Cosa succede se un LED è collegato a una tensione di alimentazione superiore alla sua caduta di tensione?


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La mia comprensione della resistenza e della tensione è orribile. Ho sentito che con la legge di Kirchhoff, (secondo le mie parole, per favore correggi) la tensione usata dal circuito deve essere uguale alla tensione fornita. Ad esempio, se avessi una batteria da 9 V, devo usarne tutti e 9.

Diciamo che ho un LED con una tipica tensione di polarizzazione diretta di 3,1 V, il che significa che perde 3,1 V mentre genera luce. Il LED se viene utilizzato 9 V, si spegnerà?

Molto probabilmente è vero, ma un bell'esempio renderà la mia comprensione più intuitiva.


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Si prega di riformulare l'oggetto e la riga del titolo per renderlo più chiaro. Prova a usare i termini tensione, corrente e resistenza.
skvery

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La mia comprensione della resistenza e della tensione è orribile Forse vorresti risolverlo studiando e sperimentando un multimetro, lampadine e batterie? Se vuoi "fare qualcosa" con l'elettricità, almeno fai uno sforzo per imparare. Fare scuse in anticipo è proprio così zoppo (e non sei l'unico a proposito, sembra essere comune in questi giorni).
Bimpelrekkie,

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@fake come si chiama fare una domanda allora? Non è uno sforzo per imparare?
Passante,

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Una chiave da asporto che dovresti ottenere da queste risposte: i bei modelli chiari di come funzionano i circuiti sono validi solo per circuiti "ragionevoli". Una volta scelto di fare qualcosa al di fuori del loro ambito (come collegare un LED a una batteria senza un resistore nel circuito), il circuito non viene più facilmente modellato con quei semplici modelli. Ora devi usare modelli molto più completi che possono richiedere molto tempo e know-how da usare. La scommessa migliore: non fare cose cattive ai tuoi circuiti solo per vedere cosa accadrà!
Cort Ammon,

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Una curva IV sarebbe molto buona da avere in una risposta
Eric Johnson,

Risposte:


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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?

  1. 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.
  2. 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?

  1. 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.
  2. 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.

schematico

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.


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Ottima risposta per l'OP
Utente323693

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@ SunnyskyguyEE75 In nessun punto della domanda OP è la batteria specificata. Hai ragione sul fatto che un PP9 alcalino non avrà 100m ohm ... ma ci sono così tante batterie diverse come questa ( dependableexpendables.com/products/titanium-9v-lithium-battery ) che fornirà 1A. In nessuna parte della domanda o della soluzione devo specificare la batteria. Ho dato un esempio funzionante nel testo e nella risposta ho affrontato la resistenza interna. Quindi, ancora una volta, fai solo rumore di sciabole per fare rumore.
Jack Creasey,

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Quindi indicare dove è menzionato AA o AAA? ... semplicemente una batteria da 9V ... nessuna specifica.
Jack Creasey,

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@ SunnyskyguyEE75 Sei stato tu a sollevare che questo potrebbe essere fatto di celle da 1,5 V. Qui solo una normale capacità al litio alta: data.energizer.com/pdfs/l522.pdf Questo fornirà almeno 500mA per un breve periodo. Certamente abbastanza a lungo per bruciare un LED.
Jack Creasey,

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Vai avanti e riduci il voto ... Sarei deluso se non lo facessi.
Jack Creasey,

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Sì, il LED potrebbe essere danneggiato. Questa è la storia breve.

In realtà la tensione della batteria diminuirà un po 'perché farà esplodere molta corrente (le batterie hanno una resistenza interna che varia con lo stato di carica, la storia di scarica, la temperatura e altri fattori, forse qualche ohm per una nuova batteria da 9 V), e la tensione del LED aumenterà (i LED aumentano la tensione con la corrente in modo non lineare) fino a quando i due si incontrano esattamente (se si ignora un po 'di caduta nei fili).

Supponiamo quindi che la tensione della batteria scenda a 5 V e che la batteria fornisca 1,5 A. Ciò significa che la tensione diretta del LED è 5 V e sta dissipando 5 V * 1,5 A = 7,5 W, il che significa che si esaurirà molto rapidamente, supponendo che sia un piccolo LED indicatore da 3 mm o 5 mm.

