Co się stanie, jeśli dioda LED zostanie podłączona do napięcia zasilania większego niż jego spadek napięcia?

Moje zrozumienie oporu i napięcia jest okropne. Słyszałem, że zgodnie z prawem Kirchhoffa (słowami proszę poprawić) napięcie stosowane przez obwód musi być równe napięciu dostarczonemu. Na przykład, jeśli miałem baterię 9 V, muszę użyć jej wszystkich 9 V.

Powiedzmy, że mam diodę LED o typowym napięciu polaryzacji przedniej wynoszącym 3,1 V, co oznacza, że ​​traci 3,1 V podczas generowania światła. Czy dioda LED, jeśli zostanie użyte napięcie 9 V, przepali się?

Najprawdopodobniej jest to prawda, ale ładny przykład naprawdę sprawi, że moje zrozumienie będzie bardziej intuicyjne.

Jest to jedna z tych sytuacji, w których twoim problemem nie jest to, jak dobrze jesteś w analizie lub jaką podstawową wiedzę możesz mieć, ale po prostu to, że nie masz pojęcia, czego nie wiesz. To zawsze sprawia, że ​​pierwszy krok w elektronice jest bardzo wysoki.

Co w twoim przykładzie nie wiesz o baterii?

1. Napięcie końcowe idealnej baterii nigdy się nie zmieni (przynajmniej dopóki nie zostanie wykorzystana cała pojemność magazynowania energii). Dlatego muszą istnieć czynniki wpływające na napięcie na zaciskach i jego użyteczną pojemność energetyczną. Szybka lista to chemia, ilość materiałów, temperatura i konstrukcja anody / katody.
2. Praktyczna bateria ma ograniczoną pojemność, a wiele innych czynników wpływających na napięcie na zaciskach i potencjał potencjalnego prądu można wtoczyć w element modelowy o nazwie „Rezystancja wewnętrzna”. W modelu dla większości większych akumulatorów będzie to ułamek omu. Jednak bateria ma również inne elementy, takie jak pojemność i indukcyjność, aby skomplikować sytuację. Możesz zacząć od przeczytania o modelach akumulatorów z tekstami takimi jak ten .

Świetnym przykładem większego akumulatora o bardzo małej rezystancji wewnętrznej jest akumulator samochodowy 12 V. Tutaj, po uruchomieniu samochodu, potrzeba setek amperów (kW mocy i prądu w zakresie 600 A), aby obrócić silnik, a napięcie na zaciskach może spaść z 13,8 V (w pełni naładowany akumulator samochodowy ołowiowo-kwasowy) do tylko 10 V podczas rozruchu. Tak więc wewnętrzny opór może wynosić (przy użyciu prawa Ohma) tylko około 6 miliomów.
Możesz przeskalować sposób myślenia w tym przykładzie na mniejsze baterie, takie jak baterie AA, AAA i C, a przynajmniej zacząć rozumieć złożoność baterii.

Co teraz nie wiesz o diodzie LED?

1. Złożoność modelu elektrycznego diody (zarówno prostownika, jak i diody LED) jest ogromna. Ale możemy to tutaj uprościć i powiedzieć, że w najprostszym przypadku można przedstawić diodę za pomocą napięcia Bandgap z rezystorem szeregowym. Możesz zacząć od zapoznania się z wieloma pakietami SPICE, a ta dyskusja na temat StackExchange może być dobrym punktem wyjścia.
2. Wszystkie urządzenia półprzewodnikowe mają praktyczne ograniczenie ilości mocy, którą mogą rozproszyć. Jest to związane przede wszystkim z fizycznym rozmiarem urządzenia. Im większe urządzenie, tym więcej mocy może zwykle rozproszyć.

Teraz możesz rozważyć swoją diodę LED. Powinieneś zacząć od zrozumienia arkusza danych dla urządzenia. Podczas gdy wielu cech, których nie zrozumiesz, znasz już jeden (z twojego pytania), napięcie przewodzenia (Vf) i prawdopodobnie możesz znaleźć limit prądu i maksymalne rozproszenie mocy w arkuszu danych.
Uzbrojeni w te, które można ustalić rezystancję szeregową, musisz ograniczyć prąd, aby nie przekroczyć limitu rozpraszania mocy diody LED.

Prawo napięcia Kirchhoffa daje dużą wskazówkę, że ponieważ napięcie na diodzie LED wynosi około 3,1 V (a krzywa prądu w arkuszu danych mówi, że nigdy nie można zastosować 9 V), potrzebny jest inny element modelu bryłowego w obwodzie.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Uwaga: pokazana powyżej impedancja wewnętrzna akumulatora jest po prostu określona, ​​aby ułatwić obliczenia. W zależności od typu baterii (pierwotnej lub ładowalnej) rezystancja wewnętrzna może się różnić. Sprawdź arkusz danych baterii.

