmer det batteriet snabbare. Gör en separat beräkning för motståndsvärdet för varje uppsättning lysdioder i serie.

Steg 9: Sätt ihop det igen

Prototyper på en brödbräda, med krokodilklämmor eller genom att böja ledningar tillsammans med tång är ett bra sätt att testa olika kombinationer av LED/motstånd innan du slutför din design. När du är klar kommer lödning av lysdioderna och motstånden att hjälpa dem att hålla dem på plats när du sätter ihop ljuset igen. En del tejp eller varmt lim kan också hjälpa till att förhindra att de rör sig. Med de rödgrönblå lysdioderna var jag tvungen att demontera och montera ihop det några gånger tills jag fick lysdioderna ordnade så att de gav en jämnt spridd effekt för alla tre färgerna. Den slutliga produkten här kommer förmodligen inte att vara särskilt användbar i min garderob, men den ser säkert mycket svalare ut!

Tvåa i tävlingen Made with Math