Se il tuo LED 3.1V fosse un mucchio di dadi LED in parallelo ed fosse in grado di gestire in modo sicuro (diciamo) 2A, d'altra parte, la tensione della batteria scenderebbe a qualcosa come 3.1V (a causa della resistenza interna della batteria, come sopra) e il LED si accenderebbe con circa 6 W di potenza in ingresso. Naturalmente la batteria si esaurirebbe rapidamente (nella migliore delle ipotesi o potrebbe surriscaldarsi e esplodere violentemente. Alcuni tipi, come batterie NiCd o alcune batterie al litio non protette, potrebbero essere più pericolosi di altri.


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"la batteria si esaurirebbe rapidamente." - o brucia. O esplodere. Esistono limiti sia per LED che per batterie.
Mołot,

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@ Mołot l'esempio di una batteria da 9 V significa che è improbabile. Ho visto due alcalini PP3 messi in cortocircuito e usati come scaldamani.
Chris H,

@ChrisH è più sicuro che dispiaciuto, non possiamo sapere se i futuri lettori useranno PP3, o un'altra configurazione da 9 V, o anche una tensione diversa.
Mołot,

@ChrisH È vero- se qualcuno è stato abbastanza sfortunato da usare un NiCd 9V, è possibile un'esplosione. Risposta modificata.
Spehro Pefhany,

1
@ChrisH Un collega nel Regno Unito ha detto di averne uno da esplodere e non ho alcun motivo di dubitare di lui: ha usato un tubo d'acciaio a pareti spesse per contenere i pezzi.
Spehro Pefhany,

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Ecco cosa succede: in primo luogo, ho collegato correttamente un LED verde a 9 V utilizzando una resistenza da 1 kΩ per catturare la tensione residua.

Quindi senza.

Friggere un LED verde collegando direttamente a 9 V CC

Abbastanza sorprendentemente, in seguito, sempre con un resistore, il LED funziona ancora, ma in particolare si oscura.

Non provatelo a casa bambini ... tranne, diamine, perché no ... è scienza !

Perché si illumina brevemente di giallo / rosso prima di "illuminarsi", non lo so. Probabilmente il risultato è diverso per ogni tipo di LED.


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Voglio vedere uscire il fumo - per favore!
skvery

Ok, forse domani proverò cosa succede quando lo
lascerò

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Se qualcuno decide di provarlo, indossa gli occhiali protettivi. I LED, in particolare quelli vecchi - diamine, quelli antichi - possono esplodere e far esplodere le cime. I LED più recenti, quelli ad alta luminosità, tendono invece a smettere di funzionare.
Sredni Vashtar,

Sono d'accordo con @SredniVashtar, ho usato dei LED chiari che si esauriscono all'istante.
Blake,

Questo è simile con i LED "bianchi luminosi" da 10 mm che funzionano senza resistore. Si accendono bene. Ma poi dimmerati. Quindi dimmer. Quindi Kapu.
SDsolar

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In pratica ci sono alcuni resistori "nascosti" o parassiti nel tuo esempio ipotetico di cui non sei a conoscenza. Per cominciare, la batteria ha una resistenza interna in serie. Il LED ha anche una resistenza come tutti i cavi del circuito. La caduta di tensione su tutti questi resistori oltre alla caduta di tensione intrinseca del LED si sommerà alla tensione della batteria.

L'unica domanda è: a quale corrente succede? Se è abbastanza alto, il tuo LED cucinerà e brucerà. La resistenza aggiuntiva sotto forma di un resistore reale in serie con il LED eviterà questo problema. Determinare il valore di questo resistore è un'opportunità per applicare la legge di Ohm.


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E nota che questo è il motivo per cui le batterie al litio sono così pericolose - la loro resistenza interna è abbastanza bassa da poter accendere un fuoco se in cortocircuito.
Loren Pechtel,

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Questo diagramma, con volt su Xaxis e corrente su Yaxis, viene utilizzato per "risolvere" graficamente l'equazione per i divisori di tensione a 2 componenti in serie. Può essere utilizzato per divisori puramente resistivi o come qui con diodi e resistori.

