Spadki napięcia i prąd dla LED?

Utworzyłem następujący obwód na płytce i użyłem zasilacza Arduino Uno 3.3V do zasilania:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

Na stronie internetowej Arduino wspomniano, że pin 3,3 V ma prąd 0,05 A. Według KVL dałoby to nam 3,3 V - (330 omów * 0,05 A) - Spadek napięcia na diodzie LED = 0

Zgodnie z równaniem spadek napięcia na diodzie LED będzie ujemny, a zatem dioda LED NIE powinna się włączyć. Jednak na płycie głównej dioda LED się świeci ... DLACZEGO? Jest to całkowicie sprzeczne z podstawową teorią ... czy to normalne? czy jest to możliwe tylko dlatego, że gdzieś popełniłem błąd? = O

Problem polega na tym, że (jeszcze) nie rozumiesz poprawnej podstawowej teorii do zastosowania :-).

Jednak - gratulacje za samodzielne wypracowanie. Tak trzymaj, a wkrótce zapoznasz się z prawidłowym obliczaniem.

Napięcie, prąd i rezystancja mogą być odpowiednio modelowane za pomocą analogii wody. Napięcie jest podobne do ciśnienia pompowania lub ciśnienia „szczytowego” w zbiorniku, prąd jest podobny do przepływu prądu, a opór jest podobny do oporu rurowego względem przepływu wody lub oporu przepływu oferowanego przez silnik hydrauliczny.

Tak więc „błąd” w twoim modelu zakłada, że ​​obecna ocena Arduino była tym, co napędzało to, co się stało, kiedy to, co jest ważne, to napięcie lub ciśnienie pompowania.

Jeśli obwód 3V3 Arduino ma wartość 50 mA, jest to maksymalny prąd, który powinien przepłynąć , a nie ilość prądu, który musi przepłynąć.

Korzystanie ze schematu artystycznego ASCII:

               330 ohms         .......
 ------------------^^^^---------| LED |-----
 |                              ```````    |
 |                                         |
(3.3V)                                     |
 |                                         |
 |                                         |
 -------------------------------------------

Kluczowym równaniem tutaj (jeden układ prawa Ohma) jest

• I = V / R

Oznacza to, że prąd wzrośnie wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia i spadnie wraz ze wzrostem rezystancji. Został tu dodany dodatkowy czynnik, aby uczynić rzeczy bardziej interesującymi. Diody LED działają w przybliżeniu jak „ujście” stałego napięcia. Oznacza to, że gdy prąd wzrośnie powyżej pewnego początkowego limitu, napięcie nie wzrośnie liniowo wraz z prądem - wzrośnie, ale będzie wolniej niż tempo wzrostu prądu.

Ułożenie tego równania, które otrzymujesz

• R = V / I

Pozwala to obliczyć wymaganą wartość rezystora potrzebną do uzyskania danego prądu o danym dostępnym napięciu. Zanim będziemy mogli go zastosować, musimy zrozumieć „gotcha”.

Podczas pracy w ich projektowanych zakresach prądowych większość diod LED ma rozsądnie ograniczony zakres spadków napięcia. Nowoczesna biała dioda LED może zacząć emitować światło z widocznym „upuszczeniem” około 2,8 V na diodę LED, mieć spadek, powiedzmy 3V3 (= 3,3 V) przy 20 mA (co jest zwykle maksymalnym projektowym prądem opracy dla diod LED o średnicy 3 mm i 5 mm ,) i wypalić nadmiar prądu, powiedzmy 3V8 na całej diodzie LED. Typowe liczby będą się różnić, ale daje to pewien pomysł. Nowoczesna czerwona dioda LED może wykazywać spadek napięcia przewodzenia przy prądzie znamionowym 2,5 V, a dioda podczerwieni może działać typowo przy 1,8 V. Przy obliczaniu prądu diod LED można rozpocząć od typowego spadku napięcia w przód z arkusza danych diody LED.

Typowa czerwona dioda LED

Oto arkusz danych typowej nowoczesnej czerwonej diody LED . To jest Kingbright WP7113ID. Wybrałem go, znajdując najtańszą dostępną w magazynie diodę LED o średnicy 5 mm sprzedawaną przez Digikey. W 1 to 11 centów amerykańskich.

W arkuszu danych podano, że napięcie przewodzenia wynosi zwykle 2,0 V przy 20 mA, więc użyję tej wartości.

Praca przy 20 mA

Ponieważ dioda LED ma wokół siebie w przybliżeniu stałe napięcie, musimy odjąć to napięcie od dostępnego napięcia, które „przepompuje” prąd przez rezystor. Zaprojektujemy obwód tak, aby dawał 20 mA - maksymalną wartość znamionową diod LED. Staje się nasza poprzednia formuła.

• R = (V_supply - V_LED) / I

Dla V_LED = 2v0 i Vsupply = 3V3 otrzymujemy

• R = (3,3 - 2,0) / .020 = 1,3 / .02 = 65 omów.

68 Ohm to najbliższa standardowa wartość rezystora „E12” *.

Spadek napięcia na rezystorze = 3,3 - 2,0 = 1,3 V - jak wyżej. Arkusz danych mówi, że Vd LEd MOGĄ wynosić nawet 2V5 przy 20 mA. Zobaczmy, co by się stało, gdybyśmy zastosowali diodę LED o Vf = 2,5 V przy 20 mA.

