Czy jasność diody LED zmienia się wraz z napięciem?

Kiedy byłem młody i uczyłem się o elektryczności, wspaniałym narzędziem do zrozumienia napięcia / prądu / rezystancji była żarówka (w moim przypadku była to mała żarówka 3V). Kiedy podwoiłeś napięcie, łącząc dwie baterie szeregowo, świeciło 4x tak jasno, ale bardziej się nagrzewało i było bardziej podatne na wypalenie. Po umieszczeniu dwóch żarówek w szeregu, świecą one 1/4 jako jasne. Po umieszczeniu ich równolegle świecą normalnie, ale rozładowują baterię dwa razy szybciej. Itp.

W dzisiejszych czasach żarowe żarówki są jednak w drodze do wyjścia, a diody LED wymieniają je z ważnego powodu (np. Nie wypalają się co kilka miesięcy). Ale diody LED są różne i stosują się do innych zasad, których sam nie rozumiem zbyt dobrze.

Zastanawiałem się - czy diody LED mogą być używane w ten sam sposób? Wiem, że aby dioda LED nadawała się do użytku w podobny sposób jak klasyczna żarówka, musisz połączyć ją szeregowo z rezystorem, w przeciwnym razie pobierze zbyt dużo prądu i przepali się. Myślę, że można nawet kupić diody LED z wbudowanymi rezystorami. Ale czy będą działać w ten sam sposób? Czy zmianom napięcia towarzyszą odpowiednie zmiany jasności?

Diody LED to zupełnie inna bestia w porównaniu do żarówek. Diody LED należą do klasy urządzeń zwanych urządzeniami nieliniowymi . Nie są one zgodne z prawem Ohma w klasycznym sensie (jednak prawo Ohma jest nadal używane w połączeniu z nimi).

Dioda LED jest (oczywiście) formą diody. Ma napięcie przewodzące, które jest napięciem, przy którym dioda zaczyna przewodzić. Wraz ze wzrostem napięcia rośnie również przewodzenie diody, ale robi to w sposób nieliniowy .

W przypadku diody LED ilość prądu przepływającego przez nią określa jej jasność. Zwiększenie napięcia zwiększa prąd, tak, ale region, w którym dzieje się to bez zbyt dużego natężenia prądu, jest bardzo mały. Na czerwonej krzywej powyżej może być tak trochę około 1,5 V, a zanim dojdziesz do 2 V, prąd jest poza skalą, a dioda LED gaśnie.

Umieszczenie szeregowe diod LED sumuje napięcia przewodzące, więc aby rozpocząć przewodzenie, należy podać wyższe napięcie, ale obszar kontrolowany jest nadal równie mały.

Kontrolujemy więc prąd zamiast napięcia i przyjmujemy napięcie przewodzenia jako stałą wartość. Włączając rezystor do obwodu, aby wypełnić lukę między napięciem zasilającym a napięciem przewodzącym, ograniczając prąd w procesie, lub stosując stały prąd , możemy ustawić prąd, który chcemy przepłynąć przez diodę LED i w ten sposób ustaw jasność. Zwiększając prąd, ale nie zwiększając napięcia (lub tylko nieznacznej kwoty i zupełnie przypadkowo), zwiększamy jasność.

Wzór na obliczenie rezystancji dla określonego prądu jest następujący:

Gdzie to napięcie zasilania, V F to napięcie przewodzenia LED, a I F to pożądany prąd przewodzenia LED.$V_S$$V_F$$I_F$

Nie, sama dioda LED (bez oporników lub innej elektroniki) zachowuje się zupełnie inaczej niż żarówka.

Spójrz na ten arkusz danych losowej diody LED.

Przewiń w dół do strony z wieloma wykresami. Trzeci wykres pokazuje względne natężenie (światło) w porównaniu do prądu przez diodę LED:

(Źródło: arkusz danych 334-15 / T1C1-4WYA)

Zauważysz, że ta krzywa jest nieco liniowa, co oznacza, że ​​dwukrotny prąd dałby około dwa razy więcej światła.

Czego się nauczyliśmy: jasność diody LED jest nieco proporcjonalna do przepływającego przez nią prądu.

Ale jaki prąd otrzymujesz dla określonego napięcia?

Spójrz na wykres 2:

(Źródło: arkusz danych 334-15 / T1C1-4WYA)

Prąd przewodzenia vs napięcie przewodzenia, zauważ, jak gwałtownie wzrasta prąd dla napięcia powyżej 3 woltów. Tylko 0,5 V więcej daje 4 x prąd! Ta krzywa zmienia się również między diodami LED i temperaturą.