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

Inserire un secondo componente in serie, per condividere la tensione. Ad esempio, si desidera che il LED funzioni in modo sicuro con i suoi 3,1 volt e si abbia un RESISTORE per utilizzare i non necessari [9 - 3.1] = 5,9 volt. A 10 mA (che è possibile visualizzare come 100 ohm per volt), sono necessari 100 ohm / volt * 5,9 volt = 590 ohm. I valori comuni sono 560 Ohm e 620 Ohm.

Qui è necessario un circuito in serie: la sorgente a 9 volt e quindi DUE componenti per condividere la tensione della batteria.


Ora consente di utilizzare lo stesso diagramma IV di un nomografo per risolvere i divisori di tensione resistivi.

schematico

simula questo circuito


Questo ha votato. Questa è la risposta tecnicamente più accurata.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

Ma per evitare il burnout 20mA = 6V / 20mA = 300 Ohm valutato per 1 / 4W o più
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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La risposta alla domanda sul titolo è: il LED si accenderà.

La condizione è che la tua corrente rientri nei limiti minimo e massimo del LED in questione.

Una corrente bassa la farà bruciare debolmente e la corrente nominale la farà bruciare brillantemente. Troppa corrente farà esplodere il LED.

Limiti la corrente al valore desiderato (spesso da 15 a 20 mA) inserendo la resistenza corretta nel circuito.

Usa la legge di Ohm per risolverlo. R (ohm) = V (volt) / I (ampere).

Entro limiti ragionevoli, la tensione è abbastanza irrilevante per un LED, è la corrente che lo illumina. Naturalmente è necessario disporre di una tensione sufficiente per superare la caduta di tensione interna del LED all'estremità inferiore.


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In realtà una delle risposte più utili, una bella sintesi "la tensione è abbastanza irrilevante per il LED" Grazie.
Blake,

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Sono venuto qui per questa risposta
Florian Castellane,

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Non tutte le forniture a 9 V sono uguali. Alcuni faranno saltare il LED e altri no. (Dipende dalla corrente di corto circuito o dalla resistenza interna.)

9 V - 3,1 V = 5,9 V è "mancante". Questo viene fatto cadere all'interno dell'alimentazione a 9 V, nel filo e all'interno del LED. (Queste sono le resistenze che causano la perdita di tensione o la caduta di tensione.)

È molto difficile soffiare qualsiasi cosa senza calore, (eccetto per l'elettricità statica in MOS.) Il calore impiega tempo per accumularsi (e rilasciare il fumo. :-)

Il calore che distrugge il LED è dovuto alla tensione di 3,1 V, alla resistenza interna del LED, alla corrente (V / R) e al tempo. Parte del calore (prima che accada il fumo) viene disperso nell'ambiente. Ecco perché i dissipatori di calore vengono utilizzati in alcuni circuiti per prevenire il fumo.

V=ioR ,
P=Vio
E=Pt .

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In prima approssimazione, trascurando le resistenze interne, i LED hanno caratteristiche esponenziali in avanti I / V. In realtà, questa è la caratteristica della giunzione polarizzata in avanti: i dispositivi reali hanno una resistenza interna in serie, in genere alcuni Ohm.

La caduta di tensione "nominale" del LED è solo un punto sulle caratteristiche, di solito, la tensione che corrisponde a 20 mA o una corrente diretta nominale determinata.

Quando metti il ​​tuo led attraverso i poli della batteria, crei un circuito in serie che include una sorgente di tensione "ideale" di 9 V, il LED e la resistenza interna della batteria (diciamo, 2 Ohm)

Il punto di lavoro del tuo LED è l'intersezione delle sue caratteristiche in avanti con una linea di carico determinata dalla tensione della sorgente (9 V) e dalla resistenza interna della batteria. La caduta di tensione sul LED sarà molto più alta di quella nominale di 3,1 V.

A meno che il LED non sia un dispositivo ad alta corrente, la corrente supererà il valore nominale e il LED subirà o soffierà.


