La luminosità del LED cambia con la tensione?

Quando ero giovane e imparavo l'elettricità, uno strumento favoloso per comprendere la tensione / corrente / resistenza era una lampadina a incandescenza (nel mio caso era una piccola lampadina da 3 V). Quando hai raddoppiato la tensione mettendo due batterie in serie, ha brillato 4 volte più luminoso, ma si è riscaldato di più ed era più incline a bruciarsi. Quando metti due lampadine in serie, si accendono di 1/4 di luminosità. Quando li metti in parallelo, si illuminano normalmente, ma scaricano la batteria due volte più velocemente. Eccetera.

Oggi, tuttavia, le lampadine a incandescenza stanno per uscire e i LED le stanno sostituendo per una buona ragione (come se non si esaurissero ogni pochi mesi). Ma i LED sono diversi e seguono regole diverse, che non mi capisco molto bene.

Mi chiedevo: i LED possono essere usati allo stesso modo? So che affinché un LED sia utilizzabile in modo simile a una lampadina classica, è necessario inserirlo in serie con un resistore, altrimenti assorbe troppa corrente e si brucia. Penso che puoi persino acquistare i LED con resistori integrati. Ma funzionerebbero allo stesso modo? Le variazioni di tensione sarebbero accompagnate da corrispondenti variazioni di luminosità?

I LED sono una bestia molto diversa rispetto alle lampadine a incandescenza. I LED appartengono a una classe di dispositivi noti come dispositivi non lineari . Questi non seguono la Legge di Ohm nel senso classico (tuttavia la Legge di Ohm è ancora usata insieme a loro).

Un LED è (ovviamente) una forma di diodo. Ha una tensione diretta che è la tensione alla quale il diodo inizia a condurre. All'aumentare della tensione, aumenta anche la capacità del diodo di funzionare, ma lo fa in modo non lineare .

Con un LED è la quantità di corrente che lo attraversa che determina la luminosità. L'aumento della tensione aumenta la corrente, sì, ma la regione in cui ciò accade senza che la corrente diventi eccessiva è molto piccola. Nella curva rossa sopra potrebbe esserci un po 'di circa 1,5 V, e quando arrivi a 2 V la corrente è fuori scala e il LED si brucia.

Mettere i LED in serie somma le tensioni in avanti, quindi è necessario fornire una tensione più elevata per l'avvio della conduzione, ma la regione controllabile è ancora altrettanto piccola.

Quindi controlliamo la corrente anziché la tensione e prendiamo la tensione diretta come valore fisso. Includendo un resistore nel circuito per riempire il divario tra la tensione di alimentazione e la tensione diretta, limitando la corrente nel processo o utilizzando un'alimentazione di corrente costante , possiamo impostare la corrente che vogliamo far fluire attraverso il LED e quindi impostare la luminosità. Aumentando la corrente, ma non aumentando la tensione (o solo una quantità trascurabile, e per puro caso), aumentiamo la luminosità.

La formula per calcolare la resistenza da usare per una corrente specifica è:

$V_S$$V_F$$I_F$

No, un LED da solo (nessuna resistenza o altra elettronica) si comporta in modo molto diverso da una lampadina.

Dai un'occhiata a questa scheda tecnica di un LED casuale.

Scorri verso il basso fino alla pagina con molti grafici. Il terzo grafico mostra l'intensità relativa (luce) rispetto alla corrente attraverso il LED:

(Fonte: 334-15 / T1C1-4WYA datasheet)

Noterai che questa curva è in qualche modo lineare, il che significa che il doppio della corrente ti darebbe circa il doppio della luce.

Cosa abbiamo imparato: la luminosità di un LED è in qualche modo proporzionale alla corrente che la attraversa.

Ma quale corrente ottieni per una certa tensione?

Guarda il grafico 2:

(Fonte: 334-15 / T1C1-4WYA datasheet)

Corrente diretta vs tensione diretta, notare come la corrente aumenta rapidamente per una tensione superiore a 3 Volt. Solo 0,5 V in più forniscono 4 volte la corrente! Questa curva cambia anche tra LED e sovratemperatura.