Czy nieznany element powyżej może być po prostu kawałkiem drutu (bez elementu)?
Może .... ale możemy łatwo obliczyć wyniki.
Przy dwóch idealnych elementach napięciowych (9 V i 3,1 V) rezystory muszą mieć napięcie 5,9 V (pętla napięcia Kirchhoffa). Przepływ prądu musi zatem wynosić 5,9 / 10,1 = 584 mA.
Moc rozproszona w diodzie LED wynosi (3,1 * 0,584) + (0,584 ^ 2 * 10) = 5,2 wata. Ponieważ Twoja dioda LED ma prawdopodobnie moc około 300 mW, możesz zobaczyć, że nagrzeje się ona dramatycznie i najprawdopodobniej ulegnie awarii w ciągu kilku sekund.

Teraz, jeśli nieznany element jest prostym opornikiem i chcemy, aby prąd przez diodę LED wynosił 20 powiedzmy, mamy wystarczająco dużo, aby obliczyć wartość.

Napięcie końcowe akumulatora wynosi (9 - (0,02 * 0,1)) = 8,998 V Napięcie końcowe diody LED wynosi (3,1 + (0,02 * 10)) = 3,3 V

Napięcie na nieznanym oporniku wynosi 5.698, a prąd przez niego 20 mA. Zatem rezystor wynosi 5,698 / 0,02 = 284,9 Ohm.

W tych warunkach napięcie pętli wyrównuje się, a dioda LED przekracza zaprojektowaną wartość 20 mA. Jego rozpraszanie mocy wynosi zatem ((3,3 * 0,02) + (0,02 ^ 2 * 10)) = 70 mW ... mam nadzieję, że w granicach możliwości małej diody LED.

Mam nadzieję że to pomoże.

Tak, dioda LED prawdopodobnie ulegnie uszkodzeniu. To jest krótka historia.

W rzeczywistości napięcie akumulatora nieco spadnie, ponieważ będzie generowało duży prąd (akumulatory mają rezystancję wewnętrzną, która zmienia się w zależności od stanu naładowania, historii rozładowania, temperatury i innych czynników - może kilka omów dla nowej baterii 9 V), i napięcie wzrośnie LED (diody zwiększyć napięcie z prądem w sposób nieliniowy) aż dwa dokładnie spotkać (jeśli zignorować trochę spadek przewodów).

Powiedzmy, że napięcie akumulatora spada do 5 V, a akumulator zasila 1,5 A. Oznacza to, że napięcie przewodzenia diody LED wynosi 5 V i rozprasza 5 V * 1,5 A = 7,5 W, co oznacza, że ​​bardzo szybko się przepali, zakładając, że jest to mała dioda LED o średnicy 3 mm lub 5 mm.

Jeśli dioda LED 3,1 V okazała się wiązką kostek LED równolegle i była w stanie bezpiecznie obsługiwać (powiedzmy) 2A, z drugiej strony napięcie akumulatora spadłoby do około 3,1 V (z powodu wewnętrznej rezystancji akumulatora, to samo co powyżej), a dioda LED zaświeciłaby przy mocy wejściowej około 6 W. Oczywiście bateria szybko się rozładuje (w najlepszym wypadku - lub może się bardzo nagrzać i być może gwałtownie wybuchnąć. Niektóre typy, takie jak baterie NiCd lub niektóre niezabezpieczone baterie litowe, mogą być bardziej niebezpieczne niż inne.

Oto, co się dzieje: po pierwsze, prawidłowo podłączyłem zieloną diodę LED do 9 V za pomocą rezystora 1 kΩ, aby wyłapać napięcie resztkowe.

Więc bez.

Co zadziwiające, potem, znowu z rezystorem, dioda LED nadal działa, ale przede wszystkim ściemnia.

Nie próbujcie tego w domu, dzieci ... z wyjątkiem, do cholery, czemu nie ... to nauka !

Dlaczego krótko świeci na żółto / czerwono przed „świeceniem”, nie wiem. Prawdopodobnie wynik jest inny dla każdego typu LED.

W praktyce w twoim hipotetycznym przykładzie są pewne „ukryte” lub pasożytnicze oporniki, o których nie jesteś świadomy. Na początek bateria ma wewnętrzną oporność szeregową. Dioda LED ma również rezystancję, podobnie jak wszystkie przewody w obwodzie. Spadki napięcia na wszystkich tych rezystorach plus wewnętrzny spadek napięcia diody LED sumują się do napięcia akumulatora.