Jak wyżej I = V / R = (Vsupply-VLED) / R

Teraz używamy I = (3,3-2,5) / 68 = 0,8 / 68 = 0,00176 A ~ = 12 mA.

Więc zaprojektowaliśmy dla 20 mA, ale w tym przypadku dostaliśmy około 12 mA. Podobnie, gdyby diody LED Vf były niższe niż 2,0 V przy 20 mA (co może się zdarzyć), prąd byłby wyższy niż 20 mA. Ogólnie prąd LED może się różnić o> 2: 1 ze względu na różnice produkcyjne w Vf diod LED. Jest to powód, dla którego „rzeczywista” konstrukcja napędu LED wykorzystuje źródła prądu stałego lub układy zbliżone do źródła prądu stałego. Ale to inna historia.

Praca z rezystorem 330 omów

Do twojego rezystora 330R.

Z diodą Vf = 2V0. I_LED = V / R = (3,3-2 V) / 330 = ~ 4 mA

Z diodą Vf = 2V5. I_LED = V / R = (3,3-2,5 V) / 330 = ~ 2,4 mA

Arkusz danych nie mówi, jakie jest minimalne Vf - tylko typowe i maksymalne - ale załóżmy, że wynosi 1,8 V.

I_LED = V / R = (3,3-1,8) / 330 = 4,5 mA

Tak więc prąd LED może wynosić od 2,4 mA do 4 mA = stosunek 1: 1,666 w zależności od LED Vf.

ALE wartość Vf w karcie danych wynosiła 20 mA. Gdy prąd spadnie, Vf spadnie „nieco”. Oto charakterystyka wybranej diody LED z arkusza danych.

Widzimy, że Vf wynosi około 1,7 V przy 2 mA i około 1,78 V przy 4 mA, więc przyjęta wartość 1,8 V jest wystarczająca do naszych celów.

• E12 - najpopularniejsze serie rezystorów z dokładnością 5% - 12 rezystorów na dekadę.

Preferowana seria liczb - wyszukaj E12, a następnie przeczytaj także resztę :-)

Specyficzne dla E12 - wartości i kody kolorów - bardziej skoncentrowane, ale ogólnie mniej przydatne

Musisz zacząć od spadku napięcia LED. To właśnie determinuje prąd, a nie na odwrót. Powodem jest to, że napięcie LED jest mniej więcej stałe, podczas gdy prąd będzie zmienny i dostosuje się do wymagań obwodu.
KVL jest rzeczywiście tym, czego potrzebujesz. Gdyby spadek napięcia LED wynosiłby 2 V, wówczas napięcie rezystora wynosiłoby 3,3 V - 2 V = 1,3 V, a zatem prąd w obwodzie

$I = \dfrac{1.3V}{330\Omega} = 4mA$

Tak więc, jeśli spadek napięcia na rezystorze byłby zbyt duży, to automatycznie dostosowuje się do niższej wartości poprzez obniżenie prądu.

Uwaga: 50mA jest tym, co może dostarczyć pin . To, co dostarcza w rzeczywistości, zależy od tego, o co pyta obwód, i nie powinno być wyższe. A w naszym przypadku jest znacznie niższa, więc jest OK.

W większości sytuacji powyższe obliczenia, które zakładają stały spadek napięcia diod LED, są wystarczające, ale czasami potrzebujesz dokładniejszej odpowiedzi, która uwzględnia zmienne napięcie przewodzące. Przez większość czasu nie będziesz mieć równania prądu i napięcia przewodzenia, a jedynie wykres. Oznacza to, że nie możesz rozwiązać tego analitycznie. Przekonamy się, że łatwo go rozwiązać graficznie.

$\Omega$$\dfrac{3V}{100\Omega}$
$\dfrac{3V - 2V}{100\Omega}$

Zobacz także to pytanie, aby dowiedzieć się, jak obliczyć wartość rezystora.

Dwie możliwości:

• obecna ocena jest tym, co urządzenie zaopatrzeniowe jest w stanie poradzić sobie bez uszkodzenia / przegrzania, ale nie jest czymś, co podejmuje środki, aby ograniczyć się do

• spadek napięcia na diodzie LED jest wyższy niż myślisz, stąd spadek napięcia na rezystorze i przepływający przez niego prąd są niższe niż 50 ma. Losowa karta danych LED, którą właśnie wykopałem, zawierała napięcie przewodzenia o wartości 1,85 V - co dałoby ci spadek o 1,45 V na oporniku i prąd o wartości 44 ma (co jest dwukrotnie wyższe niż zalecane dla wybranej przeze mnie diody LED - możesz rozważyć większy rezystor - stare zestawy shackerów radiowych wykorzystywałyby 680 omów przy zasilaniu bateryjnym 3V)

Jeśli masz woltomierz (lub może własne wejście analogowe arduino), możesz zmierzyć napięcie węzła między rezystorem a diodą LED i określić odpowiednie spadki na rezystorze i diodzie LED, a tym samym prąd ze spadku na znanej rezystancji .

Krótka odpowiedź:

Prąd nie będzie wynosił 0,05 A po prostu dlatego, że specyfikacja zasilania mówi 0,05 A; kiedy specyfikacja zasilacza zapewnia prąd, jest to maksimum, jakie powinieneś z niego wziąć. To, co faktycznie dostajesz za prąd, zależy od obciążenia.

To powiedziawszy, możesz uzyskać ilościowe odpowiedzi dla tego konkretnego przypadku z niektórych ładnych wykresów, które zostały podane w innych odpowiedziach.