Ecco perché è meglio alimentare i LED con una corrente anziché una tensione. Se si alimenta un LED a con tensione, la corrente non è molto prevedibile, quindi nemmeno la luminosità. Inoltre, l'alimentazione fornita al LED varierà in quanto Potenza è tensione x corrente.

È meglio mantenere un LED a una corrente costante, per questo motivo sono necessari resistori in serie, che limitano la corrente al valore previsto. Non esattamente ma abbastanza vicino per la maggior parte degli scopi.

Con il resistore serie installato, un LED (+ resistore) si comporta in qualche modo più come una lampadina, nel senso che il cambiamento di luminosità è più proporzionale alla tensione applicata.

Le lampade a LED e a incandescenza hanno caratteristiche quasi opposte .

• I LED si abbassano in R con tensione crescente.

• La resistenza di BULB aumenta di 10 volte quando viene accesa. Ciò è dovuto a un grande PTC termico esponenziale (+) di un filamento di tungsteno. Nel frattempo, i LED sono esattamente l'opposto, con un piccolo valore NTC lineare (-).

  • I LED non possono gestire tensioni negative. Tutti sono classificati a -5 V assoluto max.
  • Le LAMPADINE vanno facilmente in entrambe le direzioni, AC-DC

• I LED usano un filo ultrasonico "ultrasottile" Au wirebond, perché la saldatura lo ucciderebbe.

• LAMPADINE ... funzionano a 2500 ° C.

  • I LED hanno bisogno della protezione ESD.
  • Le LAMPADINE assorbono ESD senza alcun problema.

• I LED sono disponibili in tutti i colori dell'arcobaleno e oltre.

• Le LAMPADINE sono tutte uguali, nei toni del bianco

  • I LED possono rilevare la luce con una piccola corrente di uscita come i fotodiodi.
  • Le lampadine non sono in grado di rilevare la luce.

• I LED sono unilaterali anche con un substrato trasparente.

• Le lampadine sono omnidirezionali.

Quindi quando aggiungi tutto, devi capire le differenze per farle funzionare nello stesso ambiente di alimentazione. Oppure affidati a una soluzione ingegnerizzata per renderli semplici da usare.

Se acquistaste dei LED con resistori integrati, funzionerebbero (quasi) esattamente in questo modo.

L'emissione luminosa dei LED è quasi proporzionale alla corrente su una vasta gamma.

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

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

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

Pertanto, quando si inseriscono 2 LED con resistori in serie integrati in serie, la corrente scende a metà della corrente iniziale.

La luminosità di un LED dipende principalmente dalla corrente che lo attraversa.

Una lampadina a incandescenza convenzionale è effettivamente una resistenza, segue la legge di Ohm V = I * R. Se raddoppi la tensione la corrente raddoppierà e la potenza utilizzata aumenterà di un fattore 4 (non del tutto vero, ci sono alcune temperature effetti correlati ma abbastanza vicini per ora).

Un LED d'altra parte è un diodo, come la maggior parte dei diodi ha una tensione di polarizzazione diretta relativamente fissa. Al di sotto di tale tensione non scorre corrente, al di sopra di tale flusso di corrente è illimitato ma la tensione è ridotta dalla tensione di polarizzazione. (Questa è una semplificazione enorme ma è abbastanza buona per la maggior parte dei calcoli approssimativi)

Quale sia questa tensione dipenderà dai materiali utilizzati e quindi dipenderà dal colore. In genere ~ 1,8-2 V per rosso, giallo o verde, ~ 3 V per blu, bianco o "verde vero". Questa caduta di tensione aumenta con la corrente ma solo di 0,1-0,2 V, normalmente è possibile ignorare questo effetto.

Come indicato nella domanda, i LED sono generalmente collegati con una resistenza in serie per limitare la corrente. Perché?

Pensa al LED come a una caduta di tensione fissa, consumerà una quantità fissa di tensione indipendentemente dalla corrente. Quindi, se si collega un LED da 2 V direttamente a una sorgente da 3 V, rimarrà 1 V da far cadere sul resto del circuito. Il resto del circuito in questo caso saranno le resistenze interne dell'alimentatore e dei cavi. Queste resistenze sono generalmente abbastanza basse (così basse che normalmente le ignori) e quindi una grande corrente scorrerà.