Dlatego lepiej jest zasilać diody LED prądem zamiast napięciem. Jeśli zasilasz diodę LED napięciem, prąd nie jest bardzo przewidywalny, więc jasność również nie. Również moc doprowadzana do diody LED będzie się zmieniać, ponieważ Moc to napięcie x prąd.

Lepiej jest utrzymywać diodę przy stałym prądzie, dlatego potrzebne są rezystory szeregowe, które ograniczają prąd do zamierzonej wartości. Niezupełnie, ale wystarczająco blisko do większości celów.

Po zamontowaniu rezystora szeregowego dioda LED (+ rezystor) zachowuje się nieco bardziej jak żarówka w tym sensie, że zmiana jasności jest bardziej proporcjonalna do przyłożonego napięcia.

Diody LED i żarówki mają prawie odwrotną charakterystykę.

• Diody LED spadają w R wraz ze wzrostem napięcia.

• Odporność BULB wzrasta 10 razy po włączeniu. Wynika to z dużej wykładniczej termicznej PTC (+) żarnika wolframowego. Tymczasem diody LED są wręcz przeciwne, z małą liniową wartością NTC (-).

  • Diody LED nie są w stanie wytrzymać ujemnych napięć. Wszystkie są oceniane przy absolutnym maks. @ -5V.
  • ŻARÓWKI łatwo działają w obie strony, AC-DC

• Diody LED używają ultradźwiękowego drutu o grubości „mikrona”, ponieważ lutowanie go zabije.

• ŻARÓWKI ... działają w temperaturze 2500'C

  • Diody LED wymagają ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
  • ŻARÓWKI bez problemu pochłaniają ESD.

• Diody LED występują we wszystkich kolorach tęczy i nie tylko.

• ŻARÓWKI są wszystkie takie same, w odcieniach bieli

  • Diody LED mogą wykrywać światło o małym prądzie wyjściowym, takim jak fotodiody.
  • ŻARÓWKI nie mogą wykryć światła.

• Diody LED są jednostronne nawet z przezroczystym podłożem.

• ŻARÓWKI są dookólne.

Więc kiedy to wszystko zsumujesz, musisz zrozumieć różnice, aby działały w tym samym środowisku energetycznym. Albo polegaj na inżynieryjnym rozwiązaniu, które uczyni je prostymi w użyciu.

Jeśli kupiłeś diody LED z wbudowanymi rezystorami, działałyby (prawie) dokładnie w ten sposób.

Wydajność świetlna diod LED jest prawie proporcjonalna do prądu w szerokim zakresie.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$(pojedyncza dioda LED). Które można zmniejszyć (w granicach 10% tolerancji) w przybliżeniu do $I=(V_b/R_i)$

dla dwóch z nich brzmi: $I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$który można zredukować do przybliżonego przybliżenia:

$I=(V_b/(2*R_i))$

Tak więc, umieszczając 2 diody LED z wbudowanymi szeregowymi rezystorami szeregowymi, prąd spada do połowy prądu początkowego.

Jasność diody LED zależy przede wszystkim od przepływającego przez nią prądu.

Konwencjonalna żarówka jest faktycznie rezystorem, działa zgodnie z prawem omowym V = I * R. Jeśli podwoisz napięcie, prąd się podwoi, a zastosowana moc wzrośnie 4-krotnie (nie do końca prawda, istnieje pewna temperatura powiązane efekty, ale na razie wystarczająco blisko).

Z drugiej strony dioda LED jest diodą, podobnie jak większość diod, ma względnie stałe napięcie polaryzacji przedniej. Poniżej tego napięcia nie płynie prąd, powyżej tego prądu przepływ prądu jest nieograniczony, ale napięcie jest zmniejszane przez napięcie polaryzacji. (Jest to ogromne uproszczenie, ale wystarczające do większości zgrubnych obliczeń)

To napięcie będzie zależeć od użytych materiałów, a więc będzie zależało od koloru. Zazwyczaj ~ 1,8-2 V dla czerwonego, żółtego lub zielonego, ~ 3 V dla niebieskiego, białego lub „prawdziwej zieleni”. Ten spadek napięcia wzrośnie wraz z prądem, ale tylko o 0,1-0,2 V, zwykle można zignorować ten efekt.

Jak wskazałeś w swoim pytaniu, diody LED są zwykle połączone szeregowo z rezystorem w celu ograniczenia prądu. Dlaczego?

