Questa è una di quelle situazioni in cui il tuo problema non è quanto sei bravo in analisi o quale conoscenza di base potresti avere, ma semplicemente che non hai idea di ciò che non sai. Questo rende sempre il primo passo nell'elettronica molto alto.
Nel caso del tuo esempio, cosa non sai di una batteria?
- La tensione del terminale di una batteria ideale non cambierebbe mai (almeno fino a quando non viene utilizzata tutta la capacità di accumulo di energia). Quindi ci devono essere fattori che influenzano la tensione del terminale e la sua capacità energetica utile. Un breve elenco di chimica, volume dei materiali, temperatura e design dell'anodo / catodo.
- Una batteria pratica ha una capacità limitata e molti degli altri fattori che influenzano la tensione del terminale e la capacità di corrente potenziale possono essere inseriti in un elemento modello chiamato "Resistenza interna". Nel modello per batterie più grandi questo sarà frazioni di un ohm. Tuttavia, la batteria ha anche altri elementi come capacità e induttanza per rendere la situazione più complessa. Puoi iniziare leggendo sui modelli di batterie con testi come questo .
Un ottimo esempio di batteria più grande con resistenza interna molto piccola è una batteria per auto da 12 V. Qui, quando si avvia l'auto, sono necessarie centinaia di Amp (kW di potenza e corrente nella gamma di 600 A) per capovolgere il motore e la tensione del terminale potrebbe scendere da 13,8 V (una batteria per auto al piombo completamente carica) a solo 10 V durante l'avviamento. Quindi la resistenza interna potrebbe essere (usando la legge di Ohm) solo 6 milliohm circa.
Puoi ridimensionare il pensiero di questo esempio con batterie più piccole come batterie AA, AAA e C e almeno iniziare a comprendere la complessità di una batteria.
Cosa non sai di un LED?
- La complessità del modello elettrico per un diodo (sia esso solo un raddrizzatore o un LED) è immensa. Ma potremmo semplificarlo qui e dire che nella sua forma più semplice puoi rappresentare un diodo dalla sua tensione di Bandgap con un resistore in serie. Puoi iniziare qui iniziando a conoscere i numerosi pacchetti SPICE e questa discussione su StackExchange potrebbe essere un buon punto di partenza.
- Tutti i dispositivi a semiconduttore hanno una limitazione pratica della quantità di energia che possono dissipare. Ciò è dovuto principalmente alle dimensioni fisiche del dispositivo. Maggiore è il dispositivo, maggiore è la potenza che può dissipare.
Ora puoi considerare il tuo LED. Dovresti iniziare cercando di capire il foglio dati per il dispositivo. Mentre molte delle caratteristiche che non capirai ne conoscerai già una (dalla tua domanda), la tensione diretta (Vf) e potresti probabilmente trovare il limite di corrente e la massima dissipazione di potenza nel foglio dati.
Grazie a quelli che potresti capire la resistenza in serie, devi limitare la corrente in modo da non superare il limite di dissipazione di potenza del LED.
La legge sulla tensione di Kirchhoff ti dà un grande suggerimento che, poiché la tensione attraverso il LED è di circa 3,1 V (e la curva di corrente del foglio dati ti dice che non potresti mai applicare 9 V), devi avere bisogno di un altro componente del modello in serie nel circuito.
simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab
Nota: l'impedenza interna della batteria mostrata sopra è semplicemente specificata per facilitare il calcolo. A seconda del tipo di batteria (primaria o ricaricabile), la resistenza interna può variare. Controlla la scheda della batteria.
L'elemento sconosciuto sopra potrebbe essere semplicemente un pezzo di filo (nessun elemento)?
Potrebbe .... ma possiamo calcolare facilmente i risultati.
Con due elementi di tensione ideali (9 V e 3,1 V) i resistori devono avere 5,9 V attraverso di essi (il circuito di tensione di Kirchhoff). Il flusso di corrente deve quindi essere 5,9 / 10,1 = 584 mA.
La potenza dissipata nel LED è (3.1 * 0.584) + (0.584 ^ 2 * 10) = 5.2 Watt. Poiché il tuo LED è probabilmente valutato a soli 300 mW o giù di lì, puoi vedere che si surriscalda in modo drammatico e con ogni probabilità fallisce in pochi secondi.
Ora se l'elemento sconosciuto è un resistore semplice e vogliamo che la corrente attraverso il LED sia diciamo 20 mA, abbiamo abbastanza per calcolare il valore.
La tensione del terminale della batteria sarebbe (9 - (0.02 * 0.1)) = 8.998 V La tensione del terminale del LED sarebbe (3.1 + (0.02 * 10)) = 3.3 V
Quindi la tensione attraverso la resistenza sconosciuta è 5,698 e la corrente attraverso di essa 20 mA. Quindi la resistenza è 5,698 / 0,02 = 284,9 Ohm.
In queste condizioni, le tensioni del circuito si bilanciano e il LED passa il valore progettato di 20 mA. La sua dissipazione di potenza è quindi ((3.3 * 0.02) + (0.02 ^ 2 * 10)) = 70 mW .... si spera che rientri nelle capacità di un piccolo LED.
Spero che sia di aiuto.