Retrofit di una luce di spinta a LED: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo progetto è iniziato perché avevo una luce a LED nel mio armadio che non era abbastanza luminosa da permettermi di vedere bene. Pensavo che le batterie si stessero scaricando, ma quando le ho sostituite, non è diventato più luminoso! Ho pensato di aprire la luce per vedere cosa stava succedendo all'interno e se potevo facilmente aggiungere altri LED per renderlo più luminoso. Ma ovviamente i LED colorati rendono ogni progetto più divertente, quindi ho deciso di aggiungere invece LED rossi, verdi e blu. Questa sembrava un'occasione perfetta per scrivere qualcosa per il concorso Made with Math: se non hai familiarità con la legge di Ohm o come calcolare il valore del resistore di limitazione della corrente per un LED, questo Instructable ti mostrerà come.

Se hai domande, non esitare a lasciare un commento e cercherò di risponderti!

Forniture

• Luce di spinta alimentata a batteria, chiamata anche luce del disco o luce del tocco. Disponibile su Amazon o nei negozi di ferramenta. Questo progetto funzionerà sia con le nuove luci a LED che con le vecchie luci a incandescenza.
• LED a scelta
• Resistori assortiti: i valori dipenderanno da quante batterie richiede la tua luce e da quali LED scegli (capirlo fa parte di questo Instructable!)
• Pinze ago
• Mini set di cacciaviti (a volte necessario per smontare la luce)
• Saldatore (consigliato)
• Multimetro (consigliato)

Passaggio 1: smonta la tua luce

Inizia smontando la tua luce. Di solito avrai bisogno di un mini cacciavite per farlo rimuovendo la cover posteriore. All'interno di questo possiamo vedere un semplice circuito composto dai terminali della batteria, un pulsante, un LED e un resistore. Un circuito a incandescenza avrà un aspetto simile, ma non avrà un resistore, quindi dovrai aggiungerne uno se stai passando ai LED.

Passaggio 2: decidere quali LED si desidera, cercare le specifiche

Ci sono molti diversi tipi di LED là fuori e sono disponibili in tutti i diversi colori. Dovrai decidere quanti LED e di che colore vuoi usare. La cosa più semplice da fare è probabilmente aggiungere più LED dello stesso colore in parallelo. Se vuoi aggiungere LED in serie o mescolare i colori, dovrai fare un po' più di matematica, ma è a questo che serve questo Instructable! Esamineremo ogni scenario.

Una volta che hai deciso i LED, dovrai cercare la loro caduta di tensione diretta e la valutazione della corrente diretta. Queste informazioni sono generalmente disponibili sul sito Web in cui sono stati acquistati i LED o nella scheda tecnica. I LED da 5 mm come quelli nella foto sopra sono molto comuni e in genere sono classificati con una corrente diretta di 20 mA. La caduta di tensione diretta varia da circa 2V-4V e dipende dal colore.

Passaggio 3: determinare le tensioni

Se non hai un multimetro, come minimo dovrai determinare la tensione del vano batteria della tua luce. Per calcolare la resistenza di limitazione della corrente è necessario conoscere la tensione della batteria. Puoi farlo semplicemente contando le batterie. Una singola batteria alcalina AA (o AAA) fornisce circa 1,5 V, un po' di più quando sono fresche. Quando si combinano le batterie in serie, le tensioni si sommano. Quindi in questo caso, con quattro batterie AA nuove, dovrei aspettarmi poco più di 6V.

Se hai un multimetro a portata di mano, non può far male misurare anche le tensioni. Fallo mentre il LED è acceso. In questo caso puoi vedere che sto ricevendo 6,26 V dal pacco batteria, mentre ho una caduta di 3,26 V sul LED e una caduta di 2,98 V sulla resistenza. È interessante notare che sto abbassando quasi la metà della mia tensione sul resistore: è un sacco di energia sprecata! Più su quello più tardi. Se non hai voglia di leggere il codice colore, puoi anche misurare la resistenza del tuo resistore - fallo mentre il LED è spento.