Pomyśl o diodzie LED jako o stałym spadku napięcia, zużyje ona stałą ilość napięcia bez względu na prąd. Więc jeśli podłączysz diodę 2V bezpośrednio do źródła 3V, pozostanie 1V do zrzucenia na resztę obwodu. Resztą obwodu w tym przypadku będą rezystancje wewnętrzne w zasilaczu i przewodach. Opory te zazwyczaj są dość niskie (tak niskie, że zwykle się je ignoruje), a więc płynie duży prąd.

Zakładając, że rezystancje mieszczą się w zakresie 0,1 om, dałoby to prąd o wartości I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 amperów.

Moc rozproszona w diodzie LED wynosiłaby P = I * V = 10 * 2 = 20 watów.

Spowodowałoby to bardzo szybkie podgrzanie diody LED do momentu jej zniszczenia. Świat rzeczywisty jest nieco bardziej złożony, ponieważ LED nie jest idealnym założonym stałym spadkiem napięcia o zerowej rezystancji, ale wynik końcowy jest taki sam w obu przypadkach.

Jeśli dodamy rezystor szeregowy o wartości 100 omów oprócz rezystorów wewnętrznych, wówczas prąd zostanie zmniejszony do 10 mA, a dioda LED będzie ładnie świecić.

Zmiana wartości rezystora zmieni jasność, większość małych diod LED jest ograniczona do około 20 mA maks. I nie są widoczne znacznie poniżej 1 mA. Zasadniczo przekroczenie 10 mA jest ledwo zauważalne (jest to bardziej spowodowane sposobem działania oczu niż sposobem działania diod LED). Możesz także zmienić jasność, włączając je i wyłączając bardzo szybko, jest to łatwiejsze dla systemów cyfrowych i ogólnie jest bardziej wydajne dla danej postrzeganej jasności (ponownie bardziej ze względu na oczy niż diody LED), pozwala to zmienić jasność mając tylko jeden stały rezystor w sprzęcie. Jeśli planujesz użyć rezystora zmiennego do ustawienia jasności, dobrą praktyką jest również włączenie małej stałej wartości, aby przy rezystorze zmiennym o wartości 0 prąd był ograniczony do 20 mA.

A co jeśli dodamy dwie diody LED szeregowo?

Każda dioda LED potrzebuje 2 V. Dwie diody LED oznaczają 4 V. W przypadku źródła 3 V nie mamy wystarczającego napięcia, aby przesłać diody diodami, a zatem zablokują one cały przepływ prądu. Diody LED będą wyłączone. Jeśli zwiększysz napięcie i poprawnie ustawisz opornik ograniczający prąd, oba zostaną włączone. Ponieważ jasność zależy od prądu przez diodę LED i oba będą miały ten sam prąd, będą miały tę samą jasność (dla tego samego typu diody LED).

Co jeśli dodamy dwie diody LED równolegle?

Jeśli dodamy dwa równolegle, każdy z własnym rezystorem, wówczas będą to osobne obwody. Zakładając, że zasilacz jest wystarczający, każdy będzie działał tak, jakby był jedyny.

Jeśli dzielą rezystor, wtedy robi się bardziej interesująco. Teoretycznie działałoby to dobrze, trzeba by zmniejszyć o połowę wartość rezystora, aby uzyskać taki sam prąd na diodę LED, ale poza tym można by oczekiwać, że zadziała. Niestety żadne dwie diody LED nie są identyczne, wszystkie będą miały bardzo nieznacznie różne napięcia polaryzacji, co oznacza, że ​​więcej prądu przepłynie przez jedną (drugą) (byłby cały prąd przez jedną, gdyby nie mały wzrost napięcia jako prądu wzrosty, które normalnie ignorujemy).

Oznacza to, że dwie diody LED równolegle z jednym rezystorem prawie nigdy nie będą miały tej samej jasności.

Zasadniczo wszystko, co musi napędzać grupę diod LED (np. Podświetlenie), wykorzystuje długi szereg diod LED i podnosi napięcie tak wysokie, jak to konieczne (w rozsądnym zakresie), aby wszystkie miały tę samą jasność.

Chociaż dioda LED nie jest niczym żarowym, odpowiedź brzmi TAK.

Jedyną różnicą w obliczeniach prawa omowego będzie odjęcie napięcia przewodzenia diody LED od napięcia zasilania.

Różnica w napięciu przewodzenia diody LED w stosunku do prądu przewodzenia jest nieznaczna.

Zmierzyłem napięcie ciągu 16 czerwonych diod LED przy 200, 350 i 500 mA. Napięcia wynosiły 30,07, 31,20, 31,43. 1,02% zmiana z 200 na 500 mA.