Perché il mio resistore a LED si è bruciato durante l'illuminazione di quattro LED in serie?

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Ho provato a creare un circuito per commutare un ampio display a LED a 7 segmenti ( LDS-CD16RI ) usando una coppia di MOSFET, come segue:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Qui sto cercando di utilizzare un segnale logico a 3,3 V (illustrato come il 1 cerchiato) per commutare i 24 V per pilotare i LED. Questo circuito si ripete per ciascuno dei segmenti del display.

La tensione diretta diretta di ciascuno dei LED (che sono in serie all'interno di ciascun segmento del display) è di 6,8 V e la loro corrente di andata massima costante è di 20 mA, quindi ho puntato a una corrente di 10 mA attraverso i LED. Dal momento che la mia tensione di alimentazione è solo di 24 V, ho pianificato di far cadere circa 5,75 V attraverso i LED per darmi un po 'di margine per la tensione caduta tra M2 e R2.

Sono arrivato al valore per il resistore limitatore di corrente R2 a 100 Ω usando:

R = \frac{V_{s} - V_{f}}{I} = \frac{24 - (5.75 * 4)}{0.01} = 100 Ω

$R = \frac{V_s - V_f}{I} = \frac{24 - (5.75*4)}{0.01} = 100Ω$

Prima di costruire questo circuito ho calcolato la potenza dissipata da R2 come segue:

P = \frac{V^{2}}{R} = \frac{1^{2}}{100} = 0.01 W

$P = \frac{V^2}{R} = \frac{1^2}{100} = 0.01\mathrm{W}$

0,01 W sembrava al di sotto del limite di 0,25 W delle resistenze a foro passante che ho usato, quindi ho continuato a costruire e testare questo circuito.

Per farla breve: R2 è bruciato poco dopo l'illuminazione di un segmento. Ciò si è verificato per ciascuna delle istanze separate di questo circuito che guida i vari segmenti del display, suggerendo che si trattava di un errore di progettazione piuttosto che di un singolo componente.

Dai miei calcoli e da ulteriori analisi, non riesco ancora a capire perché ciò sia accaduto. Per controllare il mio lavoro, ho ricostruito il circuito in un simulatore che mi ha suggerito che la potenza di R2 sarebbe in realtà 6,84 mW, il che è un risultato che non posso spiegare, ma in ogni caso uno più piccolo di quello che avevo calcolato sopra.

Mi aspetto di aver commesso un errore da qualche parte nei miei calcoli o ipotesi, ma non sono stato in grado di individuarlo. Supponendo che il problema sia che il resistore sta effettivamente dissipando troppa potenza, il mio circuito può essere regolato per risolvere questo problema? R2 è un'aringa rossa qui e il problema esiste altrove nel mio circuito? Il mio approccio stesso è imperfetto?

led resistors 7segmentdisplay

— Martin Atkins
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Misurare la tensione effettiva su ciascuno dei LED quando si utilizza il resistore 100R e la guida di alimentazione a 24 V. Per una buona misura, misurare anche la tensione attraverso la resistenza.

— Dwayne Reid,

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Secondo il tuo circuito, stai mettendo 24 v sul gate di M2. Questo non risponde alla tua domanda di resistenza, ma una volta che funziona, non vuoi masterizzare M2! Non riesco a visualizzare rapidamente i dati su un FQU13P06L, ma presumibilmente ce l'hai.

— Neil_UK,

il calcolo della potenza non corrisponde al risultato della simulazione poiché non si considera la caduta di tensione attraverso il PMOS M2. Qual è la caduta di tensione di saturazione attraverso di essa?

— Anklon,

2

Secondo @DwayneReid. Un multimetro dovrebbe risolvere questo mistero abbastanza rapidamente.

— Daniel,

Grazie per il suggerimento sulla tensione del gate su M2 ... Non l'ho preso nel mio lavoro iniziale, ma lo vedo ora. Mi aspetto che avrò una domanda separata sulla soluzione che dopo aver pensato un po 'di più, anche se devo comunque diminuire la mia tensione di alimentazione (secondo le risposte di seguito) in modo che possa cambiare il problema

— Martin Atkins,

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6,8 volt sembra terribilmente alto per un singolo LED. Sei sicuro che 6.8 non sia il numero per tutti e quattro i LED? Ciò renderebbe 1,7 volt per LED, il che è più ragionevole per un LED rosso. E ciò significherebbe che stai spingendo 172 milliampere, o quasi 3 watt attraverso il tuo resistore.

In questo caso, dovresti ridurre la tua alimentazione a meno di 20 volt (forse 12 volt) per evitare di distruggere il gate del tuo MosFET (M2).

— marchio
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Mark è corretto. R2 deve essere di circa 1800 ohm per 10 mA a 24 V.