Pytanie tylko: na jakim to się dzieje? Jeśli jest wystarczająco wysoka, dioda LED ugotuje się i spali. Dodatkowa rezystancja w postaci rzeczywistego rezystora połączonego szeregowo z diodą LED zapobiegnie temu problemowi. Określenie wartości tego rezystora jest okazją do zastosowania prawa Ohma.

Ten schemat, z woltami na Xaxis i prądem na Yaxis, służy do graficznego „rozwiązania” równania dzielników napięcia 2-komponentowych szeregowo. Może być stosowany do dzielnika czysto rezystancyjnego lub tak jak tutaj z diodą i rezystorem.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Umieść drugi komponent w szeregu, aby podzielić napięcie. Na przykład chcesz, aby dioda LED działała bezpiecznie ze swoimi 3,1 wolta i mieć REZYSTOR, który zużywa niepotrzebne [9 - 3,1] = 5,9 wolta. Przy 10 mA (który można wyświetlić jako 100 omów na wolt), potrzebujesz 100 omów / wolt * 5,9 wolta = 590 omów. Wspólne wartości to 560 omów i 620 omów.

Potrzebujesz tutaj obwodu szeregowego: źródła o napięciu 9 woltów, a następnie DWÓCH elementów do podzielenia napięcia akumulatora.

Teraz wykorzystajmy ten sam wykres IV jako nomograf do rozwiązania rezystancyjnych dzielników napięcia.

^{zasymuluj ten obwód}

Odpowiedź na twoje tytułowe pytanie brzmi: dioda LED zaświeci się.

Pod warunkiem, że Twój prąd mieści się w minimalnych i maksymalnych limitach danej diody LED.

Niski prąd sprawi, że będzie słabo palił się, a prąd znamionowy sprawi, że będzie jasno świecić. Zbyt duży prąd spowoduje uszkodzenie diody LED.

Ograniczasz prąd do żądanej wartości (często od 15 do 20 mA) poprzez wprowadzenie odpowiedniej rezystancji do obwodu.

Użyj prawa Ohma, aby to rozwiązać. R (omy) = V (wolty) / I (ampery).

W rozsądnych granicach napięcie nie ma znaczenia dla diody LED, to prąd ją zaświeca. Musisz oczywiście mieć napięcie wystarczające do przekroczenia wewnętrznego spadku napięcia diody LED na niskim końcu.

Nie wszystkie źródła zasilania 9 V są równe. Niektórzy zepsują diodę LED, a niektórzy nie. (Zależy to od prądu zwarciowego lub rezystancji wewnętrznej.)

Brakuje 9 V - 3,1 V = 5,9 V. Jest on upuszczany wewnątrz źródła zasilania 9 V, drutu i wewnątrz diody LED. (Są to rezystancje, które powodują utratę napięcia lub spadek napięcia.)

Bardzo trudno jest wydmuchać cokolwiek bez ciepła (z wyjątkiem ładunków elektrostatycznych w MOS.) Ciepło potrzebuje czasu na nagromadzenie się (i uwolnienie dymu :-)

Ciepło, które niszczy diodę LED, wynika z napięcia 3,1 V, rezystancji wewnętrznej diody LED, prądu (V / R) i czasu. Część ciepła (zanim pojawi się dym) jest tracona do otoczenia. Dlatego w niektórych obwodach stosuje się radiatory, aby zapobiec dymowi.

Mam nadzieję, że to proste wyjaśnienie pomoże Ci rozpocząć pracę w Google

W pierwszym przybliżeniu, pomijając wewnętrzne rezystancje, diody LED mają wykładniczą charakterystykę przewodzenia we / wy. W rzeczywistości jest to charakterystyka złącza spolaryzowanego do przodu: rzeczywiste urządzenia mają szeregowy opór wewnętrzny, zwykle niektóre omy.

„Nominalny” spadek napięcia diody LED to tylko jeden punkt na charakterystyce, zwykle napięcie, które odpowiada 20 mA lub określony nominalny prąd przewodzenia.

Kiedy umieścisz diodę w poprzek biegunów akumulatora, tworzysz obwód szeregowy, który zawiera „idealne” źródło napięcia 9 V, diodę LED i wewnętrzny opór akumulatora (powiedzmy 2 Ohm)

Punktem pracy diody LED jest przecięcie jej przednich charakterystyk z linią obciążenia określoną przez napięcie źródła (9 V) i wewnętrzną rezystancję akumulatora. Spadek napięcia na diodzie LED będzie znacznie wyższy niż nominalny 3,1 V.

O ile Twoja dioda LED nie jest urządzeniem wysokoprądowym, prąd przekroczy wartość nominalną, a dioda LED ucierpi lub wybuchnie.