Se non sai come usare un multimetro, ci sono molti buoni tutorial là fuori, su Instrucables e altrove. Ho fatto questo.

Passaggio 4: calcolo della resistenza per un singolo LED

Prima di andare oltre, spieghiamo come calcolare il valore del resistore per un singolo LED. Un resistore è governato dalla legge di Ohm, che afferma che V = IR, o

Equazione 1: Tensione [volt] = Corrente [ampere] x Resistenza [ohm]

La tensione della batteria e la caduta di tensione attraverso il LED sono (approssimativamente) costanti. Quindi nel circuito sopra, la caduta di tensione attraverso il resistore è

Equazione 2: Vresistor=Vbatt-VLED

Collegarlo alla legge di Ohm per il resistore ci dà:

Equazione 3: Vbatt-VLED = IR

Se abbiamo una corrente target per il LED - chiamala ILED - allora sappiamo tutto nell'equazione 3 tranne la resistenza. Possiamo riorganizzare quell'equazione per risolvere per R:

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

Quindi, ad esempio, supponiamo di avere un pacco batteria 2xAA (che fornisce 3V), un LED rosso con una caduta di tensione diretta di 1,8V e vogliamo 20mA attraverso il LED. Sostituendo i numeri nell'equazione 4 si ottiene:

R = (3V-1,8V)/0,02A = 60 Ω

I resistori tendono ad avere valori divertenti, quindi è probabile che tu non abbia un resistore da 60 in giro. È qui che torna utile sapere come combinare i resistori in serie e in parallelo. Tuttavia, va bene se non si ottengono esattamente 20 mA attraverso il LED - "abbastanza vicino" è probabilmente OK per la maggior parte delle applicazioni!

Infine, è un malinteso comune che il resistore debba venire prima del LED per far cadere la tensione o limitare la corrente. In realtà non è vero: si scopre che il resistore può essere posizionato dopo il LED. Guarda un video che spiega perché è vero qui.

Passaggio 5: aggiunta di più LED in parallelo

Iniziamo con il caso più semplice: vuoi solo aggiungere più LED dello stesso colore in parallelo per rendere la tua luce più luminosa. Si potrebbe essere tentati solo di aggiungere i LED direttamente in parallelo a quello esistente, mantenendo la singola resistenza. Funziona, come puoi vedere nelle foto sopra - tutti e tre i LED si accendono - ma c'è un problema! La corrente attraverso il singolo resistore non cambia effettivamente quando si aggiungono più LED in parallelo. Poiché i LED sono in parallelo, la corrente attraverso il singolo resistore si dividerà equamente tra di loro. Quindi, prima, dove avevo 20 mA attraverso un singolo LED, ora ottengo solo circa 20/3 = 6,67 mA attraverso ciascun LED - e non saranno così luminosi!

Invece, se aggiungi un singolo resistore in serie con ciascun LED, otterrai l'intera quantità di corrente attraverso ciascun LED. Il rovescio della medaglia è che questo consumerà la batteria tre volte più velocemente. Questo non è un grosso problema nel mio caso perché ho la luce montata in un armadio e non la userò così spesso.

Quindi, se adotti questo approccio, hai evitato di fare qualsiasi matematica: hai solo bisogno di qualche altro resistore dello stesso resistore. Nel mio caso, ho un resistore da 100Ω e un LED bianco: ne ho solo bisogno di altri due per ottenere un totale di tre LED in parallelo. (Purtroppo mi sono dimenticato di fare una foto di quel passaggio, prima di passare ai led colorati).