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Buona risposta. Cosa intendi esattamente con "Il punto di lavoro del tuo LED è l'intersezione delle sue caratteristiche in avanti con una linea di carico determinata dalla tensione di sorgente (9 V) e dalla resistenza interna della batteria", c'è una rappresentazione visiva di questo? Grazie!
Blake,

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I LED (e diodi in generale) sono un po 'strani. Come prima approssimazione al di sotto della soglia di tensione nessuna corrente può fluire, su di essa non vi sono restrizioni sul flusso di corrente.

Pensalo come una diga, quando l'acqua è al di sotto della diga è completamente bloccata. Una volta che il livello dell'acqua è sopra la sommità della diga, il suo flusso è illimitato, ma si perde comunque la quantità trattenuta dietro la diga.

Quindi, con un LED con una soglia di 3,1 V se si applica 9 V, è ancora necessario utilizzare 5,9 V. Questo verrà utilizzato dai resistori nel circuito come descritto dalla legge di Ohm, V = I * R. Se non hai aggiunto resistori, allora R è la resistenza interna delle batterie e la resistenza dei tuoi fili. Queste resistenze interne sono normalmente abbastanza piccole da poterle ignorare ma in questo caso sono tutto ciò che hai. Piccole resistenze e una tensione fissa indicano che la corrente sarà molto alta. Il LED avrà una corrente massima che può sopravvivere, circa 20 mA per i LED tipici. Se superi questo, si surriscaldano e si distruggono da soli.

Come ho detto all'inizio, questa è solo un'approssimazione di un LED, in pratica la caduta di tensione aumenta con la corrente. Tuttavia, tale aumento non è enorme, generalmente se ti trovi in ​​una situazione in cui devi tenerne conto, allora stai facendo qualcosa di molto sensibile, qualcosa di molto potente o stai correndo troppo vicino ai limiti dei componenti per cominciare. L'aumento non è certo sufficiente per influire sul risultato finale in questo scenario.


Davvero una buona spiegazione. Qual è la differenza tra soglia e tensione diretta? Alcuni affermano che l'FV è 3.1v, ma tu dici che è la soglia. Inoltre, è la CORRENTE che brucia il LED o la TENSIONE? Grazie!
Blake,

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Tutto ha resistenza. Periodo!

  • Ciò include batterie (ESR), diodi (Rs), induttori (DCR) Cappucci (ESR) e persino resistori (R);)
    • "Kirchhoff voltage loop (KVL)" insegna come utilizzare quella "tensione residua"
      • questo dopo che tutte le tensioni di alimentazione vengono aggiunte o sottratte
      • con la somma di tutte le parti in serie, ciascuna delle quali ha resistenza
    • quindi KVL ti insegna come calcolare la corrente o la portata risultante delle cariche nelle unità di Ampere o “Ampere” = 1000 milliampere (mA)
  • quindi questo "V rimanente" è attraverso la somma di tutte le parti R in un ciclo.

    • quando è un buon filo conduttore di solito (ma non sempre) ignoriamo la resistenza e la caduta di tensione.
  • quindi I = V / R di ogni parte dopo la tensione rimanente e la somma della resistenza del circuito espressa come rapporto.

  • le parti in grado di gestire MOLTE energie devono avere un R basso (tranne nella teoria della scuola elementare, diciamo che le batterie ideali hanno R = 0)

  • la somiglianza di tutti i diodi ha una resistenza inferiore al di sopra della tensione di soglia, Vt, se classificata per più potenza, alla tensione diretta nominale Vf

I LED a 3 V hanno una soglia intorno a 2,8 V e quindi possono essere 3,1 V +/- 10% a seconda dell'ampia tolleranza e, naturalmente, della potenza

 - 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

Quindi, con un LED bianco da 1 W e una batteria alcalina da 9 V qual è la tensione “rimanente” e la corrente risultante?

  • Come scegli R per limitare quella corrente?
  • Come scegliere la potenza nominale e l'aumento della temperatura.

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

risolvere per R

Suggerimento se R = 0, il LED diventa troppo luminoso e troppo caldo per sopravvivere

I tappi hanno ESR ma come isolanti = dielettrici, bloccano la corrente continua ma conducono la corrente alternata.

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