Etuvastus
Kuten aikaisemmin tuli todettua, ledi vaatii käytännössä aina jonkinlaisen virranrajoitinkytkennän, jolla ledin virtalähteestä ottamaa virtaa rajoitetaan. Yksinkertaisin ja ehdottomasti yleisin tapa on vastus. Muitakin konsteja on, mutta niiden harvinaisuuden vuoksi niihin ei tässä artikkelissa paneuduta.
Vastus siis rajoittaa virran kulkua, eli toimii vähän samaan tapaan, kuin puoliksi kiinni väännetty hana vesijohdossa. Oikein mitoitetulla vastuksella saadaan virta rajoitettua ledille sopivaksi.
Etuvastuksen mitoittamiseen tarvitsemme ledistä kaksi perustietoa, eli kynnysjännitteen, sekä virran, jolla haluamme lediä polttaa. Tämän lisäksi tarvitsee tietää jännite, jolla tätä kytkentää syötetään, eli vaikkapa autokäytössä 12 volttia.
Otetaanpa siis ensimmäiseksi esimerkiksi etuvastuksen mitoittaminen superkirkkaalle valkoista valoa antavalle ledille. Syöttöjännite on 12 volttia. Vastuksen resistanssi ja tarvittava tehonkesto siis pitäisi selvittää. Ledistä ei ole tarkkoja datatietoja saatavilla, joten mitoittakaamme kytkentä 30mA:n virralle.
Kyseessä on sarjaankytkentä, jolloin virta on saman suuruinen molemmissa komponenteissa. Jännite sensijaan jakaantuu molemmille komponenteille, eli toisinsanoen UR + UD = U. Valkoisesta ledistä puolestaan tiedämme sen kynnysjännitteen, joka on 4 volttia. Näinollen pystymme laskemaan vastuksen navoilla vaikuttavan jännitteen: U - UD = UR. Eli numeroina ilmaistuna 12V - 4V = 8V.
Vastuksen resistanssi saadaan laskettua ohmin lain avulla: U / I = R. Tässä esimerkissämme kaava tosin on muodossa UR / I = R. Resistanssi kun on laskettava nimenomaan vastuksessa hukattavan jännitteen mukaan, elikä kytkennän kokonaisjännitteen mukaan. Lisäksi virran on oltava perusyksikössään, kuten muidenkin suureiden, eli 30mA = 0,03A. Sitten lasketaan 8V / 0,03A = 267 ohmia.
Vastuksen häviöteho saadaan kaavasta U * I = P, joka tässä esimerkissämme on käännettävissä muotoon UR * I = PR. Sitten lasketaan 8V * 0,03A = 0,24W.
Nyt voimme valita sopivan vastuksen. Ensiksi arvo pyöristetään lähimpään vakioarvoon joka E-12 sarjassa on 270ohmia. Pyöristys on hyvä tehdä seuraavaan suurempaan vakioarvoon. Tällöin kytkennän virta putoaa, riski ledin ylivirtaan laskee. Tietysti, jos voimme olettaa ledin kestävän enemmänkin virtaa, voidaan vastuksen arvoa pyöristää myös alas päin.
Kytkennän lopullinen virta, valitulla vastuksella voidaan tarkastaa laskemalla: UR / R = I. Näinollen 270ohmin vastuksella tulisi virraksi 8V / 270ohm = 0,0296A. Lopullinen virta on siis 30mA:n sijasta 29,6mA.
Vastuksen tehohäviöksi saatiin 0,24W. Näinolen tarkoitukseen riittäisi tavallinen 0,25 watin tehonkestoinen hiilikalvovastus, mutta sen verran lähellä raja-arvoa ollaan, että lienee parempi valita metallikalvovastus, jossa tehonkestoa on 0,5W.
Ledien sarjaankytkentä
Pidetäänpä edellisen esimerkin muut lähtötiedot samana, mutta nyt haluttaisiinkin polttaa kahta lediä. Edellisen esimerkin pohjalta lienisi helpointa ostaa kaksi lediä, ja kaksi 270 ohmin vastusta, ja käyttää molempia ledejä omalla etuvastuksella.
Nyt kytkentään on ilmestynyt kaksi uutta virtasuuretta, I1 ja I2. Edelleen kytkentää tutkittaessa voidaan todeta, että molemmat näistä osavirroista ovat nyt 29,6mA, joten näinollen kytkennän kokonaisvirta I on nyt I1 + I2 = I, eli 29,6mA + 29,6mA = 59,2mA. Virta on siis tuplaantunut edelliseen esimerkkiin nähden. Se nyt on ymmärrettävääkin, koska yhden ledin sijasta poltetaan nyt kahta lediä.
Homman voi kuitenkin toteuttaa toisellakin tavalla. Kytketään ledit sarjaan. Säästetään toinen etuvastus, ja lisäksi kytkennän virrankulutuskin putoaa taas suunnilleen samaksi, kuin se olisi yhdellä ledillä.
Ledejä voidaan samalla periaatteella kytkeä sarjaan kaksi tai useampiakin. Virta pysyy samana koko kytkennässä, mutta osajännitteitä tulee nyt enemmän. Se perussääntö tietysti tulee pitää mielessä että ledien yhteenlaskettujen kynnysjännitteiden tulee olla pienempi kuin syöttöjännite. Yhtälö siis ei saa muodostua sellaiseksi, jossa UR tulisi negatiiviseksi. Ledit eivät tällöin syty ollenkaan, koska ledin navoille jäävä jännite on pienempi kuin ledin kynnysjännite.
Kytkennän kokonaisvirta on siis se 30mA, jonka jo edellisessä esimerkissä määrittelimme käyttämämme ledin virraksi. Seuraavaksi voidaan kytkennän jännitteistä todeta seuraavaa: U = UR + UD1 + UD2. Ledien kynnysjännitehän on se 4V, ja koska syöttöjännitteen suuruus on 12V, voimme laskea UR:n seuraavasti. U - UD1 - UD2 = UR, eli 12V - 4V - 4V = 4V.
Nyt voimme mitoittaa vastuksen arvot samalla tavoin kuin edellisessäkin esimerkissä. UR / I = R eli 4V / 0,03A = 133ohm. Myös vastuksen tehohäviö selviää samaan tapaan. UR * I = P eli 4V * 0,03A = 0,12W. Vastukseksi voidaan siis valita 150ohm 0,25W hiilikalvovastus. Metallikalvo, teholtaan 0,5W käy toki myös. Ylimääräisestä tehonkestostahan ei ole mitään haittaa.