Passaggio 6: aggiungere più LED in serie

Che ne dici di aggiungere più LED in serie? Questa opzione funziona se la tensione della batteria è sufficientemente alta. I LED non si accendono affatto se la tensione del pacco batteria è inferiore alla caduta di tensione diretta richiesta. Proprio come con le batterie, quando unisci i LED in serie, le loro tensioni si sommano. Nel mio caso, il mio LED bianco ha una caduta di tensione di 3,4 V, quindi metterne due in serie richiederebbe 6,8 V, più di quanto fornisce la mia batteria. Tuttavia, ad esempio, potresti farlo con due (o anche tre) LED rossi. Se ogni LED rosso avesse una caduta di tensione di 2 V e volessi una corrente di 20 mA, ciò ti darebbe un valore di resistenza di R = (6 - 4) / 0,02 = 100 Ω. Confrontalo con l'inserimento di un solo LED rosso nel circuito: R = (6 - 2) / 0,02 = 200Ω. Aggiungendo un secondo LED in serie, hai notevolmente ridotto la dimensione del resistore, ma stai ancora assorbendo solo 20 mA, quindi non stai scaricando la batteria più velocemente! Hai reso il circuito più efficiente perché stai dissipando meno potenza nel resistore. Ciò porta a un'altra equazione: per un resistore, la potenza è uguale alla corrente al quadrato per la resistenza, o

P=I^2*R

Quindi 20 mA attraverso un resistore da 200 dissipano 80 mW, mentre 20 mA attraverso un resistore da 100 dissipano solo 40 mW.

(di nuovo, mi scuso se non ho un'immagine di questo esempio - sono andato dritto ai LED colorati in parallelo)

Passaggio 7: miscelazione di LED di colori diversi

Se vuoi mischiare LED di colore diverso, hai due opzioni:

• Collegarli in serie: funziona finché la caduta di tensione totale sui LED è inferiore alla tensione del pacco batteria (vedere il passaggio precedente).
• Collegali in parallelo, ciascuno con il proprio resistore - supponendo che tu voglia che tutti i LED abbiano la stessa corrente in modo che abbiano la stessa luminosità, devi solo calcolare il valore del resistore separatamente per ciascun LED, data la sua caduta di tensione diretta.

A volte è più facile prototipare circuiti come questo su una breadboard prima (se non sai come usare una breadboard, dai un'occhiata a questo tutorial). Ancora una volta, potresti non avere i valori esatti del resistore che desideri a portata di mano, quindi puoi giocare con diverse combinazioni in serie/parallelo per mettere a punto la tua luminosità. In questo caso, ho un pacco batteria 4xAA che fornisce circa 6V e LED rosso, verde e blu con cadute di tensione di circa 2V, 2V e 3V rispettivamente. Questo mi dà un valore di resistenza di R = (6-2)/0.02 = 200Ω per i LED rosso e verde e 150Ω per il LED blu. Non ho quei valori esatti disponibili, ma posso creare un resistore da 200 combinando due resistori da 100 in serie e posso avvicinarmi "abbastanza vicino" a un resistore da 150 combinando un resistore da 100 e un resistore da 47 in serie.

Passaggio 8: aggiunta di LED in serie e in parallelo

Ti senti avventuroso e vuoi rendere questa cosa DAVVERO brillante? Aggiungi LED in serie E in parallelo! Ancora una volta, ricorda che per aggiungere LED in serie, la tensione della batteria deve essere superiore alla somma delle cadute di tensione dei LED; e se aggiungi LED in parallelo, la batteria si scaricherà più velocemente. Eseguire un calcolo separato per il valore del resistore per ogni set di LED in serie.

Passaggio 9: rimettilo insieme

La prototipazione su una breadboard, con clip a coccodrillo o piegando i cavi insieme alle pinze è un buon modo per provare diverse combinazioni LED/resistenze prima di finalizzare il progetto. Quando hai finito, saldare i LED e i resistori insieme ti aiuterà a tenerli in posizione quando rimonterai la luce. Un po' di nastro adesivo o colla a caldo può anche aiutare a impedire che si muovano. Con i LED rosso-verde-blu, ho dovuto smontarlo e rimontarlo alcune volte finché non ho sistemato i LED in modo tale da dare un effetto uniformemente diffuso per tutti e tre i colori. Il prodotto finale qui probabilmente non sarà molto utile nel mio armadio, ma sicuramente sembra molto più bello!

Secondo classificato al concorso Made with Math