— winny

Grazie! Avevo concluso che si trattava di un numero per LED perché il punto decimale ha solo due cifre e quindi mi aspettavo che non potesse essere per tutti e quattro i LED, ma la tua spiegazione ha senso sul perché questa non è una conclusione valida.

— Martin Atkins,

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Per la mia edificazione, oltre a ricalcolarla, l'ho simulata nuovamente con i LED a una tensione diretta di 1,7 V e ho confermato che in realtà anche ~ 3 W si stavano dissipando a R2.

— Martin Atkins,

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Bene, questo o aggiungere altri 8 o 9 led. Usa il potere che altrimenti verrebbe sprecato come calore.

— Passante dal

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@Passerby Aggiungili per perché? Se avesse un centinaio di LED e progettasse di guidarli quattro alla volta, ovviamente avrebbe dovuto correre di più in serie. Ma dal momento che chiaramente non è così, non è molto utile. È come "oh, oggi regalano cibo per cani, quindi devo comprare un cane". :)

— Graham,

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Vedo il tuo problema. Il tuo circuito mostra come stai guidando un singolo segmento LED. (Presumo che tu abbia 7 di questi circuiti, uno per ogni segmento.) Il foglio dati mostra 4 LED in serie, che coprono il segmento.

Il punto in cui hai sbagliato è supporre che ci sia una caduta di tensione diretta di 6,8 V per LED. Non esiste un tale LED rosso. In genere un LED rosso si aggira intorno alla caduta di tensione diretta di 1,6 V-1,8 V, e questa è una caratteristica della fisica coinvolta, quindi non c'è davvero molto spazio per le variazioni. Questo mi dice che hai una caduta di tensione diretta di 6,8 V per tutti e quattro i LED in quel segmento in serie .

Quindi, con una caduta di tensione di 6,8 V e un'alimentazione di 24 V, si scende di 17,2 V attraverso la 100R. Come dice Mark, questo ti dà 172mA e 2.96W dissipazione di potenza sul resistore. Non salutare per una resistenza da 0,25 W.

In effetti, sei fortunato che la resistenza da 0,25 W in pratica diventa una miccia in quelle condizioni e si brucia quasi immediatamente. In caso contrario, mettere 172mA sul display lo brucerebbe abbastanza rapidamente e un grande display a 7 segmenti sarà un po 'più costoso di un resistore. Se avessi usato un resistore di potenza superiore, ti staresti chiedendo perché il display abbia lampeggiato brevemente davvero molto intensamente e poi sia diventato nero per sempre.

— Graham
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Grazie per questa risposta! Ho accettato la risposta di Mark perché era precedente ma entrambe erano ottime risposte e vorrei poterle accettare entrambe. Il chiarimento che la resistenza ha funzionato come una miccia in questo caso è stato utile per pensare a quello che è successo qui.

— Martin Atkins,

@MartinAtkins Abbastanza giusto. Mark era lì per primo - ho appena aggiunto un po 'più di dettagli attorno ai bordi. :) Sono contento che sia stato utile.

— Graham,

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@MartinAtkins Parlando in generale di SE, non in particolare di questa discussione: non dovresti accettare una risposta puramente perché è la prima. Vedi i numerosi thread su SE in cui la prima risposta è estremamente scarsa e spesso cancellata una volta che diventa evidente. Se ne viene fuori uno dopo che risponde meglio alla tua domanda, allora puoi - e probabilmente dovresti - cambiare la tua risposta accettata.

— underscore_d

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Hai sbagliato.

La tensione diretta nel foglio dati è per serie di LED , non per singoli LED.

Quindi la caduta di tensione sui LED è 6.8V e non 6.8V * 4o5.xV *4

Quindi il resistore deve fare i conti 17.2V e non 0..2V.

Quindi la corrente è .17Ae la potenza dissipata ~4W.

— Dima Tisnek
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Cosa aggiunge esattamente questa risposta che altre risposte non hanno già scoperto?

— Thomas Weller,

Buona domanda. Penso che questa risposta sia allo stesso tempo concisa e accurata.

— Dima Tisnek,

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dipende dalla potenza (resistenza interna) e dal colore del led (Vf), la resistenza da 100 ohm deve sopportare tutta la tensione aggiuntiva di 24 - 4xVf -4Ir ... Vf ~ 3V per il bianco, 2V per l'altro colore. La maggior parte dei LED ha un'alta resistenza, tranne i LED di alimentazione come quelli di Cree ... Se il resistore contiene 12 V, la potenza sarà ~ v2 / r 1,5 W watt ... aggiungi più stringhe di LED.

— Pinky
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Benvenuto in EE.SE! La tua risposta è molto difficile da leggere e non sembra rispondere efficacemente alla domanda. Per favore riformatta la tua risposta e assicurati che risponda esattamente alla domanda.

— user2943160