Supponendo che le resistenze siano nella regione di 0,1 omh, ciò darebbe una corrente di I = V / R = (3-2) / 0,1 = 10 ampere.

La potenza dissipata nel LED sarebbe P = I * V = 10 * 2 = 20 watt.

Ciò riscalderebbe molto rapidamente il LED fino al punto in cui viene distrutto. Il mondo reale è un po 'più complesso poiché il LED non è la caduta di tensione fissa perfetta a resistenza zero assunta ma il risultato finale è lo stesso in entrambi i casi.

Se aggiungiamo un resistore in serie di 100 ohm oltre alle resistenze interne, la corrente viene ridotta a 10 mA e il LED si illumina piacevolmente.

La modifica del valore del resistore cambierà la luminosità, la maggior parte dei LED piccoli sono limitati a circa 20 mA max e non sono visibili molto al di sotto di 1 mA. In genere, andare oltre i 10 mA è appena percettibile (questo è più dovuto al modo in cui funzionano gli occhi che al modo in cui funzionano i LED). Puoi anche cambiare la luminosità accendendoli e spegnendoli molto rapidamente, questo è più semplice da fare per i sistemi digitali ed è generalmente più efficiente per una data luminosità percepita (di nuovo più a causa degli occhi che dei LED), questo ti permette di cambiare la luminosità pur avendo un solo resistore fisso nell'hardware. Se si prevede di utilizzare un resistore variabile per impostare la luminosità, è buona norma includere anche un piccolo valore fisso in modo che con il resistore variabile a 0 la corrente sia limitata a 20 mA.

E se aggiungessimo due LED in serie?

Ogni LED ha bisogno di 2 V per accendersi. Due LED significano 4V. Con una sorgente a 3 V non abbiamo una tensione sufficiente per inoltrare i diodi in modo che blocchino tutto il flusso di corrente. I LED saranno spenti. Se si aumenta la tensione e si imposta correttamente la resistenza di limitazione della corrente, si accenderanno entrambi. Poiché la luminosità dipende dalla corrente attraverso il LED ed entrambi avranno la stessa corrente, avranno la stessa luminosità (per lo stesso tipo di LED).

E se aggiungessimo due LED in parrallel?

Se ne aggiungiamo due in parallelo ciascuno con il proprio resistore, allora sono effettivamente circuiti separati. Supponendo che l'alimentazione sia sufficiente, ciascuno agirà come se fosse l'unico.

Se condividono la resistenza, le cose diventano più interessanti. In teoria questo funzionerebbe benissimo, dovresti dimezzare il valore del resistore per fornire lo stesso per la corrente del LED, ma a parte questo ti aspetteresti che funzioni. Sfortunatamente nessun due LED sono identici, avranno tutti tensioni di polarizzazione leggermente diverse, il che significa che una maggiore corrente scorrerà attraverso l'una (sarebbe tutta la corrente attraverso una se non fosse per il piccolo aumento della tensione come corrente aumenta che normalmente ignoriamo).

Ciò significa che due LED in parallelo con un singolo resistore non avranno quasi mai la stessa luminosità.

Generalmente tutto ciò che deve guidare un gruppo di LED (ad es. Una retroilluminazione) utilizzerà una lunga serie di LED e aumenterà la tensione fino al livello necessario (entro limiti ragionevoli) in modo che abbiano tutti la stessa luminosità.

Mentre un LED non assomiglia a un incandescenza, la risposta è ancora SÌ.

L'unica differenza nei calcoli della legge degli ohm sarà quella di sottrarre la tensione diretta del LED dalla tensione di alimentazione.

La differenza tra la tensione diretta del LED e la corrente diretta è insignificante.

Ho misurato la tensione di una stringa di 16 LED rossi a 200, 350 e 500 mA. Le tensioni erano 30.07, 31.20, 31.43. Variazione dell'1,02% da 200 a 500 mA.