Diody LED (i ogólnie diody) są trochę dziwne. Jako pierwsze przybliżenie poniżej progu napięcia nie może płynąć prąd, nad nim nie ma ograniczeń w przepływie prądu.

Pomyśl o tym jak o tamie, gdy woda jest poniżej tamy, jest całkowicie zablokowana. Gdy poziom wody znajdzie się nad górą tamy, jej przepływ jest nieograniczony, jednak nadal tracisz ilość znajdującą się za tamą.

Tak więc z diodą LED o progu 3,1 V, jeśli zastosujesz 9 V, nadal masz do zużycia 5,9 V. Zostanie to wykorzystane przez rezystory w obwodzie, zgodnie z prawem Ohma, V = I * R. Jeśli nie dodałeś żadnych rezystorów, R oznacza rezystancję wewnętrzną baterii i rezystancję przewodów. Te wewnętrzne opory są zwykle na tyle małe, że można je zignorować, ale w tym przypadku są wszystkim, co masz. Małe rezystancje i stałe napięcie oznaczają, że prąd będzie bardzo wysoki. Dioda LED będzie miała maksymalny prąd, który może przetrwać, około 20 mA dla typowych diod LED. Jeśli je przekroczysz, same się przegrzeją i zniszczą.

Jak powiedziałem na początku, jest to tylko przybliżenie diody LED, w praktyce spadek napięcia rośnie wraz z prądem. Jednak wzrost ten nie jest ogromny, ogólnie jeśli jesteś w sytuacji, w której musisz wziąć to pod uwagę, albo robisz coś bardzo wrażliwego, coś o dużej mocy lub biegniesz zbyt blisko limitów komponentów na początek. Wzrost z pewnością nie wystarczy, aby wpłynąć na wynik końcowy w tym scenariuszu.

Wszystko ma opór. Kropka!

• Obejmuje to baterie (ESR), diody (Rs), cewki indukcyjne (DCR) Caps. (ESR), a nawet rezystory (R);)
  • „Pętla napięcia Kirchhoffa (KVL)” uczy, jak korzystać z tego „napięcia resztkowego”
    • dzieje się tak po dodaniu lub odjęciu wszystkich napięć zasilania
    • z sumą wszystkich części połączonych szeregowo, z których każda ma opór
  • dlatego KVL uczy, jak obliczyć wynikowy prąd lub natężenie przepływu ładunków w jednostkach amperów lub „amperach” = 1000 miliamperów (mA)

• w ten sposób ta „pozostałość V” jest sumą wszystkich części R w pętli.

  • gdy jest to dobry przewód przewodzący, zwykle (ale nie zawsze) ignorujemy opór i spadek napięcia.

• więc I = V / R każdej części po pozostałym napięciu i sumie rezystancji pętli wyrażonej jako stosunek.

• części, które mogą obsłużyć DUŻĄ moc, muszą mieć niski R (z wyjątkiem teorii szkoły podstawowej, mówimy, że idealne akumulatory mają R = 0)

• wszystkie podobieństwa diod mają niższą rezystancję powyżej napięcia progowego Vt, jeżeli są oceniane dla większej mocy, przy znamionowym napięciu wyjściowym Vf

3 V LED ma próg około 2,8 V, a następnie może wynosić 3,1 V +/- 10% w zależności od szerokiej tolerancji i oczywiście mocy

 - for example
   -  a 300mA rated white LED (1W) has a bulk resistance less than 0.5 to 1 Ohm due to 50% MFG tolerances
   - a 9 V Alkaline battery actually has six (6) tiny 1.5V cells in series
   -  inside , each has about ESR= 1 Ohm (when new)
           - cheap carbon pile aka HEAVY DUTY cells are about 3 Ohms (new) so less powerful

Zatem, z jedną białą diodą LED o mocy 1 W i jedną baterią alkaliczną 9 V, jakie jest napięcie „resztkowe” i prąd wynikowy?

• Jak wybrać R, aby ograniczyć ten prąd?
• Jak wybrać moc znamionową i wzrost temperatury.

(9 V-2,8 V) / (6x1 + (0,5 do 1) + R) = 0,3 A = 300 mA

rozwiązać dla R.

Wskazówka, jeśli R = 0, dioda LED staje się zbyt jasna i zbyt gorąca, aby przetrwać

Czapki mają ESR, ale jako izolatory = dielektryki, blokują prąd stały, ale przewodzą prąd przemienny.

Nigdy nie powiedziano nam, czy bateria zastosowana w filmie była chińskim „superciężkim” węglowo-cynkowym, który przeciekał w swoim opakowaniu przez rok i kupił w sklepie Dollar Store, czy też był to nowy nowoczesny alkaliczny produkt marki jeden. Duża różnica.